水位变化对库岸边坡稳定性影响的研究

张文双

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110000)

1 概 述

边坡工程是较为重要的水利工程项目，但是由于我国多地处于暴雨集中区，加之区域内边坡环境条件复杂，导致边坡灾害事故逐年增加，造成大量的人员伤亡和经济财产损失。引起边坡失稳的因素众多，如水位变化、降雨入渗、地震等作用，都极易触发边坡失稳破坏。因此，如何对复杂条件下边坡的稳定性进行合理有效地分析，是一项具有重要研究价值的工作，对目前的边坡工程设计以及施工都有着重大的现实意义。

与普通边坡相比，库岸边坡长年受到库水位涨落变化的影响，使得库岸坡体内地下水的渗流场不断发生变化，对土体的物理力学性能造成影响，进而改变库岸边坡的整体稳定性。因此，库岸边坡的失稳破坏问题受到很多研究学者的重点关注。杨金林[1]等研究了水位升降速度对坡体稳定性的影响规律，发现边坡稳定性安全系数与库水位升降成线性关系，当水位上升时，安全系数增大，反之减小。肖志勇[2]等以三峡某滑坡堆积体为研究对象，利用Geostudio软件，以间歇下降水位的方式研究多阶段下降水位和不同间歇时间降水对库岸边坡稳定性的影响规律，研究发现水位间歇性下降有助于坡体内孔隙水压力的消散。占清华[3]等通过含有软弱层的边坡模型进行库水位升降试验，分析在库水位变化时的坡体孔隙水压力、土压力及位移的变化规律，发现在库水位上升时，由于受到水的浸泡，导致边坡抗滑力降低发生滑移变形，整体上出现稳定、缓慢变形和整体滑移3个阶段。张登[4]等以尾矿库工程为例，建立了边坡时变分析数值模型，研究了库水位变化和降雨入渗耦合作用下的边坡安全系数与时间的变化规律，结果表明降雨和水位耦合会削弱尾矿库的安全系数，且随着水位上升速度的减慢，加快了边坡安全系数滞后效应，反之减弱。郭志华[5]利用现有程序通过对实际工程的多种方案进行模拟，发现随着库水位下降减慢，边坡的安全系数呈现出先减后增的趋势。

综上所述，目前学者大多从库水位变化、坡体内是否含有软弱夹层等方面入手，研究各个因素对库岸边坡稳定性的影响规律。因此，本文将通过不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡内渗流场及坡体稳定性的变化规律，分析不同工况条件下对边坡稳定性的影响，为坡前水位变化工况下的边坡稳定性分析提供参考。

2 库岸边坡渗流模型试验

2.1 工程概况及模型参数

本文以福建省福鼎市内某一高速公路工程为依托，其路堤高约32.5 m，坡率为1∶1.5，采用1∶50的相似比建立边坡模型(图1)。选取重度相似比为1∶1，根据相似理论关系，推导其他物理量纲相似关系，见表1。

图1 路堤边坡模型示意图

表1 模型试验相似关系

2.2 土样物理力学参数

通过现场人工取土作为本研究的试验土样，进行室内土工试验可以获得该土样为砂土，容重为19.4 kN/m3，渗透系数为2.4×10-2cm/s，黏聚力为0，摩擦角为32 °。并通过颗分试验测定其粒径组成，其结果见表2。

表2 土体颗分试验结果

2.3 试验方案

本文将通过不同的坡比和坡前水位降落速度，探究坡内渗流场及坡体稳定性的变化规律，分析不同工况条件下对边坡稳定性的影响。因此，设置如下试验方案，见表3。

表3 试验方案

2.4 试验步骤

本研究试验过程按照以下步骤进行：

1) 在模型底部铺设厚5 cm的反滤层，提供充足的排水通道。

2) 采用控制密度法，按照每层10 cm的厚度分层填筑边坡。

3) 进行蓄水步骤并静置较长时间，使坡内渗流场充分达到稳定状态。

4) 打开出水口，控制不同流速，以模拟坡前水位下降的过程。

在试验过程中，要时刻注意观察记录坡内的水位线随时间的变化规律，试验过程见图2。

图2 路堤边坡图

3 试验结果与分析

3.1 水位下降速率对坡体渗流场的影响分析

对具有代表性的组2、组3试验结果进行数据分析，其中2组分别为试验坡前水位下降速度v=0.043 cm/s和v=0.039 cm/s。图3为在坡前水位下降过程中，两组试验坡内浸润线随时间的变化规律图。

图3 路堤边坡浸润线随时间变化图

由图3可知，在整体上，两组试验坡体内的浸润线均伴随坡前水位的下降而下降，且坡面水位要低于边坡后缘水位，存在一定的滞后现象。究其原因是由于坡体的渗流方向是由坡内指向坡面的，故而在坡体的内部形成水压力差，这种压力差不利于边坡的稳定性，当水压力差较大时易造成边坡的失稳破坏。

