某沿河路堤边坡渗流稳定性的数值分析及工程方案

韩 雪， 谢正鑫， 马文浩

(1.湖南文理学院 土木建筑工程学院， 湖南 常德 415000； 2.黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

近年来，随着我国水利工程事业的蓬勃发展，库岸滑坡成为当前亟待解决的重要问题之一。据统计，由于库岸滑坡导致的灾害，给人们的生命财产安全带来了巨大损失[1]。研究表明，水是引起库岸边坡失稳的最主要的因素之一，水的存在使土体的水文地质条件发生改变，影响沿河路堤边坡的稳定性。

郑颖人等[2]根据Boussinesq非稳定渗流微分方程，得到了水位下降时边坡内浸润线的简化计算公式，并考虑了渗透系数、下降速度及下降高度等因素。结合算例分析，在水位下降过程中存在一个对坡体稳定最不利的高度，即水位在坡体总高度的下1/3～1/4处。张文杰等[3]以非饱和-饱和渗流分析程序模拟了水位变化过程中边坡的孔压场，使用非饱和抗剪强度对边坡稳定进行了极限平衡分析，得出了安全系数，并对主要影响因素进行了敏感性分析。年廷凯等[4]运用有限强度折减法，从浸润线位置、土体的渗透系数、水位下降速率、下降比和基质吸力等5个方面研究了水位下降过程中坡体的稳定性。崔洁[5]以极限平衡理论为基础，使用GEO-SLOPE软件计算了不同库水位升降速度情况下某水库安全稳定系数的变化规律。同时，一些学者采用抗滑桩、锚杆、格栅等方式对于涉水边坡进行了加固，从而提高了边坡的稳定性[6-8]。

笔者基于FLAC3D有限差分软件，计算了不同水位下沿河路堤边坡的稳定性，对发生渗流作用的路堤边坡稳定性进行研究，为路堤边坡的加固提供指导性意见。

1 工程概况与材料参数

1.1 工程概况及工程地质条件

沿河路堤位于盐城市大丰区大桥镇，河内水基本呈现静止状态，水质清，主要起行洪的作用。场地地貌单元单一，场地地势因河道影响略有起伏，场地所处地貌类型为里下河淤积平原，起伏不大。河水位4.539 m，常年水深1～6 m，河水水位主要受降水和蒸发影响。根据地下水赋存、埋藏条件，地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水据地质资料表明，此处地势低洼，需填土以符合路堤的高程及性能要求，其中，包括路堤土及地基土。路堤土，属粉质黏土，灰色，湿润，低干强度及韧性，中等压缩性中等强度土，工程性质一般，其厚度约为10 m。地基土，属粉土夹粉质黏土，灰色，湿润，低干强度及韧性，中等压缩性中等强度土，工程性质一般，其厚度约为10 m。

1.2 材料参数

实验测得土体的物理力学参数详见表1。其中，K为体积模量；G为剪切模量；ρ为土体密度；c为黏聚力；φ为内摩擦角；ρs为饱和密度；M为流体模量；k为渗透系数；n为孔隙率；μ为泊松比。

表1 边坡材料参数

2 边坡的数值模拟模型

以某沿河路堤为研究对象，建立边坡模型。边坡材料为均质土，由于其表层土较少，因此，简化为两种土层。边坡的高度为10 m，边坡的坡度为1∶1.5，上下边界长AB、EF分别为25、55 m，上下边界总高AF为20 m，坡脚距低侧边界CD为15 m，侧向延伸宽度取5 m，如图1所示。据此建立路堤边坡计算模型，共划分为4 750个单元，6 156个节点，如图2所示。边坡土体材料模型为摩尔-库伦本构模型。

图1 边坡模型几何示意Fig. 1 Slope geometry figure

图2 边坡模型网格划分Fig. 2 Grid division of slope mode

在FLAC3D渗流模式下，一般采用的流体边界条件有两种，即不透水边界(默认边界)和透水边界。两者的主要区别是，前者的边界节点上的孔压值可以自由变化，而后者相当于设置了固定的孔隙水压力表示透水边界，即流体可以自由流入流出[9]。在实际稳定渗流情况下，边坡上的孔压值往往是固定不变的，此时的边界条件需设置为透水边界。文中在模型四周和底部均采用不透水边界，当坡脚处水平面上有水压时，则设置透水边界；若坡面上有水压时，需考虑梯度来表示孔压的变化。

