背河坑塘水力條件對河道邊坡穩(wěn)定性的影響

沈思朝，邱金偉，劉 軍，童 軍，胡 波

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430010)

1 研究背景

新開河渠及利用的現(xiàn)有河湖與地下水通常有著密切的水力聯(lián)系，河水往往是地下水的主要補(bǔ)給來源或排泄去處。工程建設(shè)及建成運(yùn)行過程中，河渠水與周圍地下水的相互關(guān)系是非常重要的工程安全影響因素和生態(tài)環(huán)境影響因素，而靠近渠堤的坑塘是影響和危害河渠工程安全的嚴(yán)重隱患之一。從渠道工程安全的角度考慮，近堤范圍內(nèi)常年積水坑塘的存在，使堤基及其附近土壤長期處于浸泡之中，致使堤基及其附近土體松軟，極易造成堤基滲透變形、堤身滑坡等險情，近堤范圍內(nèi)長期積水的坑塘也給渠堤查險和險情處理帶來很大的困難[1]。當(dāng)河堤存在膨脹土?xí)r，由于膨脹土的濕脹干縮工程特性，其強(qiáng)度和變形受坑塘水分的變化影響顯著，較無膨脹土河堤更易失穩(wěn)破壞[2-5]。因此，考慮背河坑塘水力條件對河道邊坡穩(wěn)定性的影響，在此基礎(chǔ)上提出針對性的支護(hù)措施是當(dāng)前面臨的一個重要工程問題。

目前，不少學(xué)者研究了地下水力條件對邊坡穩(wěn)定性的影響，并取得了一定的成果。張文杰等[6]從非飽和土的滲流和抗剪強(qiáng)度理論出發(fā)，分析了水位升降時土質(zhì)岸坡的滲流規(guī)律及其穩(wěn)定性的變化規(guī)律。汪斌等[7]利用有限元數(shù)值分析軟件對含有軟弱透水夾層的層狀岸坡進(jìn)行了非穩(wěn)定滲流和有限元數(shù)值分析。進(jìn)一步地，汪斌等[8]基于流固耦合理論，研究了庫岸滑坡在庫水漲落下的變形失穩(wěn)機(jī)制；楊文琦等[9]研究了降雨作用下考慮膨脹推力的膨脹土邊坡穩(wěn)定性；喬文號等[10]以大永高速公路老南瓜塘邊坡為研究對象，采用數(shù)值方法分析了降雨和地震耦合作用下該邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制；周晗晗[11]通過數(shù)值模擬分析了膨脹土渠道邊坡內(nèi)的滲流場分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性分析，研究膨脹土渠道邊坡的破壞機(jī)理并提出相應(yīng)的支護(hù)方案。韋秉旭等[12]探究了多場耦合作用下膨脹應(yīng)變對膨脹土邊坡非飽和降雨入滲的變化規(guī)律。目前關(guān)于涉水邊坡的研究主要體現(xiàn)在水位漲落、降雨等水力條件對邊坡穩(wěn)定性的影響[13-16]，還沒有針對坑塘水力條件對河道邊坡穩(wěn)定影響的研究，而坑塘對于河道邊坡的穩(wěn)定性具有較大影響，尤其是對于膨脹土邊坡。

基于此，本文以引江濟(jì)淮工程中涉及坑塘和膨脹土的J45+100斷面河道邊坡為例，運(yùn)用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，建立耦合滲流和穩(wěn)定性分析的J45+100斷面河道邊坡計算模型，并對該邊坡提出了相應(yīng)的支護(hù)方案，針對3種不同工況分別對支護(hù)前后的邊坡進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定性分析和評價。最后，研究了填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響。

