三峡库区动水压力型土质滑坡排水管布置优化——以卧沙溪滑坡为例

张振华, 王 亮, 刘 武

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009;2.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心, 湖北 宜昌 443002)

三峡库区动水压力型土质滑坡排水管布置优化
——以卧沙溪滑坡为例

张振华1,2, 王 亮1, 刘 武1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009;2.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心, 湖北 宜昌 443002)

[目的] 为降低动水压力型滑坡体内的动水压力，提高其稳定性，采取布设水平排水管的措施对该类型滑坡进行治理，并对排水管的布设方案进行优化，为同类滑坡的加固设计以及获得高效合理的排水管布设方案提供参考。 [方法] 利用土体级配曲线，采用间接方法近似确定滑体土土—水特征曲线，并尝试通过 Fredlund&Xing函数模型预测获得滑体土非饱和渗透函数曲线。采用均匀设计方法、有限元、神经网络和遗传算法相结合的综合集成方法开展排水管布设方案优化研究。 [结果] 获得了卧沙溪滑坡最优的排水管布设方案为：管长L为26.6 m，间距D为6.88 m，倾斜角θ为7.3o。 [结论] 采用该排水方案加固后的滑坡安全系数为1.101，大于设计安全系数1.10，满足滑坡加固安全与经济的要求。

动水压力型滑坡； 渗透性； 排水管

已有的研究[1-3]表明，三峡水库水位骤降对动水压力型滑坡的稳定性不利。比如，三峡库区的树坪滑坡、白水河滑坡和卧沙溪滑坡等，都是在库水位下降的工况下发生了较大的变形[4，5，12]。由于动水压力型滑坡的岩土体渗透性比较差，在库水位下降的过程中地下水不能及时排出，坡体内地下水位的下降速度小于水库水位的下降速度，导致坡体内水力梯度增大而引起动水压力明显增大，滑坡受到由坡内指向坡外的动水压力作用[5]，致使其稳定性降低，甚至引起滑坡的变形破坏和滑动。目前已有部分学者对三峡水库水位下降条件下的滑坡稳定性进行分析。例如，王锦国等[6]通过对三峡库区猴子石滑坡地下水动力场进行分析，发现库水位从175 m下降至145 m时所受动水压力为正常蓄水位时的13倍，对滑坡的稳定性极为不利；向玲[7]、卢书强等[4]研究表明，随着库水位下降，由于滑坡岩土体的渗透性较差，滑坡受到从内到外的渗透动水压力作用，使得滑坡的稳定性降低。从已有的文献来看，学者们虽然研究了库水位下降条件下动水压力对土质堆积体岸坡稳定性的影响，但没有提出有效的加固方案来降低该工况条件下坡体内的动水压力(即地下水位)。目前，常见的水库岸坡降低地下水位的措施主要有排水洞、集水井抽水、虹吸排水、水平排水和渗沟等[8]。由于水平排水管具有施工简单、工期短、维护方便和经济等优点，也是经过工程检验较为有效的排水措施之一[8-11]，因此水平排水管在滑坡的治理工程中得到了广泛应用。水平排水管的排水降压效果主要取决于排水管的布设方案，而在实际工程中，水平排水管的布设方案通常是按照规范，或者是根据经验、井流公式等进行简单设计，为了保证排水的效果而盲目的增加排水管数量，造成工程上不必要的浪费[8]。为了经济有效地降低库水位下降条件下动水压力型滑坡的地下水位，科学合理地确定水平排水管的布设方案是非常必要的。鉴于此，本研究以三峡库区典型动水压力型滑坡——卧沙溪滑坡为例，采用均匀设计方法、有限元、神经网络和遗传算法相结合的综合集成方法，对水平排水管布设方案进行优化研究。

