水库岸坡排水降压模拟研究①

汪叶萍 陈洪凯

摘 要：库水位骤降对造地型填土岸坡渗流及稳定性具有重要影响，该文通过geo-studio模拟软件对巫山宁江岛岸坡进行排水管设置的数值分析研究，提出了水位骤降下的填土体岸坡与护岸结构的同步排水技术，通过模拟发现在靠近岸坡底部设排水管，排水降压效果更明显，利于降低岸坡体内因水位骤降而产生的强大渗透力，并最终分析得到在设计工程中可以采用“下密上疏”的布置原则设置排水管，为岩土减灾的科学发展及社会经济建设安全研究提供了重要的参考价值。

关键词：数值模拟 排水降压 渗流 岸坡稳定

中图分类号：P642.22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0044-02

三峡库区岸坡排水技术研究是库岸和港口码头稳定安全研究的重要内容之一，也是地质灾害防治研究的组成部分。三峡大坝形成后库区水位将在145～175 m间周期性地变化，库水位的周期性变化不可避免地会影响库岸挡墙回填土力学性质，产生渗透力，进而劣化岸坡稳定性，大量的工程实践和现场研究表明，水是影响水库岸坡稳定性的主要因素之一，其危害作用十分明显。因此，尽量减少地表水向坡体内入渗并有效排出坡体内的地下水，对于岸坡的治理至关重要。

目前常见的地下水排水措施主要有：渗沟、盲沟、渗井、排水涵洞、水平排水孔、集水井以及盲洞等。国内外学者对岸坡防治排水工程进行了深入研究，陈野鹰和唐红梅等[1]创建了多级串联虹吸排水技术并首次应用于库区港口岸坡稳定性方案设计，能有效地防治边坡局部崩塌或整体滑动破坏等地质灾害。刘毓氚[2]利用有限元数值分析研究降雨强度与持续时间对于福建地区压实残积土的影响，发现水平排水设施的位置与数量对于排水效果的影响十分突出。L. Piccinini等[3]通过研究Apennines山脉北部山体滑坡受地下水和降雨的影响，并建立三维地下水流模型发现设置水平排水管在降低压力水头的同时减小坡面滑移速度。本文通過geo-studio模拟软件针对宁江岛造地型护岸边坡实施水位涨落过程中的填土与护岸结构同步排水的关键技术研究，并揭示滨海滨库地带填土岸坡稳定性变化规律，是岩土减灾科学发展及社会经济建设安全保障的主要科学目标。

1 宁江岛造地型岸坡工程概况

宁江岛岸坡属于水库岸坡人工造地，位于三峡水库巫山县大宁河与长江交汇处，由第四系人工堆填层、冲积粘性土层、残坡积碎块石土层组成，该护岸工程主要采用抛石护角、堆石坝、碾压回填土、坡面防护，重力式挡墙等五种技术措施[4]，目的在于防止岸坡岩土体被库水冲蚀破坏，主要是通过放坡来保证岸坡稳定，未考虑同步排水降压技术，而三峡库水位每年涨幅在145m至175m之间，宁江岛岸坡受库水位涨落影响明显，库水位变动使得土质岸坡处在周期性的水的浸泡状态[5]，破坏了岸坡原有的自然平衡条件，尽可能削弱或消除库水位降落过程中岸坡内地下水滞留并产生强大渗透力成为该排水降压护岸工程的关键。

2 排水降压渗流模拟结果

该文主要模拟水位骤降条件下岸坡设置排水管前后的渗流就稳定性变化情况，取初始水位在175m时的渗流情况作为水位下降前的初始条件，此时假设岸坡体内外水位保持一致，均为175m，为一理想静止状态。统一取水位降落速度为5m/d，岸坡初始状态如图1所示稳定系数为1.116，采取单独或组合方式分4种工况设置排水管，分别模拟的岸坡渗流稳定性变化如图2所示。

利用Seep/w模块进行渗流分析模拟时，当为稳定渗流时，将排水管处设置为零压力水头边界，本文为非稳定渗流分析，应将排水管设置为一种interface材料，并将其法向和切向渗透系数设置成较大的数值，具体数值可根据实际工程土层排水情况赋值。

（1）从图1中可以看出在库水位骤降条件下，岸坡稳定系数从初始的1.116陡降至0.481，整体处于失稳状态，坡体内水受到土体表面张力，土体颗粒的粘结和摩擦力的作用，产生滞后现象，水位骤降时来不及排出，使得岸坡体内水位始终高与库水位。（2）图2中开始设置排水管后，岸坡体内渗透压力得到缓解，浸润线随着排水管的位置发生改变，岸坡更趋于稳定，图3-a中当只在145m处设置排水管，模拟得到的稳定系数为0.555，比未设排水管时稳定性有所提高，且从图中可以看出设置排水管位置周围的浸润线有明显的变化，更趋于与岸坡外水位持平。（3）图2-a，2-b，2-c中可以看出，随着排水管设置位置的不同，从145m到160m，再到170m，发现排水管位置处浸润线均有明显的拐点，相对而言，145m处的排水降压效果最为明显，在实际岸坡排水工程中可考虑“下密上疏”的设置原则，节约成本的同时也能提高排水效率。

3 结论

水位陡降时，填土造地岸坡护岸结构后部坡体内水位线下降速度滞后于外部水位线，在库岸护岸结构前后形成水头差，使填土岸坡防护结构易因积水长期浸泡，影响其稳定性。因此，实施填土岸坡与防护结构的同步排水研究对保证填土岸坡稳定及其安全运营具有重要意义。

（1）在库水位周期性浸泡作用下，宁江岛岸坡土体发生软化或泥化，土的C、φ值也随之降低，水下土体受到浮力的作用后，有效压应力相应减小，降低了土体抗滑能力，设置排水管能有效的降低坡体内水位，从而降低其渗透压力，减小水对土体的有效浮力，增加岸坡稳定性。（2）排水管数量设置越多，同步排水效果越明显，岸坡体内外水头差悬殊越小，但在实际工程中还要考虑成本及施工工艺的影响，并不是排水管设置的越多越好，当排水管数量增多，排水及开挖成本相应增高，所以在实际工程中要综合估算其价值，选择最合理的排水管数量和开挖间距。（3）水位骤降时，排水管埋设的位置越低，排水效果越好，岸坡稳定系数在实际工程中可以采用“下密上松”的布置原则设管，节省成本的同时也能提高排水效率，此外该文未考虑排水管长短的布置与岸坡渗流及稳定性之间的关系，在实际中可根据工程需要通过遴选回填材料、排水管道直径以及设置间距综合提高排水降压效果。

参考文献

[1] 陈野鹰，唐红梅，周作茂，等.三峡水库港口岸坡排水方案优化研究[J].水运工程，2006（5）：33-38.

[2] 刘毓氚.压实残积土降雨渗流特性与填土边坡排水设计研究[J].福州大学学报（自然科学版），2010，38（3）：432-436.

[3] L.Piccininia，M.Bertib，A. Simonib，et al.Slope stability and groundwater flow system in the area of Lizzano in Belvedere[J].Engineering Geology，2014，183（9）：276-289.

[4] 崔志波，陈洪凯，陈涛.改造地功能的水库岸坡防护技术研究与实践[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2009（1）：95-99.

[5] 何晓英.高变幅水库岸坡造地型护岸结构修筑关键技术研究及应用[D].重庆：重庆交通大学，2011.