庫(kù)岸高填方路堤穩(wěn)定性滲流耦合數(shù)值分析

顧中華

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著水利建設(shè)的迅猛發(fā)展，水庫(kù)的建設(shè)有時(shí)難以避免臨近既有高速公路進(jìn)行選址。目前，福建省已建成的龍巖何家陂水庫(kù)臨近既有的龍長(zhǎng)高速。在建和擬建的永春馬跳水庫(kù)和泉州白瀨水庫(kù)分別臨近既有的泉南高速和莆永高速。水庫(kù)建成后會(huì)浸沒(méi)既有高速公路部分橋梁的墩、臺(tái)邊坡和高填路堤，水位升降對(duì)邊坡和高填路堤的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

庫(kù)水位漲落導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象引起國(guó)內(nèi)外巖土工程專家、學(xué)者的關(guān)注，大量的文獻(xiàn)對(duì)庫(kù)水位上升和下降影響滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了較為深入和詳細(xì)的研究。劉紅巖，等[1]對(duì)庫(kù)水位上升條件下邊坡滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由于滲透系數(shù)的差異，基巖內(nèi)地下水位的抬升明顯滯后于上部松散堆積體。

劉才華，等[2]對(duì)庫(kù)水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在庫(kù)水位由坡腳上升到坡頂?shù)倪^(guò)程中，孔隙水壓力作用使邊坡穩(wěn)定性先降低后增加；廖紅建，等[3]結(jié)合庫(kù)水位下降期間不同滲透系數(shù)滑坡體的實(shí)際滲流場(chǎng)，對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，得到了庫(kù)區(qū)降水速度和滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的變化規(guī)律。但，庫(kù)水位升降影響庫(kù)岸人工填方路堤穩(wěn)定性的研究較少，鮮見文端。

本文以福建省龍長(zhǎng)(龍巖-長(zhǎng)汀)高速公路何家陂水庫(kù)影響段的高填路堤為工程實(shí)例，以有限元方法構(gòu)建水庫(kù)水位升降過(guò)程中的填方路堤的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)，進(jìn)而與傳統(tǒng)的極限平衡方法耦合，研究庫(kù)水位漲落對(duì)高填路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，希冀能為庫(kù)岸高填方路堤的穩(wěn)定評(píng)價(jià)和加固提供依據(jù)和借鑒。

1 庫(kù)岸高填路堤基本條件

龍長(zhǎng)高速公路何家陂水庫(kù)影響段高填路，堤長(zhǎng)320m，路堤邊坡共7級(jí)，坡腳高程為533m，路面高程為585m，最大邊坡高度約52m，該路堤已于2007年建成通車。2012年擬在路堤下側(cè)建設(shè)何家陂水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位為546.00m，設(shè)計(jì)洪水位為549.65m，水庫(kù)建成蓄水后高填路堤底部?jī)杉?jí)邊坡將被淹沒(méi)，路堤平面如圖1所示。

圖1 水庫(kù)蓄水后高填路堤平面示意圖

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)境內(nèi)峰巒疊嶂，山嶺聳峙，丘陵起伏，河谷與盆地錯(cuò)落相間，屬低山丘陵地貌，地形為南高北低。該段內(nèi)發(fā)育有3條小沖溝，沖溝近垂直于線路，溝谷底坡度較緩，自然坡度約12°～20°；但該段山脊和山谷間的小山脊坡度較大，自然坡度達(dá)35°～45°，局部大于45°。

2.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)主要分布泥盆系上統(tǒng)、石炭系下統(tǒng)及二疊系下統(tǒng)地層，根據(jù)該路段施工期間的補(bǔ)充勘察揭示：

2.3 水文地質(zhì)條件

該區(qū)地下水主要為下部強(qiáng)、弱風(fēng)化巖層的孔隙-裂隙水。施工期間鉆孔中未見地下水，但雨季時(shí)地面會(huì)有地表水滲入地下，尤其是左側(cè)山溝中的地表常年流水，直接滲入路基內(nèi)，會(huì)影響路基的穩(wěn)定；雨季時(shí)右側(cè)山溝會(huì)積水。

3 庫(kù)區(qū)影響段高填路堤穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析方法

運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio[4]對(duì)高填路堤在庫(kù)水位變化條件下的滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的滲流結(jié)果與傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行耦合，對(duì)庫(kù)水位的上升、下降和暴雨情況下分別對(duì)路堤穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性及路堤沿斜坡或軟弱層穩(wěn)定性[5]進(jìn)行計(jì)算。

