新型截水导流式锚拉桩板墙排水抗滑性能分析

陈颖骐 王全才

摘要：降雨渗流和地下水对边坡稳定性影响巨大，而传统坡内排水设施受地质条件影响突出，难以满足巨型滑坡的排水要求。针对大型边坡地质条件复杂、排水能力不足的问题，提出截水导流式锚拉桩板墙。基于FLAC 3D中的流-固耦合理论模块，对传统滑坡支挡结构（泄水隧洞+抗滑桩）和截水导流式锚拉桩板墙支护下坡体与结构应力、位移、锚索轴力以及排水量等方面进行对比分析。研究表明，新型结构长期排水性能较好，坡体最大剪应力、结构的最大剪应力和最大位移以及锚索最大轴力均低于传统结构显示了新型结构的优越性。截水导流式锚拉桩板墙有利于坡体内部排水，更有利于坡体稳定性。研究成果可为巨型滑坡治理工程提供参考。

关 键 词：截水导流式锚拉桩板墙; 集成式支挡结构; 排水抗滑; 流-固耦合; 巨型滑坡

中图法分类号： P642 文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.026

近年来，基础设施建设产生了大量的挖填方，对处于平衡状态下的坡体产生了一定的扰动，从而诱发了滑坡灾害。尤其是大型、巨型滑坡的出现，给经济建设、人民生命财产及重大工程的安全带来严重的危害[1-4]。与一般的边坡相比，大型滑坡平面范围广，滑坡范围内地形往往呈负地形，汇水面积大，通过坡表流出滑坡范围内的降水少，绝大部分渗入滑坡体内部，且边界渗水性较强，总体地下水较为发育。除此之外，巨型滑坡剖面形态复杂，具有明显的层级特征，对抗滑、排水工程的要求远远超过了一般的边坡，针对此类滑坡展开排水、抗滑性能的研究显得至关重要。

滑坡失稳多集中在降雨期间或降雨过后，由此可见，降雨下渗及地下水对边坡稳定性影响重大。为了深入研究降雨诱发型滑坡，研究学者通过现场调查[5]、现场试验及模型试验[6]，均取得一系列成果。范宣梅等[7]对四川宣汉天台特大滑坡进行分析，总结了降雨是降低滑坡体稳定性主要因素之一;Kyoji Sassa等[8]對Leyte滑坡的现场调查和试验表明孔隙水压力及降雨的共同作用是诱发Leyte滑坡失稳的主要原因;张明等[9]对青宁乡滑坡的现场调查及试验结果表明，川东缓倾红层滑坡是坡体内静水压力和滑带土剪切强度降低共同作用导致的。降雨入渗引起的水平推力和浮托力使滑坡变形启动和缓慢滑动，滑带土受到滑体剪切，其孔隙水压力急剧上升，剪切强度急剧下降，最终导致滑体的急剧滑动，甚至造成了抗滑桩被完全剪断的情况[10-12]。

滑坡地表与地下排水措施对边坡稳定性影响重大，一些学者对此进行了探讨和研究。刘新荣等[13]针对酉阳大涵边坡提出了以截、排、堵对边坡进行排水的措施;田东方等[14]模拟了地表排水过程，揭示了降雨强度与土体渗透率对排水沟排水的影响;孙红月等[15]对破碎岩质边坡排水隧道效果进行了监测分析，表明在破碎岩质边坡中实施地下排水隧洞措施是合理有效的;严绍军等[16]通过FLAC3D对滑坡在地下隧洞排水

过程中的孔隙水压、水位及流量等变化进行了模拟，对滑坡的稳定性变化进行了动态研究;汪斌[17]、唐辉明等[18]、方正等[19]分别对不同滑坡渗流场与应力场的耦合作用进行了有限元分析，将渗流场的水力作用加到了应力场的分析中，对不同库水位作用下渗流场的变化规律及其对应力场产生的影响进行了研究。不过，针对巨型复杂边坡的排水措施，尤其是排水、抗滑功能集成防护结构的研究目前尚未开展。基于以上不足，本文提出了一种集成式新型防治结构——截水导流式锚拉桩板墙（下文称新型结构）。新型结构主要包括底部具有导水洞的透水桩、挡土板后部充填渗水材料的截水墙及锚索结构。本文以流-固耦合理论为基础，基于FLAC 3D中流-固耦合模块，对比传统结构与新型结构在排水作用下坡体孔压，坡体与结构应力、位移、锚索轴力以及排水量的变化规律。

1 集成式新型治理结构

1.1 集成式新型治理结构尺寸分析

集成式新型结构主要由透水桩、截水墙及锚索结构组成，如图1所示。其中，透水桩提供阻挡滑体下滑的抗力，截水墙拦截滑坡后部地下地表水并将其导入导水孔，锚索结构改善抗滑桩受力状态。

