水位变化对路基边坡渗流场及稳定性影响分析

李清华， 肖田， 邱博超， 张俊峰

(1.中交一公局第六工程有限公司， 天津 300451； 2. 天津市市政工程设计研究院， 天津 300392； 3. 河北工业大学土木与交通学院， 天津 300401)

蓄滞洪区属于洪水多发地段，由于路基边坡常年受到洪水的影响，极易发生各种变形、失稳甚至破坏，其中洪水水位变化以及洪水长期浸泡对路基边坡造成的危害尤为明显。

针对洪水期路基边坡稳定性问题，中外专家在洪区路基边坡稳定性分析方面进行了相关研究并取得了一定的成果。张永刚[1]结合地表及深部位移监测结果，运用FLAC3D软件系统分析了水库不同水位及其下降速度对边坡稳定性的影响规律和变形失稳特征。朱蕾等[2]运用数值模拟的方法，系统分析了库水位升降及降雨联合作用下的滑坡变形机制及稳定性。马雪妍[3]运用岩土计算软件GEO-Studio分析了库水位变化和降雨作用对边坡渗流场及其稳定性的影响，结合单因素与多因素组合的敏感性分析，研究了边坡稳定性的各种因素及其影响重要度，并实例验证了模拟结果的可信度。钟学梅[4]以渗流基本理论以及极限平衡法探究水位变化过程中边坡的各时段稳定性变化方式。陈思婕等[5]以人工降雨滑坡实验为例，模拟分析了强降雨条件下土壤内部水动力过程，做到了优先流对边坡稳定性影响的量化分析。李剑寒[6]利用 ABAQUS软件建立了红土型大坝有限元模型，系统分析了库水位上升和下降过程中，红土型大坝存在的渗漏规律与稳定性特征，有利于提升红土型大坝的安全性。针对边坡失稳过程中的变形变化规律的重要性，冯文凯等[7]以青杠坪滑坡体为例，依据室内干湿循环和室外渗透试验数据，模拟分析了库水作用下滑坡堆积体变形的演化趋势。周永健等[8]通过对三峡木鱼包滑坡长期的监测数据研究，从定性和定量两方面分析了位移与库水位高程、降雨量之间的相关性，为滑坡变形的定量计算提供了一定的理论依据。卿菁等[9]以三峡库区卢家沱滑坡为例，模拟分析了库水位与降雨不同组合条件下的滑坡稳定性情况，并建立三维模型进行流固耦合作用分析。赵炼恒等[10]研究了水位升降和流水淘蚀对临河路基边坡稳定性的影响，指出高水位对提高边坡抗滑稳定性有积极作用，水位下降对边坡抗滑稳定性的影响相反。

中外学者对洪水作用下边坡的水毁机理做了大量的研究工作，取得了一定的成果，这些成果主要集中在理论分析和数值模拟层面。现结合前人的研究成果，通过室内模型试验更进一步地研究洪区路基边坡在水位变化过程中的孔隙水压力以及体积含水量变化规律，并结合GEO-Studio(SLOPE 和 SEEP/W 耦合)程序模拟出边坡内部孔隙水压力以及体积含水量变化，验证模型试验的准确性并模拟出浸润线动态变化以及安全系数变化情况，以期为蓄滞洪区路基边坡抵抗洪水的防护措施提供设计理论基础。

1 水位变化模型试验

1.1 试验模型设计

为使试验过程与实际工程相接近，试验模型参照津石高速天津段的路基边坡结构进行设计，试验选取长度比尺γl=10，实验模型坡高L=1 m、坡比为1∶1.5。实验模型由三部分组成：水池、水位控制系统、连续监控系统。其实验模型图如图1所示。

图1 实验模型Fig.1 Experimental model

图1中，测点主要用来检测边坡门内部渗流场变化情况。试验采用天津地区黏性土，其物理力学性质如表1所示。

1.2 洪水水位变化设计

1.3 实验装置设计

1.3.1 实验槽设计

实验选取了体积规格为3 m×3 m×1.1 m(长×宽×高)的模型槽，其主要由泡沫砖修葺而成，模型槽墙厚为0.2 m，由于模拟洪水对边坡的作用过程，故将模型槽内部做防水处理，使其形成一个五面不透水的水槽。其模型如图2所示。

1.3.2 水位控制系统

边坡内的渗流状况受到边坡外水位的影响较大，控制好坡外水位是试验成败的关键，模型的水位控制系统由进水管、储水桶、水位控制的水泵和流量计等组成，进出水管位于土坡的对称侧，来减少出水对土坡的冲击影响。水泵、阀门和流量计等调节水位的升降，通过水阀的开闭来控制水位的变化，水泵和流量计控制水流的快慢。