模型中地下水的水面概化为水平面，常水位为12 m。不考虑毛细现象，假设水面以下的土体处于饱和状态，水面以上的土体不含水分。其中，0～10 m为地基土，10～20 m为路堤土。

3 水位对边坡稳定性的影响

3.1 边坡孔隙水压力云图

图3为当水位处于12 m，即位于常水位时，稳定渗流后的边坡内孔隙水压力等值线分布。边坡内的最大孔隙水压力位于坡底，最大值为0.19 MPa，位于底部坡面的孔压值为0.02 MPa，与施加在坡面的水头一致。

图3 常水位孔隙水压力云图Fig. 3 Contour of constant water pore water pressure

3.2 坡面位移

为了研究不同水位在变化过程中边坡内孔隙水压力的变化规律，文中主要设置了无水位边坡和三种水位即低水位(10 m)、常水位(12 m)及高水位(16 m)，并分别模拟计算了由高水位下降过程中，不同水位渗流状态下边坡的位移云图等值线分布，见图4。从图4可知：当无水位时，边坡最大位移为12.59 cm；低水位(10 m)时，边坡最大位移达到22.70 cm；常水位(12 m)时，边坡最大位移为21.97 cm；高水位(16 m)时，最大位移为18.02 cm，且最大侧向位置主要分布于边坡中部区域，接近于水位的位置附近。相较于无地下水边坡，常水位边坡的最大位移增大了约1.74倍，高水位边坡约增大1.43倍。这说明水的存在，对边坡的位移、对产生边坡最大位移区域的位置影响较明显。因此，在实际工程中应该对水的影响引起足够的重视。

图4 不同水位渗流边坡位移云图Fig. 4 Contours of displacements at different levels of water seepage slopes

水位下降时高度越高，坡体外侧水压对坡面的反压效果越来越强。边坡坡面产生的最大位移区域发生了实质性的变化，不仅使边坡产生变形，还使边坡滑动面向内部转移，且效果也愈加明显。

不同水位的坡面位移如图5所示。由图5可以看出，随着水位的下降，边坡不同位置的位移由低水位到高水位呈现先增大后减小的趋势，各水位处的水平位移sh呈不同幅度的增大，且边坡坡面产生最大水平位移的区域均在边坡中部的区域。坡面上最大水平位移为处于10 m水位时，产生的水平位移为0.226 m。随着水位的降低，边坡的竖向位移也发生了变化。当无水位时，边坡坡面产生的最大竖向变形在坡顶处。而坡面的竖向位移sl随着水位变化，产生的影响较小，最大仅为0.030 m。究其原因，在河水的浸泡下，水下部的岩土体受水的影响，土体发生一定程度的软化，使材料的参数降低，降低了土体的抗剪强度，进而导致相应的位移随着水位的降低而逐步增加。

图5 不同水位的坡面位移Fig. 5 Slope displacement of different water levels

3.3 边坡滑移面

基于FLAC3D对16 m水位边坡和10 m水位边坡进行剪应变率分析。剪应变率分布主要集中在坡体内部，并呈现一条滑移带，且两者均受剪切破坏。由于水位的存在，边坡的滑移范围发生相对变化。当水位为16 m时，边坡的滑移范围相对扩大，见图6。

图6 不同水位下剪应变率的分布Fig. 6 Shear strain rate distribution under different water levels

图7给出了各水位高程hw处的最大剪应变增量的变化情况。随着水位的降低，滑移面发生了变化，同时最大剪应变增量Δε也逐渐增大。由此可见，水位的存在，对沿河路堤边坡的稳定影响是不利的。

图7 塑性区最大剪应变增量分布 Fig. 7 Max shear strain increments of plastic zone under different water levels

3.4 边坡稳定性

基于强度折减法分别计算了不同水位处的安全系数，结果见表2。各水位处的安全系数均大于1，表明边坡整体处于稳定状态。随着水位的降低，边坡的安全系数也呈现出下降的趋势。当水位下降到10 m时，边坡的安全系数稳定至1.105，表明边坡已近乎处于极限平衡状态，边坡的稳定性最差。

