滲流和不良地質(zhì)條件對(duì)江河岸坡穩(wěn)定性的影響*

曹彭強(qiáng)

(安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

在天然河道中，由于水流和岸坡的相互作用而使岸坡失穩(wěn)是沿江地帶最突出的地質(zhì)災(zāi)害，我國(guó)以長(zhǎng)江中下游河段最為典型[1]。影響岸坡穩(wěn)定性的因素較多，Millar等[2]探討了河岸泥沙顆粒粒徑和內(nèi)摩擦角兩項(xiàng)關(guān)鍵因素對(duì)河岸穩(wěn)定性的作用;冷魁等[3-4]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江下游窩崩資料和江西彭澤馬湖堤崩岸資料的收集和分析，認(rèn)為崩岸的根本原因在于水流的側(cè)向侵蝕作用;黃本勝等[5]認(rèn)為引起岸灘失穩(wěn)的主要因素有岸坡土體本身的性質(zhì)、岸坡的高度、河道水位變化及其引起的滲透水動(dòng)壓力;Hemphin[6]指出，黏性土河岸容易出現(xiàn)裂縫，降雨形成地表徑流導(dǎo)致溝蝕也是崩岸的重大誘因。岸坡穩(wěn)定破壞的外因是流水沖刷導(dǎo)致的河床邊坡失穩(wěn)，內(nèi)因則是河床邊坡本身的土體性質(zhì)和滲流等所決定的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者主要以影響岸坡穩(wěn)定性的個(gè)別影響因素進(jìn)行討論，滲流與不良地質(zhì)條件共同作用下土體穩(wěn)定性破壞的發(fā)展趨勢(shì)與程度還未完全揭示。

本文對(duì)影響岸坡穩(wěn)定性的內(nèi)因進(jìn)行研究，基于不同影響因素對(duì)岸坡土體作用的理論研究基礎(chǔ)，針對(duì)滲流作用和不良地質(zhì)條件對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響，利用室內(nèi)試驗(yàn)所得土體參數(shù)，構(gòu)建滲流破壞的非穩(wěn)定數(shù)值模型，進(jìn)行江河岸坡穩(wěn)定性影響定量分析。

1 影響江河岸坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素

河流岸坡滲流包括3個(gè)方面：降雨入滲、土體所含地下水滲流運(yùn)動(dòng)及河水入滲與出滲[7-10]。地下水入滲，一方面增加土體本身的重力，從而增加坡體的荷載；另一方面引起土體含水率變化，從而導(dǎo)致土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化[11-12]。對(duì)于不良地質(zhì)條件岸坡，即存在裂縫、斷層發(fā)育、巖體破碎、地質(zhì)發(fā)生異變等情況的土體，河岸常見(jiàn)的有軟黏土、雜填土、沖填土、膨脹土、濕陷性黃土等土質(zhì)。本文主要考慮存在裂縫的粉質(zhì)黏土與雜填土條件下的河岸穩(wěn)定性。實(shí)際工程事故表明，在降雨過(guò)程中，土坡的安全系數(shù)隨時(shí)間不斷降低，但并不是在降雨結(jié)束時(shí)達(dá)到最低，而是在降雨結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，安全系數(shù)繼續(xù)降低，并在某一時(shí)間達(dá)到最低值[13]。

因此，綜合分析影響河岸穩(wěn)定的水流因素、河岸組成因素、地下水因素、岸坡形態(tài)因素及時(shí)間因素，可確定滲流與不良地質(zhì)條件影響岸坡穩(wěn)定性下的關(guān)鍵因素為降雨入滲、表層土有裂縫、河岸表層土受浸泡的軟化作用以及各因素隨時(shí)間的變化影響下土體的密度、滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等系數(shù)變化。

2 研究方法與結(jié)果分析

針對(duì)影響江河岸坡穩(wěn)定性關(guān)鍵因素，進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)與剪切試驗(yàn)，分析土的滲透系數(shù)隨圍壓變化、土的飽和密度隨圍壓變化、土的抗剪強(qiáng)度隨含水率及浸泡時(shí)間變化的規(guī)律，確定各關(guān)鍵參數(shù)與外部條件的關(guān)系式。通過(guò)案例分析，采用間接耦合的非穩(wěn)定數(shù)值模型計(jì)算岸坡穩(wěn)定系數(shù)變化，定量分析各影響因素對(duì)岸坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。

2.1 滲透試驗(yàn)

為了彌補(bǔ)變水頭滲透試驗(yàn)的側(cè)壁滲流問(wèn)題[14-15]，且縮短測(cè)量周期[16]，采用常規(guī)三軸滲透試驗(yàn)測(cè)量無(wú)圍壓和圍壓變化情況下土的滲透系數(shù)。分別制備干密度為1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3的試樣進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)。在進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)前先進(jìn)行土樣的固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)中控制有效應(yīng)力為20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，試樣固結(jié)完成后再進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 滲透系數(shù) cms

