河水位升降下飽和－非飽和駁岸岸坡穩定性分析

簡文彬，葉 琪

（福州大學 環境與資源學院，福州 350108）

河水位升降下飽和－非飽和駁岸岸坡穩定性分析

簡文彬，葉 琪

（福州大學 環境與資源學院，福州 350108）

岸坡失穩常常與河水升降密切相關。為了分析水位升降對福州晉安河駁岸岸坡穩定性的影響，根據某段岸坡的工程地質條件，建立駁岸岸坡飽和－非飽和滲流計算模型，結合引水沖污工程，研究河水位不同升降型式對穩定性的影響。結果表明，坡腳淤泥的堆積阻礙了坡內孔隙水的變化，表現為在其影響范圍內，河水上漲時水流難以流入，水位下降時則孔隙水不易排出；水位上升越快，駁岸越穩定，較大的水位下降速度則對其穩定性不利；水位頻繁升降，由于岸坡排水條件不佳，孔隙水進一步賦存，穩定性降低；在引水沖污工程中應做好水位下降速度的控制和坡內孔隙水的疏排；在對岸坡進行加固時，可采取置換坡腳淤泥為良好透水材料的措施。

駁岸；岸坡；河水位升降；滲流；穩定性

隨著國民經濟的迅速發展，在福州市內，大量工業廢水和生活污水直接排入內河，造成內河污染嚴重，河道淤積，排澇能力下降。當地政府為了防止內澇，對內河進行了清淤；為改善水質，實施了引水沖污工程［1］。這些整治措施不僅取得了顯著的效果，而且也帶來了工程地質問題。內河在進行清淤作業降低河床標高，以及引水引起河水位頻繁升降等因素作用后，某些工程地質條件不良的駁岸段失穩滑入河中，以晉安河沿岸最為典型，這必然影響周邊市民的出行安全和增加內河的整治難度。

關于水位升降對邊坡穩定性的影響，近年來國內外眾多學者進行了研究，并取得了一定的成果。2000年，Lane和Griffiths［2］假定土坡內的浸潤線為直線，基于有限元強度折減法分析了庫水位在驟降與緩降條件下岸坡的穩定性；2004年，時衛民和鄭穎人［3］根據布西涅斯克非穩定滲流微分方程，得到了庫水位等速下降時坡體內浸潤線的簡化計算公式，并以此為基礎分析了庫水位下降速度和下降高度等因素對坡體穩定系數的影響；2005年，劉才華等［4］研究了庫水位上升誘發邊坡失穩機理，表明庫水位由坡腳上升到坡頂的過程中，孔隙水壓力作用使邊坡的穩定性先降低后增加；廖紅建等［5］計算了在庫水位下降期間，滑坡體穩定性受庫水位下降速度和滲透系數影響的變化情況；2010年，年廷凱等［6］從水位下降速率和滲透系數等方面研究了水位下降過程岸坡的整體穩定性，發現水位下降速率對高滲透性土坡內孔壓的影響顯著，對低滲透性土坡內孔壓影響較小；王學武等［7］對庫水位驟降時的壩坡穩定進行了計算，結果表明，庫水位的驟降，易引起壩坡的滑動，隨著超靜孔隙水壓力的消散，壩坡穩定性逐漸提高，基質吸力對抗剪強度的貢獻增大；2012年，Núria M.Pinyol等［8］模擬了西班牙某水庫邊坡在水位驟降過程孔隙水壓力的變化，并與實測資料進行比對，證實了水位驟降對邊坡穩定性的不利影響。以上研究中只單一進行了水位上升或下降時邊坡穩定性分析，對于大部分實際工程已足夠。2006年，張文杰等［9］模擬了升降過程中岸坡內孔壓場，并考慮基質吸力的貢獻對邊坡穩定進行了分析，指出在水位升降過程中，岸坡安全系數的變化規律非常復雜；2011，涂國祥等［10］探討了水位變動速度對堆積體滲流場及穩定性的影響機理和規律，發現水位變動速度對堆積體在水位變動期間瞬時滲流場有著較大的影響，較大水位上升速度對堆積體穩定性有利，但水位下降速度增大對堆積體穩定性不利。在以上分析水位升降對邊坡影響的文獻中，水位升降的初始狀態均是穩定滲流場，或升降段隔著較長的時間以使邊坡內滲流穩定，而實際上，如引水沖污工程中周期性水位升降，升降段相隔時間短或時間間隔不足以形成穩定滲流場。目前，這方面的研究比較少見。

