庫岸高填方路堤穩定性滲流耦合數值分析

顧中華

(福建省交通規劃設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

隨著水利建設的迅猛發展，水庫的建設有時難以避免臨近既有高速公路進行選址。目前，福建省已建成的龍巖何家陂水庫臨近既有的龍長高速。在建和擬建的永春馬跳水庫和泉州白瀨水庫分別臨近既有的泉南高速和莆永高速。水庫建成后會浸沒既有高速公路部分橋梁的墩、臺邊坡和高填路堤，水位升降對邊坡和高填路堤的穩定性產生一定影響。

庫水位漲落導致邊坡失穩的現象引起國內外巖土工程專家、學者的關注，大量的文獻對庫水位上升和下降影響滑坡穩定性進行了較為深入和詳細的研究。劉紅巖，等[1]對庫水位上升條件下邊坡滲流場進行數值模擬，發現由于滲透系數的差異，基巖內地下水位的抬升明顯滯后于上部松散堆積體。

劉才華，等[2]對庫水位上升誘發邊坡失穩機理進行研究，發現在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穩定性先降低后增加；廖紅建，等[3]結合庫水位下降期間不同滲透系數滑坡體的實際滲流場，對滑坡體穩定性進行了數值計算分析，得到了庫區降水速度和滲透系數與邊坡穩定性之間的變化規律。但，庫水位升降影響庫岸人工填方路堤穩定性的研究較少，鮮見文端。

本文以福建省龍長(龍巖-長汀)高速公路何家陂水庫影響段的高填路堤為工程實例，以有限元方法構建水庫水位升降過程中的填方路堤的非穩定滲流場，進而與傳統的極限平衡方法耦合，研究庫水位漲落對高填路堤邊坡穩定性的影響，希冀能為庫岸高填方路堤的穩定評價和加固提供依據和借鑒。

1 庫岸高填路堤基本條件

龍長高速公路何家陂水庫影響段高填路，堤長320m，路堤邊坡共7級，坡腳高程為533m，路面高程為585m，最大邊坡高度約52m，該路堤已于2007年建成通車。2012年擬在路堤下側建設何家陂水庫，水庫正常蓄水位為546.00m，設計洪水位為549.65m，水庫建成蓄水后高填路堤底部兩級邊坡將被淹沒，路堤平面如圖1所示。

圖1 水庫蓄水后高填路堤平面示意圖

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

工程區境內峰巒疊嶂，山嶺聳峙，丘陵起伏，河谷與盆地錯落相間，屬低山丘陵地貌，地形為南高北低。該段內發育有3條小沖溝，沖溝近垂直于線路，溝谷底坡度較緩，自然坡度約12°～20°；但該段山脊和山谷間的小山脊坡度較大，自然坡度達35°～45°，局部大于45°。

2.2 地層巖性

區內主要分布泥盆系上統、石炭系下統及二疊系下統地層，根據該路段施工期間的補充勘察揭示：

2.3 水文地質條件

該區地下水主要為下部強、弱風化巖層的孔隙-裂隙水。施工期間鉆孔中未見地下水，但雨季時地面會有地表水滲入地下，尤其是左側山溝中的地表常年流水，直接滲入路基內，會影響路基的穩定；雨季時右側山溝會積水。

3 庫區影響段高填路堤穩定性分析

3.1 穩定性分析方法

運用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio[4]對高填路堤在庫水位變化條件下的滲流場進行數值模擬，將得到的滲流結果與傳統的極限平衡方法進行耦合，對庫水位的上升、下降和暴雨情況下分別對路堤穩定性、路堤和地基的整體穩定性及路堤沿斜坡或軟弱層穩定性[5]進行計算。

3.2 高填路堤計算的地質模型

根據鉆探資料[6]和水文地質資料及水庫建成后的蓄水情況，建立高填路基典型地質計算模型如圖2所示。

圖2 典型高填路堤地質斷面圖

3.3 滲流分析

根據工程地質勘察報告提供的地層水文參數，使用Geo-studio系列軟件中seep/w模塊，對高填路堤的各種工況進行滲流分析。seep/w模塊具有飽和-非飽和非穩定滲流計算功能。在進行計算時，根據勘察期間的地下水位作為初始水位，先進行庫水位上升過程的模擬計算，然后再以上升后的穩定水位作為初始水位進行庫水位下降過程的模擬計算。

填方段土體滲透系數7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，其下伏強風化基巖滲透系數2.3×10-3～6.2×10-5cm/s，含碎石亞粘土層滲透系數按經驗取值。

在非飽和土滲流計算數值模擬過程中，非飽和土的水分特征曲線和非飽和土的滲透系數是基礎性要素。直接量測非飽和土的滲透系數代價很高，用實驗方法測量非飽和土的滲透系數不太現實。本文采用Modified Kovacs方法[7]計算該段路堤非飽和土水分特征曲線和水力傳導系數，填土的計算成果如圖3～圖4所示。

圖3 非飽和土水分特征曲線

圖4 水力傳導系數

首先按照1m/d的速率上升至正常蓄水位，再設置90d延長期以待達到穩定滲流狀態，然后以4m/d時間，水位由蓄水位的穩定狀態驟降至原地面。對于設計洪水位，以蓄水位的穩定滲流為基礎，按照1m/d的速率上升至設計洪水位，再設置30d延長期以待達到穩定滲流狀態，然后以4m/d時間，水位由設計洪水位的穩定狀態驟降至原地面。水位升降過程中，路堤內的浸潤線如圖5～圖6所示。