表1 滲透系數(shù) cms

有效應(yīng)力∕kPa干密度∕(g·cm-3)1.501.551.601.65206.10×10-52.58×10-59.50×10-62.47×10-6401.09×10-57.03×10-61.97×10-61.44×10-6608.18×10-65.05×10-61.53×10-61.06×10-6806.45×10-64.33×10-61.19×10-69.08×10-71005.02×10-63.25×10-61.09×10-65.40×10-71503.63×10-61.51×10-67.75×10-72.57×10-72002.16×10-68.03×10-73.61×10-71.07×10-72501.20×10-65.02×10-73.07×10-77.54×10-83007.82×10-74.30×10-72.66×10-77.27×10-83505.75×10-72.88×10-72.40×10-77.21×10-84004.46×10-72.06×10-71.99×10-77.18×10-8

由表1可知，粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)隨干密度的增大而減小，且受應(yīng)力的影響顯著。與應(yīng)力20 kPa相比，應(yīng)力為150 kPa條件下相差約1個(gè)數(shù)量級(jí)；在應(yīng)力為400 kPa條件下達(dá)到2個(gè)數(shù)量級(jí)(干密度為1.50 gcm3和1.55 gcm3)。隨著外部應(yīng)力持續(xù)增大，土的變形趨于穩(wěn)定，滲透性變化也趨于緩慢。

2.2 固結(jié)試驗(yàn)

采用SLB-1型全自動(dòng)三軸儀進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，確定不同性質(zhì)土體的應(yīng)力狀態(tài)隨圍壓與荷載的變化特征[17-19]。

制取飽和密度為1.85、1.90 、1.95、2.00 gcm3的試樣進(jìn)行三軸固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)中控制有效應(yīng)力為20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，分別測(cè)量各應(yīng)力階段試驗(yàn)后的飽和密度。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

由表2可知，粉質(zhì)黏土的飽和密度隨著應(yīng)力的增大而增大，在應(yīng)力為100 kPa以內(nèi)飽和密度增速較快；100 kPa以上趨于緩慢；在400 kPa時(shí)，飽和密度增幅為5%(原飽和密度為2.00 gcm3時(shí))至9%(原飽和密度為1.85 gcm3時(shí))。

表2 飽和密度試驗(yàn)結(jié)果

2.3 剪切試驗(yàn)

取原狀土，人工增濕配制不同含水率的土樣，利用固結(jié)快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率及荷載的關(guān)系[20]。

分別制備干密度為1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3，含水率為15.2%、16.2%、16.8%、19.2%、20.8%、24.3%和34.0%(飽和狀態(tài))的試樣，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，研究不同干密度土樣在不同含水率情況下的抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，非飽和粉質(zhì)黏土的抗剪強(qiáng)度受含水率的影響較大，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而減小。隨著土樣含水率的增大，土顆粒表面的結(jié)合水膜厚度增加，水的黏滯性減弱，土中水的形式由主要為結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕獮樽杂伤?。同時(shí)，隨著土樣含水率趨于飽和，土中毛細(xì)水減少，吸力逐漸減小直至為0。因此黏聚力隨含水率的增加而減小。

表3 土樣的黏聚力 kPa

表4 土樣的內(nèi)摩擦角 (°)

2.4 案例分析

采用基于有限差分法的Visual MODFLOW程序計(jì)算研究區(qū)滲流場(chǎng)分布，利用Autobank軟件對(duì)岸坡進(jìn)行模擬，計(jì)算各工況下的安全系數(shù)，分析其變化規(guī)律。

2.4.1研究模型

以某河流均質(zhì)土壩為例，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。土壩的填筑材料為試驗(yàn)用粉質(zhì)黏土，下覆一隔水層。粉質(zhì)黏土的參數(shù)見(jiàn)表5。河流初始水位為46 m，瞬時(shí)下降為42 m。土壩初始流場(chǎng)設(shè)為水平，水頭與河流水位相平為46 m。

邊界條件：PQ為隔水底板，作為不透水層處理；QR邊界作為定水頭邊界處理，水位為46 m；OP邊界作為給定水頭邊界，水頭由46 m下降為42 m。

圖1 模型幾何結(jié)構(gòu)(單位：m)

表5 土層參數(shù)

注：ρ為土的干密度；ρsat為土的飽和密度；ρw為水的密度；E為彈性模量；γ為泊松比；ksat為土的飽和滲透系數(shù)；n為孔隙率；α為Biot系數(shù)；Ss為彈性釋水系數(shù)；Sy為給水度；M為Biot模量。

