塌岸和庫水位變動(dòng)作用下路基邊坡穩(wěn)定性研究

胡盛華，毛 敏

（1.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，云南 昆明 650214；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國對水資源的利用不斷增加，各地建立了許多大大小小的水庫，許多地質(zhì)問題也隨之而來，水庫塌岸便是其中之一。與此同時(shí)，公路工程建設(shè)逐漸由東部沿海地區(qū)向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，不可避免地穿越西南水文地質(zhì)條件復(fù)雜的庫區(qū)。為保證水庫蓄水后高速公路運(yùn)營的足夠安全，在工程建設(shè)的整個(gè)過程中將塌岸的影響納入考慮范疇具有重要意義。

目前主要基于半經(jīng)驗(yàn)半理論的模式對水庫塌岸預(yù)測方法進(jìn)行探索。前蘇聯(lián)學(xué)者薩聯(lián)斯基最早對水庫塌岸的預(yù)測方法進(jìn)行了研究。隨后國外學(xué)者提出了卡丘金法[1]、佐洛塔寥夫法[2]等，國內(nèi)有王躍敏提出的兩段法[3]、許強(qiáng)提出的岸坡結(jié)構(gòu)法[4]、彭仕雄提出的沖堆平衡法[5]等。實(shí)際操作中應(yīng)結(jié)合具體工程地質(zhì)條件對以上方法進(jìn)行選用。塌岸的發(fā)生對庫岸路基安全性產(chǎn)生的威脅一直受到相關(guān)研究者和工程技術(shù)人員的關(guān)注。邊義成（2007）采用規(guī)范方法對討賴河?xùn)|水峽水電站庫區(qū)右岸鐵路路基塌岸寬度分別進(jìn)行了短期和長期的預(yù)測[6]。張建明等（2013）利用圖解法對山區(qū)冷清公路路基岸坡進(jìn)行了預(yù)測，并提出了治理方案[7]。王峰（2014）基于S211線愚公山段路基岸坡再造防治方案，探索了新的針對性措施[8]。王忠武等（2020）采用多種塌岸預(yù)測方法對某沿江高速公路路基塌岸的范圍進(jìn)行了預(yù)測，并結(jié)合Geostudio軟件對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，給出了路基受影響的建議范圍[9]。

綜合以上可以看出，近年來關(guān)于威脅路基工程的塌岸研究大多關(guān)注于其預(yù)測方法和防治措施。本文以白鶴灘水庫沿岸新建的高速公路為例，選取典型的塌岸路段，結(jié)合實(shí)際的工程地質(zhì)條件，基于兩段法對研究路段進(jìn)行塌岸范圍預(yù)測的結(jié)果，利用軟件對不同工況下的高速公路路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究塌岸聯(lián)合庫水位升降條件下的路基邊坡的滲流穩(wěn)定性及其對路基安全性可能造成的威脅。

1 工程地質(zhì)條件

東川格勒至巧家葫蘆口高速公路，路線起于云南省東川區(qū)格勒鎮(zhèn)大田壩上游1.2 km附近，沿小江右岸至金沙江右岸展線。受區(qū)域內(nèi)小江斷裂帶活動(dòng)的影響，線路通過區(qū)的小江-金沙江河段河谷岸坡巖土體普遍較為破碎，再加上受到自然界諸多不利因素干擾，庫岸邊坡風(fēng)化程度進(jìn)一步加深，巖土體物理力學(xué)性質(zhì)降低。

研究區(qū)段里程樁號位于格巧高速K3段，地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示，根據(jù)調(diào)查資料，上覆地層以第四系殘坡積（Q4el+dl）碎石土、沖洪積（Q4al+pl）、崩坡積（Q4col+dl）碎、塊石土等為主。同時(shí)該段在金沙江白鶴灘水電站庫區(qū)內(nèi)，庫區(qū)為年調(diào)節(jié)水庫，最大蓄水位為825 m，防洪限制水位為785 m，死水位為765 m，年水位變幅達(dá)60 m。水庫建成后，水庫水位升降引起的動(dòng)水壓力的變化造成的邊坡崩塌、滑移，可能會(huì)使邊坡產(chǎn)生一定程度的塌岸，對高速公路運(yùn)營安全造成影響。

圖1 邊坡主剖面地質(zhì)縱斷面圖

2 塌岸與庫水位聯(lián)合作用下的路基邊坡滲流穩(wěn)定性特征

2.1 塌岸預(yù)測

結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件和參考資料，可知兩段法（圖2）更適合于具有庫面較窄，風(fēng)浪作用較小，岸坡地層為黏性土、砂性土、碎石類土、棄碴及巖石的全風(fēng)化地層和有較完整水文氣象資料等條件的我國南方山區(qū)峽谷型水庫[10]。

