不同渠水位及其驟降對(duì)灌溉渠塹坡穩(wěn)定性的影響分析

李宏沖

（1.南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南南陽(yáng)473000；2.河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南南陽(yáng)473000）

不同渠水位及其驟降對(duì)灌溉渠塹坡穩(wěn)定性的影響分析

李宏沖1，2

（1.南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南南陽(yáng)473000；2.河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南南陽(yáng)473000）

為了研究渠道內(nèi)不同水位及其驟降對(duì)飽和黏性土灌溉渠塹邊坡穩(wěn)定性的影響，本文結(jié)合某大型灌區(qū)渠塹典型斷面，利用SLOPE/W軟件分析了不同渠水位下渠塹邊坡的安全系數(shù)和不同渠水位驟降至渠底面時(shí)渠塹邊坡的安全系數(shù)。結(jié)果表明：不同渠水位穩(wěn)定時(shí)安全系數(shù)隨渠水位的減小呈先減小后小幅增大的趨勢(shì)，在渠水位為3 m時(shí)，安全系數(shù)最??；渠水位驟降時(shí)安全系數(shù)隨渠水位的減小呈增大的趨勢(shì)，曲線由緩變陡再變緩，最后與穩(wěn)定時(shí)零水位的安全系數(shù)相同；比較穩(wěn)定和驟降時(shí)的安全系數(shù)，可以看出不同水位安全系數(shù)的差隨水位的降低逐漸減小。

渠塹；渠水位；驟降；穩(wěn)定性；影響分析

目前，國(guó)內(nèi)、外針對(duì)水庫(kù)水位變化對(duì)大壩壩坡以及庫(kù)區(qū)滑坡穩(wěn)定性的影響做了大量的研究工作。劉新喜［1］對(duì)庫(kù)水位下降滑坡穩(wěn)定性的研究，得到了庫(kù)水位下降時(shí)產(chǎn)生的滲流對(duì)滑坡的影響特點(diǎn)，其影響程度主要與滑坡體的滲透系數(shù)有關(guān)。GGriggiths D V等［2］研究了庫(kù)水位與浸潤(rùn)線作用下的邊坡穩(wěn)定性，通過(guò)自編的強(qiáng)度折減法有限元程序結(jié)合算例得到的邊坡安全系數(shù)與傳統(tǒng)方法得到的能很好的吻合。郭志華等［3］研究了庫(kù)水位下降速度、下降時(shí)間和滲透系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，得到庫(kù)水位下降速度越大，滑弧深度越大，安全系數(shù)隨水位降低和下降時(shí)間的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。郝飛等［4］研究了庫(kù)水位緩慢下降、驟降、驟升變化時(shí)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，得到在庫(kù)水位驟降或驟升時(shí)，滑坡安全系數(shù)均小于水位緩慢下降時(shí)的安全系數(shù)的結(jié)論。中村浩之等［4］對(duì)日本滑坡調(diào)查結(jié)果表明：接近六成滑坡發(fā)生在庫(kù)水位驟降時(shí)期，其余四成發(fā)生在水位上升時(shí)期，包括蓄水初期。Moregenstern N［5］利用極限平衡法，忽略孔壓消散的情況下，研究了均質(zhì)邊坡在庫(kù)水位變化時(shí)安全系數(shù)的變化，結(jié)果表明安全系數(shù)隨庫(kù)水位的上升呈增大的趨勢(shì)。張大鵬等［6］運(yùn)用SLOPE/ W軟件，對(duì)渠道位于邊坡后緣時(shí)，渠道在不同水位下的滲漏對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的影響進(jìn)行了模擬分析，得出了邊坡穩(wěn)定變化的規(guī)律。劉翠容等［7］對(duì)渠道位于路堤坡腳處，渠道不同水位降低速率下的滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出了路堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的變化規(guī)律。上述分析中多是針對(duì)水庫(kù)或者交通相關(guān)方面的邊坡進(jìn)行的穩(wěn)定性研究，而對(duì)水利工程中大中型灌區(qū)渠塹邊坡穩(wěn)定性分析的研究方面還很少。渠塹邊坡和大壩壩坡、庫(kù)區(qū)滑坡以及路堤邊坡相比，既有共同點(diǎn)，也有其特殊性，特別之處在于其對(duì)渠道水位變化更敏感。由于渠塹處于挖方段，兩岸地形較渠道高，地表水徑流和降雨時(shí)，缺少?gòu)搅髋判箺l件，還有受到渠水的浸泡，渠塹邊坡土體長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，在水位急劇變化或驟降過(guò)程中，坡體內(nèi)的孔隙水來(lái)不及排出，導(dǎo)致邊坡內(nèi)水位高于渠道內(nèi)水位，邊坡易失穩(wěn)滑塌。本文采用SLOPE/W軟件，對(duì)某大型灌區(qū)渠塹典型斷面邊坡在不同水位和不同水位驟降至渠底面的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了不同水位及驟降下安全系數(shù)的變化規(guī)律，為此類灌區(qū)渠道的設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)行提供了參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

