水位降落时河岸边坡稳定性影响因素分析

高素霞

(建平县水务局水利工程移民股，辽宁建平 122400)

水位降落时河岸边坡稳定性影响因素分析

高素霞

(建平县水务局水利工程移民股，辽宁建平 122400)

维持河岸边坡稳定性是河流治理中的重要任务。从河流治理实践来看，影响边坡稳定性的因素多种多样，而且这些因素相互之间存在复杂的内部关系。本文对水位降落时河岸边坡稳定性常见的河水浸泡、超孔隙水压力、静水压力等影响机理进行了分析，对三类关键影响因素的敏感性进行了计算。研究结果表明：土体黏聚力c对边坡稳定性的影响最为显著，对水位降落的敏感性也最高，边坡土体内地下水位Hd对边坡稳定性的影响次之，边坡内摩擦角φ的影响则最不具有敏感性。

河岸边坡；稳定性；影响因素

我国东北地区处于温带季风气候调节区，河水季节变化特征显著。在降水集中季节，河流水位会快速上涨；随着洪峰退去，河床、河岸都会受到冲刷，从而影响边坡土体稳定性［1］。由于西部河流沿岸人口密度较高，边坡受损的河流难以有效发挥其疏水调洪功能，从而影响沿岸人民的生命财产安全，因此，在河道治理过程中，需要对边坡稳定性予以重点关注。对于存在滑坡及坍塌风险的河岸，需要采取提前加固、临时救险及事后及时补救等措施［2-3］。在这个过程中，尤其需要研究和分析边坡稳定性影响因素及其影响机理，从而提升相关治理措施的针对性。本文以辽宁境内海棠河为例，对其河岸边坡稳定性的常见影响因素进行讨论，并对关键因素的敏感性进行分析，希望对相关治理方案的制定有积极作用。

1 工程概况

海棠河位于建平县中部，属老哈河一级支流，发源于建平县张家营子镇青山村，由东流向西，在太平庄乡郎家营子村汇入老哈河。河长51km，河道平均比降2.61‰，流域面积751km2，河道平均宽100～250m。流域内多年平均降水量445.60mm，多集中在6—9月，占全年降水量的80%以上。

海棠河系中小河流，没有径流观测资料，属于无资料地区，此次河道治理工程洪水采用1998年辽宁省水文手册计算。10年一遇洪峰流量为896.27m3/s。为发挥海棠河防洪抗旱作用，需要对其进行综合治理。

2 水位降落时河岸边坡稳定性的影响机理

2.1 河水浸泡导致土体强度弱化

河水上涨时，受浸泡土体面积增大。受浸泡期间，土体物理性质会发生变化，其容重会升高，从而导致其抗剪强度受到抑制。相比较于受浸泡前，当水位出现降落时，土体强度就会出现弱化。

研究结果表明：当河水长时间浸泡边坡土体后，土体黏聚力c及内摩擦角φ都会减小；当二者降低至最弱水平时，边坡稳定性便会受到破坏，从而引发边坡坍塌。

2.2 静水压力引发边坡稳定性失衡

静水压力对边坡稳定性起到内部控制作用。一方面，当河水上涨时，静水位会随之上涨，其形成的静水压力与土体形成的坡角会发生变化。另一方面，当水位下降时，静水位下降速度会低于前者下降速度。在此情形下，静水压力与土体形成的坡角就会大于土体滑动倾角，从而会“推动”边坡土体向下滑落；当这种推动作用大于土体既有黏聚力时，便会出现河岸边坡坍塌。

2.3 超孔隙水压力引发边坡稳定性失衡

边坡土体自身拥有空隙，其持水能力较强，从而形成鲜明浸润线。在水位上涨过程中，超孔隙水得到较为充分的补充；当水位下降时，浸润线自身仍然会在一定时间内呈持水状态，从而形成超孔隙水压力。研究结果表明：超孔隙水压力会增加边坡土体下行压力，增加其滑坡可能性。

3 河岸边坡稳定性影响参数及其计算方法

在对河岸边坡稳定性影响因素进行分析时，主要涉及如下参数：

a.滑坡土体有效重量。计算该参数时，须按照下式进行：

式中 Wt——滑坡土体有效重量；

γ——地基土体重度；

Hw——边坡临河水位；

γsat——岩土体的饱和重度；

Au、Ad——体积参数。

b.超孔隙水压力。计算该参数时，须按照下式进行：

式中 Hd——边坡土体地下水位；

Hw——边坡临河水位；

α——主动区与地基夹角；

β——被动区与地基夹角；

γw——水的重度。

c.渗透水压力。计算该参数时，须按照下式进行：

式中 Pd——渗透水压力；

J——渗流梯度。

d.静水压力。静水压力计算公式为

式中 R——静水压力。

e.滑坡面抗滑力及阻滑力。对于一段滑坡面，其所受到的综合支持力为

滑坡面抗滑力计算公式为

式中 N——滑坡面综合支持力；

φ——地基土内摩擦角；

Tf——滑坡面抗滑力；

c——土体黏聚力；

L——边坡长度。

滑坡面阻滑力计算公式为

4 水位降落时边坡稳定性影响因素敏感性

本文对边坡稳定性影响因素的敏感性进行分析，主要考虑到河水长时间浸泡所直接引发的因素：边坡内部地下水位Hd、边坡土体内摩擦角φ以及土体黏聚力c。本文将对这些因素的敏感系数进行计算。

