冷清公路水庫庫岸樁錨加固后的滲流變化規(guī)律
2018-05-22 08:50:27朱江林張林洪彭邵勇胡樂文
水資源與水工程學報 2018年2期
朱江林， 張林洪， 彭邵勇， 李 冰， 胡樂文
(1.昆明理工大學 電力工程學院， 云南 昆明 650500； 2.云南交通咨詢有限公司， 云南 昆明 650031)
1 研究背景
水庫岸坡是常見的非飽和邊坡，庫水位的升降和降雨改變岸坡土體飽和度，改變岸坡內(nèi)浸潤線和孔壓場，從而影響岸坡的穩(wěn)定[1-2]。Richards[3]把達西定律引入非穩(wěn)定滲流中，使浸水邊坡的非穩(wěn)定滲流研究更進一步，也使?jié)B流問題的研究更加完善。Topp等[4]在Richards 方程基礎上提出非飽和滲透系數(shù)是壓力水頭或含水量的函數(shù)，為達西定律應用到飽和-非飽和滲流分析提供了理論依據(jù)。
Neuman[5]提出的有限元數(shù)值解法把飽和區(qū)土體和非飽和區(qū)土體作為一個整體求解，為飽和-非飽和滲流數(shù)值分析研究奠定了基礎。對庫岸路基邊坡進行穩(wěn)定性研究時，探索水在邊坡內(nèi)的滲流效應，分析滲流作用下巖土體內(nèi)的浸潤線及孔隙水壓力變化規(guī)律十分重要。Schnellmann等[6]建立邊坡物理方程模擬水位上升時邊坡的滲流與破壞，發(fā)現(xiàn)坡內(nèi)浸潤線上升因為非飽和土低滲透率的影響被延遲，不同的邊坡幾何外形、土體類型和邊界條件，浸潤線上升延遲效果不同。Yan Zongling等[7]研究水位變化對坡內(nèi)浸潤線變化的影響，發(fā)現(xiàn)坡內(nèi)浸潤線的變化與測壓點距離坡面與水面交點的距離、土體的飽和狀態(tài)和水位變化速率等有關(guān)。劉博等[8]建立庫水位下降時庫岸路基的數(shù)值模型，變化非飽和土體中3個待定參數(shù)a，m和n，分析土體不同的非飽和滲流特性對邊坡內(nèi)浸潤線位置和安全系數(shù)的影響。謝新宇等[9]基于Boussinesq方程確定邊坡浸潤線，研究了帶擋墻路基的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)庫岸公路邊坡的穩(wěn)定性與庫水位變化幅度及變化速率有關(guān)；庫水位變化對擋土墻的穩(wěn)定性存在影響。張文杰等[10]分析飽和滲透系數(shù) 、土水特征曲線斜率 對水位升降過程中邊坡安全系數(shù)的影響，得到滲透系數(shù)較小和較大時安全系數(shù)變化規(guī)律不同。何忠澤等[11]研究庫水位變化時滑床砂卵石層滲透性對滑坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)庫水位上升階段、高水位運行階段和下降初期，老滑坡各級滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨砂卵石層滲透系數(shù)的增大而減?。粠焖环€(wěn)定在一定值時，老滑坡整體穩(wěn)定性隨滲透系數(shù)的增大而增大，滲透系數(shù)的變化對次級滑體和三級滑體的穩(wěn)定性影響不明顯。