灌區(qū)為大型灌區(qū)，灌溉面積15.87×104hm2。本文選取的灌區(qū)渠塹的典型斷面，位于總干渠，渠道底寬40 m，渠道深10 m，渠坡坡比為1∶2，兩岸地形較平坦，巖性均由黏性土組成。渠道正常灌溉時(shí)水深約6 m，最大過(guò)水深度約為9 m。由于渠道內(nèi)長(zhǎng)期有水，且水深較大，可認(rèn)為渠塹邊坡土體均為飽和狀態(tài)［8-10］。根據(jù)對(duì)灌區(qū)總干渠以往滑坡斷面的搜集和整理，發(fā)現(xiàn)滑坡多為淺層滑動(dòng)，后緣滑面通常距離坡上緣的距離小于10 m，滑動(dòng)面與坡面的垂直距離也小于10 m，故本次模型坡頂至左側(cè)距離取30 m，模型高取30 m。因此，根據(jù)典型斷面的尺寸和對(duì)稱性［11-13］，建立模型：長(zhǎng)70 m，左側(cè)高30 m，右側(cè)為渠底以下20 m，模型渠底寬取一半的實(shí)際渠底寬度，為20 m，渠深和坡比依照典型斷面的實(shí)際尺寸，坡頂至左側(cè)距離30 m，如圖1所示。各土層的參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和土工試驗(yàn)提出的參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

首先進(jìn)行不同渠水位時(shí)渠塹邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，以渠道內(nèi)最大水位9 m起始，每次水位遞減1 m，直至渠水位為零時(shí)，分別計(jì)算在各自渠水位下的安全系數(shù)，每次計(jì)算時(shí)，假設(shè)渠塹邊坡內(nèi)的水位與渠水位齊平［9，14-15］，即渠坡土體浸潤(rùn)線水平。當(dāng)渠道水位為最大水位9 m時(shí)的岸坡穩(wěn)定性，采用Spencer法計(jì)算所得岸坡初始安全系數(shù)為2.265，見(jiàn)圖2。當(dāng)渠道水位為正常水位6 m時(shí)的岸坡穩(wěn)定性，采用Spencer法計(jì)算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.890，見(jiàn)圖3。

表1 渠塹邊坡各土層參數(shù)

然后再進(jìn)行不同渠水位分別驟降至零水位時(shí)渠塹邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，以渠道水位9 m驟降至零為起始，每次依舊減少1 m，以此類推，直至計(jì)算到零水位為止。在每次進(jìn)行驟降計(jì)算時(shí)，假設(shè)渠塹邊坡內(nèi)的水位與驟降前渠水位齊平，即渠坡土體浸潤(rùn)線不變。當(dāng)渠道水位由最大水位9 m驟降至零水位時(shí)，由于渠塹岸坡內(nèi)的孔隙水壓力來(lái)不及消散，極大的降低了岸坡的穩(wěn)定性，采用Spencer法按兩條水壓線計(jì)算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.416，見(jiàn)圖4。當(dāng)渠道水位由正常水位6 m驟降至零水位時(shí)穩(wěn)定性，采用Spencer法按兩條水壓線計(jì)算所得岸坡初始安全系數(shù)為1.494，見(jiàn)圖5。不同水位下穩(wěn)定和驟降的渠塹邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 渠水位9 m穩(wěn)定性計(jì)算

圖3 渠水位6 m穩(wěn)定性計(jì)算

圖4 渠水位9 m驟降至0 m穩(wěn)定性計(jì)算

圖5 渠水位6 m驟降至0 m穩(wěn)定性計(jì)算

表2 渠塹渠水位穩(wěn)定或驟降時(shí)的安全系數(shù)

圖6 穩(wěn)定及驟降時(shí)渠塹邊坡安全系數(shù)

2.2 渠塹穩(wěn)定性分析

根據(jù)表2中的計(jì)算結(jié)果，制成了不同渠水位及其驟降渠塹邊坡安全系數(shù)（圖6）和不同水位穩(wěn)定時(shí)與驟降時(shí)安全系數(shù)差值（圖7）的變化曲線。

