三峽庫區動水壓力型土質滑坡排水管布置優化
——以臥沙溪滑坡為例

張振華, 王 亮, 劉 武

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009;2.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心, 湖北 宜昌 443002)

三峽庫區動水壓力型土質滑坡排水管布置優化
——以臥沙溪滑坡為例

張振華1,2, 王 亮1, 劉 武1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009;2.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心, 湖北 宜昌 443002)

[目的] 為降低動水壓力型滑坡體內的動水壓力，提高其穩定性，采取布設水平排水管的措施對該類型滑坡進行治理，并對排水管的布設方案進行優化，為同類滑坡的加固設計以及獲得高效合理的排水管布設方案提供參考。 [方法] 利用土體級配曲線，采用間接方法近似確定滑體土土—水特征曲線，并嘗試通過 Fredlund&Xing函數模型預測獲得滑體土非飽和滲透函數曲線。采用均勻設計方法、有限元、神經網絡和遺傳算法相結合的綜合集成方法開展排水管布設方案優化研究。 [結果] 獲得了臥沙溪滑坡最優的排水管布設方案為：管長L為26.6 m，間距D為6.88 m，傾斜角θ為7.3o。 [結論] 采用該排水方案加固后的滑坡安全系數為1.101，大于設計安全系數1.10，滿足滑坡加固安全與經濟的要求。

動水壓力型滑坡； 滲透性； 排水管

已有的研究[1-3]表明，三峽水庫水位驟降對動水壓力型滑坡的穩定性不利。比如，三峽庫區的樹坪滑坡、白水河滑坡和臥沙溪滑坡等，都是在庫水位下降的工況下發生了較大的變形[4，5，12]。由于動水壓力型滑坡的巖土體滲透性比較差，在庫水位下降的過程中地下水不能及時排出，坡體內地下水位的下降速度小于水庫水位的下降速度，導致坡體內水力梯度增大而引起動水壓力明顯增大，滑坡受到由坡內指向坡外的動水壓力作用[5]，致使其穩定性降低，甚至引起滑坡的變形破壞和滑動。目前已有部分學者對三峽水庫水位下降條件下的滑坡穩定性進行分析。例如，王錦國等[6]通過對三峽庫區猴子石滑坡地下水動力場進行分析，發現庫水位從175 m下降至145 m時所受動水壓力為正常蓄水位時的13倍，對滑坡的穩定性極為不利；向玲[7]、盧書強等[4]研究表明，隨著庫水位下降，由于滑坡巖土體的滲透性較差，滑坡受到從內到外的滲透動水壓力作用，使得滑坡的穩定性降低。從已有的文獻來看，學者們雖然研究了庫水位下降條件下動水壓力對土質堆積體岸坡穩定性的影響，但沒有提出有效的加固方案來降低該工況條件下坡體內的動水壓力(即地下水位)。目前，常見的水庫岸坡降低地下水位的措施主要有排水洞、集水井抽水、虹吸排水、水平排水和滲溝等[8]。由于水平排水管具有施工簡單、工期短、維護方便和經濟等優點，也是經過工程檢驗較為有效的排水措施之一[8-11]，因此水平排水管在滑坡的治理工程中得到了廣泛應用。水平排水管的排水降壓效果主要取決于排水管的布設方案，而在實際工程中，水平排水管的布設方案通常是按照規范，或者是根據經驗、井流公式等進行簡單設計，為了保證排水的效果而盲目的增加排水管數量，造成工程上不必要的浪費[8]。為了經濟有效地降低庫水位下降條件下動水壓力型滑坡的地下水位，科學合理地確定水平排水管的布設方案是非常必要的。鑒于此，本研究以三峽庫區典型動水壓力型滑坡——臥沙溪滑坡為例，采用均勻設計方法、有限元、神經網絡和遺傳算法相結合的綜合集成方法，對水平排水管布設方案進行優化研究。