圖5 庫水位上升至正常蓄水位瞬態浸潤線

圖6 庫水位由設計洪水位驟降至原地面浸潤線

計算結果表明，高填路堤在庫水位升降條件下的滲流場符合一般滲流規律，庫水位從低水位上升至高水位時，水體由路堤外向內入滲，由于填方體內細顆粒填料的滲透滯后，路堤內的飽和滲流場是向內凹的；庫水位從高水位下降至低水位時，水體由路堤向外排泄，填料內孔隙水壓力滯留，路堤內飽和滲流場是向外凸的，但外凸不是很明顯。

3.4 暴雨工況穩定性分析

根據庫水位升降飽和與非飽和滲流數值計算得到路堤暫態孔隙水壓力，代入slope/w計算各種工況的高填路堤的穩定性。

計算所用各土層的物理力學指標如表1所示。

表1 巖土層物理力學參數表

路堤穩定性計算的工況較多，由于篇幅所限，本文僅列出暴雨工況下路堤穩定安全系數隨庫水位變動的變化情況。暴雨工況下巖土層的物理力學采用飽和快剪指標，計算結果如圖7所示。

圖7 高填路堤穩定性隨庫水位變動的變化情況

計算結果表明，水庫開始蓄水時，由于靜水壓力的作用，路堤穩定安全系數有所增加；延長期，隨著水位上升穩定后，路堤穩定安全系數略有下降；水位驟降時，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，路堤內地下水位較高，路堤穩定安全系數急劇下降，路堤處于失穩狀態。

根據計算結果，在既有高填路堤區域建設水庫，在暴雨季節水庫泄洪時，高填路堤存在失穩風險。所以，在建設水庫前期，應對既有路堤進行加固，確保公路的運營安全。

3.5 填料滲透系數對高填路堤穩定性分析

由于填方土體滲透系數為7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，所以，進一步地考慮填方段滲透系數對高填路堤的穩定性影響。滲透系數取3.3×10-5cm/s、1.5×10-4cm/s、4×10-4cm/s、5×10-4cm/s和7.6×10-4cm/s，各土層物理力學指標取飽和快剪指標，如表1所示。

(1)庫水位上升

從圖8中可以看出，庫水位上升階段，路堤受到庫水產生的靜水壓力，路堤穩定安全系數隨著庫水位的上升而逐漸增加。

從圖9中可以看出，隨著路堤填土滲透系數的不斷增大，路堤地下水位上升速率也隨之增大，加劇了滑動面抗剪強度降低和填土容重增大的速率，使得路堤穩定安全系數隨著滲透系數的增大而減少。

圖8 高填路堤穩定性與庫水位上升關系圖

圖9 高填路堤穩定性隨滲透系數的變化

(2)庫水位穩定期

圖10 高填路堤穩定性與庫水位關系圖

從圖10中可以看出，當庫水位處于穩定期，不同滲透系數下的填土路堤安全系數均隨著蓄水時間的增加而減少，由此可說明，隨著蓄水時間的增加，路堤地下水位逐漸升高，使得路堤的抗剪強度和容重增加，降低了路堤穩定性。但是，當滲透系數較小時，路堤安全系數達到穩定值所需的時間增長，在一定時間內的安全系數仍然隨著滲透系數的增大而減少。根據計算結果，路堤地下水位上升的速率隨著路堤滲透系數的減少而減少，較小的路堤滲透系數能夠減緩庫水向路堤滲透，對于水位上升期和穩定期的路堤穩定性有利。

(3)庫水位下降

圖11 高填路堤穩定性與庫水位關系圖

圖12 庫水位下降與高填路堤安全系數降低速率的關系

從圖11可以看出，由于地下水位的下降滯后于庫水位的下降，不同滲透系數下的填土路堤安全系數均隨著庫水位的下降而減少。

從圖12可以看出，當滲透系數為3.3×10-5時，路堤穩定性降低速率較大，由此說明，路堤滲透系數較小將會使得路堤地下水位滯后性更加明顯，安全系數降低的速率增大，不利于路堤的穩定。

4 結論

(1)運用飽和-非飽和滲流理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio對高填路堤在庫水位變化條件下的滲流場進行數值模擬，將得到的滲流結果與傳統的極限平衡方法進行耦合，計算庫區影響段高填路堤的穩定性。該方法是合適的，且所得的計算結果較為符合實際。

(2)庫水位上升時，水體由路堤外向內入滲，路堤內的滲流場是向內凹的；庫水位下降時，水體由路堤向外排泄，路堤內滲流場是向外凸的，但外凸不是很明顯。

(3)水庫開始蓄水時，路堤穩定安全系數有所增加；水位穩定后，安全系數略有下降；水位驟降時，靜水壓力不斷減少，但水位下降較慢，安全系數急劇下降。

(4)水庫水位上升期和穩定期，路堤穩定安全系數隨著滲透系數的增大而減少；水位驟降時，路堤穩定性安全系數降低速率隨著滲透系數的降低而增大。