不同水位下降速度下的砂性土堤边坡稳定性研究

刘发智，韩 雷，王理想

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

堤防是在汛期河流上最普遍的防洪工程，它对保护堤后城镇居民及财产安全具有重要的作用。堤防在汛期经过长期浸泡，当江河水位下降过快时形成不利于边坡稳定的非稳定渗流，容易导致上游边坡失稳，引起工程灾害。近年来，水位降落过程中堤防上游边坡失稳的现象时有发生[1]。因此，对水位下降期堤防稳定性研究具有重要的工程意义。

关于堤防稳定性的研究，国内外学者取得了一系列重要成果。贾官伟等[2]通过大型模型试验，探究了水位骤降引起的堤防边坡失稳的原因与模式。段祥宝等[3]通过宽槽和窄槽的模型试验，模拟了洪峰过程中堤岸的非稳定渗流过程。刘世凯等[4]对长江中下游重点堤防进行研究，研究结果表明：水位突降时堤防易出现滑坡。朱涛等[5]通过geo-studio软件对堤防在洪水位变化过程中的稳定性进行研究。对于不同水位降速情况下堤防边坡稳定性的研究较少，还有待进一步研究。

本文通过室内物理模型试验，模拟堤防经过长时间高水位浸泡后不同降速过程，利用高精度传感器、地形测量系统，观测堤防内部渗流场自由面、孔隙水压力、坡面地形变化，分析堤防边坡稳定性。

1 模型设计及试验装置

1.1 模型设计

1.1.1 试验用土性质

本次试验所用土料取自松花江某段堤防，根据堤防岩土工程勘察报告和试验资料，土样按《土工试验方法标准》(GBT 50123—1999)的要求进行试验，其主要物理力学指标见表1。

表1 试验用土主要物理力学指标

1.1.2 模型比尺

本次试验将松花江某段堤防断面作为模型试验设计断面，按几何比尺1∶10进行缩放布置于1.0 m宽的试验水槽中。断面模型堤顶宽0.8 m，堤底宽4.7 m，堤身高0.6 m，迎水坡坡比为1∶3，背水坡坡比为1∶3.5。模型试验应使模型与原型之间保持基本相似，即几何相似和动力相似。前者指保持模型与原型间一定大小的长度比尺关系，而后者指保持模型中的渗流场符合达西定律。确定模型比尺如下：

1.2 试验工况

试验模拟堤防在经过超设计洪水位长期浸泡之后水位下降对堤防稳定性的影响。根据V1=10k/u和V2=60k/u为判断水位骤降和缓降界限，土样渗透系数k=0.04 cm/s，计算出水位骤降速度为V>0.632 cm/s，水位缓降速度为V<0.001 cm/s。本文将骤降与缓降之间的降速定义为快降。本次试验模拟水位下降速度为V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s、V=0.694 cm/s等，包含了骤降、快降、缓降的三组工况，降水高度为0.5 m，对应的降水时间分别为1140 s、92 s、72 s。

1.3 试验装置

模型试验设备主要包括模型试验箱、地形自动测量系统、数据采集系统等。

试验箱由调水装置和试验槽两部分组成，两者通过管道连接。通过调水装置调节水位下降的速度，控制水位变化。试验槽尺寸为6.0 m×1.0 m×1.3 m(长×宽×高)，四壁采用 12 mm 厚的钢化玻璃制作，便于观察模型水槽内堤坝的破坏情况，四周采用厚度为10 mm、宽度为100 mm的角钢进行支撑固定。在水槽的钢化玻璃一侧安装有紫铜管, 外接测压管, 测量坡体内部的瞬时孔隙水压力,如图1所示。

图1 模型箱示意图

地形自动测量系统(TTMS)基于先进的超声测距技术、智能控制技术设计，非接触式测量，不影响床面；最小步进速度为1 cm/s，测量精度为1 mm，误差较小。地形自动测量系统的数据采集界面如图2所示。

数据采集系统由传感器和数据采集仪组成，主要进行孔隙水压力的自动采集。在堤防模型内部埋设了6个渗压计，用于监测孔隙水压力变化过程。传感器布置如图3所示。

图2 地形自动测量系统数据采集界面

图3 传感器布置图

2 试验结果分析

2.1 流场特性

V=0.694 cm/s和V=0.044 cm/s工况水位降落时自由面变化情况如图4所示。在水位骤降和快降情况下,堤防边坡内孔隙水压力消散速度比坡外水位的降落速度相对滞后,滞留在边坡内部的孔隙水压力改变渗流场形态。渗流自由面在堤防内部形成凸形分水岭,分水岭上游侧渗流是向上游边坡方向,分水岭下游侧的渗流方向是向下游侧的。水位降落速度越快孔隙水压力滞后于坡前水位越明显，形成的自由面形状越突出，坡体内部孔隙水压力与靠近坡面处孔隙水压力差值越大，渗透坡降越大。