表1 土质参数Table 1 Soil parameters

表2 水位升降时间表Table 2 Water level rise and fall schedule

图2 物理模型图Fig.2 Physical model diagram

1.3.3 连续监控系统

试验的监测系统由仪器采集系统和人工采集系统两部分组成。仪器采集系统由RH-709读数仪及其所对应的4个渗压计(记录整个试验过程的孔隙水压力的变化)和NHJLY2801土壤水分测试系统及其对应的4个含水量计组成，标记为1、2、3、4，其观测点埋设如图3所示。

图3 传感器埋设示意图Fig.3 Schematic diagram of sensor embedding

2 室内试验过程及结果分析

2.1 实验过程

图4为洪水对路基边坡的作用演变过程中所获取的照片，记录了各阶段水位变化情况以及实验现状。

图4(a)～图4(c)为涨水阶段，共耗时4.5 h，水位从0 m上涨到0.9 m，随着水位上涨模型边坡坡面土体逐渐由非饱和状态变为饱和状态，水土交接处土体颜色变深并向上缓慢扩散，随着时间的推移水流不断向土体四周入渗，土体含水量增加黏性随之降低并且浸润部分土体变得松软；图4(c)、图4(d)为浸泡阶段，持续44 h。由于水的蒸发以及入渗到边坡内部，其水位有略微的变动，水位始终保持在0.85 m以上，并且随着时间的推移水不断向边坡内部渗透，坡顶土体颜色逐渐变深并向上漫延；图4(d)、图4(e)为退水阶段，该阶段测量时间为8.5 h，前4.5 h水位从0.9 m降至0 m，随着水位的逐渐降低可以明显看出高度为0.9 m的地方出现了明显的凹槽，且原来平整的坡面变得不规则；边坡0.9 m以下的地区长时间浸泡其土体达到饱和，黏聚力下降导致土体向下滑动；随着水位的下降，原本浮在水中的土颗粒逐渐沉淀到边坡坡面导致坡面出现不规则的波纹。经过3个阶段的作用，边坡坡面的土颗粒一部分悬浮到水中随着水流被排走，另一部分则沉降到边坡底部，造成坡中出现凹陷。

图4 洪水对边坡作用的演变过程Fig.4 The evolution of the action of floods on slopes

2.2 孔隙水压力变化规律分析

利用孔隙水压力测量仪实时监测涨水阶段边坡内部各测点的孔隙水压力变化情况，并用多项式拟合各阶段孔隙水压力-时间(u-t)变化趋势，其结果如图5所示。

由图5可知，初始状态下不同深度的测点其初始孔隙水压力不同，测点1深度最小其孔隙水压力最小为-6.3 kPa，而测点3和4其深度较大其孔隙水压力处在-2 kPa附近，初始状态深度越大，孔隙水压力越大。纵观整个实验过程，其各测点孔隙水压力变化趋势相同。

从各测点拟合曲线可以看出，涨水阶段各测点孔隙水压力均随水位上升而增大[图5(a)]，且增长速度越来越大，其中位于坡脚处的测点3孔隙水压力响应速率以及增长速度均最快，其次是位于坡中的测点2，坡顶以及边坡内部的测点1和测点4的孔隙水压力响应速度最慢，其主要原因是距离坡脚距离最远。各测点响应速度依次是：测点3>测点2>测点4>测点1。浸泡阶段[图5(b)]，各测点孔隙水压力继续增加，其增长速度逐渐减缓。其中位于坡脚的测点3增长速度最缓慢，其次是坡中的测点2，最后是远离坡脚的测点1和测点4。退水阶段[图5(c)]各测点孔隙水压力随水位下降而迅速降低，其中测点3的孔隙水压力响应速度最快，且下降速度也最快；各测点孔隙水压力下降速度依次是：测点3>测点2>测点4>测点1。

通过分析各测点的孔隙水压力变化情况可知，坡脚处孔隙水压力最先受到水位的影响，其次是边坡坡面，越靠近边坡内部，孔隙水压力受到水位变化的影响越小。

2.3 体积含水量变化

图6为室内试验各测点的体积含水量变化曲线，从图6(a)中可以看出各测点体积含水量均为10%左右，由于室内试验模型为分层压实铺设其填土提前调配好干湿度，并且边坡底面与水泥池底面接触，故边坡内部测点的体积含水量相同，均接近初始含水量。

图5 各阶段孔隙水压力变化曲线Fig.5 Variation curve of pore water pressure in each stage

观察图6(a)可以看出涨水阶段距离坡脚最近的测点3响应最快，其次是测点2，然而远离坡脚的测点1和4其体积含水量在涨水阶段基本保持不变，由于渗透入边坡的水传递速率较慢，在水位涨至0.9 m时其孔隙水还未运动到测点1和4，因此测点1和测点4体积含水量变化较为缓慢。