圖2 兩段法示意圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測資料，研究路段水下休止角為28°，水上休止角為37°，毛細(xì)水上升高度取1.5 m，由于設(shè)計(jì)低水位的原始坡腳小于水下休止角，所以將A點(diǎn)上移至原始坡腳大于水下休止角的位置。

依據(jù)兩段法原理作圖3，得到塌岸范圍為22.28 m。塌岸前后剖面圖用于滲流穩(wěn)定性分析。

圖3 兩段法預(yù)測塌岸圖解

2.2 塌岸前后路基邊坡滲流特征

2.2.1 邊坡滲流分析原理

由于受到庫區(qū)水位運(yùn)行作用的影響，路基邊坡部分巖土體處于飽和-非飽和交替狀態(tài)。本文研究為松散碎石土和卵礫石層構(gòu)成，粒徑大、孔隙多，因而邊坡對庫水作用十分敏感。與前人僅考慮塌岸范圍或單考慮路基邊坡穩(wěn)定性所不同的是，本文分別對塌岸前后邊坡的滲流進(jìn)行分析、對比。松散坡積層滑塌后邊坡結(jié)構(gòu)，包括坡形、坡高、坡度等均會(huì)發(fā)生變化，原本被覆蓋的下層巖面裸露，巖土體材料性質(zhì)也可能改變，與此同時(shí)，滲流工況的改變會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性的變化。因此對塌岸前后邊坡的滲流過程進(jìn)行分析是十分必要的。非飽和滲流的重要任務(wù)之一是非飽和滲流基本微分方程的求解，研究中涉及的是X、Z方向的二維滲流問題，控制方程如式（1）：

式中：h為總水頭；t為滲流時(shí)間；θw為體積含水量；kx、ky、kz分別是 X、Y、Z 方向的滲透系數(shù)。

對于穩(wěn)態(tài)滲流，單位時(shí)間內(nèi)流入量等于流出量，因此穩(wěn)態(tài)滲流控制方程如式（2）：

對于瞬態(tài)滲流，假定總應(yīng)力不變、孔隙氣壓力ua不變，可得瞬態(tài)滲流微分方程：

式中：γw為水的比重；mw為儲水曲線的斜率，可由土水特征曲線獲取。

求解穩(wěn)態(tài)滲流微分方程，只需添加初始邊界條件。對于瞬態(tài)滲流微分方程的求解，則需要基于穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果另行添加隨時(shí)間變化的邊界條件。

2.2.2 計(jì)算模型

在軟件中分別導(dǎo)入塌岸前和塌岸后的邊坡區(qū)域，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4、圖5）。其中基巖作為不滑動(dòng)層，在滲流穩(wěn)定性分析中不予考慮。

圖4 塌岸前邊坡網(wǎng)格劃分模型

圖5 塌岸后邊坡網(wǎng)格劃分模型

2.2.3 計(jì)算參數(shù)和邊界條件

邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)通過現(xiàn)場勘察和工程類比法確定，如表1所示。

表1 土層土體的物理力學(xué)性質(zhì)

已知飽和土水含量，非飽和土的土-水特征曲線采用軟件自帶的樣本函數(shù)估計(jì)的方法獲得。非飽和土的滲透系數(shù)曲線根據(jù)Fredlund和Xing經(jīng)驗(yàn)公式確定。

該研究以白鶴灘庫水一年的庫水位升降為計(jì)算工況，邊坡表面765 m至825 m高程根據(jù)庫水位調(diào)度圖（圖6），設(shè)定隨時(shí)間變化的總水頭邊界。

圖6 水庫水位調(diào)度模式

2.2.4 塌岸前后滲流特征

庫水位到達(dá)最高蓄水位825 m后保持穩(wěn)定，直至第81 d開始降水，第275 d水位降到最低后，水庫水位開始上升。對于蓄水階段，選取第275 d開始每5 d的零水壓力線進(jìn)行展示（圖7、圖8）；對于降水階段，選取從第80 d開始每10 d以及第275 d的零水壓力線（即邊坡內(nèi)部地下水位線）進(jìn)行展示（圖9、圖10）。

