高水位驟降作用下堤防邊坡穩(wěn)定性研究

張家陽，王遠(yuǎn)明，蘇安雙，徐麗麗，王理想

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

江河、水庫水位驟降過快，導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引起工程災(zāi)害[1]。對土石壩因水位驟降導(dǎo)致滑坡進(jìn)行統(tǒng)計表明：壩體形成不利于邊坡穩(wěn)定的非穩(wěn)定滲流[2-3]。堤防邊坡穩(wěn)定性物理模型可以反映滲流的物理現(xiàn)象，能夠反映非穩(wěn)定滲流過程中的邊坡穩(wěn)定情況，在邊坡穩(wěn)定性研究中被廣泛應(yīng)用[4]。余湘娟等利用寬水槽模型，模擬了河流邊坡在高水位降落時的崩岸和穩(wěn)定，并分析多種因素對退水速度判別指標(biāo)的影響[5]。

國內(nèi)學(xué)者在研究水庫岸邊邊坡穩(wěn)定性時提出，邊坡失穩(wěn)最不利情況為長期浸泡后的水位驟降，水位驟降速度越快，邊坡沉降也就越大，邊坡就越不穩(wěn)定，最后形成明顯的位移集中區(qū)域[6-9]。賈官偉等[10]利用模型試驗(yàn)，監(jiān)測孔隙水壓力、土水總壓力變化情況及滑動面形態(tài)、坡面裂縫的形成和發(fā)展過程，揭示水位驟降引致邊坡失穩(wěn)的原因及失穩(wěn)模式。Lane and Griffiths[11]、 Berilgen[12]、 Alonso and Pinyol[13]對驟降條件下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。此外Nian等[14]結(jié)合滲流和邊坡穩(wěn)定性模型研究岸坡遭受瞬變非飽和滲流影響的穩(wěn)定性問題。而對于砂土筑堤高水位驟降情況下，堤防邊坡穩(wěn)定性如何還有待研究。

本文通過室內(nèi)模擬修筑提防模型，并開展邊坡穩(wěn)定性物理模型試驗(yàn)，利用水位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坡外水位的驟降，測試高水位浸泡及水位驟降過程中孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)裝置及模型

1.1 土料性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用土料取自黑龍江省某段吹填堤防，根據(jù)某堤防巖土工程勘察報告和試驗(yàn)資料，土樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—1999)[15]的要求進(jìn)行試驗(yàn)，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用土料主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)設(shè)備主要包括模型試驗(yàn)箱、地形自動測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)箱(3.4 m×1.0 m×1.3 m)四壁及底板均使用厚度為12 mm有機(jī)玻璃制作，四周采用厚度為10 mm、寬度為100 mm的角鋼加以固定。如圖1所示。

圖1 模型箱

地形自動測量系統(tǒng)(TTMS)基于先進(jìn)的超聲測距技術(shù)、智能控制技術(shù)設(shè)計，最小步進(jìn)長度為1 cm/s，測量精度為1 mm，誤差較小，定點(diǎn)定位測量自動化控制精度高。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要進(jìn)行孔隙水壓力參數(shù)的自動采集。在邊坡模型內(nèi)埋設(shè)了7個傳感器監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測各物理量的變化過程，其中包括7個孔隙水壓力計。測試儀器布置如圖2所示。第二層4個孔隙水壓力計埋設(shè)于與邊坡坡腳在同一高程的位置，間隔40 cm；第一層3個孔隙水壓力計埋設(shè)于高于邊坡坡腳20 cm的高程位置，間隔40 cm。用來監(jiān)測水位驟降過程中邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力變化，以掌握內(nèi)部的滲流狀況。

圖2 測試儀器布置圖

1.3 試驗(yàn)工況

1.3.1 模型比尺

根據(jù)流動系統(tǒng)相似理論，基于重力相似準(zhǔn)則，確定模型比尺如下[16]：

1.3.2 水位

將黑龍江省某段堤防設(shè)計典型斷面作為模型試驗(yàn)的設(shè)計斷面，本次試驗(yàn)填筑標(biāo)準(zhǔn)按照模型比尺得出，邊坡部分中迎水坡坡頂高度為112.9 cm，模擬堤基深度為50.0 cm，邊坡垂直高度為62.9 cm，迎水面坡比為1∶3.5。根據(jù)50 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計洪水位42.58 m，水深4.09 m。

