渗流和不良地质条件对江河岸坡稳定性的影响*

2020-04-28曹彭强

水运工程 2020年4期

曹彭强

(安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽蚌埠 233000)

在天然河道中，由于水流和岸坡的相互作用而使岸坡失稳是沿江地带最突出的地质灾害，我国以长江中下游河段最为典型[1]。影响岸坡稳定性的因素较多，Millar等[2]探讨了河岸泥沙颗粒粒径和内摩擦角两项关键因素对河岸稳定性的作用;冷魁等[3-4]通过对长江下游窝崩资料和江西彭泽马湖堤崩岸资料的收集和分析，认为崩岸的根本原因在于水流的侧向侵蚀作用;黄本胜等[5]认为引起岸滩失稳的主要因素有岸坡土体本身的性质、岸坡的高度、河道水位变化及其引起的渗透水动压力;Hemphin[6]指出，黏性土河岸容易出现裂缝，降雨形成地表径流导致沟蚀也是崩岸的重大诱因。岸坡稳定破坏的外因是流水冲刷导致的河床边坡失稳，内因则是河床边坡本身的土体性质和渗流等所决定的稳定性。长期以来，学者主要以影响岸坡稳定性的个别影响因素进行讨论，渗流与不良地质条件共同作用下土体稳定性破坏的发展趋势与程度还未完全揭示。

本文对影响岸坡稳定性的内因进行研究，基于不同影响因素对岸坡土体作用的理论研究基础，针对渗流作用和不良地质条件对岸坡稳定性的影响，利用室内试验所得土体参数，构建渗流破坏的非稳定数值模型，进行江河岸坡稳定性影响定量分析。

1 影响江河岸坡稳定性的关键因素

河流岸坡渗流包括3个方面：降雨入渗、土体所含地下水渗流运动及河水入渗与出渗[7-10]。地下水入渗，一方面增加土体本身的重力，从而增加坡体的荷载；另一方面引起土体含水率变化，从而导致土体物理力学性质的变化[11-12]。对于不良地质条件岸坡，即存在裂缝、断层发育、岩体破碎、地质发生异变等情况的土体，河岸常见的有软黏土、杂填土、冲填土、膨胀土、湿陷性黄土等土质。本文主要考虑存在裂缝的粉质黏土与杂填土条件下的河岸稳定性。实际工程事故表明，在降雨过程中，土坡的安全系数随时间不断降低，但并不是在降雨结束时达到最低，而是在降雨结束后的一段时间内，安全系数继续降低，并在某一时间达到最低值[13]。

因此，综合分析影响河岸稳定的水流因素、河岸组成因素、地下水因素、岸坡形态因素及时间因素，可确定渗流与不良地质条件影响岸坡稳定性下的关键因素为降雨入渗、表层土有裂缝、河岸表层土受浸泡的软化作用以及各因素随时间的变化影响下土体的密度、渗透系数、抗剪强度等系数变化。

2 研究方法与结果分析

针对影响江河岸坡稳定性关键因素，进行室内渗透试验、固结试验与剪切试验，分析土的渗透系数随围压变化、土的饱和密度随围压变化、土的抗剪强度随含水率及浸泡时间变化的规律，确定各关键参数与外部条件的关系式。通过案例分析，采用间接耦合的非稳定数值模型计算岸坡稳定系数变化，定量分析各影响因素对岸坡稳定系数的影响。

2.1 渗透试验

为了弥补变水头渗透试验的侧壁渗流问题[14-15]，且缩短测量周期[16]，采用常规三轴渗透试验测量无围压和围压变化情况下土的渗透系数。分别制备干密度为1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3的试样进行三轴渗透试验。在进行三轴渗透试验前先进行土样的固结试验，试验中控制有效应力为20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，试样固结完成后再进行渗透试验，试验结果如表1 所示。