图4 渗流瞬时自由面变化过程

2.2 孔隙水压力变化

在模型不同深度布置了孔隙水压力传感器，监测模型孔隙水压力，分析不同降速条件下，堤防模型的孔隙水压力变化情况。当V=0.694 cm/s工况堤防不同深度孔隙水压力变化情况如图5所示，同一位置不同降速孔隙水压力变化情况如图6所示。

图5 V=0.694 cm/s工况孔隙水压力变化

图6 不同降速S1#传感器孔隙水压力变化

在水位下降过程中，堤防内部孔隙水压力随着坡外水位的下降而下降。当V=0.694 cm/s工况的坡外水位下降到坡底时，此时S3#、S4#、S5#、S6#传感器实测得孔隙水压力下降值约为0.75 kPa、0.79 kPa、0.39 kPa、0.04 kPa，均小于水位下降引起的坡外水位水压力下降值5.00 kPa，表明坡体内部的孔隙水压力变化明显慢于坡外的孔隙水压力变化。而且靠近坡面处的孔隙水压力下降的幅度明显大于坡体内部的孔隙水压力下降的幅度，说明堤防存在明显的坡体内部指向坡外的渗流，这是引起滑坡的重要原因。在V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s两个工况中同样存在坡体内部指向坡外的渗流。

从图6可以看出，堤防坡内孔隙水压力随着坡外水位下降而下降，水位降速越快，孔隙水压力下降越快。当坡外水位下降到坡底时，孔隙水压力下降速度开始减缓，300 s后V=0.694 cm/s工况和V=0.544 cm/s工况孔隙水压力基本相同，在1200 s后三组降速的孔隙水压力最终趋于一致。说明降速越快堤防内外孔隙水压力差越大，随着时间增加，浸润线逐渐回落，土体内部孔隙水压力消散。

2.3 表面地形沉降

以迎水坡堤脚为原点，沿迎水坡向背水坡方向将试验模型划分为12个断面，间隔距离20 cm。使用地形自动测量系统，对堤防断面进行监测。

通过地形自动测量系统对试验模型填筑后及水位下降后分别进行地形测量，从测量结果可以看出，见图7，三组工况经过水位下降后迎水坡由于内外水头差，形成方向指向坡外的渗透压力，土体产生由坡面向下滑动的趋势。致使边坡上部发生明显沉降，其中V=0.694 cm/s工况最大断面平均沉降0.56 cm，V=0.544 cm/s工况最大断面平均沉降0.77 cm，V=0.044 cm/s工况最大断面平均沉降0.19 cm。边坡上部沉降的同时对底部土体产生挤压，下部可以清晰的看到拱起，其中V=0.694 cm/s工况最大断面平均拱起1.7 cm，V=0.544 cm/s工况最大断面平均拱起0.4 cm，V=0.044 cm/s工况最大断面平均拱起1.0 cm。总体来说降速越快堤防坡面地形沉降变形越大，见图8。

图7 不同水位下降速度下堤防各断面平均变形量

图8 水位下降堤防平均变形示意图(V=0.694 cm/s)

3 结 论

本文通过室内物理模型试验，模拟堤防经过长时间高水位浸泡后不同降速过程，利用高精度传感器、地形测量系统，观测堤防内部渗流场自由面、孔隙水压力、坡面地形变化，分析堤防边坡稳定性。得到如下结论：(1)在水位骤降和快降情况下，堤防边坡内孔隙水压力消散速度滞后于坡外水位的降落速度，在堤防内部形成凸形分水岭,分水岭上游侧渗流是向上游边坡方向,分水岭下游侧的渗流方向是向下游侧的。水位降落速度越快孔隙水压力滞后于坡前水位越明显，形成的自由面形状越突出，坡体内部孔隙水压力与靠近坡面处孔隙水压力差值越大，渗透坡降越大。

(2)在水位骤降和快降情况下,靠近坡面处的孔隙水压力下降的幅度明显大于坡体内部的孔隙水压力下降的幅度。降速越快堤防内外孔隙水压力差越大，随着时间增加，浸润线逐渐回落，土体内部孔隙水压力消散。

(3)在水位骤降和快降情况下,迎水坡坡内产生指向坡外的渗透压力，土体出现由坡面向下滑动的趋势，边坡上部沉降的同时对底部土体产生挤压，出现拱起。降速越快堤防坡面地形沉降变形越大。