由圖6中上方的曲線可知：在渠水位為3 m時(shí)，渠塹邊坡的安全系數(shù)最小，為1.720；渠水位自9 m、8 m直至3 m時(shí)，渠塹邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，水位高時(shí)曲線較陡，反映到安全系數(shù)減小的快，水位越接近3 m，曲線越緩，相應(yīng)的安全系數(shù)減小的越慢；當(dāng)渠水位小于3 m直至零水位時(shí)，安全系數(shù)緩慢增大，曲線變化的趨勢(shì)基本呈線性增大。由圖6中下方的曲線可知：當(dāng)渠水位分別由9 m、8 m、7 m驟降時(shí)，安全系數(shù)緩慢增大，增大幅度在0.021～0.031之間；當(dāng)渠水位由6 m～3 m驟降時(shí)，安全系數(shù)增速變快，曲線變陡，增大幅度在0.042～0.062之間；當(dāng)渠水位由2 m～0 m驟降時(shí)，安全系數(shù)增速又開(kāi)始變緩，且越來(lái)越接近穩(wěn)定時(shí)的安全系數(shù)，并在零水位時(shí)與穩(wěn)定時(shí)重合，增大幅度在0.040～0.049之間；驟降時(shí)，渠水位在6 m～3 m之間時(shí)，曲線最陡，安全系數(shù)增加最快，渠水位在2 m～0 m之間時(shí)次之，渠水位在9 m～7 m之間時(shí)，曲線最緩，安全系數(shù)增加最慢。

圖7 穩(wěn)定與驟降時(shí)安全系數(shù)差值

由圖7可知：當(dāng)渠水位在9 m～4 m時(shí)，穩(wěn)定與驟降時(shí)安全系數(shù)的差值逐漸減小，安全系數(shù)差值減小較快，基本呈線性變化，曲線較陡，減小幅度在0.089～0.169之間；當(dāng)渠水位在3 m～0 m時(shí)，穩(wěn)定與驟降時(shí)安全系數(shù)的差值也呈逐漸減小的趨勢(shì)，最后在零水位時(shí)差值為零，安全系數(shù)差值減小變慢，曲線變緩，減小幅度在0.005～0.052之間；當(dāng)渠水位越高時(shí)，驟降的安全系數(shù)越小，兩者差值越大，高水位（6 m～9 m）時(shí)驟降的安全系數(shù)降幅達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的21.0%～37.5%，也能反映出水位驟降，渠塹邊坡土體內(nèi)的水來(lái)不及排出，水壓力不能及時(shí)消散，對(duì)渠塹邊坡穩(wěn)定性的危害程度。

3 結(jié) 論

根據(jù)不同渠水位穩(wěn)定和驟降時(shí)渠塹邊坡的穩(wěn)定性對(duì)比分析可知：渠水位穩(wěn)定時(shí)安全系數(shù)隨渠水位的減小呈先減小后小幅增大的趨勢(shì)，在渠水位為3 m時(shí)，安全系數(shù)最??；渠水位驟降時(shí)安全系數(shù)隨渠水位的減小呈增大的趨勢(shì)，曲線由緩變陡再變緩，最后與穩(wěn)定時(shí)零水位的安全系數(shù)相同；比較穩(wěn)定和驟降時(shí)的安全系數(shù)，可以看出不同水位安全系數(shù)的差隨水位的降低逐漸減小，且在高水位時(shí)穩(wěn)定和驟降的安全系數(shù)差別最大，安全系數(shù)降低幅度達(dá)到21.0%～37.5%。由上述分析可見(jiàn)，渠道水位驟降對(duì)渠塹邊坡有很大危害。在今后的渠道設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)行時(shí)，應(yīng)充分的考慮渠道水位對(duì)渠塹邊坡的影響，采取合理的設(shè)計(jì)、施工和管理運(yùn)行方案，減小或避免其對(duì)渠塹邊坡的不利影響。

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Effects of Different Water Levels to Sudden Drop of Drainage Canal Slope Stability

LI Hongchong1，2
（1.Nanyang Water Conservancy Survey and Design Institute，Nanyang，He’nan 473000，China；2.Henan Agile Water Survey and Design Research Ltd.，Nanyang，He’nan 473000，China）

In order to analyze the different channel water level and its impacts on the saturated cohesive plunged canal cutting slope stability，a typical large－scale irrigation canal cutting section was analyzed under different drainage canal water level cutting slope by using SLOPE/W software.The results show that different canal water level is stable safety coefficient with decreasing canal water level increased slightly decreasing trend，when the water level is 3 meters，the minimum safety factor，safety factor with the drainage canal rapid drawdown water level reduction small showed an increasing trend，and the final level of zero safety factor the same time stable，the safety factor is relatively stable and dips and the difference between different safety factor decreases with the level of water gradually decreases.

cut canal；canal water；sudden drop；stability；impact analysis

TU43

A

1672—1144（2016）05—0211—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.040

2016－06－04

2016－07－01

李宏沖（1985—），男，寧夏中寧人，碩士，工程師，主要從事水利水電、工民建、交通、市政、電力等行業(yè)的巖土工程勘察與治理工作。E－mail：2415214472@qq.com