因此，本文根據福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質條件，結合清淤后河床高程，建立駁岸岸坡飽和 非飽和滲流計算模型，研究河水位不同升降型式對駁岸岸坡穩定性的影響。研究成果對引水沖污工程的調控和駁岸岸坡加固措施的選擇有理論及實際意義。

1 工程概況

1.1 福州晉安河駁岸岸坡

駁岸是設在岸坡前、支擋河岸的構筑物。根據《福州晉安河駁岸穩定性分析與評價報告》，影響駁岸岸坡穩定性的因素包括降雨入滲、水位變動、清淤、交通荷載、施工擾動等。自駁岸建成以來，經歷了除清淤外各因素的作用，未曾發現整體性的滑動破壞。清淤作業導致鄰近駁岸坡腳被動區土體卸荷，岸坡臨空面加深，在水位升降、降雨、坡頂荷載等因素作用下駁岸失穩。

引水沖污工程，是通過引用閩江水至內河上游，加大內河水流流量，提高河道水流流速，利用內河與閩江相連的地理條件，使得稀釋后濃度較低的水及時排入閩江［1］。由于引水沖污工程的開展，內河駁岸岸坡外的水位常處于變動之中，岸坡內外水分的相互補給使坡內滲流場不斷變化，從而孔隙水壓力場也處在不斷的變化之中，進而影響到岸坡的穩定性［9］。

1.2 駁岸岸坡工程地質條件

1.2.1 地形地貌 晉安河是福州長度最長和流域最廣的河流，也是歷史最悠久的人工內河，與光明港連通，是重要的南北水路交通干道和景觀廊道。流向自北向南，北自東浦路接解放溪，南經象園水閘至光明港，長約6 550 m，河面寬25～49 m。

晉安河中下游河道始于光明港（樁號JA0＋000），由南往北，止于茶園水閘（樁號JA5＋334）。沿途多為居民區及沿河公園。所選分析段即位于中下游西岸，樁號JA4＋580，平面位置見圖1所示。

圖1 研究區平面位置示意圖

根據沿線調查，河段所在區域地勢相對平坦，地面羅零高程一般為6～7 m，屬沖淤積平原地貌單元。根據區域地質資料，沿線及鄰近地區全新世以來未發現活動斷裂，構造穩定。

1.2.2 巖土類型 根據現場鉆探揭示及已有地質資料，結合土工試驗結果，并參考附近破壞段情況，研究區主要由以下幾類土層組成，如圖2所示。圖中，①素填土：稍密，以粘性土為主，含少量碎石，新近堆填，堆填時間未超過1年。②粉質粘土：灰黃色，可塑～硬塑狀態。稍有光澤，干強度中等，有一定粘性。③淤泥：深灰色，含水量高，流塑，有臭味，搖振反應慢，有光澤，干強度中等。

圖2 工程地質剖面圖

1.2.3 水文條件 晉安河中下游水深約2.10～4.20 m，河床羅零標高為1.40～4.60 m，水量主要受大氣降水和地區生活用水影響，枯水期、平水期水量都較小，雨季洪水期方有較大水量。河水流向由北向南流，因與閩江連通，受閩江漲落潮影響。

內河整治工程中的引水沖污對河水位也產生了影響。晉安河水域采用大腹山引水工程沖污，經過屏西河處分流5 m3／s的水量，余下25 m3／s的水量進入晉安河水系進行沖污，最后進入晉安河經光明港入閩江。

2 河水位升降下飽和 非飽和駁岸岸坡穩定性分析

2.1 飽和 非飽和滲流及非飽和土抗剪強度理論

2.1.1 飽和 非飽和滲流微分方程 地下水位以上土體處于非飽和狀態，地下水位以下處于飽和狀態，隨著河水位的變動，地下水位也隨之變化，飽和區和非飽和區互相轉換，且飽和區與非飽和區的水運動互相聯系、互相影響，將兩者統一起來即飽和 非飽和問題［11－12］。

將土體視為一種固相骨架不變形、各向異性的多孔介質，根據質量守恒定律，結合達西定律，以總水頭h作為微分方程因變量，得到二維飽和 非飽和滲流微分方程［13］為

式中：kx、ky分別為水平和垂直方向的滲透系數，在飽和區視為常數，在非飽和區為體積含水量的函數；γw為水的重度；mw為比水容量，定義為單位土體吸力變化時單位質量土壤可釋放或吸收的水量，即

