库岸边坡水位陡降条件下复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统性能分析

■左广洲

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

在库水位边坡中，当水位下降时，由水的重量产生的稳定力会消失；此外，由于边坡土体渗透性较低，水位下降较快，土体内超孔隙水压力来不及消散，也会降低边坡的稳定性[1]。 Berilgen[2]报导了多起由于水位陡降引起的边坡失稳案例，如旧金山南部的Pilarcitos 大坝、 阿拉巴马州的Walter Boudin大坝，以及秘鲁蒙塔罗河沿岸的一些河岸边坡。 为及时消除水位陡降条件下边坡土体孔隙水压力，提高边坡稳定性，前人提出了一系列排水方法；如设置非织造土工织物[3]、条带状土工织物[4]、GCBD 系统[5]以及芯吸纤维土工织物[6]促进土体水平排水。 上述方法在某种程度上均可以促进水平排水，但也存在各自缺点；非织造土工织物、条带状土工织物在饱和条件下易产生毛细阻滞效应，阻碍排水；GCBD系统过度依赖传输层非饱和排水性能；芯吸纤维土工织物排水能力优秀，但成本昂贵[7-8]。 因此提出一种既经济又能促进边坡土体在非饱和条件下排水的方法具有重大意义。

本文在前人研究的基础上， 提出复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统；依托实际工程，对复合土工排水-碎石垫层排水系统进行数值研究，具体包括：复合土工排水-碎石垫层排水系统的排水性能、碎石垫层厚度、碎石土水特征曲线拟合参数（a、n）对排水性能的影响及排水系统间距对稳定性的影响。

1 数值模拟

1.1 工程概况

本文基于实际工程进行数值分析，边坡概况见图1。边坡土层分布依次为砂质亚粘土、强风化凝灰熔岩、 弱风化凝灰熔岩； 边坡高约127 m， 长约265 m，坡内最高水位在525.6 m 处；坡外最高水位在483 m 处， 并且历经14 d 降至最低水位453 m处；砂质亚粘土及强风化凝灰熔岩的土水特征曲线及渗透系数函数见图2、3， 由于在弱风化凝灰熔岩中难以发生渗流，故只考虑了饱和渗透系数，弱风化凝灰熔岩Ks=0.002 m/d。

图1 边坡几何形状概况

图2 边坡砂质亚粘土及强风化凝灰熔岩的土水特征曲线

1.2 模型建立

采用有限元软件Geostudio 建立模型研究复合土工排水-碎石垫层系统的排水性能。 建立的模型仅在水位陡降范围内设置复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统， 具体布置范围如图4 所示。每道排水系统长7 m，按间距3 m 进行布置，且底部第一道设在最低水位上方1.25 m （即高度454.25 m）处，共设置10 道；复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统详图见图5， 复合土工排水板夹在0.5 m 厚的碎石中（上下各1 层25 cm 厚碎石垫层）。 复合土工排水板厚度较小，采用线单元模拟，土层采用实体单元模拟；复合土工排水板渗透系数为0.1 m/s。 碎石垫层参数取自Bahador[9]，具体包括： 饱和渗透系数为1.780 cm/h；VG 模型参数a为5.1813 kPa、n 为1.351、θs为0.25、θr为0.001。进行数值模拟时， 首先在最高水位进行稳态渗流分析，再进行水位陡降的瞬态渗流分析，陡降过程共计14 d。 此外，另建一不含碎石垫层的模型，作为对照组， 以研究复合土工排水-碎石垫层系统的排水性能。

图3 边坡砂质亚粘土及强风化凝灰熔岩的渗透系数函数

图4 复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统布置图

图5 复合土工排水-碎石垫层水平向增强排水系统详图

2 数值模拟结果分析

在复合土工排水-碎石垫层系统中间取一剖面A-A’（图5），分析对比上述两个模型在A-A’剖面处的孔隙水压力分布情况， 研究复合土工排水-碎石垫层系统的排水性能；复合土工排水板中点上下各0.5 m 范围即为A-A’剖面，剖面高度1 m。 由于各道复合土工排水-碎石垫层系统得到的规律基本一致， 本文仅取底部以上第三道为例进行分析，分析结果见图6。