1.2 集成式新型结构的功能特征

截水导流式桩板墙是针对巨型滑坡治理工程提出的一种集抗滑和排水功能的集成式防治结构，主要适用于具有多层滑面、滑面深和岩土体含水量大的复杂滑坡。其功能特征描述如下。

（1） 截水功能。新型结构中截水墙由挡土板和渗水材料构成，渗水材料自顶部连梁到导水洞底部高程范围内均设置渗透性能良好的碎石，增加了渗水面积，进入截水墙内的地下水直接向下入渗，最终在底部连梁顶部汇集。

（2） 排水功能。透水桩导水洞内的碎石渗水材料与截水墙内碎石渗水材料在导水洞顶部至底部的范围内相连，经由截水墙碎石渗水材料入渗的地下水汇集于底部连梁顶部，最终经由导水洞将地下水排泄至滑体之外。

2 数值模型

2.1 计算模型的建立

目前大型滑坡防治工程中，广泛地采用泄水隧洞进行疏排地下水。泄水隧洞属于地下工程，其施工相对困难，造价较高。在排水能力上，由于渗水范围有限，仅在隧洞直径数倍范围内渗水效果较好，其排水原理如图2所示。

大型复杂滑坡地下水分布复杂，如滑带多层、饱水水囊较多，因而传统的泄水隧洞无法满足大面积排水等要求。针对大型滑坡地下水分布复杂等问题，本文提出了具有较强截排水功能的集成式新型治理结构，以适应大型滑坡防治工程的需要。截水导流式锚拉桩板墙可以较好地疏导各层滑带处富集的地下水，其渗水面积大大超过泄水隧洞的渗水面积，能够大规模地疏导地下水，使其最终通过导水洞排泄至滑体以外，其疏导及排泄地下水的工作原理示意如图3所示。

为研究新型结构的排水抗滑性能，以实际滑坡地质模型为背景，建立了滑坡二维简化地质模型如图4所示。模型长120.0 m，高54.5 m，地下水位较高，水位线距离模型底部距离为13.0～47.0 m。滑体物质为碎石土，滑床物质为互层砂泥岩。数值计算中根据岩土性质选择不同的渗流及力学参数，滑体与滑床由于岩土性质的差异性在计算中自动形成潜在滑动面。

2.2 工况设计及三维建模

本次模拟计算的主要目的是对比研究传统结构（泄水隧洞+抗滑桩）方案与新型结构方案在治理富水型滑坡的排水抗滑性能。数值计算中以滑体高水位条件模拟富水环境，分别采用传统结构和新型结构两种工况对滑坡的排水抗滑性能进行分析。两种工况下除采用的结构不同外，其余条件均相同。

由于地质模型相对复杂，采用CAD-ANSYS- FLAC3D联合建模方式建立三维数值模型。边界条件为下部固定约束，左右两侧法向约束，上部为自由边界。视岩土体为多孔介质，流体在多孔介质中的流动遵循达西定律，同时必须满足Biot方程[20]。除锚索采用cable结构模型外，其余结构均采用实体模型。三维数值模型长120.0 m，高54.5 m，宽12.5 m。模型设置两根抗滑桩，截面尺寸为3.5 m×2.5 m，桩长 25.0 m ，桩中距6.0 m。抗滑桩桩底与模型底部距离为6.0 m，与滑动面距离为17.0 m。传统结构模型对滑体、滑床、泄水隧洞、抗滑桩和锚索建立5个组，分别赋予不同的流体或力学性质参数，如图5（a）所示。新型结构模型对滑体、滑床、抗滑桩、挡土板、锚索和渗水材料建立6个组，如图5（b）所示。除渗水材料外，其余部分的流体或力学性质参数与传统结构相同。

2.3 数值模拟计算参数

根据FLAC3D软件特点，为保证计算较快速收敛，同时简化计算模型，因此不单独考虑滑带层。计算中流体模量2.0 GPa，流体抗拉强度取-0.5 MPa，流体密度取1 000 kg/m3，其余材料参数如表1所示。

2.4 建模计算步骤

流-固耦合问题的本质是流体渗流场与固体应力场之间的相互作用，包括两种情况：当渗流场与应力场融合为一体时，将渗流场和应力场的本构关系等联立起来以实现两场的耦合作用;当渗流场和应力场仅通过界面产生作用，则根据界面受力变形进行联合求解。流-固耦合方程的建立是流-固耦合数学模型建立的关键，FLAC-3D的建模步骤如图6所示。

3 计算结果分析

3.1 孔隙水压力变化规律

图7、图8给出了不同时刻传统结构和新型结构的孔隙水压力云图。

从图7可以看出，在抗滑桩+泄水隧洞的传统治理方式下，滑体浅表土体及泄水洞处孔隙水压力为0，随排水时间增加，在泄水隧洞附近形成了“倒钟型”的排水通道。数值计算结果表明，在12～24 h内坡体内最大孔隙水压从381.64 kPa降低到372.56 kPa，降低值为9.08 kPa，降低幅度为2.38%。