3.2 高填路堤計(jì)算的地質(zhì)模型

根據(jù)鉆探資料[6]和水文地質(zhì)資料及水庫(kù)建成后的蓄水情況，建立高填路基典型地質(zhì)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 典型高填路堤地質(zhì)斷面圖

3.3 滲流分析

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的地層水文參數(shù)，使用Geo-studio系列軟件中seep/w模塊，對(duì)高填路堤的各種工況進(jìn)行滲流分析。seep/w模塊具有飽和-非飽和非穩(wěn)定滲流計(jì)算功能。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)勘察期間的地下水位作為初始水位，先進(jìn)行庫(kù)水位上升過(guò)程的模擬計(jì)算，然后再以上升后的穩(wěn)定水位作為初始水位進(jìn)行庫(kù)水位下降過(guò)程的模擬計(jì)算。

填方段土體滲透系數(shù)7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，其下伏強(qiáng)風(fēng)化基巖滲透系數(shù)2.3×10-3～6.2×10-5cm/s，含碎石亞粘土層滲透系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)取值。

在非飽和土滲流計(jì)算數(shù)值模擬過(guò)程中，非飽和土的水分特征曲線和非飽和土的滲透系數(shù)是基礎(chǔ)性要素。直接量測(cè)非飽和土的滲透系數(shù)代價(jià)很高，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量非飽和土的滲透系數(shù)不太現(xiàn)實(shí)。本文采用Modified Kovacs方法[7]計(jì)算該段路堤非飽和土水分特征曲線和水力傳導(dǎo)系數(shù)，填土的計(jì)算成果如圖3～圖4所示。

圖3 非飽和土水分特征曲線

圖4 水力傳導(dǎo)系數(shù)

首先按照1m/d的速率上升至正常蓄水位，再設(shè)置90d延長(zhǎng)期以待達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，然后以4m/d時(shí)間，水位由蓄水位的穩(wěn)定狀態(tài)驟降至原地面。對(duì)于設(shè)計(jì)洪水位，以蓄水位的穩(wěn)定滲流為基礎(chǔ)，按照1m/d的速率上升至設(shè)計(jì)洪水位，再設(shè)置30d延長(zhǎng)期以待達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，然后以4m/d時(shí)間，水位由設(shè)計(jì)洪水位的穩(wěn)定狀態(tài)驟降至原地面。水位升降過(guò)程中，路堤內(nèi)的浸潤(rùn)線如圖5～圖6所示。

圖5 庫(kù)水位上升至正常蓄水位瞬態(tài)浸潤(rùn)線

圖6 庫(kù)水位由設(shè)計(jì)洪水位驟降至原地面浸潤(rùn)線

計(jì)算結(jié)果表明，高填路堤在庫(kù)水位升降條件下的滲流場(chǎng)符合一般滲流規(guī)律，庫(kù)水位從低水位上升至高水位時(shí)，水體由路堤外向內(nèi)入滲，由于填方體內(nèi)細(xì)顆粒填料的滲透滯后，路堤內(nèi)的飽和滲流場(chǎng)是向內(nèi)凹的；庫(kù)水位從高水位下降至低水位時(shí)，水體由路堤向外排泄，填料內(nèi)孔隙水壓力滯留，路堤內(nèi)飽和滲流場(chǎng)是向外凸的，但外凸不是很明顯。

3.4 暴雨工況穩(wěn)定性分析

根據(jù)庫(kù)水位升降飽和與非飽和滲流數(shù)值計(jì)算得到路堤暫態(tài)孔隙水壓力，代入slope/w計(jì)算各種工況的高填路堤的穩(wěn)定性。

計(jì)算所用各土層的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

路堤穩(wěn)定性計(jì)算的工況較多，由于篇幅所限，本文僅列出暴雨工況下路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨庫(kù)水位變動(dòng)的變化情況。暴雨工況下巖土層的物理力學(xué)采用飽和快剪指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 高填路堤穩(wěn)定性隨庫(kù)水位變動(dòng)的變化情況