2 工程概況與斷面選取

2.1 工程概況

引江濟(jì)淮工程是2014年5月國務(wù)院第48次常務(wù)會議要求加快推進(jìn)的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，是一項以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為主，結(jié)合灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境為主要任務(wù)的大型跨流域調(diào)水工程。工程自南向北分為引江濟(jì)巢、江淮溝通、江水北送3段，輸水線路總長723 km，其中新開河渠88.7 km、利用現(xiàn)有河湖311.6 km、疏浚擴(kuò)挖215.6 km、壓力管道107.1 km。線路先后經(jīng)過沿江沖積平原、江淮丘陵和淮北沖積平原三大地貌單元，其中，在淮河以南菜子湖線路和江淮溝通切嶺地段及部分崗地，約有140 km渠段分布有弱、中等膨脹潛勢的膨脹土及少量崩解巖(膨脹巖)，包括：菜子湖線路約37.85 km，過巢湖線路約39.16 km，江淮溝通段約63.025 km。各標(biāo)段膨脹土為重粉質(zhì)壤土，以弱膨脹土為主，部分渠段為中膨脹土。江淮溝通段切嶺段邊坡最大開挖深度47.6 m，挖深超過30 m的邊坡長6.1 km，邊坡上部分布有中膨脹土，下部為具有膨脹性的崩解泥巖夾層，部分區(qū)段軟弱夾層為順坡向緩傾角分布。膨脹土地段沿線存在約300個坑塘，高地下水問題和邊坡穩(wěn)定問題突出。為此，需要評估坑塘引起的地下水滲漏及其膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響，在此基礎(chǔ)上制訂經(jīng)濟(jì)合理的處理方案。

2.2 斷面選取

江淮溝通J7-2標(biāo)段位于江淮分水嶺南側(cè)，屬巢湖流域。本標(biāo)段地處江淮分水嶺最高處，中間高、兩側(cè)低，地面高程為41.0～61.0 m。基巖埋深一般10～30 m，基巖主要為白堊系上統(tǒng)邱莊組(K2qz)粉砂巖、砂巖，夾泥巖。J7-2標(biāo)段具有開挖深度大、軟化泥巖層面多、坑塘分布廣的特點(diǎn)，沿線河道邊坡高地下水問題和邊坡穩(wěn)定問題尤為突出。

本文以J7-2標(biāo)段J45+100斷面為例來進(jìn)行支護(hù)設(shè)計和穩(wěn)定性分析。J45+100斷面坡高45.6 m，層切深7～21 m，渠底高程為13.4 m，設(shè)計輸水位為17.86 m，最低通航水位為16.91 m，防洪水位為25.42 m。地層分布從上往下依次為：重—中粉質(zhì)壤土(中膨脹)，全、強(qiáng)風(fēng)化巖和中等風(fēng)化巖?？犹羶砂毒嚯x河道邊坡開挖線10～102 m，水深為4 m。在開挖過程中，J45+100斷面河道邊坡出現(xiàn)了不同程度的裂隙和局部塌陷，后經(jīng)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)該斷面具有多條軟化泥巖層面。本文以J45+100斷面為研究對象具有較好的代表性。

3 河道邊坡支護(hù)設(shè)計與參數(shù)取值

3.1 邊坡支護(hù)設(shè)計

J45+100斷面河道邊坡支護(hù)設(shè)計如圖1所示。該剖面一級、二級邊坡采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土面板，并設(shè)有非預(yù)應(yīng)力鋼筋錨桿。二級、三級、四級邊坡中風(fēng)化巖地層范圍內(nèi)，在坡面設(shè)PVC排水管。四級(全、強(qiáng)風(fēng)化巖以上)至八級邊坡表層設(shè)1.5 m厚4%水泥改性土，改性土下設(shè)置高強(qiáng)內(nèi)支撐排水盲管。二級平臺以上巖質(zhì)邊坡?lián)Q填4%水泥改性土至上部膨脹土高程，其中坡比為1∶2及漸變段邊坡?lián)Q填厚度1.2 m，坡比為1∶3的邊坡?lián)Q填厚度為1.0 m。二級平臺設(shè)置一排抗滑樁，抗滑樁樁長12.2 m，樁徑為2.0 m，C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。六級平臺及七級平臺各設(shè)置一排抗滑樁，其中六級平臺抗滑樁樁長15 m，樁徑1.2 m；七級平臺抗滑樁樁長20.0 m，樁徑1.2 m。