在试验前期，浸润线变化出现的滞后现象。这是由于在坡前水位保持0.039 cm/s的速度持续下降情况下，坡面与边坡后缘的水平距离逐渐增大，即坡内渗流路径增加，最后导致坡面与边坡后缘之间的水压力差同时也在不断增大，因此坡面与坡体后缘浸润线不能够保持同步。在试验后期，坡前水位保持稳定，在坡内水压力差作用下，边坡后缘水位稳定下降，水压力差也逐渐减小。在83 min后，两组试验坡内所形成的水压力差基本消散。

3.2 水位下降速率对坡体孔隙水压力的影响分析

通过改变水位下降速率来研究坡体稳定性，得到坡体内x=40 cm、x=130 cm两点处水头与坡前水位随时间变化对比图(图4)。

图4 路堤边坡不同位置水头随时间变化图(不同水位下降速度)

从图4中可以发现，在水位下降过程中，由于受到渗流路径的影响，与坡外水位下降值相比，坡内水位的下降值明显滞后现象显著，同时也侧面说明坡体后缘测点的孔隙水压力比坡面附近测点消散慢。在水位下降前期，组2中x=130 cm点处坡体内外水位达到0～14 cm的滞后差，在83 min后消散约85.7%。而同样的组3试验中x=130 cm，在水位下降前期坡体内外水位达到0～10.9 cm的滞后差，在83 min后消散约83.02%。由上述两组x=130 cm处的水头变化规律可知，组2试验水位降速较大，所形成的内外水位滞后差也较大，由于渗流力与水力坡降呈正比关系，当坡前水位降速越大时，坡体内部所形成的渗流场对边坡的稳定性越不利。

3.3 坡度对坡体孔隙水压力的影响分析

以1∶2坡比的组1和1∶1.5坡比的组4为研究对象，取其中x=40 cm、x=130 cm测点的试验结果进行数据分析，得到在坡前水位下降过程中，两组试验边坡不同位置的水头随时间变化图(图5)。

图5 路堤边坡不同位置水头随时间变化图(不同坡比)

由图5可知，坡内不同点水头随时间变化规律与先前分析结果大体相同。在前期坡内外水位滞后差逐步增加，而在后期呈现逐渐减小趋势，且靠近坡体后缘的点与坡面的点存在突出的滞后问题。在水位下降前期，组1试验的滞后值在0～13.72 cm范围内变化，而组4试验的滞后值在0～8.04 cm范围内变化。在历经82 min的水位下降过程后，水位逐步稳定，组1和组4的滞后值分别消散了93%和97.8%。通过比较组1与组4的孔隙水压力消散值发现，坡比较大的组4与坡比较小的组1相比，其渗流路径略短，故而坡内水头相对坡外响应较快，同时所形成的水压力差最大值比组1要小，这也从侧面反映了边坡越陡越利于坡内孔压的消散。

3.4 库岸边坡稳定性影响分析

综上所述，在水位下降过程中，坡体内水位的下降速率要慢于坡前水位的下降速率，存在相对滞后的现象，这使得坡体前缘与后缘形成明显的孔隙水压力差，引起坡体内部的渗流由坡体后缘向前缘发展，这种渗流力将会对边坡内部土体起到拖曳作用，同时坡体前缘水位的下降会对边坡表面的外部压力进行卸载，综合作用下易使原本稳定的边坡存在失稳破坏的可能。通过试验结果中也可得出，前期由于坡前水位推力的不断减小，并且坡体内外的孔隙水压力差持续增加，使得水位在下降过程中，两组试验在不同下降速度下，边坡表面均出现不同程度的小局部滑移现象。在坡比较大的组4试验中，虽然坡比大的边坡内外水压力差相对较小，但是由于其坡形较陡，使得坡体的下滑力也随之增加而抗滑力减小，在复杂的外部条件下同样易发生边坡失稳。

4 结 论

本文通过模型试验，从坡比、坡前水位降速等因素研究了边坡的渗流场及稳定性的变化规律。对比分析不同条件下的试验结果，得到在不同水位降速下不同坡比边坡的失稳破坏机理，对边坡稳定性设计具有一定的参考价值。主要结论如下：

1) 制作长1.5 m、宽1.0 m、高1 m的亚克力模型箱，研究分析坡前水位变化对库岸边坡稳定性的模型试验，可以直观地观测记录边坡失稳破坏过程，为探究边坡失稳破坏机理提供参考。

2) 通过试验过程中坡内浸润线的变化情况，得到了坡内不同点处水头随坡前水位降速的变化规律。试验结果表明，随着坡前水位的下降，坡内浸润线也呈逐渐下降趋势，坡体后缘水位降速总是滞后于坡外水位降速，且该现象距坡体后缘水平距离越短则越明显。

3) 试验前期，随着水位下降，坡体内外形成的孔压差也逐渐增大；试验后期，在坡前水位保持稳定不变后，坡内外孔压差开始逐渐减小趋于稳定。

4) 由试验可知，坡体内由坡内指向坡外的渗流，是引起边坡失稳破坏的主要因素。且渗流力随着坡前水位降速坡度的增大而增大，这不利于坡内孔隙水压力的消散，导致坡内外水位滞后现象明显。