1 臥沙溪滑坡概況

臥沙溪滑坡位于長江支流青干河的右岸，屬于秭歸縣沙溪鎮梅坪村。滑坡距青干河下游左岸的千將坪大型滑坡約1.5 km，距河口約6 km，距三峽壩址約50 km[12]。滑坡平面上總體呈“圈椅”狀，近南北向。滑坡體縱長(南北方向)約250 m，橫向平均寬度約200 m，厚度約15 m，體積約7.50×105m3[12]。滑坡后緣位于高程約225 m的村級公路上，前緣剪出口高程約105 m，坡度為15o～30o[13]。該滑坡為土質滑坡，滑體物質主要由第四系全新統崩坡積碎塊石土、殘坡積土組成，成分為黏性土夾砂巖、泥巖塊碎石，具有弱透水性[13]。滑帶為上覆滑體與下伏基巖的接觸面，由紫紅色黏土夾少量碎石組成，碎石成分復雜，主要為黃褐色泥質粉砂巖，稍密—密實，具有弱—微弱透水性；滑帶形態總體上陡下緩，厚度約為0.3～0.8 m[13]。滑床基巖為侏羅系中—下統灰綠色厚—巨厚層狀長石石英砂巖、粉細砂巖夾少量紫紅色粉砂質黏土巖、泥巖，呈厚層狀，泥質膠結，具有弱透水性[13]。巖層總體產狀100o∠25o，走向與岸坡總體走向大角度相交，屬斜向結構岸坡[13]。根據參考文獻[12-13]給出的滑坡GPS位移監測點(wsx1—3)記錄的位移隨庫水位變化關系曲線(圖1)，可知滑坡在每年庫水位下降期(4—6月)的位移變化較同一庫水位變化周期內的其他時段明顯得多，屬于典型的動水壓力型滑坡。

圖1 滑坡累計位移—庫水位—時間關系

2 排水管布設方案設計

大量的研究[14-17]表明，影響排水效果的主要因素有管徑，管長，排距，傾角，管間距等。假設對5個影響排水效果的因素都取5個水平，若考慮全部因素的各水平相互組合，則排水管布設方案達到55=3 125種，就此進行優化研究會因為工作量太大而難以實現，必須從中選擇部分具有代表性的組合方案進行試驗，即對布設方案進行科學合理的設計。均勻設計方法是王元和方開泰于1978年提出的試驗設計技術，其數學原理是數論中的一致分布理論，只考慮試驗點在試驗范圍內的均勻分布，即“均勻分散”性，忽略“整齊可比”性，使試驗點均衡地分布在試驗范圍內，而且有充分的代表性[18]。若按3因素6水平的排列組合進行方案設計，共計63=216種布設方案；而依據均勻設計原理，若采用均勻設計表U24(63)，則具有代表性的排水布設方案僅需要24種方案。由此可見，采用均勻設計方法可以大大地減少排水管布設方案的數量，既具有代表性，又能合理反映所有可能出現的試驗組合特征。采用均勻設計方法設計排水管布設方案，首先應確定影響排水效果的因素及其水平，然后選取合適的均勻設計表設計排水管布設方案。

2.1 排水管布設所考慮的因素及其水平

根據參考文獻[15-16]的研究，在管徑R的通常取值范圍內，管徑的大小對邊坡排水效果有一定影響，但是影響不明顯，試圖通過增大排水管的管徑來達到更好的排水效果，不僅達不到預期的效果，反而會使施工難度和費用的增大。

故本文不把排水管徑R作為排水管優化的參數，僅考慮影響排水效果的管長L、傾角θ和排距D這3個因素。根據文獻[19]，確定3個影響因素的取值范圍：管長L取5～30 m，排距D取2～7 m，傾角θ取5o～10o。對每個影響因素分為6個水平，具體計算結果詳見表1。

表1 排水管布設方案影響因素水平

2.2 按均勻設計表確定試驗方案

根據表1,選擇出合適的均勻設計表U24(63)和U6(63)(共30種代表性排水管布設方案,表2—3)。其中表2的樣本用于下文關于水平排水影響因素與排水效果之間的神經網絡模型的訓練，表3中的樣本用于該神經網絡模型訓練過程中的預測檢驗。

表2 排水管布設方案均勻設計〔U24(63)〕

表3 排水管布設方案均勻設計〔U6(6)3)〕

3 不同排水管布設方案的排水效果

3.1 有限元計算網格模型

根據參考文獻[12-13]提供的臥沙溪滑坡地質資料，建立該滑坡主滑剖面A-A’的有限元計算網格模型。采用四邊形單元進行剖面的網格劃分，共劃分單元3 872個、節點3 845個。

3.2 計算參數

3.2.1 巖土體常規物理力學參數 根據臥沙溪滑坡巖土體的物理力學參數建議取值等資料，通過工程類比和參數反演分析，綜合確定有限元數值計算參數值(表4)。使用“空氣單元法”來模擬排水管，即將排水管的滲透系數設置成遠大于周邊滲流介質的滲透系數(可將二者的比值設置成等于500[8])來模擬排水管的排水性能。