从图8可以看出，在新型结构治理方式下，滑体浅表土体及抗滑桩桩背一定范围土体的孔隙水压力为0，随排水时间增加，在新型结构桩背处形成“r”型排水通道。数值计算结果表明，在12～24 h内坡体内最大孔隙水压从391.60 kPa降低到374.12 kPa，降低值為17.48 kPa，降低幅度为4.46%。

传统结构和新型结构孔隙水压力分布云图表明，传统结构初期排水量稍大，但新型结构后期排水性较好，在12～24 h内其排水效果接近传统结构的两倍，从长期排水效果来看，采用新型结构更优。

为进一步对比传统结构和新型结构的排水性能，在抗滑桩桩背不同位置布置孔隙水压力监测点，得到排水作用下孔隙水压力随时间关系曲线如图9所示。

图9（a）表明，传统结构治理模式下，滑动面及以下土体孔隙水压力先急剧降低随后升高，最后再以较慢的下降趋势降低。在滑面以上土体孔隙水压力先升高而后较快速降低，整体上传统结构开始排水时孔隙水压力变化趋势复杂。图9（b）表明，新型结构模式下，滑坡土体孔隙水压力先急剧降低，随后再以较缓的速率消散，整体上新型结构排水下的孔隙水压力变化趋势较简单。在位置较低处如 H =15，17 m处，新型结构孔隙水压力总体较大，但在位置较高处如 H =21，23 m处，新型结构孔隙水压力较小，说明新型结构排水能力更强，更容易疏导滑体中的地下水。

3.2 排水作用下滑坡土体的力学响应

图10，11给出了不同时刻传统结构和新型结构治理滑坡下的坡体最大剪应力云图。

从图10可以看出，在滑动带与抗滑桩交界部位出现应力集中现象，且在滑动面以下泄水洞附近的部分岩土体的最大剪应力较小，表明排水洞能够很好地降低局部土体最大剪应力强度，但影响范围较小。 t =12，24 h时滑坡浅表土体的剪应力最小值分别为 2.42 ，0.91 kPa，坡体内剪应力最大值分别为429.46，435.33 kPa，表明排水洞能在12～24 h内增强滑坡浅表土体的抗剪能力，但由于其排水范围相对有限，在此时段内深部土体的最大剪应力值有所增加。

如图11所示，在新型结构与滑体前部土体交界面处应力集中，范围较小，主要是由于土体与混凝土结构不协调变形所致。数值计算结果表明，排水12 h后，滑坡浅表土体剪应力最小值为2.11 kPa，深部土体剪应力最大值为412.24 kPa。继续排水至24 h，滑坡浅表土体剪应力减小至0.87 kPa，而深部土体剪应力值降低至406.53 kPa，在12～14 h内滑坡浅表岩土最大剪切应力降低幅度达58.77%和1.39%。表明新型结构后期排水能力仍然较好，排水影响范围较大，排水作用下能够大幅提高滑体浅表岩土的抗剪能力。

3.3 排水作用下抗滑桩的力学响应

图12，13给出了不同时刻传统结构和新型结构的最大剪应力云图。

由图12可以看出，传统结构剪应力最大值在滑带附近，最小值在抗滑桩顶附近位置处。 t =12 h时剪应力最大值为1 090.50 kPa和24.74 kPa， t =24 h时剪应力最大值为1 050.23 kPa和15.91 kPa，在12～24 h内最大最小值分别降低了40.27 kPa和8.83 kPa，降幅为3.70%和35.71%。

图13表明，新型结构剪切应力最大值在滑带位置附近，最小值在桩顶及以下一定位置处。 t =12 h时，其最大、最小应力值分别为895.27 kPa和18.86 kPa; t =24 h时，其最大、最小应力值分别降低至839.18 kPa和11.51 kPa。在12～24 h内最大、最小值分别降低了56.09 kPa和4.36 kPa，降幅为6.26%和 38.97%。

由图14可以看出，传统结构沿 y 方向（即临空水平方向）的位移最大值和最小值分别位于桩顶和桩底。 t =12 h时最大、最小位移值分别为8.31 mm和0mm， t =24 h时最大、最小位移值分别为8.45 mm和0 mm。整体上桩底位移变化较小，桩顶位移变化较大，且随排水时间增加而逐步增加，在12～24 h内桩顶位移增加了0.14 mm，增加为1.68%。

图15表明，新型结构沿 y 方向（即临空水平方向）的位移最大值和最小值分别位于桩顶和桩底。 t =12 h时，其最大最小位移值分别为7.05 mm和0 mm; t =24 h时，其最大最小位移值分别为7.08 mm和0 mm，在12～24 h内桩顶最大位移增加量仅0.03 mm，增幅为0.43%。

