滲流和不良地質條件對江河岸坡穩定性的影響*

曹彭強

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

在天然河道中，由于水流和岸坡的相互作用而使岸坡失穩是沿江地帶最突出的地質災害，我國以長江中下游河段最為典型[1]。影響岸坡穩定性的因素較多，Millar等[2]探討了河岸泥沙顆粒粒徑和內摩擦角兩項關鍵因素對河岸穩定性的作用;冷魁等[3-4]通過對長江下游窩崩資料和江西彭澤馬湖堤崩岸資料的收集和分析，認為崩岸的根本原因在于水流的側向侵蝕作用;黃本勝等[5]認為引起岸灘失穩的主要因素有岸坡土體本身的性質、岸坡的高度、河道水位變化及其引起的滲透水動壓力;Hemphin[6]指出，黏性土河岸容易出現裂縫，降雨形成地表徑流導致溝蝕也是崩岸的重大誘因。岸坡穩定破壞的外因是流水沖刷導致的河床邊坡失穩，內因則是河床邊坡本身的土體性質和滲流等所決定的穩定性。長期以來，學者主要以影響岸坡穩定性的個別影響因素進行討論，滲流與不良地質條件共同作用下土體穩定性破壞的發展趨勢與程度還未完全揭示。

本文對影響岸坡穩定性的內因進行研究，基于不同影響因素對岸坡土體作用的理論研究基礎，針對滲流作用和不良地質條件對岸坡穩定性的影響，利用室內試驗所得土體參數，構建滲流破壞的非穩定數值模型，進行江河岸坡穩定性影響定量分析。

1 影響江河岸坡穩定性的關鍵因素

河流岸坡滲流包括3個方面：降雨入滲、土體所含地下水滲流運動及河水入滲與出滲[7-10]。地下水入滲，一方面增加土體本身的重力，從而增加坡體的荷載；另一方面引起土體含水率變化，從而導致土體物理力學性質的變化[11-12]。對于不良地質條件岸坡，即存在裂縫、斷層發育、巖體破碎、地質發生異變等情況的土體，河岸常見的有軟黏土、雜填土、沖填土、膨脹土、濕陷性黃土等土質。本文主要考慮存在裂縫的粉質黏土與雜填土條件下的河岸穩定性。實際工程事故表明，在降雨過程中，土坡的安全系數隨時間不斷降低，但并不是在降雨結束時達到最低，而是在降雨結束后的一段時間內，安全系數繼續降低，并在某一時間達到最低值[13]。

因此，綜合分析影響河岸穩定的水流因素、河岸組成因素、地下水因素、岸坡形態因素及時間因素，可確定滲流與不良地質條件影響岸坡穩定性下的關鍵因素為降雨入滲、表層土有裂縫、河岸表層土受浸泡的軟化作用以及各因素隨時間的變化影響下土體的密度、滲透系數、抗剪強度等系數變化。

2 研究方法與結果分析

針對影響江河岸坡穩定性關鍵因素，進行室內滲透試驗、固結試驗與剪切試驗，分析土的滲透系數隨圍壓變化、土的飽和密度隨圍壓變化、土的抗剪強度隨含水率及浸泡時間變化的規律，確定各關鍵參數與外部條件的關系式。通過案例分析，采用間接耦合的非穩定數值模型計算岸坡穩定系數變化，定量分析各影響因素對岸坡穩定系數的影響。

2.1 滲透試驗

為了彌補變水頭滲透試驗的側壁滲流問題[14-15]，且縮短測量周期[16]，采用常規三軸滲透試驗測量無圍壓和圍壓變化情況下土的滲透系數。分別制備干密度為1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3的試樣進行三軸滲透試驗。在進行三軸滲透試驗前先進行土樣的固結試驗，試驗中控制有效應力為20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，試樣固結完成后再進行滲透試驗，試驗結果如表1 所示。

表1 滲透系數 cms

表1 滲透系數 cms

有效應力∕kPa干密度∕(g·cm-3)1.501.551.601.65206.10×10-52.58×10-59.50×10-62.47×10-6401.09×10-57.03×10-61.97×10-61.44×10-6608.18×10-65.05×10-61.53×10-61.06×10-6806.45×10-64.33×10-61.19×10-69.08×10-71005.02×10-63.25×10-61.09×10-65.40×10-71503.63×10-61.51×10-67.75×10-72.57×10-72002.16×10-68.03×10-73.61×10-71.07×10-72501.20×10-65.02×10-73.07×10-77.54×10-83007.82×10-74.30×10-72.66×10-77.27×10-83505.75×10-72.88×10-72.40×10-77.21×10-84004.46×10-72.06×10-71.99×10-77.18×10-8