表2 不同水位下的安全系数

随着水位的下降，边坡的安全系数呈现下降的趋势，这也符合唐亚辉[10]、柴学锐[11]和郭文[12]等的研究结果。在此过程中，由于水位差异，水位下降速率比土体内部的水向外渗出的速率快，动水压力方向指向土体外面。边坡内的地下水向外渗流，形成较大的动水压力，使原本为饱和状态的土体变为天然状态的土体，坡体产生较大的下滑力，从而严重影响了坡体的稳定性。

4 格栅加固对含水边坡稳定性的影响

文中以土工格栅为载体，对边坡进行加固处理，土工格栅参数详见表3。其中，E为弹性模量，t为肋条厚度，μ为泊松比，ks为耦合弹簧刚度，cs为耦合弹簧黏聚力，φs为耦合弹簧摩擦角。

表3 土工格栅材料参数

4.1 加筋长度

由常水位边坡模型，12 m水位的路堤边坡达到稳定渗流状态，采用10、20 m以及满铺三种加筋长度形式，对此路堤边坡进行加固处理，如图8所示。未加筋路堤边坡的水平位移最大，能达到0.22 m。在同种条件下，满铺产生的水平位移最小，20 m的次之，10 m长的格栅产生的水平位移最大。从10 m到12 m高程处，水平位移产生突变，其原因是10 m处土体的物理参数发生改变，导致该处土体产生的位移发生突变。在不同的加筋长度条件下，渗流路堤边坡坡面产生最大位移的区域发生改变。其中，未加筋的边坡坡面产生最大水平位移的区域接近中部，而满铺格栅坡面产生最大水平区域接近水位处。

图8 各加筋长度边坡坡面水平位移Fig. 8 Horizontal displacement of slope at different reinforcing lengths

由表4可见：未加筋条件下的路堤边坡的安全系数为1.105，接近于极限平衡状态；满铺的安全系数最高，达到3.461；20 m的格栅次之为1.830，最小的为10 m长的格栅，安全系数为1.355，且均处于稳定状态。因此，采取铺设土工格栅的方式对沿河路堤边坡进行加固，可以明显降低坡面各点处的水平位移，提高边坡的稳定性。

表4 不同加筋长度下路堤边坡安全系数

4.2 加筋间距

以12 m(常水位)水位边坡模型，使12 m水位的满铺格栅路堤边坡达到稳定渗流状态，采取0.5、1.0、2.0 m三种加筋间距，研究不同加筋间距对稳定渗流路堤边坡稳定性的影响，如图9所示。未采取格栅加固的路堤边坡产生的水平位移最大，2.0 m间距的次之，0.5 m间距的边坡产生的水平位移最小。不同加筋间距下满铺加筋路堤边坡安全系数如表5所示。

图9 各加筋间距边坡坡面水平位移Fig. 9 Horizontal displacement of different reinforced spacing slope reinforcement spacing

表5 不同加筋间距下满铺加筋路堤边坡安全系数

从表5可以看出，在边坡达到稳定渗流的情况下，采取加筋间距为0.5、1.0和2.0 m的三种方式，对本路堤边坡模型的加固效果并不明显，间距小的边坡安全系数略大，主要是满铺格栅起的作用。

5 结 论

(1)水位变化对路堤边坡的稳定性具有显著的影响。随着水位的降低，沿河路堤边坡坡面的水平位移逐渐增大，其中相较于无水边坡，常水位边坡的最大位移约增大1.74倍，高水位边坡约增大1.43倍，最大位移是低水位处为22.70 cm。同时，边坡滑移面的分布范围随水位降低发生显著变化，最大剪应变增量逐渐增大。

(2)在河水位下降条件下，边坡的滑移面发生变化，安全系数逐渐变小，由高水位的1.305下降至低水位的1.105，近乎处于极限平衡状态。因此,应加强对沿河路堤的防护，避免由于水位变化而导致整个库岸边坡的滑坡破坏。

(3)采取铺设土工格栅的方式对沿河路堤边坡进行加固，加固后安全系数相较于未加筋1.105显著提高。对于常水位稳定渗流路堤边坡，采取不同加筋长度方式加固，满铺格栅产生水平位移最小，安全系数最大，可达3.461，加固效果最好；采用不同加筋间距方式加固，间距越小，水平位移越小，安全系数越大，加固效果越好，但受格栅铺设长度的影响效果较为显著。