如图6(b)浸泡阶段，洪水不断渗流入模型，其模型内部浸润线开始向边坡内部发展，导致其测点1和4体积含水量开始上涨，然而在第一阶段测点3和2体积含水量已经增大至最大体积含水量达到饱和状态，在浸泡阶段其体积含水量几乎不发生变化，而远离坡脚的测点1和4在浸泡阶段也达到了饱和状态。

图6 各阶段体积含水量变化曲线Fig.6 Variation curve of volumetric water content in each stage

如图6(c)退水阶段，由于水位下降，其坡面内部压力大于外部，故边坡内部孔隙水在压力差的作用下向坡面运动，距离坡顶最近的测点1体积含水量最先下降，随后是测点2，最后是测点3，由于测点1、2、3距离坡面最近，故其最先受到内外压力差的影响，而远离坡面的测点4其周围孔隙压力差较小，孔隙水无法及时排出，导致其始终处于饱和状态。

通过分析边坡内部各测点的体积含水量变化情况可知，靠近坡脚的区域其体积含水量最先受到水位变化的影响，其次则是靠近坡面的区域，越往边坡内部，其体积含水量变化越缓慢，响应速度也越缓慢。

3 数值模拟分析

为了验证试验的可靠性，利用GEO-Studio岩土分析软件模拟边坡内部渗流场变化，通过对比相同位置测点的孔隙水压力以及体积含水量变化情况来验证其实验结果的准确性，并运用SEEP/W和SLOPE/W模块耦合分析，计算出边坡模型各时段浸润线以及安全系数，分析实验结果找出水位变过程中边坡渗流场以及稳定性变化规律。

3.1 模型建立

分析参照实验原型建立，其仿真分析模型建立如图7所示。此仿真模型网格划分为1 664个单元，共有1 754个节点。结合室内试验的测量点在边坡模型内部相同位置设置4个测点。参照室内试验模型以及实际工程中的各项参数指标设置模型参数，其各项参数如表1所示。

边界条件为：①模型左边界与下边界为不透水边界；②模型顶部为自由边界；③模型右侧为水位变化边界，其水位变化与实际设计水位变化相同；④初始水位线高程为5 m。

渗流分许所需土水特征曲线通过软件样本函数以及实际渗流参数拟合而成，其土水特征曲线如图8所示。

图7 模型建立Fig.7 Model establishment

3.2 渗流分析结果

3.2.1 渗流场变化过程

水位变化过程中各时段边坡内部渗流场变化情况以及孔隙水运动趋势如图9所示。

图9(a)、图9(b)为涨水阶段渗流场变化情况，对比图9(a)、图9(b)可知，t=0 h边坡整体孔隙水压力分布呈层状，其孔隙水压力由上到下递增。当水位上升至9 m时，浸润线靠近坡面的一端随水位上升，坡脚以及靠近坡面的区域孔隙水压力迅速上升，远离坡面的区域浸润线保持不变，坡面水流不断向边坡内部运动。

图8 土质土水特征曲线Fig.8 Soil water characteristic curve

图9(b)、图9(c)为浸泡阶段前后边坡渗流场变化情况，该阶段浸润线不断向边坡内部发展，且边坡内部孔隙水压力逐渐上升，孔隙水由浸润线右侧向左侧运动，由于边坡内部水的传导速度较低，故远离坡面的区域具有滞后性。

图9(c)、图9(d)为退水阶段，靠近坡面的浸润线随水位下降而迅速下降，由于坡面没有卸去了水压力，边坡内部孔隙水不断从坡面渗出，导致边坡孔隙水压力分布如图9(d)所示。远离坡面的区域孔隙水压力以及浸润线存在滞后性，水位下降为0时边坡内部仍有部分区域处于饱和状态。

3.2.2 浸润线变化规律

图10为边坡内部浸润线随时间变化的分布图，其中蓝色虚线为涨水阶段浸润线变化、绿色虚线为浸泡阶段浸润线变化、红色虚线为退水阶段浸润线变化。

由图10可知，涨水阶段(0～14 h)时，靠近坡脚的水位线率先随洪水水位的上升而上升并向边坡内部卷起，而远离坡脚的水位线没有变化，随着水位继续上升这种变化向边坡深处发展；当涨水阶段结束时，边坡内部只有坡脚以及靠近坡面的少部分土体达到饱和。浸泡阶段(14～154 h)时，水位保持不变，浸润线随时间的推移向边坡内部发展，远离坡面的一端缓慢上升；退水阶段(154～168 h)时，浸润线靠近坡面的一端随水位下降而迅速下降，由于土的导水速率较低，因此边坡内部仍有部分区域处于饱和状态。整个水位变化过程中浸润线靠近坡面的一端水位变化而变化，远离坡面的一端存在滞后性。