式中：θ為體積含水量；ua、uw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力，（ua－uw）為基質吸力。

當水頭不隨時間變化時，式（1）右邊項為0，得到飽和穩定滲流控制方程為

2.1.2 非飽和土抗剪強度 駁岸岸坡的主要破壞模式是受剪破壞，其穩定性主要取決于抗剪強度的大小。飽和土的抗剪強度可用摩爾—庫侖破壞準則表達，而對于非飽和土，由于氣的存在，其強度理論變得極為復雜，經典的飽和土力學理論已不再適用。國內外眾多學者通過試驗研究或理論分析，提出了許多非飽和土的抗剪強度理論和公式，其中得到工程界廣泛認可的是Fredlund提出的雙參數模型［14－15］

式中：τ為土的抗剪強度；c′為土的有效粘聚力；（σf－ua）f為破壞面上有效法向應力；φ′為土的有效內摩擦角；（uauw）f為破壞面上的基質吸力，當孔隙中氣體與空氣連通時，ua＝ 0；φb為抗剪強度隨基質吸力而增加的速率，其值隨基質吸力的變化而變化，在解決實際工程問題時常常取為小于φ′的定值［14］。

當土接近飽和時，孔隙水壓力uw接近孔隙氣壓力ua，因此基質吸力（ua－uw）趨于零。式（4）中的基質吸力項消失，從而變為飽和土的抗剪強度公式。

2.2 計算模型及其參數的選取

2.2.1 計算模型 文中采用Slide軟件進行模擬。駁岸由塊石干砌而成，透水性好，在邊坡模型中簡化為具有一定強度的各向同性材料，并結合內河清淤后河床實測高程，簡化沿岸地形條件，建立模型如圖3所示。分析時滲流由有限元法計算得出，穩定性分析則利用極限平衡法中的簡化Bishop條分法。根據實測資料，岸坡遠端地下水位高程為5 m，河水位為變動值。

圖3 計算模型

滲流計算中邊界條件設置模型底部、右側邊界為隔水邊界，左側邊界地下水以下為定水頭邊界，以上為零流量邊界，坡面為隨時間變化的水頭邊界，水頭小于高程的節點定義為不透水邊界。有限元網格共剖分為2 781個單元，共2 903個節點。

2.2.2 計算參數的選取

1）土水特征曲線和滲透性函數的選取

由于試驗條件限制，非飽和土的土水特征曲線和滲透性函數均可由 Van Genuchten模型擬合［16－17］，模型參數采用同類土的試驗值，如圖4、圖5所示。其中，駁岸組成為塊石，孔隙大，不存在毛細現象，故不考慮其土水特征曲線。

圖4 土水特征曲線

圖5 滲透性函數

2）物理力學參數的選取

各材料土體均不考慮各向異性，參數根據室內土工試驗及工程經驗選取，見表1所示。

表1 巖土物理力學參數

3）分析工況

引水沖污工程使河水位漲落處于周期變化中，考慮周期為一天，分析河水位不同升降型式下水位升降一天及多天駁岸岸坡穩定性的變化情況。

取初始河水位4.2 m，終止河水位6.2 m，簡化水位變動情況，分析工況見表2所示。

表2 水位變化表

用曲線表示，如圖6所示。

圖6 水位變化曲線

2.3 滲流場模擬結果

以工況Ⅰ為例說明河水位升降過程駁岸岸坡內浸潤線的響應情況。將水位上升、穩定和下降段的浸潤線變化情況如圖7所示。可知：由于岸坡土體滲透系數較小，水流不能及時滲入、排出，整個過程，岸坡內浸潤線變化緩慢、滯后；埋入河床淤泥的駁岸段，由于前緣淤泥的阻水作用，在河水上升初期，水流不能及時流入駁岸，在水位下降后期，水分不能排出，岸坡內的孔隙水壓力不能及時消散；駁岸排水性能好，未埋入河床的駁岸段浸潤線與河水位變化一致。