1 卧沙溪滑坡概况

卧沙溪滑坡位于长江支流青干河的右岸，属于秭归县沙溪镇梅坪村。滑坡距青干河下游左岸的千将坪大型滑坡约1.5 km，距河口约6 km，距三峡坝址约50 km[12]。滑坡平面上总体呈“圈椅”状，近南北向。滑坡体纵长(南北方向)约250 m，横向平均宽度约200 m，厚度约15 m，体积约7.50×105m3[12]。滑坡后缘位于高程约225 m的村级公路上，前缘剪出口高程约105 m，坡度为15o～30o[13]。该滑坡为土质滑坡，滑体物质主要由第四系全新统崩坡积碎块石土、残坡积土组成，成分为黏性土夹砂岩、泥岩块碎石，具有弱透水性[13]。滑带为上覆滑体与下伏基岩的接触面，由紫红色黏土夹少量碎石组成，碎石成分复杂，主要为黄褐色泥质粉砂岩，稍密—密实，具有弱—微弱透水性；滑带形态总体上陡下缓，厚度约为0.3～0.8 m[13]。滑床基岩为侏罗系中—下统灰绿色厚—巨厚层状长石石英砂岩、粉细砂岩夹少量紫红色粉砂质黏土岩、泥岩，呈厚层状，泥质胶结，具有弱透水性[13]。岩层总体产状100o∠25o，走向与岸坡总体走向大角度相交，属斜向结构岸坡[13]。根据参考文献[12-13]给出的滑坡GPS位移监测点(wsx1—3)记录的位移随库水位变化关系曲线(图1)，可知滑坡在每年库水位下降期(4—6月)的位移变化较同一库水位变化周期内的其他时段明显得多，属于典型的动水压力型滑坡。

图1 滑坡累计位移—库水位—时间关系

2 排水管布设方案设计

大量的研究[14-17]表明，影响排水效果的主要因素有管径，管长，排距，倾角，管间距等。假设对5个影响排水效果的因素都取5个水平，若考虑全部因素的各水平相互组合，则排水管布设方案达到55=3 125种，就此进行优化研究会因为工作量太大而难以实现，必须从中选择部分具有代表性的组合方案进行试验，即对布设方案进行科学合理的设计。均匀设计方法是王元和方开泰于1978年提出的试验设计技术，其数学原理是数论中的一致分布理论，只考虑试验点在试验范围内的均匀分布，即“均匀分散”性，忽略“整齐可比”性，使试验点均衡地分布在试验范围内，而且有充分的代表性[18]。若按3因素6水平的排列组合进行方案设计，共计63=216种布设方案；而依据均匀设计原理，若采用均匀设计表U24(63)，则具有代表性的排水布设方案仅需要24种方案。由此可见，采用均匀设计方法可以大大地减少排水管布设方案的数量，既具有代表性，又能合理反映所有可能出现的试验组合特征。采用均匀设计方法设计排水管布设方案，首先应确定影响排水效果的因素及其水平，然后选取合适的均匀设计表设计排水管布设方案。

2.1 排水管布设所考虑的因素及其水平

根据参考文献[15-16]的研究，在管径R的通常取值范围内，管径的大小对边坡排水效果有一定影响，但是影响不明显，试图通过增大排水管的管径来达到更好的排水效果，不仅达不到预期的效果，反而会使施工难度和费用的增大。

故本文不把排水管径R作为排水管优化的参数，仅考虑影响排水效果的管长L、倾角θ和排距D这3个因素。根据文献[19]，确定3个影响因素的取值范围：管长L取5～30 m，排距D取2～7 m，倾角θ取5o～10o。对每个影响因素分为6个水平，具体计算结果详见表1。

表1 排水管布设方案影响因素水平

2.2 按均匀设计表确定试验方案

根据表1,选择出合适的均匀设计表U24(63)和U6(63)(共30种代表性排水管布设方案,表2—3)。其中表2的样本用于下文关于水平排水影响因素与排水效果之间的神经网络模型的训练，表3中的样本用于该神经网络模型训练过程中的预测检验。

表2 排水管布设方案均匀设计〔U24(63)〕

表3 排水管布设方案均匀设计〔U6(6)3)〕

3 不同排水管布设方案的排水效果

3.1 有限元计算网格模型

根据参考文献[12-13]提供的卧沙溪滑坡地质资料，建立该滑坡主滑剖面A-A’的有限元计算网格模型。采用四边形单元进行剖面的网格划分，共划分单元3 872个、节点3 845个。

3.2 计算参数

3.2.1 岩土体常规物理力学参数 根据卧沙溪滑坡岩土体的物理力学参数建议取值等资料，通过工程类比和参数反演分析，综合确定有限元数值计算参数值(表4)。使用“空气单元法”来模拟排水管，即将排水管的渗透系数设置成远大于周边渗流介质的渗透系数(可将二者的比值设置成等于500[8])来模拟排水管的排水性能。

表4 滑坡岩土体常规物理力学参数

3.2.2 滑体土土—水特征曲线和渗透函数曲线 经现场调查显示滑带土和滑床岩体长期处于饱和状态，其渗透特性可以用饱和渗透系数来表征，具体参数值详见表4库水位下降过程中，滑坡土体从饱和状态逐渐向非饱和状态过渡，故需采用非饱和非稳定渗流分析方法对该滑坡渗流场进行分析。根据非饱和非稳定渗流理论，非饱和渗流分析需要确定土体的土—水特征曲线(SWCC)、非饱和渗透系数等相关参数[20]。

