水位升降速率对河堤边坡稳定性影响及其机理探讨

(安徽省水文局淠史杭蒸发实验站，安徽 六安　237011)

中国幅员辽阔，水系发达，河流遍布大江南北，而河道的冲刷，形成了一种特殊的地貌结构——河堤边坡。河堤边坡作为边坡形式中的一种，与铁路、道路边坡较为不同的是其受水位周期性变化的影响。河道水位升降的变化，会造成坡内外孔隙水压力的不平衡，而水位升降速率是影响其内外压力差大小的关键因素。因此，研究水位升降对河堤边坡稳定性影响对河堤设计具有重要指导意义。

据统计，约60%的坝坡失稳发生于水位骤降时期[1]，众多学者也对此进行了研究，分析了水位下降速率、非饱和区域基质吸力、渗透系数等因素对于岸坡稳定的影响。王志旺等[2]对影响坝体边坡稳定的各因素敏感性进行分析，并结合计算与监测结果对坝体稳定性进行研究。柳群义[3]基于有限元数值模拟，探讨了库水位升降以及升降速率对库岸滑坡稳定性的影响。罗红明等[4]通过对不同上升和下降速率的库岸边坡稳定性进行有限元计算，探讨了库水位变化对库岸滑坡稳定性的影响。张少琴等[5]采用摩根史坦利法分析了三峡库区不同库水位升降速率对其库岸边坡稳定性影响。

综上，有关水位升降速率对坝坡稳定以及库岸边坡稳定性影响研究较多，而水位升降速率对河堤边坡稳定性影响尚未见报导。本文基于有限元计算，采用强度折减法分析了不同水位升降速率下(0.05m/d、0.1m/d、0.2m/d、0.3m/d、0.4m/d和0.5m/d)，水位由5.00m降至3.00m以及由3.00m升高至5.00m时岸坡安全系数，定量分析水位升降速率对河提岸坡稳定性影响。

1　计算模型及参数

1.1　计算模型

根据实际地形选取典型岸坡剖面：坡高8m，坡比1:2的岸坡作为分析对象。模型的几何形状根据文献[3]的研究成果，且在考虑计算精度和计算时间消耗两者的平衡后，确定几何尺寸为坡脚到左边界的距离取坡高的1.5倍，即12m，坡顶到右边界距离取坡高的2.5倍，即20m，上下边界的距离取为坡高2.5倍，即20m。岸坡尺寸示意图如图1所示，在网格划分方面，综合考量计算精度和时耗后，计算模型网格划分结果如图2所示。

图1　岸坡尺寸示意图

图2　计算模型网格划分

1.2　计算参数

计算所用岩土力学参数根据工程地质勘察报告、室内试验、反算分析及结合经验综合确定，岩土力学参数及渗透系数见表1。考虑到浸润面以上非饱和土中的渗流，结合试验资料可得土体含水率与基质吸力的关系曲线、渗透系数折减系数与基质吸力的关系曲线，如图3和图4所示。

表1　土体的主要物理力学指标

图3　土体含水率与基质吸力的关系曲线

图4　渗透系数折减系数与基质吸力的关系曲线

1.3　计算工况

结合河道水位特点，水位升降幅度相同(由5m下降到3m，或者由3m升至5m)，水位升降速率分别为0.1m/d、0.2m/d、0.4m/d、0.8m/d和1.6m/d，升降历时分别为20d、10d、5d、2.5d和1.25d。

1.4　计算方法

在基于有限元法对岸坡稳定的分析中，基本采用强度折减法，对土体强度参数进行折减。强度折减法的基本原理是将岩土体材料的强度参数黏聚力c和内摩擦角tanφ值(一般情况)，通过同时除以一个折减系数R进行折减，从而得到一组新的黏聚力c′和内摩擦角tanφ′值，见式(1)和式(2)，并将折减后的参数重新输入进行计算，如此不断重复，当计算不收敛时，对应的R即为其稳定系数，即Fs=R。

(1)

(2)

强度折减法的一个重要问题是破坏判据的确定。目前基于强度折减法的数值方法计算稳定系数，并没有统一的标准。一般，强度折减法分析岩土体稳定性的判据有以下3种：ⓐ以数值计算不收敛作为判据；ⓑ以滑面上塑性区贯通作为判据；ⓒ以特征部位的位移产生突变作为判据。本文以不平衡力发展是否收敛作为破坏判据依据。