2.4.2計(jì)算工況

計(jì)算表層岸坡裂縫、河水對(duì)岸坡的軟化作用、降雨入滲3種影響因素下的岸坡穩(wěn)定性?；谇拔牡慕y(tǒng)計(jì)分析，在河流水位驟降時(shí)的岸坡失穩(wěn)頻率更高，本次只進(jìn)行河流水位降低情況的計(jì)算。計(jì)算工況有：1)不考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；2)只考慮土層有裂縫情況下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；3)只考慮河水浸泡表層土的軟化作用下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；4)只考慮降雨入滲情況下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；5)考慮土層有裂縫、降雨入滲情況下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；6)考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況下的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)；7)考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況，滲透系數(shù)受應(yīng)變影響下的耦合計(jì)算的滲流場(chǎng)與岸坡的安全系數(shù)。模型中對(duì)表層土有裂縫情況概化為表層土的滲透系數(shù)增大，影響深度為2 m；岸坡土層的軟化作用采用前文的飽和剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。

2.4.3結(jié)果分析

各工況下計(jì)算的最大流速向量見(jiàn)表6，其中最大向量均出現(xiàn)在河岸線處。各工況下岸坡的安全系數(shù)見(jiàn)表7。

表6 最大流速向量 cms

表6 最大流速向量 cms

工況時(shí)刻0.1 d4.0 d12.22×10-31.25×10-322.39×10-31.29×10-334.24×10-33.46×10-343.58×10-31.96×10-352.39×10-31.55×10-364.70×10-32.99×10-375.24×10-33.22×10-3

表7 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果(瑞典條分法)

分析岸坡的滲流場(chǎng)與安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知：

1)總體影響：對(duì)比表6中工況1與工況2～4的最大流速向量結(jié)果可知，3種因素都會(huì)促使最大流速向量增大，最大可增大2.8倍(4.0 d時(shí)工況3與工況1對(duì)比)，加劇了河岸線位置土體的不穩(wěn)定性，使得岸坡的安全系數(shù)降低。

2)裂縫的影響：對(duì)比工況1與工況2結(jié)果可知，土體裂縫增加了表層土的滲透性，上邊界處滲流速度增大，水流在河岸線附近聚集，水位有所抬升，會(huì)降低岸坡的穩(wěn)定性，表現(xiàn)在最大流速向量增大3.2%～7.7%(表6)和安全系數(shù)降低0.8%～1.9%(表7)。

3)河水浸泡表層土的軟化作用影響：對(duì)比工況1與工況3結(jié)果可知，河水浸泡岸坡表層土增大土體的滲透性，降低土體的抗剪強(qiáng)度，對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響較大，使得近岸處滲流速度加大、水位下降，最大流速向量增大1.9～2.8倍，安全系數(shù)降低1.5%～2.8%；

4)降雨入滲的影響：對(duì)比工況1與工況4結(jié)果可知，降雨入滲會(huì)使岸坡荷載增大，地下水位抬升，最大流速向量增大1.6倍，安全系數(shù)降低3.8%～9.9%；若恰逢表層土有裂縫存在，降雨入滲的影響加大，最大流速向量增大1.1～1.2倍(見(jiàn)表6中工況5)，安全系數(shù)降低7.6%～20.0%(見(jiàn)表7中工況5)。

5)在不考慮耦合的情況下，影響因素的綜合影響：工況6考慮了3種影響因素的綜合影響，對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在最大流速向量增大2.1～2.4倍和安全系數(shù)降低10.4%～20.8%。

6)在考慮耦合的情況下，影響因素的綜合影響：工況7考慮了3種影響因素的綜合影響以及土水的耦合作用，對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在最大流速向量增大2.4～2.6倍和安全系數(shù)降低11.3%～21.5%；土水耦合的計(jì)算過(guò)程綜合了滲流場(chǎng)變化對(duì)土層應(yīng)力場(chǎng)的影響，進(jìn)而改變了土層的滲透性與抗剪強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)。

7)根據(jù)表7中無(wú)滲流與有滲流的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，有滲流情況下的計(jì)算值明顯小于無(wú)滲流情況的計(jì)算值，岸坡土體中的滲流會(huì)明顯降低岸坡的穩(wěn)定性，降低程度為7.6%～20.1%(0.1 d)、4.8%～18.5%(4.0 d)，說(shuō)明滲流對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響是不可忽視的；在河流水位降落初期，滲流對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響較大；隨著滲流時(shí)間增長(zhǎng)，岸坡中的地下水位回落，滲流對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響逐漸減弱。

3 結(jié)論

1)在單個(gè)因素影響下，降雨入滲對(duì)岸坡的穩(wěn)定性影響最大，安全系數(shù)降低可達(dá)9.9%，其次是河水浸泡表層土的軟化作用的影響(2.8%)和表層土裂縫的影響(1.9%)；在3個(gè)因素的綜合影響下，岸坡的安全系數(shù)降低10.4%～20.8%。

2)進(jìn)行土水耦合計(jì)算的結(jié)果顯示，在3種因素的綜合影響下，岸坡的安全系數(shù)降低11.3%～21.5%；土層中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互影響，也改變了土層的滲透性與抗剪強(qiáng)度，在計(jì)算岸坡穩(wěn)定性時(shí)進(jìn)行耦合計(jì)算結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)。