为进一步说明排水作用下传统结构与新型结构支护下抗滑桩的变形能力，绘制了抗滑桩不同位置处的位移与排水时间关系曲线图如图16所示，图中的高度指监测点至模型底部的距离。

图16 抗滑桩位移与排水时间关系曲线 Fig.16 Relationships between displacement of anti-slide pileand drainage time

从图16可以看出，传统结构和新型结构在滑动带附近（15～17 m处）的监测点位移变化量相差不大，新型结构较传统结构的位移略低，这主要是由于两种结构对抗滑桩底部范围内岩土体进行排水，土体强度提高，增加了锚固段的锚固力。同时由于传统结构上部土体排水不够充分，滑体自重较大，传递更多的力到锚固段，造成了两种结构位移基本相等但传统结构位移略高于新型结构的现象。抗滑桩滑带（ H >17 m）以上部分的位移监测点监测数据表明，传统结构抗滑桩位移显著高于新型结构相应监测点位移，这主要是传统结构的泄水隧洞排水范围有限，而新型结构可全断面排水，显著降低了滑体土体自重，增强土体强度，导致其位移较低。

3.4 锚索轴力变化规律

无论是传统结构还是新型结构，随排水时间增长，其锚索轴力均有降低趋势。其中，传统结构在 t =12，24 h對应的锚索轴力最大值分别为474 kN和452 kN，在12～24 h内降幅为4.64%。新型结构在 t =12，24 h对应的锚索轴力最大值分别429 kN和392 kN，在12～24 h内降幅为8.62%。数值计算结果表明，新型结构支护下的锚索最大轴力较传统结构小，随排水时间增加，其锚索最大轴力降低幅度更大。

3.5 排水量变化规律

通过编写fish函数，监测传统结构中泄水隧洞和新型结构中导水洞范围内节点的渗流量，进一步估算不同工况下的排水情况。结果表明，传统结构在前 1.5h时内的排水速率较大，1.5 h后排水速率小幅度降低，48 h内通过泄水隧道的水流量为1 509.43 m3，排水强度约为754.72 m3/d。新型结构排水速率稳定，24 h内通过导水洞的水流量为2 358.49 m3，排水强度约为1 179.25 m3/d，新型结构排水强度为传统结构排水强度的1.56倍。泄水隧洞和导水洞流量监测数据表明，新型结构具有更好的排水能力。

4 结 论

基于流-固耦合理论，开展了传统结构和新型结构治理富水滑坡情况下的排水效应分析，得到了两种工况下滑坡土体及支挡结构在排水作用下应力和位移的变化规律。

（1） 传统结构初期排水能力较大，孔隙水压变化复杂;新型结构后期排水能力较强，孔隙水压变化简单，长期排水效果较优，排水量更大。

（2） 传统结构排水范围较小，新型结构排水范围较大，其全断面排水作用能够显著提高滑坡浅表土体的抗剪能力，更有利于增强滑坡的稳定性。

（3） 新型结构支护下抗滑桩的最大剪力、最大位移及锚索的最大轴力均小于传统结构支护下抗滑桩的最大剪力、最大位移及锚索的最大轴力。

本文提出的新型结构相较于传统结构，更有利于坡体内部排水，提高坡体整体稳定性，对大型或巨型滑坡的工程治理具有重要的理论和实践意义。

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引用本文：陈颖骐，王全才.新型截水导流式锚拉桩板墙排水抗滑性能分析[J].人民长江，2019，50（1）：141-147.

Research on performance of drainage and anti-sliding ofanchored plate-pile retaining wall with cut-off diversion

CHEN Yingqi  WANG Quancai2

（1. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process， Chinese Academy of Sciences/ Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610041， China; 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：Rainfall infiltration and groundwater have great impacts on the slope stability. Traditional slope drainage facilities are greatly affected by the geological conditions and are difficult to meet the drainage requirements of the giant landslide. In view of the complicated geological conditions and insufficient drainage capacity of giant slopes， a new integrated structure was put forward. With the fluid-solid interaction theory module in FLAC3D， we compare the slide and structural stress， displacement， anchor force and drainage quantity of traditional landslide retaining structure （anti-slide pile and drainage tunnel） and new structure， the anchored plate-pile retaining wall with cut-off diversion. The calculation results show that the new structure exhibited better performances than traditional structures on long duration drainage in the view of the maximum shear stress of slope， the maximum stress of the structures， the maximum displacement， and maximum axial force of the anchor rope， which show the superiority of the new structure. The new structure is conducive to the internal drainage of the slope and the stability of slopes.

Key words： anchored plate-pile retaining wall with cut-off diversion; drainage and anti-sliding; fluid-solid interaction theory; giant landslide