深層排水管布設(shè)方式對土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

呂軍

（湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南永順 416700）

深層排水管布設(shè)方式對土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響

呂軍

（湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南永順 416700）

以永龍（永順—龍山）高速公路K23+348—575土質(zhì)路塹邊坡為例，采用數(shù)值模擬方法對深層排水管的布設(shè)方式進(jìn)行研究，分析不同排水管傾角及不同布設(shè)長度對地下水位線、孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，邊坡地下水位線高度隨著深層排水管的傾角增加而增加，孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性隨著深層排水管傾角的增加而減小；在采用最佳角度布設(shè)深層排水管時，采用上層排水管長度較短而下層排水管較長的方式更有利于邊坡排水。

公路；深層排水管；土質(zhì)邊坡；邊坡穩(wěn)定性；地下水

眾多研究表明，邊坡內(nèi)部地下水位較高是造成邊坡失穩(wěn)的主要原因之一。夏開宗等認(rèn)為地下水對邊坡的作用主要為潛在滑動面的揚(yáng)壓力及動水壓力，并且與巖層面的傾角有關(guān)；宋波等提出地下水位上升后邊坡底部有效應(yīng)力明顯減小，對邊坡穩(wěn)定性極為不利。因此，對邊坡進(jìn)行有效排水，進(jìn)而降低地下水位是保證邊坡安全的必要手段。目前工程中常用的方法有深層排水管排水、虹吸排水等，其中深層排水管法應(yīng)用最廣泛。

現(xiàn)有針對排水管的研究大多從其對邊坡內(nèi)部滲流場的影響角度進(jìn)行數(shù)值分析，如葉冬冬等模擬了水位驟降條件下有無排水孔時的邊坡滲流場分布；張世華等利用MATLAB對虹吸排水后的地下水浸潤線分布進(jìn)行分析，確定了最佳虹吸排水孔位置。但以上研究并未對深層排水管的不同布設(shè)角度及布設(shè)長度進(jìn)行詳細(xì)探究。為此，該文以永龍（永順—龍山）高速公路土質(zhì)路塹邊坡為例，采用有限元方法對不同深層排水管布設(shè)角度與長度下邊坡內(nèi)部地下水位線位置、孔隙水壓力和邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，為工程實(shí)踐提供參考。

1 非飽和滲流有限元計算理論

根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)出土體內(nèi)非恒定滲流偏微分方程為：

式中：Kx、Ky分別為x 和y 方向的滲透系數(shù)；H為滲流介質(zhì)中的總水頭；Q為源匯項(xiàng)；γw為水的重度；mw為單位貯水量；t為時間。

土體非恒定滲流有限元方程為：

式中：［K］為單元特征矩陣；H｛｝為恒定流節(jié)點(diǎn)水頭向量；［M］為單元質(zhì)量矩陣；｛H｝，t為非恒定流節(jié)點(diǎn)水頭向量；Q｛｝為節(jié)點(diǎn)流量向量。

2 工程概況與模型建立

2.1 工程概況

選用永龍高速公路K23+348-575左側(cè)土質(zhì)路塹高邊坡進(jìn)行分析。該段邊坡由粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化砂質(zhì)板巖組成，結(jié)構(gòu)較松散，強(qiáng)度差，易沖刷流失，雨水浸潤易滑塌、剝落，邊坡穩(wěn)定性較差。其土質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 邊坡的土質(zhì)參數(shù)

在大氣降雨（尤其是突發(fā)性大暴雨）作用下，孔隙水壓力增大，邊坡自重增加，易產(chǎn)生沿巖土界面的滑動變形或土層內(nèi)部的圓弧形滑動變形。該地區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，賦存于砂質(zhì)板巖的風(fēng)化、節(jié)理裂隙中，但裂隙多泥質(zhì)充填，連通性較差，賦水條

件一般，主要接受大氣降水補(bǔ)給，以沿裂隙滲流形式或受地形切割排出地表，山體斜坡部位受地形影響，地下水補(bǔ)給、排泄快，鉆孔揭露地下水最大埋深約20 m。

該邊坡共分為四級，每級高10 m，坡比分別為1∶0.75、1∶1、1∶1、1∶1.25，每級平臺均設(shè)置截水溝；邊坡坡腳設(shè)置邊溝；左側(cè)一、二級邊坡分別設(shè)置2排深層排水管，呈梅花形布置，水平間距8 m，垂直間距3 m，斜孔深12 m，孔徑φ120 mm，孔內(nèi)放置φ100 mm PVC管。

2.2 計算模型

采用巖土工程專用有限元軟件SEEP／W和SLOPE／W，根據(jù)實(shí)際工程建立有限元模型（見圖1）。為同時考慮計算精度與計算效率，設(shè)定四邊形網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。在邊坡左側(cè)邊界處設(shè)定20 m為總水頭，邊坡坡面為自由滲出邊界，邊坡底部為不透水邊界，通過穩(wěn)態(tài)計算得到邊坡內(nèi)部初始地下水位線位置（見圖2）。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定狀態(tài)下深層排水管中無孔隙水壓力，故設(shè)定排水管為零孔隙水壓力邊界。采用Ordinary法對邊坡初始狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到最危險滑動面（見圖2），此時邊坡安全系數(shù)為1.21，后續(xù)分析中采用該滑動面進(jìn)行穩(wěn)定性對比分析。