2　计算结果分析

2.1　水位骤降工况

河道水位从5.00m下降到3.00m，进行不同水位下降速率条件下的岸坡稳定性计算，稳定系数见表2。可知，随水位下降速率增大，岸坡安全系数逐渐减小，水位下降速率为0.1m/d时，其与5.00m静水位相比安全系数降低了3.3%，水位下降速率为1.6m/d时，与5.00m静水位相比安全系数降低了27.2%。说明水位下降速率越大，岸坡越不稳定。

表2　岸坡稳定系数计算结果

图5　最大主应力云图

图5分别为静水位5.00m与水位骤降至3.00m的最大主应力分布云图，可以看出，在岸坡表面浅层位置，图(b)与图(a)相比，最大主应力值明显减小，说明水位下降产生了朝向坡外的应力，使得最大主应力值减小，不利于岸坡稳定。在水位下降前，岸坡内外水压处于平衡状态，水位的下降，使得坡外水压力减小，而坡体内的水压减小则相对滞后，形成由坡内指向坡外的压力差，增大坡体下滑力，不利于岸坡的稳定，使得岸坡稳定性降低，稳定系数有所减小，因此与3.00m时静水位的稳定系数相比，水位下降之后相同水位的岸坡稳定系数明显减小，水位下降越快则减小越明显。而且水位下降越快，坡体内水压的下降滞后越明显，压力差越大，稳定系数越低，因此稳定系数随下降时长减小而降低。

2.2　水位骤升工况

河道水位从3.00m上升到5.00m，进行不同水位上升速率工况下岸坡的稳定性计算，稳定系数见表3。可知，随着水位上升速率增大，岸坡稳定系数逐渐增大，水位上升速率为0.1m/d时，其与3.00m静水位相比安全系数增大了1.2%。说明水位上升速率越大，岸坡越稳定。

表3　岸坡稳定系数计算结果

图6　最大主应力云图

图6为静水位3.00m与水位骤升至5.00m的最大主应力分布云图，可知在岸坡表面浅层位置，图(b)与图(a)相比，最大主应力值明显增大，说明水位上升产生了朝向坡内的应力，使得最大主应力值增大，有利于岸坡稳定。在水位上升前，岸坡内外水压处于平衡状态，水位的上升，使得坡外水压力增大，而坡体内的水压增大相对滞后，形成由坡外指向坡内的压力差，减小了坡体的下滑力，有利于坡体稳定，因此与3.00m时静水位的稳定系数相比，水位上升之后的岸坡稳定系数有所增加，水位上升越快则增加越明显。而且水位上升越快，坡体内水压的上升滞后越明显，压力差越大，稳定系数越高，因此稳定系数随上升速率增大而逐渐增大。

3　结　论

本文采用有限元对不同水位升降速率河堤边坡稳定性进行数值模拟，分析了不同水位升降速率下河堤边坡稳定性。此外，基于不同水位升降速率下边坡应力分布，初步探讨了水位升降速率对边坡稳定性影响的机理。主要结论如下：

a.水位下降时，由于坡体内外水压力差引起的下滑力是导致河堤边坡趋于不稳定的主要因素；水位下降速率越快，坡体下滑力越大，河堤边坡越不稳定。

b.水位上升时，垂直坡面向里的渗透力以及坡面的水压力是增强河堤边坡稳定性的主要因素；随水位上升速率增大，河堤边坡更加稳定。

[1]廖红建,盛谦,高石夯,等.库水位下降对滑坡体稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2005,24(19):3454-3458.

[2]王志旺,杨健,张保军,等.水库库岸滑坡稳定性研究[J].岩土力学,2004,25(11):1837-1840.

[3]柳群义,朱自强,何现启,等.水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析[J].岩土力学,2008,29(增刊):85-89.

[4]罗红明,唐辉明,章广成,等.库水位涨落对库岸滑坡稳定性的影响[J].地球科学,2008,33(5):687-692.

[5]明华,晏鄂川.水库蓄水对库岸滑坡的影响研究[J].岩土力学,2007,28(12):2722-2725.