不同水位下降速度下的砂性土堤邊坡穩定性研究

劉發智，韓 雷，王理想

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

堤防是在汛期河流上最普遍的防洪工程，它對保護堤后城鎮居民及財產安全具有重要的作用。堤防在汛期經過長期浸泡，當江河水位下降過快時形成不利于邊坡穩定的非穩定滲流，容易導致上游邊坡失穩，引起工程災害。近年來，水位降落過程中堤防上游邊坡失穩的現象時有發生[1]。因此，對水位下降期堤防穩定性研究具有重要的工程意義。

關于堤防穩定性的研究，國內外學者取得了一系列重要成果。賈官偉等[2]通過大型模型試驗，探究了水位驟降引起的堤防邊坡失穩的原因與模式。段祥寶等[3]通過寬槽和窄槽的模型試驗，模擬了洪峰過程中堤岸的非穩定滲流過程。劉世凱等[4]對長江中下游重點堤防進行研究，研究結果表明：水位突降時堤防易出現滑坡。朱濤等[5]通過geo-studio軟件對堤防在洪水位變化過程中的穩定性進行研究。對于不同水位降速情況下堤防邊坡穩定性的研究較少，還有待進一步研究。

本文通過室內物理模型試驗，模擬堤防經過長時間高水位浸泡后不同降速過程，利用高精度傳感器、地形測量系統，觀測堤防內部滲流場自由面、孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩定性。

1 模型設計及試驗裝置

1.1 模型設計

1.1.1 試驗用土性質

本次試驗所用土料取自松花江某段堤防，根據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)的要求進行試驗，其主要物理力學指標見表1。

表1 試驗用土主要物理力學指標

1.1.2 模型比尺

本次試驗將松花江某段堤防斷面作為模型試驗設計斷面，按幾何比尺1∶10進行縮放布置于1.0 m寬的試驗水槽中。斷面模型堤頂寬0.8 m，堤底寬4.7 m，堤身高0.6 m，迎水坡坡比為1∶3，背水坡坡比為1∶3.5。模型試驗應使模型與原型之間保持基本相似，即幾何相似和動力相似。前者指保持模型與原型間一定大小的長度比尺關系，而后者指保持模型中的滲流場符合達西定律。確定模型比尺如下：

1.2 試驗工況

試驗模擬堤防在經過超設計洪水位長期浸泡之后水位下降對堤防穩定性的影響。根據V1=10k/u和V2=60k/u為判斷水位驟降和緩降界限，土樣滲透系數k=0.04 cm/s，計算出水位驟降速度為V>0.632 cm/s，水位緩降速度為V<0.001 cm/s。本文將驟降與緩降之間的降速定義為快降。本次試驗模擬水位下降速度為V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s、V=0.694 cm/s等，包含了驟降、快降、緩降的三組工況，降水高度為0.5 m，對應的降水時間分別為1140 s、92 s、72 s。

1.3 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、數據采集系統等。

試驗箱由調水裝置和試驗槽兩部分組成，兩者通過管道連接。通過調水裝置調節水位下降的速度，控制水位變化。試驗槽尺寸為6.0 m×1.0 m×1.3 m(長×寬×高)，四壁采用 12 mm 厚的鋼化玻璃制作，便于觀察模型水槽內堤壩的破壞情況，四周采用厚度為10 mm、寬度為100 mm的角鋼進行支撐固定。在水槽的鋼化玻璃一側安裝有紫銅管, 外接測壓管, 測量坡體內部的瞬時孔隙水壓力,如圖1所示。

圖1 模型箱示意圖

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，非接觸式測量，不影響床面；最小步進速度為1 cm/s，測量精度為1 mm，誤差較小。地形自動測量系統的數據采集界面如圖2所示。

數據采集系統由傳感器和數據采集儀組成，主要進行孔隙水壓力的自動采集。在堤防模型內部埋設了6個滲壓計，用于監測孔隙水壓力變化過程。傳感器布置如圖3所示。

圖2 地形自動測量系統數據采集界面

圖3 傳感器布置圖

2 試驗結果分析

2.1 流場特性

V=0.694 cm/s和V=0.044 cm/s工況水位降落時自由面變化情況如圖4所示。在水位驟降和快降情況下,堤防邊坡內孔隙水壓力消散速度比坡外水位的降落速度相對滯后,滯留在邊坡內部的孔隙水壓力改變滲流場形態。滲流自由面在堤防內部形成凸形分水嶺,分水嶺上游側滲流是向上游邊坡方向,分水嶺下游側的滲流方向是向下游側的。水位降落速度越快孔隙水壓力滯后于坡前水位越明顯，形成的自由面形狀越突出，坡體內部孔隙水壓力與靠近坡面處孔隙水壓力差值越大，滲透坡降越大。