由表1可知，粉質黏土的滲透系數隨干密度的增大而減小，且受應力的影響顯著。與應力20 kPa相比，應力為150 kPa條件下相差約1個數量級；在應力為400 kPa條件下達到2個數量級(干密度為1.50 gcm3和1.55 gcm3)。隨著外部應力持續增大，土的變形趨于穩定，滲透性變化也趨于緩慢。

2.2 固結試驗

采用SLB-1型全自動三軸儀進行固結試驗，確定不同性質土體的應力狀態隨圍壓與荷載的變化特征[17-19]。

制取飽和密度為1.85、1.90 、1.95、2.00 gcm3的試樣進行三軸固結試驗。試驗中控制有效應力為20、40、60、80、100、150、200、250、300、350、400 kPa，分別測量各應力階段試驗后的飽和密度。試驗結果如表2 所示。

由表2可知，粉質黏土的飽和密度隨著應力的增大而增大，在應力為100 kPa以內飽和密度增速較快；100 kPa以上趨于緩慢；在400 kPa時，飽和密度增幅為5%(原飽和密度為2.00 gcm3時)至9%(原飽和密度為1.85 gcm3時)。

表2 飽和密度試驗結果

2.3 剪切試驗

取原狀土，人工增濕配制不同含水率的土樣，利用固結快剪試驗數據建立黏聚力和內摩擦角與含水率及荷載的關系[20]。

分別制備干密度為1.50、1.55、1.60、1.65 gcm3，含水率為15.2%、16.2%、16.8%、19.2%、20.8%、24.3%和34.0%(飽和狀態)的試樣，進行剪切試驗，研究不同干密度土樣在不同含水率情況下的抗剪強度。試驗結果如表3和表4所示。

試驗結果表明，非飽和粉質黏土的抗剪強度受含水率的影響較大，黏聚力和內摩擦角均隨含水率的增大而減小。隨著土樣含水率的增大，土顆粒表面的結合水膜厚度增加，水的黏滯性減弱，土中水的形式由主要為結合水轉變為主要為自由水。同時，隨著土樣含水率趨于飽和，土中毛細水減少，吸力逐漸減小直至為0。因此黏聚力隨含水率的增加而減小。

表3 土樣的黏聚力 kPa

表4 土樣的內摩擦角 (°)

2.4 案例分析

采用基于有限差分法的Visual MODFLOW程序計算研究區滲流場分布，利用Autobank軟件對岸坡進行模擬，計算各工況下的安全系數，分析其變化規律。

2.4.1研究模型

以某河流均質土壩為例，其幾何結構如圖1所示。土壩的填筑材料為試驗用粉質黏土，下覆一隔水層。粉質黏土的參數見表5。河流初始水位為46 m，瞬時下降為42 m。土壩初始流場設為水平，水頭與河流水位相平為46 m。

邊界條件：PQ為隔水底板，作為不透水層處理；QR邊界作為定水頭邊界處理，水位為46 m；OP邊界作為給定水頭邊界，水頭由46 m下降為42 m。

圖1 模型幾何結構(單位：m)

表5 土層參數

注：ρ為土的干密度；ρsat為土的飽和密度；ρw為水的密度；E為彈性模量；γ為泊松比；ksat為土的飽和滲透系數；n為孔隙率；α為Biot系數；Ss為彈性釋水系數；Sy為給水度；M為Biot模量。

2.4.2計算工況

計算表層岸坡裂縫、河水對岸坡的軟化作用、降雨入滲3種影響因素下的岸坡穩定性。基于前文的統計分析，在河流水位驟降時的岸坡失穩頻率更高，本次只進行河流水位降低情況的計算。計算工況有：1)不考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況下的滲流場與岸坡的安全系數；2)只考慮土層有裂縫情況下的滲流場與岸坡的安全系數；3)只考慮河水浸泡表層土的軟化作用下的滲流場與岸坡的安全系數；4)只考慮降雨入滲情況下的滲流場與岸坡的安全系數；5)考慮土層有裂縫、降雨入滲情況下的滲流場與岸坡的安全系數；6)考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況下的滲流場與岸坡的安全系數；7)考慮土層有裂縫、河水浸泡表層土的軟化作用、降雨入滲情況，滲透系數受應變影響下的耦合計算的滲流場與岸坡的安全系數。模型中對表層土有裂縫情況概化為表層土的滲透系數增大，影響深度為2 m；岸坡土層的軟化作用采用前文的飽和剪切試驗結果進行處理。