圖7 塌岸前庫水位上升階段地下水位線

圖8 塌岸后庫水位上升階段地下水位線

圖9 塌岸前庫水位下降階段地下水位線

圖10 塌岸后庫水位下降階段地下水位變化

分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，塌岸發(fā)生前和發(fā)生后的庫水位漲落階段，邊坡內(nèi)部地下水位線變化相較于庫水位漲落總存在滯后現(xiàn)象，且?guī)焖粷q落速度越快，地下水位變化滯后現(xiàn)象越明顯。具體表現(xiàn)為庫水位變化階段不同，同一水位高度地下水位線不同。在第80 d到275 d的庫水位下降階段，地下水位線后緣總是高于坡面的庫水位高度，且距離坡面越遠(yuǎn)越明顯，此時(shí)地下水向外排泄；第275 d后庫水位開始上漲，而水位上漲初期第275 d到300 d，地下水位線后緣高于水位高度，邊坡內(nèi)地下水仍然向外排出。同時(shí)，庫水位下降階段交替到庫水位上升階段時(shí)邊坡地下水位變化滯后，第275 d到第300 d地下水位線出現(xiàn)了相互“交叉”，而后隨著水位升高，地下水位線后緣逐漸低于水位高度，此時(shí)地下水由向外排泄轉(zhuǎn)為向邊坡內(nèi)滲流。第315 d到325 d庫水位維持在785 m未發(fā)生改變，地下水位線后緣逐漸抬升與庫水位平齊，這是因?yàn)閹焖蜻吰聝?nèi)滲透補(bǔ)充了地下水位。

對比塌岸前后各時(shí)間步長的地下水位線，發(fā)現(xiàn)塌岸的發(fā)生對滲流特征的影響不大。

2.3 塌岸前后路基邊坡穩(wěn)定性特征

2.3.1 塌岸前后穩(wěn)定性系數(shù)變化分析

對塌岸前天然條件（未蓄水）下和825 m正常蓄水條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析（圖11、圖12）。

圖11 塌岸前未蓄水工況下靜態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖12 塌岸前825 m正常蓄水工況下靜態(tài)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

水庫在天然狀態(tài)下，由于土體干燥，沒有庫水的影響，邊坡的最危險(xiǎn)滑移面范圍較小；在水庫蓄水后，受到庫水影響，最危險(xiǎn)滑移面范圍擴(kuò)大，同時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)從1.126增加到了1.201，這說明水庫開始正常運(yùn)營后，邊坡穩(wěn)定性會(huì)有所提升，這是由于庫水作用下靜水壓力增加，起到了一定的壓腳作用。

庫區(qū)邊坡因?yàn)榈叵滤c巖土體之間發(fā)生的復(fù)雜的物理化學(xué)作用，而與其他非庫區(qū)邊坡不同[11]。庫水位隨時(shí)間的變化引起庫水在邊坡內(nèi)部發(fā)生滲流運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致邊坡內(nèi)部地下水位、孔隙水壓力分布和基質(zhì)吸力等發(fā)生變化，最終使得邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生變化（圖13）。需要說明的是，研究中以塌岸前后825 m正常蓄水條件下的最危險(xiǎn)滑移面作為指定滑移面進(jìn)行計(jì)算。

圖13 塌岸前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

對比塌岸前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)塌岸的發(fā)生與否對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢影響不大。以塌岸前為例，在第80 d到210 d，庫水位下降時(shí)用于反壓坡腳的庫水消失，邊坡內(nèi)地下水向坡外滲透，產(chǎn)生了指向坡外的滲透力，滑體的滑動(dòng)力增大，抗滑力減小；同時(shí)，地下水位線下降滑體導(dǎo)致非飽和區(qū)的擴(kuò)大，基質(zhì)吸力增加，滑體的抗滑力增大，高水位期前者占主要作用，因此穩(wěn)定性系數(shù)整體呈下降趨勢。第210 d后，庫水位仍處于下降期，而邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大，這是因?yàn)榈退黄诘叵滤痪€逐漸趨于持平，滲透力減小，直至256 d庫水位的變化盡管仍然會(huì)引起地下水位線的變化，但是此時(shí)地下水位線已經(jīng)遠(yuǎn)離滑體范圍，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)便不再受其影響，即保持不變。

第275 d時(shí)庫水位降低到最低蓄水位765 m后開始抬升，水位上升初期，因?yàn)榈叵滤痪€仍然位于滑體范圍外，因此邊坡穩(wěn)定性系數(shù)依然保持不變。第305 d以后水庫水位繼續(xù)上升至超過滑體前緣高度，受水浮力的影響邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。隨時(shí)間推移，水庫水位持續(xù)抬升，邊坡受到的指向坡內(nèi)的滲透力增大，靜水壓力也增大，因此穩(wěn)定性系數(shù)隨水位抬升而增大。