1.3.3 驟降速度

根據(jù)水位驟降判斷條件“k/uv<1/10”《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)和土的物理力學(xué)性質(zhì)(滲透系數(shù)k為0.027 cm/s，給水度u為0.167)，以水位驟降速度表示，計算可知當(dāng)v>0.517 cm/s，屬于水位驟降狀態(tài)，本次試驗(yàn)采用水位驟降的臨界速度為0.517 cm/s，模型降水高度為0.41 m，故模型試驗(yàn)中理論降水時間約為79 s。室內(nèi)模擬水位浸泡驟降裝置如圖3所示：

圖3 室內(nèi)模擬水位浸泡驟降裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙水壓力變化

在模型的不同深度埋設(shè)壓力傳感器，監(jiān)測模型的孔隙水壓力，分析在長期浸泡后水位驟降條件下，堤防模型的孔隙水壓力變化情況。具體變化情況如圖4所示。

圖4 吹填堤防水位驟降階段孔隙水壓力變化

孔隙水壓力隨坡外水位下降而驟降，坡外水位降至底部后，堤身內(nèi)部水形成滲流并從邊坡滲出，在靠近溢出點(diǎn)4#處可見孔隙水壓力快速下降。當(dāng)坡外水位下降到坡底時，碾壓模型1#、4#、5#測得的孔隙水壓力下降約為0.53 kPa、1.34 kPa、0.68 kPa，均小于水位下降0.4 m所對應(yīng)的4.00 kPa。表明邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力下降滯后于邊坡外水位，且以1#位置滯后較多。由此可知，堤防有明顯的坡內(nèi)指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因，另一個原因是坡外水位快速下降，其對邊坡的推力作用迅速減小。

2.2 表面地形沉降

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱氐谭垒S線方向劃分為5個斷面，間隔距離20 cm。使用地形自動測量系統(tǒng)，對堤防斷面進(jìn)行監(jiān)測。如圖5～圖6所示，分別為碾壓筑堤水位驟降前后坡面地形云圖。

圖5 碾壓筑堤原始地形云圖

圖6 碾壓筑堤驟降后地形云圖

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪蠹八惑E降后分別進(jìn)行地形測量，測量結(jié)果如圖7～圖8所示，從圖中可以看出，由于底部水頭差，形成滲透力方向指向坡外；邊坡上部產(chǎn)生沉降對底部土體產(chǎn)生擠壓，可以很清晰看出在水位驟降工況下底部產(chǎn)生拱起，拱起最大值約1.71 cm。同時與原始地面比較，水位驟降工況下壩體沉降非常明顯，200～255 cm的輪廓發(fā)生較大變化，沉降值最大處發(fā)生在4#斷面，最大沉降4.33 cm。

圖7 吹填堤防水位驟降坡面各位置處平均變形量

圖8 堤防水位驟降坡面平均變形

3 結(jié) 論

(1)邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力下降滯后于邊坡外部水位，堤防有明顯的坡內(nèi)指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因，另一個原因是坡外水位快速下降，其對邊坡的推力作用迅速減小。

(2)在水位驟降過程中，坡內(nèi)產(chǎn)生指向坡外的滲透壓力，帶動土體由坡面向下滑動，邊坡上部產(chǎn)生沉降對底部土體產(chǎn)生擠壓。底部產(chǎn)生拱起，與原始地面比較，壩體沉降非常明顯。

(3)在水位驟降過程中，由于堤坡內(nèi)外的水頭差而產(chǎn)生滲透力，堤坡的穩(wěn)定系數(shù)快速下降，后期隨著孔隙水壓力的消散，穩(wěn)定性系數(shù)逐漸上升。