表4 滑坡巖土體常規物理力學參數

3.2.2 滑體土土—水特征曲線和滲透函數曲線 經現場調查顯示滑帶土和滑床巖體長期處于飽和狀態，其滲透特性可以用飽和滲透系數來表征，具體參數值詳見表4庫水位下降過程中，滑坡土體從飽和狀態逐漸向非飽和狀態過渡，故需采用非飽和非穩定滲流分析方法對該滑坡滲流場進行分析。根據非飽和非穩定滲流理論，非飽和滲流分析需要確定土體的土—水特征曲線(SWCC)、非飽和滲透系數等相關參數[20]。

土—水特征曲線描述了非飽和土基質吸力與含水量的關系。通過試驗方法直接測定堆積體滑坡土體的土—水特征曲線是比較困難的，因此很多學者通過間接方法推測土—水特征曲線，如經驗公式方法、物理經驗模型、分型幾何法等[21]。孔郁斐等[22]利用均勻土柱模型的毛細管理論推導出特定粒徑顆粒堆積物中毛細水上升高度，據此構造出由土體級配曲線近似確定土—水特征曲線的物理經驗模型，給出了土—水特征曲線的預測公式(1)—(3)，并證明該模型是可行的，由于該方法合理易行，故采用該方法預測土—水特征曲線。

S=P(d)

(1)

d=6σRou/〔(1+e)γwh〕

(2)

InRou=aln(h)+b

(3)

式中:S——飽和度；P(d)——級配函數；d——粒徑； σ——水的表面張力系數； γw——水的重度；e——孔隙比；Rou——修正系數；h——吸力水頭；a，b——擬合參數，利用非飽和土數據庫UNSODA中406中土樣的測量數據對參數a，b進行分析，分析

結果顯示a，b與級配和孔隙比無關，可能受土的礦物組成影響較大[22]。

確定顆粒堆積體土—水特征曲線的主要步驟包括：首先，確定擬合參數a、b的取值(本文采取文獻[22]統計的平均值a=0.439 7，b=4.495 0)，其次，根據公式(3)計算不同h值所對應的修正系數Rou；然后，將a，b，Rou和不同的h值代入公式(2)得到相應的d值，再由公式(1)計算對應的飽和度S；最后，通過飽和度S計算體積含水量，就可以得到吸力水頭—體積含水量曲線，即SWCC曲線。

圖2 滑體土顆粒大小分布曲線

通過臥沙溪滑坡滑體土的顆粒分析試驗獲得其級配曲線(圖2)。

根據上述步驟確定的滑體土土—水特征曲線(圖3)和試驗所得飽和滲透系數，嘗試通過Fredlund&Xing函數模型[23]預測獲得滑體土的滲透函數曲線(圖3)。

圖3 滑體的土—水特征曲線和滲透函數曲線

3.3 計算工況

由于動水壓力型滑坡在庫水位下降期對滑坡的穩定性最為不利，結合三峽水庫的調度方案，水庫水位下降是從壩前正常蓄水位175 m降至防洪限制水位145 m，下降速度一般采用1.2 m/d[24]。因此，確定計算工況為：庫水位以1.2 m /d的下降速度從175 m下降至145 m。

3.4 滲流場模擬和安全系數計算

3.4.1 滲流場模擬 根據表2—3中的共30個排水管布設方案，采用Geo-Studio巖土工程數值分析軟件中的SEEP/W模塊，對滑坡進行瞬態滲流分析，得到地下水位線分布、孔隙水壓力分布等數據。圖4分別為水位從175 m降至145 m時無排水和有排水的滑坡滲流場分布，一般排水管的排水效果可用排水管出水量來衡量。由于排水管較多，且不同時刻排水管的出水量變化較大，故通過排水管出水量衡量排水效果不太合適。排水管的出水量，可以通過滲流場數值計算結果中有排水措施條件下坡體地下水位線相對無排水措施的地下水位線下降的區域面積來表征。因此，本文通過對有無排水措施條件下的地下水位線的對比分析，計算獲得庫位從175 m降至145 m時設置與未設置排水管條件下地下水位線之間的區域面積S(以下簡稱面積S)，見表6—7；并將面積S(圖5)作為衡量排水效果的指標。

注：圖中的數值為總水頭(m)。圖4 庫水位從175 m下降至145 m時滑坡滲流場分布

圖5 庫水位從175 m降至145 m時方案16(有排水)與無排水方案地下水位線之間的面積

3.4.2 安全系數計算 根據有、無排水措施條件下的滑坡滲流場模擬結果，通過Geo-Studio軟件的SLOPE/W模塊，采用Morgenstern-Price方法計算出1個無排水措施的滑坡安全系數(表5)和30個有排水措施方案對應的滑坡安全系數(表6—7)。

