某沿河路堤邊坡滲流穩(wěn)定性的數(shù)值分析及工程方案

韓 雪， 謝正鑫， 馬文浩

(1.湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 湖南 常德 415000； 2.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

近年來，隨著我國水利工程事業(yè)的蓬勃發(fā)展，庫岸滑坡成為當(dāng)前亟待解決的重要問題之一。據(jù)統(tǒng)計，由于庫岸滑坡導(dǎo)致的災(zāi)害，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了巨大損失[1]。研究表明，水是引起庫岸邊坡失穩(wěn)的最主要的因素之一，水的存在使土體的水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，影響沿河路堤邊坡的穩(wěn)定性。

鄭穎人等[2]根據(jù)Boussinesq非穩(wěn)定滲流微分方程，得到了水位下降時邊坡內(nèi)浸潤線的簡化計算公式，并考慮了滲透系數(shù)、下降速度及下降高度等因素。結(jié)合算例分析，在水位下降過程中存在一個對坡體穩(wěn)定最不利的高度，即水位在坡體總高度的下1/3～1/4處。張文杰等[3]以非飽和-飽和滲流分析程序模擬了水位變化過程中邊坡的孔壓場，使用非飽和抗剪強度對邊坡穩(wěn)定進行了極限平衡分析，得出了安全系數(shù)，并對主要影響因素進行了敏感性分析。年廷凱等[4]運用有限強度折減法，從浸潤線位置、土體的滲透系數(shù)、水位下降速率、下降比和基質(zhì)吸力等5個方面研究了水位下降過程中坡體的穩(wěn)定性。崔潔[5]以極限平衡理論為基礎(chǔ)，使用GEO-SLOPE軟件計算了不同庫水位升降速度情況下某水庫安全穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。同時，一些學(xué)者采用抗滑樁、錨桿、格柵等方式對于涉水邊坡進行了加固，從而提高了邊坡的穩(wěn)定性[6-8]。

筆者基于FLAC3D有限差分軟件，計算了不同水位下沿河路堤邊坡的穩(wěn)定性，對發(fā)生滲流作用的路堤邊坡穩(wěn)定性進行研究，為路堤邊坡的加固提供指導(dǎo)性意見。

1 工程概況與材料參數(shù)

1.1 工程概況及工程地質(zhì)條件

沿河路堤位于鹽城市大豐區(qū)大橋鎮(zhèn)，河內(nèi)水基本呈現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)，水質(zhì)清，主要起行洪的作用。場地地貌單元單一，場地地勢因河道影響略有起伏，場地所處地貌類型為里下河淤積平原，起伏不大。河水位4.539 m，常年水深1～6 m，河水水位主要受降水和蒸發(fā)影響。根據(jù)地下水賦存、埋藏條件，地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水據(jù)地質(zhì)資料表明，此處地勢低洼，需填土以符合路堤的高程及性能要求，其中，包括路堤土及地基土。路堤土，屬粉質(zhì)黏土，灰色，濕潤，低干強度及韌性，中等壓縮性中等強度土，工程性質(zhì)一般，其厚度約為10 m。地基土，屬粉土夾粉質(zhì)黏土，灰色，濕潤，低干強度及韌性，中等壓縮性中等強度土，工程性質(zhì)一般，其厚度約為10 m。

1.2 材料參數(shù)

實驗測得土體的物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。其中，K為體積模量；G為剪切模量；ρ為土體密度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；ρs為飽和密度；M為流體模量；k為滲透系數(shù)；n為孔隙率；μ為泊松比。

表1 邊坡材料參數(shù)

2 邊坡的數(shù)值模擬模型

以某沿河路堤為研究對象，建立邊坡模型。邊坡材料為均質(zhì)土，由于其表層土較少，因此，簡化為兩種土層。邊坡的高度為10 m，邊坡的坡度為1∶1.5，上下邊界長AB、EF分別為25、55 m，上下邊界總高AF為20 m，坡腳距低側(cè)邊界CD為15 m，側(cè)向延伸寬度取5 m，如圖1所示。據(jù)此建立路堤邊坡計算模型，共劃分為4 750個單元，6 156個節(jié)點，如圖2所示。邊坡土體材料模型為摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

圖1 邊坡模型幾何示意Fig. 1 Slope geometry figure

圖2 邊坡模型網(wǎng)格劃分Fig. 2 Grid division of slope mode

在FLAC3D滲流模式下，一般采用的流體邊界條件有兩種，即不透水邊界(默認(rèn)邊界)和透水邊界。兩者的主要區(qū)別是，前者的邊界節(jié)點上的孔壓值可以自由變化，而后者相當(dāng)于設(shè)置了固定的孔隙水壓力表示透水邊界，即流體可以自由流入流出[9]。在實際穩(wěn)定滲流情況下，邊坡上的孔壓值往往是固定不變的，此時的邊界條件需設(shè)置為透水邊界。文中在模型四周和底部均采用不透水邊界，當(dāng)坡腳處水平面上有水壓時，則設(shè)置透水邊界；若坡面上有水壓時，需考慮梯度來表示孔壓的變化。

