庫岸邊坡的計算分析與處治

魏業(yè)清 李 歡 冼長策

(1.云南交通咨詢有限公司，云南 昆明 650000； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650201)

0 引言

水庫是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和社會發(fā)展的根本，在發(fā)電、防洪、灌溉、供水及改善生態(tài)環(huán)境等方面的效益及作用巨大。水庫竣工蓄水后，受庫水位上升影響，使庫岸處于新的水環(huán)境及水動力作用下，原本處在干燥狀態(tài)下的巖土因庫水浸泡而處于飽和狀態(tài)，其工程力學(xué)指標(biāo)惡化，粘聚力、內(nèi)摩擦角下降；庫岸遭受波浪的沖蝕作用；庫水位經(jīng)常變化，當(dāng)水位驟降時，坡體內(nèi)地下水不能及時排出，故而增加了庫岸巖土體的自重壓力和動水壓力，使得原本處于穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)下的邊坡有一部分發(fā)生變形破壞[1]。

水庫庫岸的巖土體會由于水庫水位的升降其含水率隨之產(chǎn)生變化，由于含水率的變化，巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)也會隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致岸坡變形破壞。研究巖土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率的變化是分析庫岸岸坡的變形破壞及其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。本文通過論述非飽和土的力學(xué)強(qiáng)度及變形基本理論，以某庫岸公路為背景，結(jié)合地質(zhì)資料，用有限元軟件建立工程模型，計算分析了在多種工況下的庫岸岸坡穩(wěn)定性，為庫岸邊坡防治提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 計算理論和方法

1.1 非飽和土滲流基本理論

在工程中，土體非飽和滲流與飽和滲流問題多數(shù)情況下同時出現(xiàn)并互相轉(zhuǎn)換，所以在研究滲流問題時，需要將飽和與非飽和兩種狀態(tài)作為一個整體進(jìn)行研究，建立出適合于飽和與非飽和滲流的方程[1]。飽和、非飽和土滲流方程就是將飽和土體的地下水運(yùn)動與非飽和土體的土壤水運(yùn)動用相同的方程描述。在飽和區(qū)只有水的運(yùn)動，而在非飽和區(qū)同時存在空氣和水的流體運(yùn)動。

假設(shè)二維土單元中的流體不可壓縮，那么由滲流的連續(xù)性可得[2]：

(1)

其中，S為源匯項(xiàng)，表示由蒸發(fā)或者降雨產(chǎn)生的計算范圍內(nèi)含水量的變化量，若引起含水量減少則為負(fù)，反之則為正；θ為土體單元的含水率；t為時間。

根據(jù)達(dá)西定律得：

(2)

(3)

其中，h為某點(diǎn)的測壓管水頭；kz,kx分別為z和x方向上的土體滲透系數(shù)。

將式(2),式(3)代式(1)可得[2]：

(4)

(5)

1.2 非飽和土極限平衡法

在邊坡穩(wěn)定計算中，所用的極限平衡法又叫條分法，是將滑動面之上的土體劃分成多個垂直土條。極限平衡理論依據(jù)的靜力學(xué)原理是[5]：垂直和水平方向力平衡，以及所有的力圍繞一點(diǎn)的力矩平衡，如圖1所示。在假定條間力作用方向后，極限平衡方程為靜定方程，使邊坡穩(wěn)定問題變成靜力平衡問題。式(6)表示滑體Y方向力平衡，式(7)表示滑體X方向力平衡，式(8)表示滑體的力矩平衡方程。

Psinθ+∑W-∑Smsinα-∑Ncosα=0

(6)

Pcosθ+∑Smcosα-∑Nsinα=0

(7)

-Pa+∑Wx-∑Nf-∑SmR=0

(8)

抗剪力Sm用Morgenstern和Fredlund提出的雙變量強(qiáng)度公式表示：

(9)

其中，W為寬度為“b”、高度為“h”的土條總重量；N為土條底面的總法向力；Sm為土條底面的抗剪力；E為土條間的水平作用力(下標(biāo)“R”表示土條的右側(cè)，“L”表示土條的左側(cè))；X為土條間的豎直剪切力(下標(biāo)“R”表示土條的右側(cè)，“L”表示土條的左側(cè))；R為土條底部抗剪力Sm至力矩中心的力臂；f為法向力N到力矩中心的力臂；x為力矩中心至土條中線的水平距離；h為土條頂面中點(diǎn)至土條底面中點(diǎn)的垂直距離；a為外力至力矩中心的力臂；P為外力；α為土條底邊中點(diǎn)的切線和水平面之間的夾角，當(dāng)夾角與邊坡傾角的方向一致時，為正號，反之為負(fù)號；β為土條底面的斜向?qū)挾?；θ為邊坡坡角；F為安全系數(shù)；φb為與基質(zhì)吸力(ua-uw)變化有關(guān)的摩擦角；φ′，c′為巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)，分別為有效內(nèi)摩擦角和有效內(nèi)聚力。

1.3 計算模型的建立

某二級公路的部分段落位于水庫庫岸，由于水庫建成蓄水，庫區(qū)水位上升，導(dǎo)致庫岸土體的含水率增加，進(jìn)而使抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低、容重增大，引起土體軟化、崩解以致坍塌；水面展寬后，風(fēng)浪增大，庫岸在波浪的侵蝕、淘刷及沖擊作用下，庫水面上下的土體被淘空形成波蝕龕，上部的土體因失去支撐而塌落，坡岸線隨之后移，對既有道路的運(yùn)營安全造成較大影響，見圖2。