雖然塌岸前后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢幾乎一致，但是塌岸發(fā)生后邊坡穩(wěn)定性對庫水位漲落工況更加敏感，即受同樣的庫水位漲落影響塌岸發(fā)生后穩(wěn)定性系數(shù)變化幅度更大，這是因?yàn)樗栋l(fā)生后危險(xiǎn)滑移面范圍擴(kuò)大，導(dǎo)致滑體受水位線和水壓力變化影響范圍擴(kuò)大。

值得注意的是，岸前最低穩(wěn)定性系數(shù)1.05大于塌岸發(fā)生后的1.03，塌岸的發(fā)生使得邊坡最低穩(wěn)定性系數(shù)有所降低。

2.3.2 塌岸前后邊坡潛在滑移面范圍分析

塌岸發(fā)生后邊坡原有的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變，為了評價(jià)塌岸發(fā)生后不穩(wěn)定邊坡對路基產(chǎn)生的影響，需要進(jìn)一步考慮塌岸發(fā)生后的潛在滑移面與路基限界的相對位置關(guān)系。一般認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于1.25容易出現(xiàn)滑動(dòng)，因此基于庫水位漲落工況下滲流分析的結(jié)果，通過試算滑移面，分別計(jì)算了塌岸發(fā)生前后穩(wěn)定性系數(shù)在0到1.25之間的潛在滑移面范圍（圖14，黑色部分）。

圖14 塌岸發(fā)生前后選定時(shí)間步長潛在滑移面

結(jié)果顯示，潛在滑移面范圍變化與庫水位漲落存在正相關(guān)性，即隨著庫水位下降潛在滑移面整體下移，隨著庫水位上升整體上移。

對比塌岸前后結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在第80 d和第160 d，路基邊坡在一系列外界因素影響下發(fā)生塌岸后，潛在滑動(dòng)面會(huì)在一定程度上移，結(jié)合前文穩(wěn)定性系數(shù)分析的結(jié)果可知塌岸發(fā)生后的靜水期穩(wěn)定性系數(shù)降低，同時(shí)降水前期邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著庫水位下降的減小幅度大于塌岸發(fā)生前，因此塌岸發(fā)生后降水期路基邊坡的不穩(wěn)定對路基的安全運(yùn)營造成了很大的威脅。與之不同的是，第275 d庫水位上升階段，雖然塌岸發(fā)生后滑移面上移，但是此時(shí)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)大于塌岸發(fā)生前。

在已經(jīng)研究了庫水位以及塌岸對路基邊坡的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水庫后期運(yùn)行過程中，邊坡穩(wěn)定性會(huì)受到較大的影響。通過對比水庫塌岸前后的水庫岸坡失穩(wěn)影響范圍，發(fā)現(xiàn)塌岸發(fā)生后，邊坡失穩(wěn)會(huì)嚴(yán)重威脅到路基的安全。因此，修建庫區(qū)公路時(shí)需要在考慮塌岸和庫水位聯(lián)合作用的基礎(chǔ)上，采取合適的邊坡防護(hù)措施對路基邊坡進(jìn)行防護(hù)。除此之外，路基在塌岸發(fā)生后的降水期安全性最低，這段時(shí)間可以采取必要的監(jiān)測措施。

3 結(jié)語

本文以白鶴灘水庫沿岸新建的高速公路工程為背景，選取典型的塌岸路段，通過收集相關(guān)的文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)際的工程地質(zhì)條件，基于采用兩段法對塌岸范圍進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果，利用有限元軟件對不同工況下的高速公路路基邊坡進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，得到結(jié)論如下：

a）庫水位升降過程中，路基邊坡內(nèi)地下水位線的變化存在明顯的滯后性，相同庫水高度，庫水運(yùn)行階段不同，地下水位線也不同。同時(shí)，塌岸的發(fā)生對邊坡滲流特征影響不大。

b）塌岸前水庫開始正常運(yùn)營后，邊坡穩(wěn)定性有所提升，這是由于水庫水位上升后邊坡土體受到靜水壓力的作用。塌岸發(fā)生后受庫水位漲落的影響，路基邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化的幅度相較于塌岸發(fā)生前有所增大，最低穩(wěn)定性系數(shù)降低。

c）塌岸前后路基潛在滑移面范圍隨著庫水位下降而整體向下移動(dòng)，反之亦然。塌岸發(fā)生后的降水期邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度大，潛在滑移面侵入路基限界以內(nèi)，是路基工程安全性最低的階段，需要加以重視。

d）庫區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下公路工程的設(shè)計(jì)不僅僅需要考慮短期內(nèi)可能對安全性造成威脅的因素，還需要根據(jù)設(shè)計(jì)年限考慮塌岸等遠(yuǎn)期可能發(fā)生并影響公路運(yùn)營的潛在危險(xiǎn)。