图6 有无碎石层A-A’剖面的孔隙水压力分布情况

当该道复合土工排水-碎石垫层系统开始排水时，复合土工排水板上方处于非饱和状态，且含碎石层的情况吸力值更大；然而在复合土工排水板下方，不管有无碎石层，均处于饱和状态，且有无碎石层的区别不大。 这主要是因为陡降过程中，上方土体先于下方土体排水， 故上方土体处于非饱和状态，且有无碎石的区别相对明显，而下方则处于饱和状态，有无碎石几乎没有区别。 当该道排水系统排水4 d 后，对于无碎石的情况，虽然吸力有所变大，但复合土工排水板下方仍处于饱和状态；而含碎石的情况，复合土工排水板下方已经处于非饱和状态，具有一定的吸力。 该结果表明复合土工排水-碎石垫层系统可以实现非饱和状态下的排水，使土体具有一定的吸力值。

3 参数分析

碎石垫层厚度、 碎石土水特征曲线拟合参数（a、n） 均会影响复合土工排水-碎石垫层排水系统的排水效果，从而影响边坡稳定性；此外，排水系统纵向布置间距也将影响边坡稳定性。 因此，分别对以上参数进行数值模拟分析。 计算稳定性时，各土层采用的力学参数见表1。

表1 各土层力学参数

3.1 碎石垫层厚度

该小节分别对厚度为5、15、25、35 cm 的碎石垫层进行数值模拟，各厚度A-A’剖面的孔隙水压力分布见图7。刚开始排水时，由于复合土工排水板上方先于下方开始排水， 故上方处于非饱和状态，且随碎石层厚度增大，上方的吸力值也越大；下方由于未开始排水，故不受碎石层厚度影响；排水4 d后， 整个断面的吸力值随碎石层厚度的增大而增大；该结果表明碎石层越厚，在非饱和状态下的排水效果越好；然而，虽然厚度增大会使整个断面吸力值增大，但增大的值并不是很大；考虑到应用于实际时碎石层厚度的增加会使施工难度及成本增大，故建议采用厚度15 cm。不同碎石垫层厚度在水位陡降过程中的稳定性如图8 所示。 由图7、8 可知，随着碎石层厚度增大，排水效果增大，进而边坡稳定性也有所提高。

图7 不同碎石层厚度A-A’剖面的孔隙水压力分布情况

图8 不同碎石垫层厚度稳定性系数变化情况

3.2 碎石参数a

参数a 为土水特征曲线的进气值，该小节模拟的碎石垫层厚度取3.1 节，建议厚度15 cm。 采用控制变量法，对a 进行规律分析；参数a 的取值分别为0.1、5.1813、12、15 a/kPa。n=1.351 时，不同a 值对应A-A’剖面的孔隙水压力分布情况见图9。 参数a变化时，对应的稳定性系数变化情况见图10。

图9 A-A’剖面孔隙水压力分布情况（n=1.351）

图10 不同a 值下系统稳定性系数变化情况

对于不同的a 值，刚开始排水时，与上述分析一致，复合排水板上方具有一定吸力值，下方则是处于饱和状态；此外，4 个不同a 值对应的初始孔隙水压力分布是一致的，即a 值不影响初始孔隙水压力分布。 排水4 d 后，整个断面处于非饱和状态，且随a 值的增大，整个断面的吸力也增大。 尽管吸力增大的量较小，但这依然说明a 值增大有利于复合土工排水-碎石垫层系统在非饱和状态下排水。由图10 可知，a 值的增大， 会使边坡稳定性略微增大，且在a=5.1813 时达到最大，后续随a 值增大不再增大。