圖1 J45+100斷面河道邊坡支護(hù)設(shè)計Fig.1 Support scheme for the river slope of section J45+100

3.2 邊坡計算參數(shù)

根據(jù)《引江濟(jì)淮工程江淮溝通段J7-2標(biāo)(J43+600—46+000)施工圖階段工程地質(zhì)勘察報告》(以下簡稱《工程地質(zhì)勘察報告》)，重—中粉質(zhì)壤土層(中膨脹)滲透系數(shù)一般為10-5～10-7cm/s，屬弱—極微透水性土層；全—強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖一般為弱透水性，中等風(fēng)化—新鮮基巖一般為微—極微透水性。根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報告》，此處取中膨脹土滲透系數(shù)為5.0×10-5cm/s，全—強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖滲透系數(shù)為2.0×10-4cm/s，中等風(fēng)化—新鮮粉細(xì)砂巖滲透系數(shù)為2.0×10-6cm/s，軟化泥巖層面滲透系數(shù)為1.0×10-5cm/s，換填土滲透系數(shù)取1.0×10-6cm/s。根據(jù)《引江濟(jì)淮工程膨脹土地段生態(tài)河道關(guān)鍵技術(shù)研究中期成果報告》，各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers of river slope

4 河道邊坡抗滑穩(wěn)定性分析

4.1 河道邊坡工況條件

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386—2007)[17]，渠道邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)考慮以下3種條件。

(1)正常運(yùn)用條件：水道邊坡的正常高水位與最低水位之間的各種水位及其經(jīng)常性降落。

(2)非常運(yùn)用條件Ⅰ：①由于降雨引起的邊坡體地下水位變化；②校核洪水位及其水位降落。

(3)非常運(yùn)用條件Ⅱ：正常運(yùn)用條件下遭遇地震。

引江濟(jì)淮工程為Ⅰ等工程，根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》[17]，Ⅰ級邊坡的允許最小安全系數(shù)：正常運(yùn)用條件為1.30、非常運(yùn)用條件I為1.20、非常運(yùn)用條件Ⅱ為1.10。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[18]，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.1g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。地震峰值加速度為0.1g，按照規(guī)范采用擬靜力法(《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》[17]、《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51247—2018)[19])，將地震峰值加速度乘以0.25，擬靜力取值為0.025g。

4.2 模型概化

對二維計算模型進(jìn)行邊界、參數(shù)概化，上游側(cè)模型邊界距河道邊坡坡肩約350 m，下游側(cè)模型邊界為河渠中心線，渠底高程為13.40 m，設(shè)計輸水位17.86 m，最低通航水位16.91 m，防洪水位25.42 m，模型底取至向下-50.0 m。模型頂部有坑塘的位置取為定水頭邊界，坑塘以外的地表邊界為自由面，底部邊界位于新鮮基巖，為隔水邊界?？犹辆嚯x河道邊坡開挖線10～102 m，坑塘深4 m。在滲流計算分析的過程中，由于抗滑樁和錨桿無法在河道邊坡內(nèi)部形成一個防滲面，因此此處不考慮抗滑樁和錨桿對滲流的影響，從滲流角度分析這一假設(shè)是合理的。

無任何支護(hù)情況和有支護(hù)后J45+100斷面的概化模型如圖2所示。

圖2 無任何支護(hù)和有支護(hù)后J45+100斷面概化模型Fig.2 Generalized model of section J45+100 in the presence and in the absence of slope support

4.3 河道邊坡抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖2及3.2節(jié)中的計算參數(shù)值，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊來分析坑塘水力條件對河道邊坡穩(wěn)定性的影響。穩(wěn)定性計算采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，并選用廣泛采用的Morgenstern-Price方法計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