圖1 邊坡有限元網(wǎng)格劃分（單位：m）

圖2 邊坡初始地下水位線與潛在滑動面

3 計算結(jié)果分析

3.1 深層排水管傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響

采用有限元方法計算分析不同深層排水管布設(shè)傾角（見表2）對排水效果的影響，結(jié)果見圖3。

表2 不同角度深層排水管設(shè)計方案

圖3 不同角度排水管布設(shè)方案下邊坡內(nèi)部地下水位線位置

從圖3可看出：采用相同長度排水管情況下，排水管傾角設(shè)置為3°時，地下水位線完全處于潛在滑動面下方；傾角為10°時，地下水位線略有上升，但仍處于邊坡潛在滑動面下方；傾角為20°時，地下水位線上升至接近潛在滑動面處；傾角達(dá)到30°時，地下水位線開始與潛在滑動面相交，可認(rèn)為此時深層排水管已不能滿足排出邊坡內(nèi)部水分的要求。說明當(dāng)深層排水管長度相同時，其傾角越小排水能力越好，傾角越大其排水能力越差。這是由于邊坡地下水位線位置往往呈內(nèi)部較高、向邊坡外部方向越來越低的趨勢（見圖2），當(dāng)深層排水管傾角較小時，可有效深入地下水位線內(nèi)部，排出地下水；而傾角設(shè)置過大時，其與地下水位線的關(guān)系接近平行，不能深入邊坡內(nèi)部飽和區(qū)，無法有效發(fā)揮排水作用。

根據(jù)已有研究成果，邊坡內(nèi)部地下水所造成的潛在滑動面處的孔隙水壓力上升是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要原因之一，有必要進(jìn)一步分析排水管布設(shè)對滑動面處孔隙水壓力的影響。潛在滑動面上3個監(jiān)測點(diǎn)處的孔隙水壓力隨排水管傾角的變化見圖4。

圖4 孔隙水壓力與排水管角度的關(guān)系

從圖4可看出：由于監(jiān)測點(diǎn)1處位置較高，其孔隙水壓力始終保持在負(fù)值，隨著排水管傾角的增加，其孔隙水壓力逐漸上升；監(jiān)測點(diǎn)2處的孔隙水壓力也隨著排水管傾角的增加而增加，但并未產(chǎn)生正孔隙水壓力；對于接近坡腳處的監(jiān)測點(diǎn)3，當(dāng)排水管傾角處于3°、10°、20°時，其孔隙水壓力小于零，但當(dāng)排水管傾角達(dá)到30°時，坡腳處出現(xiàn)正孔隙水壓力，此時作用在土體上的有效應(yīng)力相應(yīng)減小，導(dǎo)致坡腳處的滑動面抗剪強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)。

基于以上孔隙水壓力分析，采用Mogenstern-Price、Ordinary和Bishop 3種常用邊坡安全系數(shù)計算方法對不同排水管傾角下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，結(jié)果見圖5。

圖5 不同排水管傾角對邊坡安全系數(shù)的影響

從圖5可看出：無論采用何種計算方法，當(dāng)排水管傾角為3°時，邊坡安全系數(shù)都最大；隨著排水管角度的增大，邊坡安全系數(shù)逐漸減小，傾角達(dá)到30°時邊坡安全系數(shù)最小。Ordinary法計算所得邊坡安全系數(shù)比實(shí)際值偏小，可看作具有一定的安全儲備；但當(dāng)排水管傾角為30°時，Ordinary法計算所得安全系數(shù)小于1.3，可認(rèn)為存在一定的失穩(wěn)風(fēng)險。

3.2 深層排水管長度對邊坡穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步探討排水管長度變化對邊坡排水性能及邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)計方案5、方案6（見表3）與方案1～4進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖6。

表3 不同長度排水管布設(shè)方案

圖6 不同長度排水管布設(shè)方案下邊坡內(nèi)部地下水位線位置

從圖6可看出：當(dāng)排水管布設(shè)長度并非均勻分布時，排水效果與均勻分布有著明顯區(qū)別。方案5的地下水位線位置與方案1相差不多，略有下降；方案6的地下水位線位置與方案1與方案5相比明顯下降，遠(yuǎn)低于潛在滑動面位置。說明排水管的布設(shè)長度會對邊坡內(nèi)部水位產(chǎn)生明顯影響，底部排水管越長，排水效果越好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是邊坡底部飽和區(qū)域較大，且靠近坡面，增加底部排水管長度，排水效果明顯增強(qiáng)；而邊坡上部地下水位線較深，距坡面較遠(yuǎn)，排水管并未深入飽和區(qū)，上部排水管長度對排水效果的影響不明顯。

不同長度排水管布設(shè)方案下各監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力見表4，邊坡安全系數(shù)見表5。

表4 不同長度排水管布設(shè)方案下的孔隙水壓力k Pa

表5 不同長度排水管布設(shè)方案下邊坡的安全系數(shù)

從表4可看出：方案5和方案6下各監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力明顯小于方案1～4時，從非飽和土的抗剪強(qiáng)度角度分析，孔隙水壓力越小越有利于邊坡的穩(wěn)定。

從表5可看出：方案5和方案6下邊坡的穩(wěn)定性優(yōu)于方案1～4時，方案6的排水加固邊坡效果最佳。

4 結(jié)論

（1）在同一邊坡中，隨著排水管傾角的增加，地下水位線逐漸上升，相同位置的孔隙水壓力上升，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降。

（2）對于土質(zhì)邊坡，在排水管總長相同的情況下，上層排水管應(yīng)設(shè)計為相對較短，下層排水管應(yīng)相對較長。深層排水管最佳布設(shè)方式為傾角3°左右，且由上至下長度逐漸增大。

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