掌握岸坡加固后的滲流變化規(guī)律，能夠更好地研究岸坡加固方法與措施的加固機理，從而采取科學合理的加固措施，對保障岸坡安全非常重要。目前對岸坡內(nèi)滲流所進行的研究大多為岸坡未加固或者是擋墻加固時庫水位變化及滲透系數(shù)對岸坡浸潤線和穩(wěn)定性的影響，而對岸坡樁加固和錨加固后，加固措施對岸坡滲透規(guī)律影響的研究較少。為此，本文以冷清公路岸坡為研究對象，采用有限元軟件GEO-Studio中的SEEP/W模塊進行庫區(qū)邊坡二維飽和-非飽和滲流計算，分析岸坡錨桿(索)和樁加固后浸潤線及孔隙水壓力變化規(guī)律。
2 研究方法
2.1 SEEP/W計算原理
SEEP/W的理論公式是基于飽和與非飽和土體滲流的達西定律。達西定律最初是基于飽和土，但研究表明達西定律也可用于非飽和土滲流，區(qū)別之處在于非飽和滲流的滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是隨著含水量的變化而變化，孔隙水壓力在非飽和土中表現(xiàn)為負值[12]。飽和-非飽和滲流控制方程就是指將飽和區(qū)地下水運動與非飽和區(qū)土壤水運動用統(tǒng)一的控制方程來描述，在飽和區(qū)只存在水的運動，在非飽和區(qū)同時存在空氣和水兩種流體的運動，二維滲流的一般控制微分方程為：
(1)
式中：θ為單位體積含水量，m3/m3；t為時間，s;H為總水頭,m;Q為施加的邊界流量,m3/s;kx、ky分別為x、y向的滲透系數(shù)，m/s。
若土體為飽和滲流，土體含水率是飽和含水率，滲透系數(shù)是飽和滲透系數(shù)，假設水沒有壓縮性，則?θ/?t=0。體積含水量的改變依賴于應力狀態(tài)的改變和土的性質(zhì)，飽和與非飽和情況下的應力狀態(tài)都可用兩個應力狀態(tài)變量σ-ua和ua-uw來表達，其中σ是總應力，ua是孔隙氣壓力，uw是孔隙水壓力。在總應力不變(即土體未受到外荷載作用)的條件下，且假定瞬態(tài)問題孔隙氣壓為恒定的大氣壓，則單位體積含水量的改變只取決于ua-uw的改變。在ua恒定時，單位體積含水量的變化僅是孔隙水壓力變化量的函數(shù)[13]。飽和-非飽和滲流控制方程為：
(2)
在控制方程的基礎上采用加權(quán)余量的伽遼金方法，得到二維滲流的有限元方程式[14]：
(3)
式中：[B]為梯度矩陣； [C]為單元滲透系數(shù)矩陣； {H}為節(jié)點水頭向量；
2.2 計算模型
冷清公路為云南省紅河州冷墩至清水河二級公路，起點至 K42+000 范圍的路基均在馬堵山水庫庫區(qū)范圍，形成庫岸路基。水庫蓄水后，K0+000～K42+000段水位變化對公路工程造成了影響，導致局部路基出現(xiàn)開裂，下邊坡失穩(wěn)、坍塌。另在水庫蓄水后天然地層的地下水位升高、岸坡坡體含水量增大和變化，導致公路所在坡體巖土體產(chǎn)生膨脹或收縮，使得路基出現(xiàn)沉陷和向下滑移、路面開裂破壞等公路病害。根據(jù)冷清公路的具體情況，選擇具有代表性的岸坡概化成計算邊坡剖面，如圖1所示。公路路面高程為110 m，公路寬度為7 m。公路下部庫岸邊坡高65 m，坡度45°，為10m厚碎石土1覆蓋層+10 m碎石土2覆蓋層+基巖；公路上部庫岸邊坡高40 m，坡度45°，為5 m厚碎石土1覆蓋層+10 m碎石土2覆蓋層+基巖。加固方式選取常用的錨加固和樁加固。加固位置設定在公路下方岸坡水位變化區(qū)域內(nèi)，如圖1(a)、(b)所示。錨桿鋪設參數(shù)為：從上到下鋪設9排錨桿，錨固角為15°，錨間距4 m，自由段長度15 m，錨固段長度為10 m。樁鋪設參數(shù)為：鋪設2排抗滑樁，排間距為5 m，樁長為35 m。