為了直觀表示出總水頭沿坡面下降情況，以坡頂為最高水頭(45.6 m)，坡底為最低水頭(0 m)，給出了J45+100斷面河道邊坡的總水頭占最高總水頭百分比等值線分布，如圖3所示。由于邊坡開挖，總水頭沿坡度向下呈現(xiàn)不同程度的下降。圖示中虛線為浸潤線，坑塘滲流在坡面的出溢點(diǎn)位于高程49.42 m處，滲漏單寬流量為262.28 L/(d·m)。

圖3 河道邊坡總水頭占最高總水頭百分比等值線分布Fig.3 Contours of percentage of total head to maximum total head for the river slope

表2為不同河道水位工況下的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，其中非常運(yùn)用條件Ⅰ為考慮降雨的影響。表2中“a”和“b”對應(yīng)安全系數(shù)的計算模型分別如圖4(a)和圖4(b)所示。未支護(hù)時，邊坡的穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，潛在滑動面分布在軟化泥巖層面。經(jīng)過支護(hù)后，邊坡的穩(wěn)定性有了顯著提升，滿足規(guī)范要求，潛在滑動面下移。由于施加了換填土護(hù)坡，并在換填土層下設(shè)置高強(qiáng)內(nèi)支撐排水盲管，浸潤線高程有了顯著下降。

表2 不同河道水位工況下的邊坡安全系數(shù)Table 2 Safety factor of slope under different water levels of river channel

表3為河道水位下降工況下的邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果，其中非常運(yùn)用條件Ⅰ為考慮洪水位降落的影響。表3中“c”對應(yīng)的安全系數(shù)的計算模型如圖4(c)所示。水位下降對邊坡的穩(wěn)定性有較大影響，以正常運(yùn)用條件為例，在靜態(tài)設(shè)計輸水位時的裸坡安全系數(shù)為1.080，而當(dāng)水位由設(shè)計輸水位降至最低通航水位時，裸坡的安全系數(shù)為1.010。

表3 河道水位下降工況下的邊坡安全系數(shù)Table 3 Safety factor of slope under water level drawdown

圖4 “a” “b”“c”對應(yīng)安全系數(shù)的計算模型Fig.4 Calculation model of stability analysis corresponding to “a” “b” and “c”

5 影響因素分析

本節(jié)在設(shè)計輸水位和正常運(yùn)用條件下分析填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對河道邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響，在分析每種影響因素時，保持其他參數(shù)不變。

5.1 填塘范圍的影響

表4為不同填塘程度條件下J45+100河道邊坡的滲流計算結(jié)果，填塘從靠近河道邊坡一側(cè)開始。從表4可以看出，隨著坑塘回填面積的增大(坑塘開口距離坡肩越遠(yuǎn))，坑塘滲流在坡面的出溢點(diǎn)高程和滲漏單寬流量均逐漸減小。當(dāng)坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增至100 m時，出溢態(tài)高程下降了10.43 m，單寬流量下降了46.4%。

表4 不同填塘范圍條件下J45+100河道邊坡的 滲流計算結(jié)果Table 4 Seepage calculation results of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

圖5為不同坑塘回填范圍條件下J45+100河道邊坡的安全系數(shù)，圖5表明，坑塘回填范圍越大，邊坡的安全系數(shù)越大，尤其是對于裸坡，當(dāng)坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增加至100 m時，邊坡的安全系數(shù)增加了0.274。由此可見，坑塘回填處理能夠顯著降低坑塘水分的出溢點(diǎn)高程和滲漏單寬流量，這些影響能夠有效提升邊坡的穩(wěn)定性，對于工程而言，填塘處理是必要的。

圖5 不同填塘范圍條件下J45+100河道邊坡的安全系數(shù)Fig.5 Safety factor of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

5.2 水深的影響

經(jīng)過勘測發(fā)現(xiàn)，引江濟(jì)淮膨脹土地段沿線坑塘水最深不超過4 m，此處分別計算水深由1 m增至6 m時河道邊坡的滲流和穩(wěn)定性。表5為不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡的滲流計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，坑塘水越深，坑塘滲流在坡面的出溢點(diǎn)高程越高，單寬流量越大。當(dāng)坑塘水深由1 m增至6 m時，滲漏單寬流量由248.67 L/(d·m)增至264.38 L/(d·m)(增長了6.3%)，可見坑塘水深對河道邊坡滲流的影響較小。