模型中地下水的水面概化為水平面，常水位為12 m。不考慮毛細(xì)現(xiàn)象，假設(shè)水面以下的土體處于飽和狀態(tài)，水面以上的土體不含水分。其中，0～10 m為地基土，10～20 m為路堤土。

3 水位對邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 邊坡孔隙水壓力云圖

圖3為當(dāng)水位處于12 m，即位于常水位時，穩(wěn)定滲流后的邊坡內(nèi)孔隙水壓力等值線分布。邊坡內(nèi)的最大孔隙水壓力位于坡底，最大值為0.19 MPa，位于底部坡面的孔壓值為0.02 MPa，與施加在坡面的水頭一致。

圖3 常水位孔隙水壓力云圖Fig. 3 Contour of constant water pore water pressure

3.2 坡面位移

為了研究不同水位在變化過程中邊坡內(nèi)孔隙水壓力的變化規(guī)律，文中主要設(shè)置了無水位邊坡和三種水位即低水位(10 m)、常水位(12 m)及高水位(16 m)，并分別模擬計算了由高水位下降過程中，不同水位滲流狀態(tài)下邊坡的位移云圖等值線分布，見圖4。從圖4可知：當(dāng)無水位時，邊坡最大位移為12.59 cm；低水位(10 m)時，邊坡最大位移達(dá)到22.70 cm；常水位(12 m)時，邊坡最大位移為21.97 cm；高水位(16 m)時，最大位移為18.02 cm，且最大側(cè)向位置主要分布于邊坡中部區(qū)域，接近于水位的位置附近。相較于無地下水邊坡，常水位邊坡的最大位移增大了約1.74倍，高水位邊坡約增大1.43倍。這說明水的存在，對邊坡的位移、對產(chǎn)生邊坡最大位移區(qū)域的位置影響較明顯。因此，在實際工程中應(yīng)該對水的影響引起足夠的重視。

圖4 不同水位滲流邊坡位移云圖Fig. 4 Contours of displacements at different levels of water seepage slopes

水位下降時高度越高，坡體外側(cè)水壓對坡面的反壓效果越來越強。邊坡坡面產(chǎn)生的最大位移區(qū)域發(fā)生了實質(zhì)性的變化，不僅使邊坡產(chǎn)生變形，還使邊坡滑動面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，且效果也愈加明顯。

不同水位的坡面位移如圖5所示。由圖5可以看出，隨著水位的下降，邊坡不同位置的位移由低水位到高水位呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，各水位處的水平位移sh呈不同幅度的增大，且邊坡坡面產(chǎn)生最大水平位移的區(qū)域均在邊坡中部的區(qū)域。坡面上最大水平位移為處于10 m水位時，產(chǎn)生的水平位移為0.226 m。隨著水位的降低，邊坡的豎向位移也發(fā)生了變化。當(dāng)無水位時，邊坡坡面產(chǎn)生的最大豎向變形在坡頂處。而坡面的豎向位移sl隨著水位變化，產(chǎn)生的影響較小，最大僅為0.030 m。究其原因，在河水的浸泡下，水下部的巖土體受水的影響，土體發(fā)生一定程度的軟化，使材料的參數(shù)降低，降低了土體的抗剪強度，進而導(dǎo)致相應(yīng)的位移隨著水位的降低而逐步增加。

圖5 不同水位的坡面位移Fig. 5 Slope displacement of different water levels

3.3 邊坡滑移面

基于FLAC3D對16 m水位邊坡和10 m水位邊坡進行剪應(yīng)變率分析。剪應(yīng)變率分布主要集中在坡體內(nèi)部，并呈現(xiàn)一條滑移帶，且兩者均受剪切破壞。由于水位的存在，邊坡的滑移范圍發(fā)生相對變化。當(dāng)水位為16 m時，邊坡的滑移范圍相對擴大，見圖6。

圖6 不同水位下剪應(yīng)變率的分布Fig. 6 Shear strain rate distribution under different water levels

圖7給出了各水位高程hw處的最大剪應(yīng)變增量的變化情況。隨著水位的降低，滑移面發(fā)生了變化，同時最大剪應(yīng)變增量Δε也逐漸增大。由此可見，水位的存在，對沿河路堤邊坡的穩(wěn)定影響是不利的。

圖7 塑性區(qū)最大剪應(yīng)變增量分布 Fig. 7 Max shear strain increments of plastic zone under different water levels

3.4 邊坡穩(wěn)定性

基于強度折減法分別計算了不同水位處的安全系數(shù)，結(jié)果見表2。各水位處的安全系數(shù)均大于1，表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著水位的降低，邊坡的安全系數(shù)也呈現(xiàn)出下降的趨勢。當(dāng)水位下降到10 m時，邊坡的安全系數(shù)穩(wěn)定至1.105，表明邊坡已近乎處于極限平衡狀態(tài)，邊坡的穩(wěn)定性最差。

表2 不同水位下的安全系數(shù)

