高水位驟降作用下堤防邊坡穩定性研究

張家陽，王遠明，蘇安雙，徐麗麗，王理想

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

江河、水庫水位驟降過快，導致邊坡結構失穩引起工程災害[1]。對土石壩因水位驟降導致滑坡進行統計表明：壩體形成不利于邊坡穩定的非穩定滲流[2-3]。堤防邊坡穩定性物理模型可以反映滲流的物理現象，能夠反映非穩定滲流過程中的邊坡穩定情況，在邊坡穩定性研究中被廣泛應用[4]。余湘娟等利用寬水槽模型，模擬了河流邊坡在高水位降落時的崩岸和穩定，并分析多種因素對退水速度判別指標的影響[5]。

國內學者在研究水庫岸邊邊坡穩定性時提出，邊坡失穩最不利情況為長期浸泡后的水位驟降，水位驟降速度越快，邊坡沉降也就越大，邊坡就越不穩定，最后形成明顯的位移集中區域[6-9]。賈官偉等[10]利用模型試驗，監測孔隙水壓力、土水總壓力變化情況及滑動面形態、坡面裂縫的形成和發展過程，揭示水位驟降引致邊坡失穩的原因及失穩模式。Lane and Griffiths[11]、 Berilgen[12]、 Alonso and Pinyol[13]對驟降條件下的邊坡穩定性進行了研究。此外Nian等[14]結合滲流和邊坡穩定性模型研究岸坡遭受瞬變非飽和滲流影響的穩定性問題。而對于砂土筑堤高水位驟降情況下，堤防邊坡穩定性如何還有待研究。

本文通過室內模擬修筑提防模型，并開展邊坡穩定性物理模型試驗，利用水位控制系統實現坡外水位的驟降，測試高水位浸泡及水位驟降過程中孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩定性。

1 試驗裝置及模型

1.1 土料性質

本次試驗所用土料取自黑龍江省某段吹填堤防，根據某堤防巖土工程勘察報告和試驗資料，土樣按《土工試驗方法標準》(GBT 50123—1999)[15]的要求進行試驗，其主要物理力學指標見表1。

表1 試驗用土料主要物理力學指標

1.2 試驗裝置

模型試驗設備主要包括模型試驗箱、地形自動測量系統、數據采集系統。試驗箱(3.4 m×1.0 m×1.3 m)四壁及底板均使用厚度為12 mm有機玻璃制作，四周采用厚度為10 mm、寬度為100 mm的角鋼加以固定。如圖1所示。

圖1 模型箱

地形自動測量系統(TTMS)基于先進的超聲測距技術、智能控制技術設計，最小步進長度為1 cm/s，測量精度為1 mm，誤差較小，定點定位測量自動化控制精度高。

數據采集系統主要進行孔隙水壓力參數的自動采集。在邊坡模型內埋設了7個傳感器監測點，用于監測各物理量的變化過程，其中包括7個孔隙水壓力計。測試儀器布置如圖2所示。第二層4個孔隙水壓力計埋設于與邊坡坡腳在同一高程的位置，間隔40 cm；第一層3個孔隙水壓力計埋設于高于邊坡坡腳20 cm的高程位置，間隔40 cm。用來監測水位驟降過程中邊坡內部的孔隙水壓力變化，以掌握內部的滲流狀況。

圖2 測試儀器布置圖

1.3 試驗工況

1.3.1 模型比尺

根據流動系統相似理論，基于重力相似準則，確定模型比尺如下[16]：

1.3.2 水位

將黑龍江省某段堤防設計典型斷面作為模型試驗的設計斷面，本次試驗填筑標準按照模型比尺得出，邊坡部分中迎水坡坡頂高度為112.9 cm，模擬堤基深度為50.0 cm，邊坡垂直高度為62.9 cm，迎水面坡比為1∶3.5。根據50 a一遇防洪標準，其設計洪水位42.58 m，水深4.09 m。

1.3.3 驟降速度

根據水位驟降判斷條件“k/uv<1/10”《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)和土的物理力學性質(滲透系數k為0.027 cm/s，給水度u為0.167)，以水位驟降速度表示，計算可知當v>0.517 cm/s，屬于水位驟降狀態，本次試驗采用水位驟降的臨界速度為0.517 cm/s，模型降水高度為0.41 m，故模型試驗中理論降水時間約為79 s。室內模擬水位浸泡驟降裝置如圖3所示：

圖3 室內模擬水位浸泡驟降裝置圖

2 試驗結果分析

2.1 孔隙水壓力變化

在模型的不同深度埋設壓力傳感器，監測模型的孔隙水壓力，分析在長期浸泡后水位驟降條件下，堤防模型的孔隙水壓力變化情況。具體變化情況如圖4所示。

圖4 吹填堤防水位驟降階段孔隙水壓力變化

孔隙水壓力隨坡外水位下降而驟降，坡外水位降至底部后，堤身內部水形成滲流并從邊坡滲出，在靠近溢出點4#處可見孔隙水壓力快速下降。當坡外水位下降到坡底時，碾壓模型1#、4#、5#測得的孔隙水壓力下降約為0.53 kPa、1.34 kPa、0.68 kPa，均小于水位下降0.4 m所對應的4.00 kPa。表明邊坡內部的孔隙水壓力下降滯后于邊坡外水位，且以1#位置滯后較多。由此可知，堤防有明顯的坡內指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因，另一個原因是坡外水位快速下降，其對邊坡的推力作用迅速減小。

2.2 表面地形沉降

將試驗模型沿堤防軸線方向劃分為5個斷面，間隔距離20 cm。使用地形自動測量系統，對堤防斷面進行監測。如圖5～圖6所示，分別為碾壓筑堤水位驟降前后坡面地形云圖。

圖5 碾壓筑堤原始地形云圖

圖6 碾壓筑堤驟降后地形云圖

在試驗模型填筑后及水位驟降后分別進行地形測量，測量結果如圖7～圖8所示，從圖中可以看出，由于底部水頭差，形成滲透力方向指向坡外；邊坡上部產生沉降對底部土體產生擠壓，可以很清晰看出在水位驟降工況下底部產生拱起，拱起最大值約1.71 cm。同時與原始地面比較，水位驟降工況下壩體沉降非常明顯，200～255 cm的輪廓發生較大變化，沉降值最大處發生在4#斷面，最大沉降4.33 cm。

圖7 吹填堤防水位驟降坡面各位置處平均變形量

圖8 堤防水位驟降坡面平均變形

3 結 論

(1)邊坡內部的孔隙水壓力下降滯后于邊坡外部水位，堤防有明顯的坡內指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因，另一個原因是坡外水位快速下降，其對邊坡的推力作用迅速減小。

(2)在水位驟降過程中，坡內產生指向坡外的滲透壓力，帶動土體由坡面向下滑動，邊坡上部產生沉降對底部土體產生擠壓。底部產生拱起，與原始地面比較，壩體沉降非常明顯。

(3)在水位驟降過程中，由于堤坡內外的水頭差而產生滲透力，堤坡的穩定系數快速下降，后期隨著孔隙水壓力的消散，穩定性系數逐漸上升。