表5 庫水位從175 m下降至145 m無排水 措施情況下的滑坡安全系數

水位高程/m175157145安全系數129411181035

4 排水管布設方案優化

運用人工神經網絡(ANN)建立排水管布設參數(管長L、傾角θ和排距D，詳見表1)與面積S及安全系數Fs之間的非線性映射關系。通過對結果的初步分析，發現排水效果越好(即面積S越大)時，滑坡的安全系數越大，意味著滑坡越穩定。當滑坡的安全系數達到規范[24]要求的設計安全系數1.10時，再增大排水效果就會提升工程造價。故出于排水方案的經濟性考慮，方案優化以面積S最小為目標函數，以滑坡安全系數Fs大于1.10為約束條件，再利用遺傳算法(GA)在參數取值范圍內搜索出最優的布設參數。基于神經網絡與遺傳算法的排水管方案優化數學模型可歸納為：

對于約束的處理，采用簡單的罰函數法。即在計算目標函數前，首先計算滑坡安全系數(表6-7)并判斷其穩定性，對安全系數Fs小于1.10的方案，在其面積S基礎上加上1 000[25]。

布設參數與面積S及穩定性FS之間映射關系模

型為：

式中：F——滑坡排水加固后的安全系數；S——地下水位線之間區域面積；L，θ，D——排水管布設參數； ANN——BP神經網絡；n，m——代表網絡輸入層和輸出層的維數；h——隱含層節點數；p——隱含層數；Fs——規范規定的設計安全系數，取1.10。

表6 24種排水管布設方案的滲流和穩定性分析

表7 6種排水管布設方案的滲流和穩定性分析結果

經過遺傳操作，進化到第68代，最終搜索出的最優方案為：排水管管長L為26.6 m，排距D為6.88 m，傾斜角θ為7.3o。

5 優化效果評價

按照上述搜索出的最優排水管布設方案，計算獲得采用該排水方案加固后的滑坡安全系數為1.101，比未加固時的安全系數1.035(表5)提升了6.4%，使得滑坡從欠穩定狀態提升至穩定狀態，大于規范規定的設計安全系數1.10，滿足安全要求。

6 結 論

(1) 通過顆分試驗獲得滑體土的級配曲線，基于滑體土的級配曲線，采用間接方法，近似確定了滑體土的土—水特征曲線；根據土體的土—水特征曲線和飽和滲透系數，嘗試通過Fredlund &Xing函數模型預測獲得了滑體土的非飽和滲透函數曲線。

(2) 獲得了臥沙溪滑坡最優的排水管布設方案為：管長L為26.6 m,間距D為6.88 m,傾斜角θ為7.3°；采用該排水方案加固后的滑坡安全系數為1.101，大于設計安全系數1.10，滿足滑坡加固安全與經濟的要求。

[1] 肖詩榮,胡志宇,盧樹盛,等.三峽庫區水庫復活型滑坡分類[J].長江科學院院報,2013,30(11):39-44.

[2] 易武,孟召平,易慶林.三峽庫區滑坡預測理論與方法[M].北京:科學出版社,2011:61-64.

[3] 秦洪斌.三峽庫區庫水與降雨誘發滑坡機理及復活判據研究[D].湖北 宜昌:三峽大學,2011.

[4] 盧書強,易慶林,易武,等.庫水下降作用下滑坡動態變形機理分析:以三峽庫區白水河滑坡為例[J].工程地質學報,2014,22(5):869-875.

[5] 盧書強,易慶林,易武,等.三峽庫區樹坪滑坡變形失穩機制分析[J].巖土力學,2014,35(4):1123-1130.

[6] 王錦國,周云,黃勇.三峽庫區猴子石滑坡地下水動力場分析[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S1):2757-2762.

[7] 向玲,王世梅,王力.動水壓力型滑坡對庫水位升降作用的響應:以三峽庫區樹坪滑坡為例[J].工程地質學報,2014,22(5):876-882.

[8] 唐曉松,鄭穎人,劉亮,等.水平排水孔在岸坡治理工程中的應用[J].重慶大學學報,2010,33(4):80-87.

[9] 章普標,唐曉武.超長距離水平排水濾管在高速公路邊坡滑坡處治中的應用[J].公路,2006(1):80-85.

[10] 林建東,董夫錢.水平降排水技術在滑坡治理中的應用[J].探礦工程,2006(4):38-40.