表5 不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡滲流 計算結(jié)果Table 5 Seepage calculation results of slope at J45+100 section under different pond water depths

圖6為不同坑塘水深對應(yīng)的J45+100河道邊坡安全系數(shù)，從圖中可以看出，裸坡和支護(hù)邊坡在坑塘水深變化時安全系數(shù)幾乎保持不變，當(dāng)水深由1 m增至6 m時，未支護(hù)和支護(hù)邊坡的安全系數(shù)分別僅下降了0.022和0.002?？梢?，坑塘水深對邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

圖6 不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡安全系數(shù)Fig.6 Safety factor of slope at J45+100 section under different water depths of pond

5.3 膨脹土滲透性的影響

本節(jié)討論膨脹土滲透性對河道邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響，膨脹土滲透系數(shù)分別取5.0×10-5、5.0×10-6、5.0×10-7cm/s。表6為不同膨脹土滲透系數(shù)條件下J45+100河道邊坡的滲流和穩(wěn)定性計算結(jié)果，結(jié)果顯示，膨脹土滲透系數(shù)越低，坑塘滲流在坡面出溢點(diǎn)高程越低，滲漏單寬流量也越低，安全系數(shù)越高。當(dāng)膨脹土滲透系數(shù)由5.0×10-5cm/s減至5.0×10-7cm/s時，出溢點(diǎn)高程下降了15.49 m，單寬流量減少了84.8%，裸坡和支護(hù)邊坡的安全系數(shù)分別增加了0.238和0.084。由此可見，膨脹土滲透系數(shù)對邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響均十分顯著，是一個重要的指標(biāo)參數(shù)。

表6 不同膨脹土滲透系數(shù)條件下J45+100河道邊坡的 滲流和穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 6 Seepage and slope stability calculation results of J45+100 section with different permeability coefficients of expansive soil

6 結(jié) 論

本文以引江濟(jì)淮工程中涉及坑塘和膨脹土的J45+100斷面河道邊坡為例，運(yùn)用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，建立耦合滲流和穩(wěn)定性分析的J45+100斷面河道邊坡計算模型，并對該邊坡提出了相應(yīng)的支護(hù)方案，分析了邊坡支護(hù)前后的抗滑穩(wěn)定性，并研究了填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對河道邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響。本文的主要結(jié)論如下：

(1)未支護(hù)時，邊坡的穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。經(jīng)過本文提出的支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)后，邊坡的穩(wěn)定性有了顯著提升，在正常運(yùn)用條件、非正常運(yùn)用條件Ⅰ和非正常運(yùn)用條件Ⅱ 3種不同工況下，均滿足規(guī)范要求。

(2)填塘處理能夠顯著降低坑塘滲流在坡面的出溢點(diǎn)高程和滲漏單寬流量，這些措施能夠有效提升河道邊坡的穩(wěn)定性。以本文考慮的工況為例，當(dāng)坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增加至100 m時，出溢點(diǎn)高程下降了10.43 m，單寬流量下降了46.4%，裸坡安全系數(shù)提升了0.274。

(3)就本文所考慮的工況而言，當(dāng)坑塘水深由1 m增至6 m時，裸坡的單寬流量僅增長了6.3%，安全系數(shù)下降了0.022。而引江濟(jì)淮工程沿線坑塘水深不超過4 m，在這一背景下，可以忽略坑塘水深對河道邊坡水分滲流和穩(wěn)定性的影響。

(4)膨脹土滲透系數(shù)對邊坡滲流和穩(wěn)定性的影響均十分顯著，是一個重要的指標(biāo)參數(shù)。膨脹土滲透系數(shù)越低，河道邊坡的出溢點(diǎn)高程越低，單寬流量也越低，安全系數(shù)越高。