图9 数值模拟过程Fig.9 Numerical simulation process

图10 洪水过程各时段浸润线示意图Fig.10 Schematic diagram of phreatic line in each period of flood process

3.2.3 孔隙水压力和体积含水量变化规律

图11、图12分别表示模型边坡内部相同测点的孔隙水压力和体积含水量随时间变化的曲线，其变化规律概括为：涨水阶段孔隙水压力和体积含水量随水位上升而迅速增加，浸泡阶段孔隙水压力和体积含水量增长速度减缓，最终达到了暂时的稳定状态，当水位下降时两者迅速减小。将孔隙水压力与体积含水量仿真结果与实验测量结果进行对比可知，仿真结果与室内模型实验结果的变化趋势相同，且坡脚孔隙水压力和体积含水量响应速度与变化速度均大于其他区域。通过模型仿真计算更进一步的验证了室内模型实验结果。

图11 体积含水量变化曲线Fig.11 Change curve of volume water content

图12 孔隙水压力变化曲线Fig.12 Change curve of pore water pressure

3.3 模型稳定性分析

对比数值模拟和室内试验结果可以看出，两个模型内部相同的位置其渗流变化趋势相同，运用SLOPE/W模块以各时段模型内部渗流状态为基础计算水位变化过程中边坡模型的安全系数，其计算示意图如图13所示，将滑动块分成30个土条并运用摩根斯顿-普赖斯法计算边坡安全系数(图14)。

涨水阶段(0～14 h)：由于边坡内的浸润线滞后于坡外水位，这时坡外就会产生指向坡内的动水压力，这对边坡的稳定有益，所以这时安全系数出现大增直到水位上升到最高处，安全系数由1.944增加至4.075，并在14 h时达到整个试验阶段的最高值。

图13 稳定性计算示意图Fig.13 Stability calculation diagram

图14 安全系数变化曲线Fig.14 Variation curve of safety factor

浸泡阶段(14～154 h)：边坡内浸润线逐渐上升，水分不断入渗至边坡内部，前面形成有益于库坡稳定的动水压力随之减小，坡内大范围土层的孔隙水压力增大，抗剪强度减小，所以安全系数出现降低的现象，浸泡期间安全系数由3.716下降至2.561。

退水阶段(154～180 h)：水位快速下降，而坡内水位滞后于坡面水位，这时形成指向坡外不利于路基边坡稳定的渗透压力，因此安全系数开始迅速下降；当水位下降至初始水位时边坡内部仍存在较高的潜水位面，故其安全系数远低于未涨水时的安全系数，其边坡安全系数由2.960下降至1.584；168 h时坡面水位降至0 m，边坡内部饱和区域的水逐渐向外渗出，边坡潜水位继续下降，导致边坡安全系数右缓慢的上涨。

通过观察图14的边坡安全系数变化规律可以知道洪水作用过程中边坡的涨水期边坡较为安全，最危险的时段为退水期，故在蓄滞洪区路基边坡的防洪措施中因更注重退水阶段的防护工作。

4 结论

通过室内模型试验还原洪水水位变化对路基边坡的影响，探究边坡内部孔隙水压力以及体积含水量真实的变化情况，并利用有限元软件分析边坡渗流场以及稳定性变化规律。结论如下。

(1)水位上升阶段，孔隙水压力以及体积含水量逐渐增大，且增长速度逐渐增大；进入浸泡阶段，两者上升速率减缓并达到暂时的稳定，当水位下降时，孔隙水压力和体积含水量又迅速减小。相比于其他测点，坡脚处受水位变化影响较大。

(2)通过对比室内模型试验与仿真分析结果了解到，边坡内部孔隙水压力以及体积含水量变化趋势基本吻合，验证了实验的可靠性，并且进一步验证了水位变化对路基边坡渗流场的影响。

(3)通过模拟分析得出，浸润线靠近坡面的一端随水位的变化而迅速变化，远离坡面的一段则存在滞后性，浸润线到坡面的距离越大，其响应速度越迟缓。

(4)分析安全系数变化过程得出：涨水阶段，坡外形成对边坡稳定性有利的动水压力，其边坡模型安全系数大幅增加并达到峰值；浸泡阶段，水分不断入渗至边坡内部，前面形成有益于库坡稳定的动水压力随之减小，边坡安全系数缓慢减小；退水阶段，坡面的水压力消去，形成指向坡外不利于边坡稳定的渗透压力，安全系数又迅速减小，最后安全系数远小于水位变化之前的安全系数。