圖1 冷清公路庫岸邊坡概化模型
考慮岸坡庫水位變化設置2種工況，工況1(蓄水期)：0～60 d庫水位從初始死水位85 m上升到104 m，60～180 d庫水位高程保持104 m；工況2(泄水期)：180～240 d庫水位從104 m下降到85 m，240～300 d庫水位高程保持85 m。初始庫水位為死水位，庫水位以上為零流量邊界，庫水位以下為定水頭邊界，兩側(cè)邊界及底部邊界為不透水邊界，邊界條件采用總水頭-時間函數(shù)反映庫水升降變化。結(jié)合工程勘察和鉆孔資料，采用反演方法，并與鉆孔勘探所得到的地下水位高程相互驗證，獲得天然邊坡材料的飽和滲透系數(shù)。在錨加固區(qū)其縱向是連續(xù)的，其滲透系數(shù)為水泥土和土的滲透系數(shù)的綜合反映，由于工程沒有進行相關(guān)試驗，只能參考相關(guān)文獻選取；對于樁加固區(qū)其縱向是不連續(xù)的，但因為是平面計算，這里只能考慮有樁的斷面部分，有樁部分的滲透系數(shù)取混凝土樁的滲透系數(shù)并考慮有繞流作用進行適當折減取值；無樁部位的坡面與天然邊坡相同。邊坡飽和滲透系數(shù)取值如表1。通過土體的粒徑分布曲線確定體積含水量函數(shù)，通過Van Genuchten模型預測非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，如圖2所示。選取公路庫岸邊坡特征點分布如圖3所示，在高程85、95、104、110、115 m各取5個點，按離坡面由近到遠編號，路面5個點編號分別為1、2、3、4、5。
3 數(shù)值模擬與分析
3.1 浸潤線和速度矢量圖分析
通過模擬計算工況1與工況2情況下庫岸邊坡的滲流演變情況，得到水位變化過程中未加固、錨加固、樁加固情況下的孔隙水壓力等值線分布圖和速度矢量圖，如圖4所示。0 d時為初始死水位穩(wěn)態(tài)滲流，浸潤線與初始死水位持平，孔隙水壓力等值線為水平直線。0～300 d，整個水位變化過程中滲流為瞬態(tài)場。
由不同時刻滲流計算結(jié)果分析可得：錨桿加固后，同一時刻浸潤線形狀發(fā)生了變化，同一橫坐標對應浸潤線位置也發(fā)生了變化。當水位上升到錨固區(qū)域后(如圖4(a2))，錨加固區(qū)域內(nèi)注漿土體滲透系數(shù)較小，對坡內(nèi)的滲流形成阻礙作用，使?jié)B流入射方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，向未加固區(qū)(沒有受到注漿影響的區(qū)域)滲流，滲流路徑有繞開錨加固區(qū)域的趨勢。錨固區(qū)域內(nèi)滲流路徑主要呈兩種方式：靠近坡面?zhèn)儒^固區(qū)域，由坡外指向錨固區(qū)；坡體內(nèi)錨固區(qū)域，由錨固區(qū)下側(cè)指向錨固區(qū)域。錨固區(qū)域內(nèi)浸潤線位置逐漸抬升，靠近坡面錨固區(qū)域內(nèi)浸潤線位置上升速率滯后于未加固時的浸潤線位置上升速率。遠離坡面的錨固區(qū)域外，由于滲流路徑的改變，開始一段時間內(nèi)，注漿區(qū)域的浸潤線位置高于未加固，隨時間延長一部分錨固區(qū)浸潤線會低于未加固區(qū)域。水位開始下降的一段時間內(nèi)，靠近坡面處錨固區(qū)域內(nèi)的滲流矢量由坡內(nèi)指向坡外，稍遠側(cè)指向錨固區(qū)域外的未注漿區(qū)域，最終繞過錨固區(qū)流向坡體外。