[11] 劉吉福,劉啟黨,楊春林.深層排水管在邊坡加固中的應用[J].工程勘察,2002(4):28-31.

[12] 盧書強,易慶林,易武,等.三峽庫區臥沙溪滑坡變形失穩機制分析[J].中國地質災害與防治學報,2013,24(2):21-25.

[13] 陳德乾,肖詩榮,明成濤,等.三峽庫區臥沙溪滑坡變形影響因素分析[J].三峽大學學報:自然科學版,2014,36(3):66-70.

[14] 許桂生.基于正交試驗和復合單元法的排水孔優化設計[J].巖土力學,2007,28(7):1435-1438.

[15] 鄒雋.富水高陡路塹邊坡深層排水技術研究[D].湖南 長沙.長沙理工大學,2008.

[16] 龐志偉.邊坡水平排水孔布設模式研究[D].云南 昆明:昆明理工大學,2003.

[17] 陳洪凱,唐紅梅.三峽工程永久船閘排水洞中排水孔優化布設模式研究[J].重慶交通學院學報,1998,17(1):3-8.

[18] 梅松華,盛謙,馮夏庭.均勻設計在巖土工程中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(16):2694-2697.

[19] 王恭先,徐峻嶺,劉光代,等.滑坡學與滑坡防治技術[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[20] 魏進兵,鄧建輝,譚國煥,等.泄灘滑坡碎塊石土飽和與非飽和水力學參數的現場試驗研究[J].巖土力學,2007,28(2):327-330.

[21] 趙麗曉.土水特征曲線的預測模型研究[D].江蘇 南京:河海大學,2007.

[22] 孔郁斐,宋二祥.由土體級配近似確定土—水特征曲線的一種方法[J].巖土力學,2015,36(9):2487-2493.

[23] Fredlund D G, Xing Anqing， Huang Shangyan. Predicting the permeability function for unsaturated soils using the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994,31(4):533-546.

[24] 三峽庫區地質災害防治工作指揮部.三峽庫區地質災害防治工程設計技術要求[M].湖北 武漢:中國地質大學出版社，2014.

[25] 尹順德,馮夏庭,張友良,等.滑坡加固方案優化的并行進化神經網絡方法研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(16):2698-2702.

Layout Optimization of Horizontal Drainage Pipes for Typical Hydrodynamic Pressure Landslide in Three Gorges Reservoir Area —A Case Study at Woshaxi Landslide

ZHANG Zhenhua1,2, WANG Liang1, LIU Wu1

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui, 230009,China; 2.CollaborativeInnovationCenterforGeo-HazardsandEco-EnvironmentinThreeGorgesArea,Yichang,Hubei443002,China)

[Objective] In order to reduce the hydrodynamic pressure of such pressure induced landslide and improve the slope stability, horizontal drain pipes were built in a potential landslide slope using a optimized layout scheme to provide references for reinforcement design for similar landslides. [Methods] Grain size distribution curve of sliding mass was obtained by size distribution testing firstly. Based on which, the soil-water characteristic curve of sliding mass was determined approximately and indirectly, and permeability function of sliding mass was predicted by Fredlund & Xing function model. Uniform design method, finite element method, neural network and genetic algorithm were taken to carry out the optimization of the layout scheme of horizontal drain pipes. [Results] The optimized scheme for Washaxi landslide had a pipe length of 26.6 m, a spacing distance of 6.88 m and a dip angle of 7.3o. [Conclusion] If the optimized scheme is adopted to reinforce the landslide, the factor of safety is 1.101, which is greater than design factor of safety 1.10. The scheme could satisfy the requirements both in safety and economy.

hydrodynamic pressure landslide; permeability; horizontal drainage pipes

2016-06-19

2016-06-30

國家自然科學基金項目“水庫運行期消落帶紅層砂巖強度劣化的物理化學機制研究”(51579063)，“水庫岸坡消落帶紅層砂巖軟化崩解機理及強度演化規律研究”(51579063); 中央高校基本科研專項(JZ2015HGBZ0480)

張振華(1977—),男(漢族),福建省政和縣人,博士,教授,主要從事水庫岸坡穩定性分析評價與加固研究。E-mail:zenithzhang@sina.com。

王亮(1990—),男(漢族),河南省泌陽縣人,碩士研究生,研究方向為水工結構。E-mail:wangl0154@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.1205.001

B

1000-288X(2016)06-0139-07

TV697.3

文獻參數： 張振華, 王亮, 劉武, 等.三峽庫區動水壓力型土質滑坡排水管布置優化[J].水土保持通報，2016,36(6)：139-145.