圖7 工況I水位升降期間浸潤線變化

2.4 穩定性計算及分析

2.4.1 河水 次升降的模擬結果 圖8為4種工況下駁岸岸坡安全系數在水位升降一個周期的變化情況。對各工況進行對比分析可知，在水位上升段，駁岸岸坡安全系數增加，對比工況Ⅰ和Ⅲ，上升越快，同一時刻邊坡越穩定，這是由于坡外水壓力的作用，水位越高，這種作用越強烈；注意到在水位上升初期某時刻，穩定性突然下降，表明河水開始流入駁岸，駁岸岸坡內孔隙水壓力增加。在河水位穩定段，水逐漸流入岸坡，浸潤線抬升，孔隙水壓力增加，駁岸岸坡安全系數隨著時間慢慢減小，但幅度不大。在河水位下降段，隨著水位的降低，作用于坡面的靜水壓力減小，坡內孔隙水壓力消散，但較慢，駁岸岸坡安全系數減小，對比圖8（a）和圖8（b）工況，下降速度越快，穩定性下降也越快，當河水位降至初始水位4.2 m時，安全系數達到最小。4種工況下駁岸岸坡的安全系數分別從0時的1.489降至24時的1.416、1.392、1.411、1.388。可知，水位下降使土體內水壓力增加，穩定性減小，且下降速率較上升速率對最終穩定性的影響顯著。

圖8 4種工況安全系數隨時間變化

2.4.2 河水頻繁升降的模擬結果 引水沖污是一項長期的工作，河水頻繁升降是不可避免的結果，因而進行水位頻繁變化對駁岸岸坡穩定性的影響是必要的。

圖9 水位頻繁升降下安全系數的變化

圖9顯示了水位在4種升降型式作用下，駁岸岸坡安全系數隨天數的變化。可見，頻繁升降引起的穩定性變化的總體趨勢是減小的。期間也有小幅的提高，是由于孔隙水壓力減小的結果，但這種影響很有限。

3 結 論

根據福州晉安河某段駁岸岸坡的工程地質條件，結合清淤后河床高程，建立駁岸岸坡飽和 非飽和滲流計算模型，考慮引水沖污工程的影響，簡化水位變動條件，分析了河水位不同升降型式對駁岸岸坡穩定性的影響，得出了以下結論：

1）對比4種河水位升降型式，水位上升越快，駁岸越穩定，較大的水位下降速度則安全系數減小的越快。結合升降過程穩定性的變化，水位下降速度較上升速度對駁岸岸坡的影響更顯著。在實際的引水沖污工程中，應做好下降段速度的控制和坡內孔隙水壓力的排泄。

2）河水位一次升降后，駁岸坡腳堆積的淤泥阻止坡體內孔隙水的及時排泄，對穩定性不利，但直接清除淤泥相當于解除了坡腳的反壓作用，對穩定性也不利，工程上可通過置換坡腳淤泥為拋石等良好透水材料的措施來提高岸坡穩定性。

3）岸坡土體的滲透性能較差，在頻繁的河水位升降過程孔隙水不易消散，穩定性進一步降低，在降雨入滲、路面荷載等因素的綜合影響下，易產生整體滑移。

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（編輯 詹燕平）

Analyses on Stability of Saturated-Unsaturated Bank Slope with Revetment During Rise and Fall of River Level

Jian Wenbin，Ye Qi

（College of Environment and Resources，Fuzhou University，Fuzhou 350108）

The bank slope failure is closely related to the rise and fall of river level generally.In order to analysis the influence of the rise and fall of river level on Jin’an River bank slope stability in Fuzhou，the saturated-unsaturated seepage of bank slope with revetment was modelled based on the engineering geological condition of some bank of Jin’an River，and the effect of rise and fall of river induced by the DRWWOS（Drawing River Water to Wash Out Sewage）project on bank slope stability was studied.The results show the silt lying on the slope toe impedes pore water change，manifesting as in its sphere of influence river water is hard to flow into the bank when river rises，and the pore water pressure can not dissipate in time when drawdown.The faster the river rises，the more stable the bank slope becomes.On the contrary，the larger river level falling rate is more likely to leads to bank slope failure.Due to the poor bank drainage performance，the frequent rise and fall of river level results in pore water pressure increasing further，then impairing the bank slope stability.During DRWWOS project，the river level falling rate control and pore water pressure dissipation must be paid enough attention to.Also，replacing silt lying on the slope toe by good permeable material is a good choice to reinforce the bank slope.

revetment；bank slope；rise and fall of river level；seepage；stability

P642.22

A

1674-4764（2013）S2-0129-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.033

2013-09-30

國家自然科學基金（41072232）

簡文彬（1963-），男，教授，主要從事巖土工程與工程地質研究，（E-mail）jwb＠fzu.edu.cn。