土—水特征曲线描述了非饱和土基质吸力与含水量的关系。通过试验方法直接测定堆积体滑坡土体的土—水特征曲线是比较困难的，因此很多学者通过间接方法推测土—水特征曲线，如经验公式方法、物理经验模型、分型几何法等[21]。孔郁斐等[22]利用均匀土柱模型的毛细管理论推导出特定粒径颗粒堆积物中毛细水上升高度，据此构造出由土体级配曲线近似确定土—水特征曲线的物理经验模型，给出了土—水特征曲线的预测公式(1)—(3)，并证明该模型是可行的，由于该方法合理易行，故采用该方法预测土—水特征曲线。

S=P(d)

(1)

d=6σRou/〔(1+e)γwh〕

(2)

InRou=aln(h)+b

(3)

式中:S——饱和度；P(d)——级配函数；d——粒径； σ——水的表面张力系数； γw——水的重度；e——孔隙比；Rou——修正系数；h——吸力水头；a，b——拟合参数，利用非饱和土数据库UNSODA中406中土样的测量数据对参数a，b进行分析，分析

结果显示a，b与级配和孔隙比无关，可能受土的矿物组成影响较大[22]。

确定颗粒堆积体土—水特征曲线的主要步骤包括：首先，确定拟合参数a、b的取值(本文采取文献[22]统计的平均值a=0.439 7，b=4.495 0)，其次，根据公式(3)计算不同h值所对应的修正系数Rou；然后，将a，b，Rou和不同的h值代入公式(2)得到相应的d值，再由公式(1)计算对应的饱和度S；最后，通过饱和度S计算体积含水量，就可以得到吸力水头—体积含水量曲线，即SWCC曲线。

图2 滑体土颗粒大小分布曲线

通过卧沙溪滑坡滑体土的颗粒分析试验获得其级配曲线(图2)。

根据上述步骤确定的滑体土土—水特征曲线(图3)和试验所得饱和渗透系数，尝试通过Fredlund&Xing函数模型[23]预测获得滑体土的渗透函数曲线(图3)。

图3 滑体的土—水特征曲线和渗透函数曲线

3.3 计算工况

由于动水压力型滑坡在库水位下降期对滑坡的稳定性最为不利，结合三峡水库的调度方案，水库水位下降是从坝前正常蓄水位175 m降至防洪限制水位145 m，下降速度一般采用1.2 m/d[24]。因此，确定计算工况为：库水位以1.2 m /d的下降速度从175 m下降至145 m。

3.4 渗流场模拟和安全系数计算

3.4.1 渗流场模拟 根据表2—3中的共30个排水管布设方案，采用Geo-Studio岩土工程数值分析软件中的SEEP/W模块，对滑坡进行瞬态渗流分析，得到地下水位线分布、孔隙水压力分布等数据。图4分别为水位从175 m降至145 m时无排水和有排水的滑坡渗流场分布，一般排水管的排水效果可用排水管出水量来衡量。由于排水管较多，且不同时刻排水管的出水量变化较大，故通过排水管出水量衡量排水效果不太合适。排水管的出水量，可以通过渗流场数值计算结果中有排水措施条件下坡体地下水位线相对无排水措施的地下水位线下降的区域面积来表征。因此，本文通过对有无排水措施条件下的地下水位线的对比分析，计算获得库位从175 m降至145 m时设置与未设置排水管条件下地下水位线之间的区域面积S(以下简称面积S)，见表6—7；并将面积S(图5)作为衡量排水效果的指标。

注：图中的数值为总水头(m)。图4 库水位从175 m下降至145 m时滑坡渗流场分布

图5 库水位从175 m降至145 m时方案16(有排水)与无排水方案地下水位线之间的面积

3.4.2 安全系数计算 根据有、无排水措施条件下的滑坡渗流场模拟结果，通过Geo-Studio软件的SLOPE/W模块，采用Morgenstern-Price方法计算出1个无排水措施的滑坡安全系数(表5)和30个有排水措施方案对应的滑坡安全系数(表6—7)。