為防止庫岸繼續(xù)坍塌，影響既有道路的安全，用有限元軟件建立工程模型，計算分析了多種工況下的庫岸邊坡穩(wěn)定性，為庫岸邊坡防治提供參考依據(jù)。根據(jù)實(shí)測的岸坡斷面和地質(zhì)資料，用有限元軟件建立數(shù)值模型，采用非飽和土強(qiáng)度理論及摩爾—庫侖屈服定律進(jìn)行數(shù)值模擬。計算中采用的模型土體參數(shù)為：1)松散碎石覆蓋層，c=18.3 kPa，φ=32.7°，γ=20.4 kN/m3；2)密實(shí)碎石層，c=25.3 kPa，φ=33.7°，γ=21.9 kN/m3。計算典型斷面如圖3所示。

2 計算結(jié)果分析

2.1 常水位的庫岸穩(wěn)定計算

當(dāng)水庫正常蓄水后，庫水位保持一定水位(高程為1 418.0 m)，在較長的一段時間里，岸坡土體內(nèi)滲流趨于穩(wěn)定狀態(tài)。通過有限元模擬計算，采用Morgenstern-Price方法，計算得岸坡初始安全系數(shù)為1.361，見圖4。

2.2 庫水位上升過程中的庫岸穩(wěn)定計算

據(jù)調(diào)查，在蓄水期庫水位的上升速率約為0.3 m/d，計算中假定庫水位從正常蓄水位1 418 m以0.3 m/d的速率上升至校核洪水位1 421 m，歷時10 d。經(jīng)計算，在水位上升過程中，將產(chǎn)生圖5所示的滲流，在水位變化及滲流壓力作用下，計算得岸坡安全系數(shù)隨水位升高逐漸升高，見圖6。

2.3 庫水位下降過程中的庫岸穩(wěn)定計算

據(jù)調(diào)查，水庫的泄洪速率約為1 m/d，計算中假定水庫遇連續(xù)暴雨天氣，需將庫水位降至死水位以起到調(diào)洪作用。即庫水位從正常蓄水位1 418 m以1 m/d的速率下降至死水位1 398 m，歷時20 d，同時伴有0.1 m/d的暴雨。經(jīng)計算，在水位下降過程中，將產(chǎn)生圖7所示的滲流，在水位變化、降雨及滲流壓力作用下，計算得岸坡安全系數(shù)隨水位降低先下降后升高，見圖8。

3 工程處治方案

經(jīng)過以上計算，此庫岸的最小安全系數(shù)為庫水位陡降至1 408 m時，F(xiàn)s=1.305；最大安全系數(shù)為庫水位上升至校核洪水位1 421 m時，F(xiàn)s=1.393，均能滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》的要求。因此，該岸坡自穩(wěn)能力強(qiáng)，不會產(chǎn)生大范圍滑坡地質(zhì)災(zāi)害。庫岸坍塌的主要原因是由于水庫蓄水后，水面變寬，風(fēng)浪加劇，庫岸在波浪的侵蝕、淘刷及沖擊作用下，庫水面上下的土體被淘空形成波蝕龕，上部的土體因失去支撐而塌落。

針對波浪侵蝕、淘刷和沖擊作用下的坍塌破壞，采用混凝土塊鉸鏈沉排對岸坡進(jìn)行防護(hù)?；炷翂K鉸鏈沉排能使岸坡免受庫水沖刷，它是一種新型的岸坡防護(hù)形式，用于庫岸整治工程，防護(hù)效果明顯。處治方案如圖9，圖10所示。

合理的施工工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制是混凝土塊鉸鏈沉排鋪設(shè)成功的關(guān)鍵，是保證庫岸穩(wěn)定的基礎(chǔ)?；炷翂K鉸鏈沉排施工，應(yīng)先進(jìn)行施工區(qū)域內(nèi)的水下地形檢測，如發(fā)現(xiàn)有孤石、突出尖狀物、樹木等則立即采取有效措施整平坡面，保證沉排體與坡面緊密貼合；水下鋪設(shè)深度為使沉排覆蓋住全部水庫的沖刷線為宜，在頂部宜加一段長為2 m～3 m的安全高度；對沉排所有外漏鋼筋和鋼結(jié)構(gòu)，均應(yīng)做好防銹蝕處理。

4 結(jié)語

水庫岸坡的坍塌或滑坡將減小庫容、影響庫岸設(shè)施的安全。在庫岸邊坡的治理中，應(yīng)先計算分析其整體穩(wěn)定性，確定引起庫岸坍塌的主要因素，進(jìn)而“對癥”治理，提出合理的處治方案。本文以某庫區(qū)二級公路為例，計算了在庫水位上升、下降等多種工況下的岸坡穩(wěn)定性。模擬分析表明，在庫水位驟降的工況下，庫岸邊坡內(nèi)浸潤線變化較快，岸坡土體內(nèi)留滯的水頭較大，產(chǎn)生向庫區(qū)(岸坡臨空面)滲流的動水壓力，致使庫岸穩(wěn)定安全系數(shù)降低。對于庫岸邊坡，在庫水位驟降工況下，因岸坡內(nèi)地下水快速外滲產(chǎn)生一定的動水壓力，使滑體的下滑力增大，抵消了因水位降低引起的強(qiáng)度增加和減重作用，導(dǎo)致坡體穩(wěn)定系數(shù)的迅速減??；當(dāng)庫水位穩(wěn)定后，隨著岸坡土體內(nèi)水頭消散，動水壓力減小，坡體穩(wěn)定性又逐漸增大。