圖4 滲流瞬時自由面變化過程

2.2 孔隙水壓力變化

在模型不同深度布置了孔隙水壓力傳感器，監測模型孔隙水壓力，分析不同降速條件下，堤防模型的孔隙水壓力變化情況。當V=0.694 cm/s工況堤防不同深度孔隙水壓力變化情況如圖5所示，同一位置不同降速孔隙水壓力變化情況如圖6所示。

圖5 V=0.694 cm/s工況孔隙水壓力變化

圖6 不同降速S1#傳感器孔隙水壓力變化

在水位下降過程中，堤防內部孔隙水壓力隨著坡外水位的下降而下降。當V=0.694 cm/s工況的坡外水位下降到坡底時，此時S3#、S4#、S5#、S6#傳感器實測得孔隙水壓力下降值約為0.75 kPa、0.79 kPa、0.39 kPa、0.04 kPa，均小于水位下降引起的坡外水位水壓力下降值5.00 kPa，表明坡體內部的孔隙水壓力變化明顯慢于坡外的孔隙水壓力變化。而且靠近坡面處的孔隙水壓力下降的幅度明顯大于坡體內部的孔隙水壓力下降的幅度，說明堤防存在明顯的坡體內部指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因。在V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s兩個工況中同樣存在坡體內部指向坡外的滲流。

從圖6可以看出，堤防坡內孔隙水壓力隨著坡外水位下降而下降，水位降速越快，孔隙水壓力下降越快。當坡外水位下降到坡底時，孔隙水壓力下降速度開始減緩，300 s后V=0.694 cm/s工況和V=0.544 cm/s工況孔隙水壓力基本相同，在1200 s后三組降速的孔隙水壓力最終趨于一致。說明降速越快堤防內外孔隙水壓力差越大，隨著時間增加，浸潤線逐漸回落，土體內部孔隙水壓力消散。

2.3 表面地形沉降

以迎水坡堤腳為原點，沿迎水坡向背水坡方向將試驗模型劃分為12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。

通過地形自動測量系統對試驗模型填筑后及水位下降后分別進行地形測量，從測量結果可以看出，見圖7，三組工況經過水位下降后迎水坡由于內外水頭差，形成方向指向坡外的滲透壓力，土體產生由坡面向下滑動的趨勢。致使邊坡上部發生明顯沉降，其中V=0.694 cm/s工況最大斷面平均沉降0.56 cm，V=0.544 cm/s工況最大斷面平均沉降0.77 cm，V=0.044 cm/s工況最大斷面平均沉降0.19 cm。邊坡上部沉降的同時對底部土體產生擠壓，下部可以清晰的看到拱起，其中V=0.694 cm/s工況最大斷面平均拱起1.7 cm，V=0.544 cm/s工況最大斷面平均拱起0.4 cm，V=0.044 cm/s工況最大斷面平均拱起1.0 cm。總體來說降速越快堤防坡面地形沉降變形越大，見圖8。

圖7 不同水位下降速度下堤防各斷面平均變形量

圖8 水位下降堤防平均變形示意圖(V=0.694 cm/s)

3 結 論

本文通過室內物理模型試驗，模擬堤防經過長時間高水位浸泡后不同降速過程，利用高精度傳感器、地形測量系統，觀測堤防內部滲流場自由面、孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩定性。得到如下結論：(1)在水位驟降和快降情況下，堤防邊坡內孔隙水壓力消散速度滯后于坡外水位的降落速度，在堤防內部形成凸形分水嶺,分水嶺上游側滲流是向上游邊坡方向,分水嶺下游側的滲流方向是向下游側的。水位降落速度越快孔隙水壓力滯后于坡前水位越明顯，形成的自由面形狀越突出，坡體內部孔隙水壓力與靠近坡面處孔隙水壓力差值越大，滲透坡降越大。

(2)在水位驟降和快降情況下,靠近坡面處的孔隙水壓力下降的幅度明顯大于坡體內部的孔隙水壓力下降的幅度。降速越快堤防內外孔隙水壓力差越大，隨著時間增加，浸潤線逐漸回落，土體內部孔隙水壓力消散。

(3)在水位驟降和快降情況下,迎水坡坡內產生指向坡外的滲透壓力，土體出現由坡面向下滑動的趨勢，邊坡上部沉降的同時對底部土體產生擠壓，出現拱起。降速越快堤防坡面地形沉降變形越大。