表1 渗透系数 cms

有效应力∕kPa干密度∕(g·cm-3)1.501.551.601.65206.10×10-52.58×10-59.50×10-62.47×10-6401.09×10-57.03×10-61.97×10-61.44×10-6608.18×10-65.05×10-61.53×10-61.06×10-6806.45×10-64.33×10-61.19×10-69.08×10-71005.02×10-63.25×10-61.09×10-65.40×10-71503.63×10-61.51×10-67.75×10-72.57×10-72002.16×10-68.03×10-73.61×10-71.07×10-72501.20×10-65.02×10-73.07×10-77.54×10-83007.82×10-74.30×10-72.66×10-77.27×10-83505.75×10-72.88×10-72.40×10-77.21×10-84004.46×10-72.06×10-71.99×10-77.18×10-8

由表1可知，粉质黏土的渗透系数随干密度的增大而减小，且受应力的影响显著。与应力20 kPa相比，应力为150 kPa条件下相差约1个数量级；在应力为400 kPa条件下达到2个数量级(干密度为1.50 gcm3和1.55 gcm3)。随着外部应力持续增大，土的变形趋于稳定，渗透性变化也趋于缓慢。

2.2 固结试验

采用SLB-1型全自动三轴仪进行固结试验，确定不同性质土体的应力状态随围压与荷载的变化特征[17-19]。

制取饱和密度为1.85、1.90 、1.95、2.00 gcm3的试样进行三轴固结试验。试验中控制有效应力为20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，分别测量各应力阶段试验后的饱和密度。试验结果如表2 所示。

由表2可知，粉质黏土的饱和密度随着应力的增大而增大，在应力为100 kPa以内饱和密度增速较快；100 kPa以上趋于缓慢；在400 kPa时，饱和密度增幅为5%(原饱和密度为2.00 gcm3时)至9%(原饱和密度为1.85 gcm3时)。

表2 饱和密度试验结果

2.3 剪切试验

取原状土，人工增湿配制不同含水率的土样，利用固结快剪试验数据建立黏聚力和内摩擦角与含水率及荷载的关系[20]。

分别制备干密度为1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3，含水率为15.2%、16.2%、16.8%、19.2%、20.8%、24.3%和34.0%(饱和状态)的试样，进行剪切试验，研究不同干密度土样在不同含水率情况下的抗剪强度。试验结果如表3和表4所示。

试验结果表明，非饱和粉质黏土的抗剪强度受含水率的影响较大，黏聚力和内摩擦角均随含水率的增大而减小。随着土样含水率的增大，土颗粒表面的结合水膜厚度增加，水的黏滞性减弱，土中水的形式由主要为结合水转变为主要为自由水。同时，随着土样含水率趋于饱和，土中毛细水减少，吸力逐渐减小直至为0。因此黏聚力随含水率的增加而减小。

表3 土样的黏聚力 kPa

表4 土样的内摩擦角 (°)

2.4 案例分析

采用基于有限差分法的Visual MODFLOW程序计算研究区渗流场分布，利用Autobank软件对岸坡进行模拟，计算各工况下的安全系数，分析其变化规律。

2.4.1研究模型

以某河流均质土坝为例，其几何结构如图1所示。土坝的填筑材料为试验用粉质黏土，下覆一隔水层。粉质黏土的参数见表5。河流初始水位为46 m，瞬时下降为42 m。土坝初始流场设为水平，水头与河流水位相平为46 m。

边界条件：PQ为隔水底板，作为不透水层处理；QR边界作为定水头边界处理，水位为46 m；OP边界作为给定水头边界，水头由46 m下降为42 m。

图1 模型几何结构(单位：m)

表5 土层参数

注：ρ为土的干密度；ρsat为土的饱和密度；ρw为水的密度；E为弹性模量；γ为泊松比；ksat为土的饱和渗透系数；n为孔隙率；α为Biot系数；Ss为弹性释水系数；Sy为给水度；M为Biot模量。