表5 库水位从175 m下降至145 m无排水 措施情况下的滑坡安全系数

水位高程/m175157145安全系数129411181035

4 排水管布设方案优化

运用人工神经网络(ANN)建立排水管布设参数(管长L、倾角θ和排距D，详见表1)与面积S及安全系数Fs之间的非线性映射关系。通过对结果的初步分析，发现排水效果越好(即面积S越大)时，滑坡的安全系数越大，意味着滑坡越稳定。当滑坡的安全系数达到规范[24]要求的设计安全系数1.10时，再增大排水效果就会提升工程造价。故出于排水方案的经济性考虑，方案优化以面积S最小为目标函数，以滑坡安全系数Fs大于1.10为约束条件，再利用遗传算法(GA)在参数取值范围内搜索出最优的布设参数。基于神经网络与遗传算法的排水管方案优化数学模型可归纳为：

对于约束的处理，采用简单的罚函数法。即在计算目标函数前，首先计算滑坡安全系数(表6-7)并判断其稳定性，对安全系数Fs小于1.10的方案，在其面积S基础上加上1 000[25]。

布设参数与面积S及稳定性FS之间映射关系模

型为：

式中：F——滑坡排水加固后的安全系数；S——地下水位线之间区域面积；L，θ，D——排水管布设参数； ANN——BP神经网络；n，m——代表网络输入层和输出层的维数；h——隐含层节点数；p——隐含层数；Fs——规范规定的设计安全系数，取1.10。

表6 24种排水管布设方案的渗流和稳定性分析

表7 6种排水管布设方案的渗流和稳定性分析结果

经过遗传操作，进化到第68代，最终搜索出的最优方案为：排水管管长L为26.6 m，排距D为6.88 m，倾斜角θ为7.3o。

5 优化效果评价

按照上述搜索出的最优排水管布设方案，计算获得采用该排水方案加固后的滑坡安全系数为1.101，比未加固时的安全系数1.035(表5)提升了6.4%，使得滑坡从欠稳定状态提升至稳定状态，大于规范规定的设计安全系数1.10，满足安全要求。

6 结 论

(1) 通过颗分试验获得滑体土的级配曲线，基于滑体土的级配曲线，采用间接方法，近似确定了滑体土的土—水特征曲线；根据土体的土—水特征曲线和饱和渗透系数，尝试通过Fredlund &Xing函数模型预测获得了滑体土的非饱和渗透函数曲线。

(2) 获得了卧沙溪滑坡最优的排水管布设方案为：管长L为26.6 m,间距D为6.88 m,倾斜角θ为7.3°；采用该排水方案加固后的滑坡安全系数为1.101，大于设计安全系数1.10，满足滑坡加固安全与经济的要求。

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Layout Optimization of Horizontal Drainage Pipes for Typical Hydrodynamic Pressure Landslide in Three Gorges Reservoir Area —A Case Study at Woshaxi Landslide

ZHANG Zhenhua1,2, WANG Liang1, LIU Wu1

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui, 230009,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-HazardsandEco-EnvironmentinThreeGorgesArea,Yichang,Hubei443002,China)

[Objective] In order to reduce the hydrodynamic pressure of such pressure induced landslide and improve the slope stability, horizontal drain pipes were built in a potential landslide slope using a optimized layout scheme to provide references for reinforcement design for similar landslides. [Methods] Grain size distribution curve of sliding mass was obtained by size distribution testing firstly. Based on which, the soil-water characteristic curve of sliding mass was determined approximately and indirectly, and permeability function of sliding mass was predicted by Fredlund & Xing function model. Uniform design method, finite element method, neural network and genetic algorithm were taken to carry out the optimization of the layout scheme of horizontal drain pipes. [Results] The optimized scheme for Washaxi landslide had a pipe length of 26.6 m, a spacing distance of 6.88 m and a dip angle of 7.3o. [Conclusion] If the optimized scheme is adopted to reinforce the landslide, the factor of safety is 1.101, which is greater than design factor of safety 1.10. The scheme could satisfy the requirements both in safety and economy.

hydrodynamic pressure landslide; permeability; horizontal drainage pipes

2016-06-19

2016-06-30

国家自然科学基金项目“水库运行期消落带红层砂岩强度劣化的物理化学机制研究”(51579063)，“水库岸坡消落带红层砂岩软化崩解机理及强度演化规律研究”(51579063); 中央高校基本科研专项(JZ2015HGBZ0480)

张振华(1977—),男(汉族),福建省政和县人,博士,教授,主要从事水库岸坡稳定性分析评价与加固研究。E-mail:zenithzhang@sina.com。

王亮(1990—),男(汉族),河南省泌阳县人,硕士研究生,研究方向为水工结构。E-mail:wangl0154@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.1205.001

B

1000-288X(2016)06-0139-07

TV697.3

文献参数： 张振华, 王亮, 刘武, 等.三峡库区动水压力型土质滑坡排水管布置优化[J].水土保持通报，2016,36(6)：139-145.