水位驟降時土質(zhì)邊坡的滲流特征演化研究

樊尊榮，李 坤，霍利兵

（1.江蘇水利投資開發(fā)有限公司，江蘇南京 210000；2.太倉市水利工程有限公司，江蘇太倉215400）

1 工程概況

研究所依托的某湖泊岸坡工程，屬臨湖靜態(tài)水文條件下的邊坡，邊坡設(shè)計削坡坡度60°，坡高31 m，坡底長15 m，水位在該邊坡位置處的常見水位深度12 m，邊坡實際橫剖面尺寸見圖1，屬典型的土質(zhì)岸坡工程。構(gòu)成邊坡坡體的土體主要物理力學(xué)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 岸坡土體的物理力學(xué)和水力學(xué)參數(shù)表

圖1 岸坡邊坡尺寸圖

2 數(shù)值模型建立

此類岸坡工程問題可簡化為平面應(yīng)變問題，針對二維條件下的靜水環(huán)境中的岸坡工程穩(wěn)定性分析，Geostudio軟件中SLOPE模塊無疑可作為首選分析求解軟件，其可在建立分析模型時采用設(shè)置水位線的方式指定蓄水水位，用于對靜態(tài)水位條件下的邊坡穩(wěn)定性求解和分析。文中靜態(tài)水位條件下的岸坡工程，在構(gòu)建分析模型時，首先通過設(shè)定孔隙水壓力的來源為水壓線的方式以便后期將靜水水位線設(shè)置成湖水水位，同時根據(jù)邊坡方向設(shè)置滑入和滑出方向，此案例為自右至左，在設(shè)置分析區(qū)域的邊界條件下，通過拖動鼠標(biāo)的方式設(shè)置滑體邊界，然后經(jīng)過材料參數(shù)等步驟，按照表1中給出的土體水力和物理力學(xué)參數(shù)對邊坡土體材料進(jìn)行賦值，最后創(chuàng)建用于岸坡穩(wěn)定性計算模型見圖2。

圖2 分析模型圖

邊界條件設(shè)置：由于滑入和滑出的方向在創(chuàng)建新的分析模型時已進(jìn)行設(shè)置，對于滑入和滑出邊界的設(shè)置僅需通過選擇相應(yīng)的區(qū)域即可，此外，需對分析模型的外邊界條件進(jìn)行設(shè)置，如圖2中所示的分析模型，水位線設(shè)置位置按照蓄水深度為12 m進(jìn)行繪制，左、右邊界以及下邊界設(shè)置為固定約束，設(shè)置模型網(wǎng)格邊長尺寸為0.30 m，兼顧計算效率和求解效果。

3 計算結(jié)果分析

3.1 初始水位X水通量

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數(shù)，通過求解計算和繪制得到按照邊坡進(jìn)行削坡后的岸坡最小安全系數(shù)滑面的位置及滑面以上滑體的土條劃分方式。經(jīng)對該滑面的計算求解，得到該假設(shè)滑面安全系數(shù)為1.79，滑面所計算的安全系數(shù)為最小安全系數(shù)滑面也即臨界滑面，可見試算后得出的該岸坡土體的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，說明該沉積土岸坡穩(wěn)定。

3.2 初始水位XY水力坡度

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數(shù)，通過求解計算和繪制得到邊坡進(jìn)行削坡后的岸坡2.003安全系數(shù)滑面的位置及該滑面以上滑體的土條劃分方式?？芍?，經(jīng)過對該滑面的計算求解，得到該假設(shè)滑面的安全系數(shù)為2.003，但該滑面所計算的安全系數(shù)是否為最大安全系數(shù)滑面還需進(jìn)一步試算確定，可見對該滑面試算后得出的該岸坡土體的安全系數(shù)大于1，說明該沉積土岸坡穩(wěn)定。

3.3 水位驟降6 m的X水通量

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數(shù)，通過求解計算和繪制得到削坡后的岸坡最大安全系數(shù)滑面的位置及該滑面以上滑體的土條劃分方式。經(jīng)對該滑面計算求解，得到該假設(shè)滑面安全系數(shù)為2.32，經(jīng)與其它滑面安全系數(shù)比較可得，該滑面安全系數(shù)最大，可見試算后得出的該岸坡土體的安全系數(shù)遠(yuǎn)大于1，說明該沉積土岸坡穩(wěn)定。

3.4 水位驟降6 m的XY水力坡度

通過求解計算和繪制最小安全系數(shù)滑面上滑體各條塊的重量滑移力，得到了最小安全系數(shù)滑體的各條塊的重量滑移力隨著x 值的變化曲線圖見圖3。由圖可知，隨滑體由下向上（x值由小到大），條塊的重量滑移力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，由x=12.50 m位置處開始增大，增大速率較緩，在x=24 m位置處達(dá)到最大值，約為50 kN，隨后開始減小，減小速率相對較大，至x=30.50 m 位置處減小至約4 kN 位置處，說明滑體最不利受力位置處位于滑體上部位置處，但邊坡安全系數(shù)顯著大于1，說明靜水環(huán)境下該沉積土岸坡能夠保持穩(wěn)定。

圖3 水位驟降6 m的XY水力坡度云圖

3.5 臨界滑體總應(yīng)力

通過求解計算和繪制最小安全系數(shù)滑面上滑體各條塊對滑面產(chǎn)生的總正應(yīng)力，得到了最小安全系數(shù)滑體對滑面產(chǎn)生的總正應(yīng)力隨著x值的變化曲線圖見圖4。

圖4 臨界滑體內(nèi)總正應(yīng)力變化圖

由圖所4可知，隨滑體由下向上（x值由小到大），滑體對滑面產(chǎn)生的總正應(yīng)力呈現(xiàn)出先緩慢增大后微量減小最后又迅速減小的變化趨勢，由x=12.50 m 處開始緩慢增大，在x=16.50 m處達(dá)到極大值，約155 kPa，隨后緩慢減小，至x=19 m處減小至極小值約145 kPa，自x=24 m處開始迅速減小，至x=30.50 m處減小至約-30.50 kPa，說明滑體最上部條塊對滑面作用力表現(xiàn)為拉力，即最易發(fā)生開裂位置，應(yīng)加強防排水處理。

3.6 臨界滑體抗剪強度

為了研究該岸坡工程的穩(wěn)定性特點，通過求解計算和繪制最小安全系數(shù)滑面上滑體的抗剪強度，得到了最小安全系數(shù)滑面上滑體的抗剪強度隨著x值的變化情況?？芍S滑體由下向上（x值由小到大），滑體的抗剪強度呈現(xiàn)出先緩慢增大后又迅速減小的變化趨勢，由x=12.50 m 位置處開始緩慢增大，在x=24 m位置處達(dá)到最大值，約為70 kPa，隨后迅速減小，至x=30.50 m位置處減小至約10.50 kPa，說明滑體未發(fā)生滑動破壞。

4 結(jié)語

①該岸坡最小安全系數(shù)1.79，遠(yuǎn)大于1，說明靜水環(huán)境下該沉積土岸坡在60°坡度時穩(wěn)定。②滑體由下向上（x 值由小到大），抗剪強度呈現(xiàn)出先緩慢增大后又迅速減小的變化趨勢，至x=30.50 m 處減小至最小值10.50 kPa，說明岸坡穩(wěn)定。③滑體對滑面產(chǎn)生的總正應(yīng)力至x=30.50 m處減小至約-30.50 kPa，說明滑體最上部條塊對滑面作用力表現(xiàn)為拉力，即為最易開裂位置，應(yīng)加強防排水。