錨固體外的坡體滲流路徑呈繞開錨固區(qū)向坡體外滲流，浸潤線逐漸降低；較遠側(cè)滲流路徑仍由坡體外指向坡體內(nèi)，浸潤線位置較未加固情況的高，并出現(xiàn)注漿區(qū)和未注漿區(qū)的2個浸潤線，錨加固的錨固區(qū)浸潤線位置相對未加固坡體的浸潤線高，而錨加固的未錨固區(qū)的浸潤線相對未加固坡體的浸潤線低(如圖4(b2))；隨著時間延長，錨固區(qū)域外浸潤線位置全部呈下降趨勢。水位下降到死水位之后，由于錨固區(qū)內(nèi)水流逸出較慢，浸潤線出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象(如圖4(c2))。相比未加固時，靠近坡面錨固區(qū)域內(nèi)的浸潤線位置較高，說明錨固區(qū)內(nèi)浸潤線變化更滯后；而錨固區(qū)域外遠離坡面處和下側(cè)靠近坡面未注漿區(qū)的浸潤線位置在死水位穩(wěn)定運行初期均比未加固時低，這是由于滲流路徑的改變和滲流量及滲流的分流作用等原因所致，相對未加固坡體，錨加固后水庫滲入坡體的水量小，需滲出的水量也相對較小，而且錨固區(qū)的滲流阻力較大，錨固區(qū)滯留了一部分水量，從而未錨固區(qū)的浸潤線下降加快，位置相對更低。隨著時間延長，錨固區(qū)域外遠離坡面處和下側(cè)靠近坡面未錨固區(qū)的浸潤線位置和未加固時的浸潤位置相近。
表1 邊坡飽和滲透系數(shù)取值表
圖2 碎石土1及碎石土2-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線
圖3 公路庫岸邊坡特征點分布
樁加固后，在整個庫水位變化過程中，相對未加固的岸坡而言，由于樁體的滲透系數(shù)較碎石土體的滲透系數(shù)低，加固樁體對滲流有一定的阻礙作用。在水庫水位上升和下降過程中(如圖4(a3)、4(b3)、4(c3))，在樁體位置存在一定的繞滲現(xiàn)象，在樁體之間存在垂直向下的滲流現(xiàn)象，浸潤線在樁體兩側(cè)存在落差，在水庫水位上升時浸潤線在樁外側(cè)(靠水庫一側(cè))的位置明顯高于樁內(nèi)側(cè)(靠山一側(cè))的位置，在水庫水位下降時浸潤線在樁內(nèi)側(cè)(靠山一側(cè))的位置明顯高于樁外側(cè)(靠水庫一側(cè))的位置。從樁加固與錨固的情況對比看，樁加固的阻滲作用較錨加固的阻滲效果差些。
3.2 孔隙水壓力變化曲線圖分析
計算得到的相應特征點的孔隙水壓力隨時間的變化曲線見圖5～7。由y=85 m、y=95 m各點孔隙水壓力變化曲線可以看出：無論加固與否，正常蓄水位以下各點孔隙水壓力均隨庫水位變化而變化。同一高程坡體內(nèi)的點孔隙水壓力都是從初始值開始上升，變化趨勢大體一致。在庫水位上升(下降)時，孔隙水壓力隨著庫水位增大(減小)；在庫水位上升或下降穩(wěn)定后，坡體內(nèi)的孔隙水壓力的變化也逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由于同一高程坡體內(nèi)的點對庫水位變化響應的滯后效應從邊坡前緣(水庫側(cè))至邊坡后緣(山體側(cè))逐漸增大，因此，坡體內(nèi)的點到庫岸坡面的距離對孔隙水壓力變化的滯后時長影響較大。
圖4 不同時刻不同加固情況滲流分析圖
圖5 y=85 m各點孔隙水壓力變化曲線