計(jì)算結(jié)果表明，水庫(kù)開始蓄水時(shí)，由于靜水壓力的作用，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)有所增加；延長(zhǎng)期，隨著水位上升穩(wěn)定后，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)略有下降；水位驟降時(shí)，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，路堤內(nèi)地下水位較高，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)急劇下降，路堤處于失穩(wěn)狀態(tài)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在既有高填路堤區(qū)域建設(shè)水庫(kù)，在暴雨季節(jié)水庫(kù)泄洪時(shí)，高填路堤存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。所以，在建設(shè)水庫(kù)前期，應(yīng)對(duì)既有路堤進(jìn)行加固，確保公路的運(yùn)營(yíng)安全。

3.5 填料滲透系數(shù)對(duì)高填路堤穩(wěn)定性分析

由于填方土體滲透系數(shù)為7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，所以，進(jìn)一步地考慮填方段滲透系數(shù)對(duì)高填路堤的穩(wěn)定性影響。滲透系數(shù)取3.3×10-5cm/s、1.5×10-4cm/s、4×10-4cm/s、5×10-4cm/s和7.6×10-4cm/s，各土層物理力學(xué)指標(biāo)取飽和快剪指標(biāo)，如表1所示。

(1)庫(kù)水位上升

從圖8中可以看出，庫(kù)水位上升階段，路堤受到庫(kù)水產(chǎn)生的靜水壓力，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著庫(kù)水位的上升而逐漸增加。

從圖9中可以看出，隨著路堤填土滲透系數(shù)的不斷增大，路堤地下水位上升速率也隨之增大，加劇了滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度降低和填土容重增大的速率，使得路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著滲透系數(shù)的增大而減少。

圖8 高填路堤穩(wěn)定性與庫(kù)水位上升關(guān)系圖

圖9 高填路堤穩(wěn)定性隨滲透系數(shù)的變化

(2)庫(kù)水位穩(wěn)定期

圖10 高填路堤穩(wěn)定性與庫(kù)水位關(guān)系圖

從圖10中可以看出，當(dāng)庫(kù)水位處于穩(wěn)定期，不同滲透系數(shù)下的填土路堤安全系數(shù)均隨著蓄水時(shí)間的增加而減少，由此可說(shuō)明，隨著蓄水時(shí)間的增加，路堤地下水位逐漸升高，使得路堤的抗剪強(qiáng)度和容重增加，降低了路堤穩(wěn)定性。但是，當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，路堤安全系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間增長(zhǎng)，在一定時(shí)間內(nèi)的安全系數(shù)仍然隨著滲透系數(shù)的增大而減少。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，路堤地下水位上升的速率隨著路堤滲透系數(shù)的減少而減少，較小的路堤滲透系數(shù)能夠減緩庫(kù)水向路堤滲透，對(duì)于水位上升期和穩(wěn)定期的路堤穩(wěn)定性有利。

(3)庫(kù)水位下降

圖11 高填路堤穩(wěn)定性與庫(kù)水位關(guān)系圖

圖12 庫(kù)水位下降與高填路堤安全系數(shù)降低速率的關(guān)系

從圖11可以看出，由于地下水位的下降滯后于庫(kù)水位的下降，不同滲透系數(shù)下的填土路堤安全系數(shù)均隨著庫(kù)水位的下降而減少。

從圖12可以看出，當(dāng)滲透系數(shù)為3.3×10-5時(shí)，路堤穩(wěn)定性降低速率較大，由此說(shuō)明，路堤滲透系數(shù)較小將會(huì)使得路堤地下水位滯后性更加明顯，安全系數(shù)降低的速率增大，不利于路堤的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)運(yùn)用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio對(duì)高填路堤在庫(kù)水位變化條件下的滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的滲流結(jié)果與傳統(tǒng)的極限平衡方法進(jìn)行耦合，計(jì)算庫(kù)區(qū)影響段高填路堤的穩(wěn)定性。該方法是合適的，且所得的計(jì)算結(jié)果較為符合實(shí)際。

(2)庫(kù)水位上升時(shí)，水體由路堤外向內(nèi)入滲，路堤內(nèi)的滲流場(chǎng)是向內(nèi)凹的；庫(kù)水位下降時(shí)，水體由路堤向外排泄，路堤內(nèi)滲流場(chǎng)是向外凸的，但外凸不是很明顯。

(3)水庫(kù)開始蓄水時(shí)，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)有所增加；水位穩(wěn)定后，安全系數(shù)略有下降；水位驟降時(shí)，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，安全系數(shù)急劇下降。

(4)水庫(kù)水位上升期和穩(wěn)定期，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨著滲透系數(shù)的增大而減少；水位驟降時(shí)，路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)降低速率隨著滲透系數(shù)的降低而增大。