3.3 碎石参数n

参数n 为土水特征曲线陡降处的斜率，该小节模拟的碎石层厚度建议取值为15 cm。 采用控制变量法，对n 进行规律分析，参数n 的取值分别为1.351、5、7、10、20。 当a=5.1813 kPa 时，不同n 值对应A-A’剖面的孔隙水压力分布如图11 所示。 参数n 变化时，对应的稳定性系数如图12 所示。

图11 A-A’剖面孔隙水压力分布情况（a=5.1813）

图12 不同n 值下系统稳定性系数变化情况

不同的n 值，对排水效果的影响相对复杂。 由图11 可知，对于复合排水板上方，排水4 d 后，n=1.351 时， 上方的吸力达到最大值，n=5 时， 吸力变小，且后续随n 值继续增大，上方吸力值不变。 即n值对复合排水板上方吸力值影响不大。 对于复合排水板下方，n 取1.351、5、7 时，随n 的增大，下方吸力值增大；当n 继续增大时（n=10、20），下方的吸力值有一定的降低。 这是因为当n 取较大值时，开始排水工况复合排板下方的孔隙水压力会偏大，从而导致排水4 d 后下方的吸力值有一定的缩减。 综上所述，n 值的变化对排水系统的影响主要在复合排水板下方；当n≤7 时，随着n 增大，复合排水板下方吸力值变大，即n 增大有利于排水系统在非饱和状态下排水；当n＞7 时，复合排水板下方吸力值有一定缩减，即排水系统在非饱和状态下的排水效果有一定缩减；由此可以得到n=7 时，排水系统在非饱和状态下的排水效果最佳。

由图12 可知，对于n 值的增大，几乎不影响陡降14 d 内的稳定性， 主要影响陡降结束后的稳定性；n≤7 时，n 增大会增大陡降结束后的稳定性；n＞7 时，n 增大，稳定性反而减小。

3.4 排水系统纵向间距

该小节就排水系统纵向间距对边坡稳定性的影响进行了简要分析， 不同间距大小分别为：1、2、3、4、5 m； 每种间距底部第一道的位置统一在最低水位以上1.25 m 处（即高度454.25 m）。 模拟时间从骤降开始至骤降结束后5 d，共计19 d。计算结果如图13 所示，随着排水系统布置加密，边坡稳定性增大。 在布置间距为2 m 时，整个水位陡降过程中边坡稳定性均大于1.35 （一级边坡设计安全系数值）， 并在骤降结束后仍保持1.35； 当布置间距为1 m 时，边坡稳定性的增大并不明显，故按间距2 m布置排水系统最为合适。

图13 不同排水系统间距稳定性

4 结论

水位陡降会导致水对边坡稳定性的贡献减少，且由于水位陡降而在坡内聚集的水分会向坡外渗流形成渗流力，威胁边坡稳定性。 本文针对如何在水位陡降条件下，将坡内聚集的水分在非饱和状态下及时排除，提出了复合土工排水-碎石垫层系统；并对该系统的排水性能进行了数值模拟及相应的参数分析，得出如下结论：（1）复合土工排水-碎石垫层系统可以在非饱和条件下将坡内聚集的水分排除；（2）碎石垫层厚度增大有利于排水系统的排水效果，但增大幅度较小，考虑到应用于实际时碎石层厚度的增加会使施工难度及成本增大，故建议采用厚度15 cm。（3）参数a 值增大有利于复合土工排水-碎石垫层水平增强排水的效果；（4）参数n 值的变化对排水系统的影响主要在复合土工排水板下方； 当n≤7 时，n 增大有利于排水系统在非饱和状态下排水；当n＞7 时，排水系统在非饱和状态下的排水效果有一定缩减； 由此可以得到n=7 时，复合土工排水-碎石垫层排水系统在非饱和状态下的排水效果最佳；（5）复合土工排水-碎石垫层系统纵向间距越密，稳定性越高。 间距为2 m 时，陡降过程中边坡稳定性即可保持在1.35 以上， 间距再减小，稳定性增大不明显。