圖6 y=95 m各點孔隙水壓力變化曲線
圖7 y=104 m各點的孔隙水壓力變化曲線
錨桿和樁加固后改變了坡體內(nèi)的滲流路徑和滲流阻力，影響了坡體內(nèi)各點的孔隙水壓力值。y=85 m，61 d和180 d時錨加固后各點孔隙水壓力值小于未加固對應點的孔隙水壓力值。樁加固后位于樁后的8、9、10三點孔隙水壓力小于未加固對應點的孔隙水壓力值。300 d時，錨加固后各點孔隙水壓力值大于未加固對應點的孔隙水壓力值，樁加固后位于樁后的8、9、10三點的孔隙水壓力大于未加固對應點的孔隙水壓力值。y=95 m，未加固時各點孔隙水壓力分別從28、34、47、54、67 d開始發(fā)生變化，錨加固后各點孔隙水壓力分別從34、61、64、70、77 d開始發(fā)生變化，樁加固后各點孔隙水壓力分別從34、40、54、61、69天開始發(fā)生變化。180 d時錨加固后各點孔隙水壓力值比未加固各對應點的孔隙水壓力值小，樁加固后位于樁后的12、13、14、15四點孔隙水壓力比未加固各對應點的孔隙水壓力值小。300 d時錨加固后各點孔隙水壓力值比未加固各對應點孔隙水壓力值大，樁加固后位于樁后的12、13、14、15四點的孔隙水壓力比未加固各對應點的孔隙水壓力值大。
y=104 m時，正常蓄水位附近的土體孔隙水壓力值在水位變化過程中全為負，孔隙水壓力隨水位的變化發(fā)生了一定改變，這是由于毛細水的作用，孔隙水壓力大小由毛細水上升的高度確定。離坡面距離越遠，負孔隙水壓力的變化也越滯后。加固后滯后效應更明顯，錨加固后比樁加固的滯后效應相對更大。y=110 m，y=115 m時，離庫水面較遠，其孔隙水壓力幾乎不受庫水位變化的影響，加固后對各點孔隙水壓力也幾乎沒影響。
綜上所述，可知岸坡孔隙水壓力變化滯后于庫水位變化，其滯后性不僅與離水庫的水平距離和垂直距離有關(guān)，還與加固與否、加固方式有關(guān)，以及是否在加固影響區(qū)及其附近有關(guān)。錨桿和樁加固后改變坡體內(nèi)的滲流阻力和路徑，影響坡體內(nèi)的滲流流速、浸潤線位置和各點的孔隙水壓力變化。錨桿和樁加固使加固影響區(qū)域及其附近的孔隙水壓力變化更加滯后。
4 結(jié) 論
本文采用SEEP/W計算分析了錨和樁加固情況下水庫岸坡的滲流狀況及其變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：
(1)相對未加固措施而言，由于加固措施的實施，改變了水庫岸坡坡體的滲透性狀、面積和位置，從而導致岸坡的滲流矢量、浸潤線的位置和形態(tài)、孔隙水壓力的分布等發(fā)生了改變。
(2)從樁加固與錨加固的情況對比看，樁加固的阻滲作用較錨加固的阻滲效果差些。岸坡內(nèi)孔隙水壓力受庫水位的升降、分析位置到庫水或浸潤線的距離、加固區(qū)滲透系數(shù)的降低及其滲透系數(shù)降低區(qū)的面積和形狀等的影響，加固后岸坡滯后效應更明顯。
(3)由于加固措施的實施，導致孔隙水壓力等的變化，岸坡巖土的物理力學性質(zhì)也會隨之發(fā)生變化，進而影響岸坡的穩(wěn)定性。
(4)在進行庫岸穩(wěn)定性計算分析時，有必要先根據(jù)加固措施實施后岸坡的滲透性質(zhì)的變化進行滲流分析，在滲流分析的基礎上再進行穩(wěn)定性計算分析。
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