4.1 因素变化情况

本文中，监测点边坡经过一定时间浸泡后，其土体黏聚力c等因素都会发生变化。首先，不对各个因素作分别讨论，则出现如下变化：边坡土体内部地下水位降低至4m（原始值为5m），内摩擦角降低至15°（原始值为12.10°），边坡土体黏聚力降低至18kPa（原始值为25.kPa）。此时，需要以变化前数值为基准条件，计算这些因素的总体敏感性。其次，需要对其中一个参数进行单独变化，另外两个参数则控制不变。此时，需要计算不同工况所对应的边坡稳定系数，可得各个单一影响因素的敏感性（见表1）为各个影响因素所对应的稳定系数计算结果。由表1可知，当土体内地下水位Hd等出现任何变化，相应的稳定系数都会出现相应的改变。

表1 各主要影响因素变化的河岸稳定系数

4.2 单一因素敏感性计算公式

根据已有研究成果，在计算单一影响因素相对于边坡土体稳定性的敏感性时，可依据如下公式进行：

式中 βij——第j个指标对第i个不确定因素的敏感度系数，计算结果取绝对值，绝对值越低则表明该因素的敏感性越低；

ΔYj——所计算参数Yj的相对变化率；

ΔXi——考核指标i的相对变化率。

4.3 各影响因素的敏感系数计算

在水位下降时，为维持河岸稳定，边坡需要满足一定的安全系数K。各影响因素在变化过程中，该安全系数会呈现不同的敏感度，该敏感度即为各影响因素对边坡土体稳定性的敏感系数。表2～表4分别为土体黏聚力c、内摩擦角φ以及土体内地下水位Hd相对于K的敏感系数计算结果。

4.3.1 土体黏聚力c的敏感系数

由表2可知，在基准条件（Hd=5、φ=15°）下，c相对于安全系数K的敏感系数为0.90。当河流水位下降至4m后，若其内摩擦角φ=15°，其敏感系数下降为0.89；若φ=12.1°，则敏感系数会上升至0.91。可见，在水位降落过程中，土体黏聚力c与安全系数K呈同向变化关系。即河流水位下降时，会导致土体黏聚力降低，从而对边坡稳定性造成消极影响，然而这种作用会越来越低。

表2 土体黏聚力φ相对于安全系数K的敏感性计算结果

4.3.2 内摩擦角φ的敏感系数

由表3可知，在基准条件（Hd=5、c=25kPa）下，φ相对于安全系数K的敏感系数为0.111。当河流水位下降至4m后，若其土体黏聚力c=25kPa，其敏感系数上升为0.126；若土体黏聚力下降至c= 18kPa，则敏感系数会上升至0.165。可见，在水位降落过程中，内摩擦角φ与安全系数K呈反向变化关系。即河流水位下降时，会导致边坡土体内摩擦角φ降低，对边坡稳定性造成更加显著的影响，从而加大边坡坍塌的可能性。

表3 内摩擦角φ相对于安全系数K的敏感性计算结果

4.3.3 土体内地下水位Hd的敏感系数

由表4可知，在基准条件（c=25、φ=15°）下，边坡土体内地下水位Hd相对于安全系数K的敏感系数为0.696。当土体黏聚力下降至18kPa后，若其内摩擦角φ=15°，其敏感系数下降为0.675；若内摩擦角下降至φ=12.1°，则敏感系数会上升至0.690。可见，在水位降落过程中，土体内地下水位Hd与安全系数K呈反向变化关系。即河流水位下降时，会导致边坡土体内地下水位Hd降低，从而对边坡稳定性造成更加显著的影响，加大边坡坍塌的可能性。

表4 土体内地下水位Hd相对于安全系数K的敏感性计算结果

综合表2～表4的数据及分析可知，随着地下水位的变化，内摩擦角φ对边坡坍塌的影响最小，土体内地下水位Hd的影响居中，土体黏聚力c的影响最显著。在边坡治理过程中，需要重点关注土体黏聚力强弱，并采取针对性措施有效改良土体黏性；同时，需要对边坡土地持水能力进行监测，对其土体内地下水位所造成的边坡坍塌风险进行跟踪。

5 结 语

河岸边坡坍塌及土体滑落会降低河道输水能力，从而增加洪水的破坏力，影响沿岸人民的生命财产安全。通过对老哈河的支流海棠河水位降落过程中的边坡稳定性影响因素进行分析，得出如下结论：土体黏聚力c对边坡稳定性的影响最为显著，对水位降落的敏感性也最高；为增加土体黏聚力对边坡稳定性的支撑作用，需要采取措施增加土体内摩擦角并合理控制边坡土体内的地下水位。

［1］ 黄春，柯善军.大岗山水电站工程边坡稳定性分析［J］.中国水能及电气化，2011（9）：43-46.

［2］ 王英，战永亮.关于基坑边坡稳定性计算的思考［J］.水利建设与管理，2003（5）：23-24.

［3］ 戴年粉.团坡水电站坝址右岸边坡稳定性分析及支护处理［J］.中国水能及电气化，2014（2）：61-65.

Analysis on Influencing Factors for Bank Slope Stability at Drawdown of Water Level

GAO Suxia
（Hydropower Engineering Transmigrant Subsection of Jianping County Water Authority，Jianping 122400，China）

It is an important task to maintain the bank slope stability in river improvement.From the viewpoint of river improvement practices,the factors influencing slope stability are various,and between these factors,there exist complex internal relations.This paper analyzes the influencing mechanisms of common factors on bank slope stability at drawdown of water level,such as river water soaking,excess pore-pressure,hydrostatic pressure,etc.And also calculation on sensibility of the three kinds of key influence factors is made.Research results show that soil cohesion c has the most significant influence on slope stability,and also has the highest sensibility on drawdown;the underground water level Hdin slope soil is the second major factor influencing slope stability;the influence of internal friction angle of slopeφhas the least sensibility.

bank slope;stability;influencing factor

TV223

A

1673-8241（2016）12-0038-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.010