2.4.3結果分析

各工況下計算的最大流速向量見表6，其中最大向量均出現在河岸線處。各工況下岸坡的安全系數見表7。

表6 最大流速向量 cms

表6 最大流速向量 cms

工況時刻0.1 d4.0 d12.22×10-31.25×10-322.39×10-31.29×10-334.24×10-33.46×10-343.58×10-31.96×10-352.39×10-31.55×10-364.70×10-32.99×10-375.24×10-33.22×10-3

表7 安全系數計算結果(瑞典條分法)

分析岸坡的滲流場與安全系數計算結果可知：

1)總體影響：對比表6中工況1與工況2～4的最大流速向量結果可知，3種因素都會促使最大流速向量增大，最大可增大2.8倍(4.0 d時工況3與工況1對比)，加劇了河岸線位置土體的不穩定性，使得岸坡的安全系數降低。

2)裂縫的影響：對比工況1與工況2結果可知，土體裂縫增加了表層土的滲透性，上邊界處滲流速度增大，水流在河岸線附近聚集，水位有所抬升，會降低岸坡的穩定性，表現在最大流速向量增大3.2%～7.7%(表6)和安全系數降低0.8%～1.9%(表7)。

3)河水浸泡表層土的軟化作用影響：對比工況1與工況3結果可知，河水浸泡岸坡表層土增大土體的滲透性，降低土體的抗剪強度，對岸坡的穩定性影響較大，使得近岸處滲流速度加大、水位下降，最大流速向量增大1.9～2.8倍，安全系數降低1.5%～2.8%；

4)降雨入滲的影響：對比工況1與工況4結果可知，降雨入滲會使岸坡荷載增大，地下水位抬升，最大流速向量增大1.6倍，安全系數降低3.8%～9.9%；若恰逢表層土有裂縫存在，降雨入滲的影響加大，最大流速向量增大1.1～1.2倍(見表6中工況5)，安全系數降低7.6%～20.0%(見表7中工況5)。

5)在不考慮耦合的情況下，影響因素的綜合影響：工況6考慮了3種影響因素的綜合影響，對岸坡穩定性的影響表現在最大流速向量增大2.1～2.4倍和安全系數降低10.4%～20.8%。

6)在考慮耦合的情況下，影響因素的綜合影響：工況7考慮了3種影響因素的綜合影響以及土水的耦合作用，對岸坡穩定性的影響表現在最大流速向量增大2.4～2.6倍和安全系數降低11.3%～21.5%；土水耦合的計算過程綜合了滲流場變化對土層應力場的影響，進而改變了土層的滲透性與抗剪強度，計算結果更為嚴謹。

7)根據表7中無滲流與有滲流的安全系數計算結果對比可知，有滲流情況下的計算值明顯小于無滲流情況的計算值，岸坡土體中的滲流會明顯降低岸坡的穩定性，降低程度為7.6%～20.1%(0.1 d)、4.8%～18.5%(4.0 d)，說明滲流對岸坡穩定性的影響是不可忽視的；在河流水位降落初期，滲流對岸坡穩定性的影響較大；隨著滲流時間增長，岸坡中的地下水位回落，滲流對岸坡的穩定性影響逐漸減弱。

3 結論

1)在單個因素影響下，降雨入滲對岸坡的穩定性影響最大，安全系數降低可達9.9%，其次是河水浸泡表層土的軟化作用的影響(2.8%)和表層土裂縫的影響(1.9%)；在3個因素的綜合影響下，岸坡的安全系數降低10.4%～20.8%。

2)進行土水耦合計算的結果顯示，在3種因素的綜合影響下，岸坡的安全系數降低11.3%～21.5%；土層中滲流場與應力場相互影響，也改變了土層的滲透性與抗剪強度，在計算岸坡穩定性時進行耦合計算結果更為嚴謹。