隨著水位的下降，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，這也符合唐亞輝[10]、柴學(xué)銳[11]和郭文[12]等的研究結(jié)果。在此過程中，由于水位差異，水位下降速率比土體內(nèi)部的水向外滲出的速率快，動水壓力方向指向土體外面。邊坡內(nèi)的地下水向外滲流，形成較大的動水壓力，使原本為飽和狀態(tài)的土體變?yōu)樘烊粻顟B(tài)的土體，坡體產(chǎn)生較大的下滑力，從而嚴(yán)重影響了坡體的穩(wěn)定性。

4 格柵加固對含水邊坡穩(wěn)定性的影響

文中以土工格柵為載體，對邊坡進行加固處理，土工格柵參數(shù)詳見表3。其中，E為彈性模量，t為肋條厚度，μ為泊松比，ks為耦合彈簧剛度，cs為耦合彈簧黏聚力，φs為耦合彈簧摩擦角。

表3 土工格柵材料參數(shù)

4.1 加筋長度

由常水位邊坡模型，12 m水位的路堤邊坡達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，采用10、20 m以及滿鋪三種加筋長度形式，對此路堤邊坡進行加固處理，如圖8所示。未加筋路堤邊坡的水平位移最大，能達(dá)到0.22 m。在同種條件下，滿鋪產(chǎn)生的水平位移最小，20 m的次之，10 m長的格柵產(chǎn)生的水平位移最大。從10 m到12 m高程處，水平位移產(chǎn)生突變，其原因是10 m處土體的物理參數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)致該處土體產(chǎn)生的位移發(fā)生突變。在不同的加筋長度條件下，滲流路堤邊坡坡面產(chǎn)生最大位移的區(qū)域發(fā)生改變。其中，未加筋的邊坡坡面產(chǎn)生最大水平位移的區(qū)域接近中部，而滿鋪格柵坡面產(chǎn)生最大水平區(qū)域接近水位處。

圖8 各加筋長度邊坡坡面水平位移Fig. 8 Horizontal displacement of slope at different reinforcing lengths

由表4可見：未加筋條件下的路堤邊坡的安全系數(shù)為1.105，接近于極限平衡狀態(tài)；滿鋪的安全系數(shù)最高，達(dá)到3.461；20 m的格柵次之為1.830，最小的為10 m長的格柵，安全系數(shù)為1.355，且均處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，采取鋪設(shè)土工格柵的方式對沿河路堤邊坡進行加固，可以明顯降低坡面各點處的水平位移，提高邊坡的穩(wěn)定性。

表4 不同加筋長度下路堤邊坡安全系數(shù)

4.2 加筋間距

以12 m(常水位)水位邊坡模型，使12 m水位的滿鋪格柵路堤邊坡達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，采取0.5、1.0、2.0 m三種加筋間距，研究不同加筋間距對穩(wěn)定滲流路堤邊坡穩(wěn)定性的影響，如圖9所示。未采取格柵加固的路堤邊坡產(chǎn)生的水平位移最大，2.0 m間距的次之，0.5 m間距的邊坡產(chǎn)生的水平位移最小。不同加筋間距下滿鋪加筋路堤邊坡安全系數(shù)如表5所示。

圖9 各加筋間距邊坡坡面水平位移Fig. 9 Horizontal displacement of different reinforced spacing slope reinforcement spacing

表5 不同加筋間距下滿鋪加筋路堤邊坡安全系數(shù)

從表5可以看出，在邊坡達(dá)到穩(wěn)定滲流的情況下，采取加筋間距為0.5、1.0和2.0 m的三種方式，對本路堤邊坡模型的加固效果并不明顯，間距小的邊坡安全系數(shù)略大，主要是滿鋪格柵起的作用。

5 結(jié) 論

(1)水位變化對路堤邊坡的穩(wěn)定性具有顯著的影響。隨著水位的降低，沿河路堤邊坡坡面的水平位移逐漸增大，其中相較于無水邊坡，常水位邊坡的最大位移約增大1.74倍，高水位邊坡約增大1.43倍，最大位移是低水位處為22.70 cm。同時，邊坡滑移面的分布范圍隨水位降低發(fā)生顯著變化，最大剪應(yīng)變增量逐漸增大。

(2)在河水位下降條件下，邊坡的滑移面發(fā)生變化，安全系數(shù)逐漸變小，由高水位的1.305下降至低水位的1.105，近乎處于極限平衡狀態(tài)。因此,應(yīng)加強對沿河路堤的防護，避免由于水位變化而導(dǎo)致整個庫岸邊坡的滑坡破壞。

(3)采取鋪設(shè)土工格柵的方式對沿河路堤邊坡進行加固，加固后安全系數(shù)相較于未加筋1.105顯著提高。對于常水位穩(wěn)定滲流路堤邊坡，采取不同加筋長度方式加固，滿鋪格柵產(chǎn)生水平位移最小，安全系數(shù)最大，可達(dá)3.461，加固效果最好；采用不同加筋間距方式加固，間距越小，水平位移越小，安全系數(shù)越大，加固效果越好，但受格柵鋪設(shè)長度的影響效果較為顯著。