2.4.2计算工况

计算表层岸坡裂缝、河水对岸坡的软化作用、降雨入渗3种影响因素下的岸坡稳定性。基于前文的统计分析，在河流水位骤降时的岸坡失稳频率更高，本次只进行河流水位降低情况的计算。计算工况有：1)不考虑土层有裂缝、河水浸泡表层土的软化作用、降雨入渗情况下的渗流场与岸坡的安全系数；2)只考虑土层有裂缝情况下的渗流场与岸坡的安全系数；3)只考虑河水浸泡表层土的软化作用下的渗流场与岸坡的安全系数；4)只考虑降雨入渗情况下的渗流场与岸坡的安全系数；5)考虑土层有裂缝、降雨入渗情况下的渗流场与岸坡的安全系数；6)考虑土层有裂缝、河水浸泡表层土的软化作用、降雨入渗情况下的渗流场与岸坡的安全系数；7)考虑土层有裂缝、河水浸泡表层土的软化作用、降雨入渗情况，渗透系数受应变影响下的耦合计算的渗流场与岸坡的安全系数。模型中对表层土有裂缝情况概化为表层土的渗透系数增大，影响深度为2 m；岸坡土层的软化作用采用前文的饱和剪切试验结果进行处理。

2.4.3结果分析

各工况下计算的最大流速向量见表6，其中最大向量均出现在河岸线处。各工况下岸坡的安全系数见表7。

表6 最大流速向量 cms

工况时刻0.1 d4.0 d12.22×10-31.25×10-322.39×10-31.29×10-334.24×10-33.46×10-343.58×10-31.96×10-352.39×10-31.55×10-364.70×10-32.99×10-375.24×10-33.22×10-3

表7 安全系数计算结果(瑞典条分法)

分析岸坡的渗流场与安全系数计算结果可知：

1)总体影响：对比表6中工况1与工况2～4的最大流速向量结果可知，3种因素都会促使最大流速向量增大，最大可增大2.8倍(4.0 d时工况3与工况1对比)，加剧了河岸线位置土体的不稳定性，使得岸坡的安全系数降低。

2)裂缝的影响：对比工况1与工况2结果可知，土体裂缝增加了表层土的渗透性，上边界处渗流速度增大，水流在河岸线附近聚集，水位有所抬升，会降低岸坡的稳定性，表现在最大流速向量增大3.2%～7.7%(表6)和安全系数降低0.8%～1.9%(表7)。

3)河水浸泡表层土的软化作用影响：对比工况1与工况3结果可知，河水浸泡岸坡表层土增大土体的渗透性，降低土体的抗剪强度，对岸坡的稳定性影响较大，使得近岸处渗流速度加大、水位下降，最大流速向量增大1.9～2.8倍，安全系数降低1.5%～2.8%；

4)降雨入渗的影响：对比工况1与工况4结果可知，降雨入渗会使岸坡荷载增大，地下水位抬升，最大流速向量增大1.6倍，安全系数降低3.8%～9.9%；若恰逢表层土有裂缝存在，降雨入渗的影响加大，最大流速向量增大1.1～1.2倍(见表6中工况5)，安全系数降低7.6%～20.0%(见表7中工况5)。

5)在不考虑耦合的情况下，影响因素的综合影响：工况6考虑了3种影响因素的综合影响，对岸坡稳定性的影响表现在最大流速向量增大2.1～2.4倍和安全系数降低10.4%～20.8%。

6)在考虑耦合的情况下，影响因素的综合影响：工况7考虑了3种影响因素的综合影响以及土水的耦合作用，对岸坡稳定性的影响表现在最大流速向量增大2.4～2.6倍和安全系数降低11.3%～21.5%；土水耦合的计算过程综合了渗流场变化对土层应力场的影响，进而改变了土层的渗透性与抗剪强度，计算结果更为严谨。

7)根据表7中无渗流与有渗流的安全系数计算结果对比可知，有渗流情况下的计算值明显小于无渗流情况的计算值，岸坡土体中的渗流会明显降低岸坡的稳定性，降低程度为7.6%～20.1%(0.1 d)、4.8%～18.5%(4.0 d)，说明渗流对岸坡稳定性的影响是不可忽视的；在河流水位降落初期，渗流对岸坡稳定性的影响较大；随着渗流时间增长，岸坡中的地下水位回落，渗流对岸坡的稳定性影响逐渐减弱。