干濕循環作用下堤防岸坡工程穩定性與滲流場特征研究

楊俊鴿

(洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000)

水利工程的安全穩定運營離不開地基土體，特別是與土體密不可分的岸坡工程[1-2]，水利工程中大多岸坡工程勢必會經歷干濕效應、降雨條件等[3-4]，研究在多種自然工況因素影響下岸坡工程安全穩定性與滲流場特征，對推動堤防、壩體等岸坡工程的安全運營具有重要作用。彭和鵬等[5]、眭敏磊等[6]利用有限元仿真方法建立邊坡模型，施加相關荷載條件，獲得了邊坡安全系數與工況條件的關聯性。李國維等[7]、吳忠等[8]根據岸坡土體特性，采用物化改良方法分析土體力學特征，為岸坡土體的改良加固提供基礎試驗依據。曾強[9]、雷怡等[10]專門研究岸坡內滲流場分布特征，探討坡內流場非穩定因素，分析岸坡內流場特征，為岸坡防滲加固提供參照。而對于岸坡護坡方法來說，黨海平等[11]、黃艷婷[12]采用有限元仿真分析了不同護坡方法下岸坡運營期穩定性變化，擴展了岸坡加固方法。從上述已有研究成果可知，綜合穩定性與滲流場特征開展岸坡安全性評價很有必要，本文采用室內滲透試驗與Midas GTS仿真建模手段開展了岸坡土體滲透特性測試、滲流場模擬計算及安全穩定性分析，為工程防滲、護坡及坡體加固等提供計算參考。

1 工程概況

某水庫是重要水利樞紐，其承擔著地區防洪調度、農業灌溉及工業用水等水利功能，原設計蓄水庫容為320萬m3，正常蓄水位19.5 m。該水庫工程包括有堤防、泄洪閘及引水灌渠。目前，堤防工程最大高度為21.6 m，無防浪墻及二次加高擋墻等結構設施，原堤防基礎乃是原位地基，僅進行防滲墊層及注漿加固處理，承載力與泄洪閘加固后地基相差較大，堤防斷面形狀如圖1所示，圖1中A1為碎石土，A2為壤土，A3為粉質黏土。由于該水庫工程為區域內水利安全性提供重要保障，因而有必要對其堤防工程開展加固，特別是堤防兩側岸坡穩定性，該堤防地基土體以軟弱黏土為主，沉降變形較大，特別是岸坡內易形成潛在滑移面，對堤防工程帶來較大威脅。因而，在考慮堤防工程現有地質條件前提下，對該岸坡進行“檢修”調研，獲得該堤防岸坡工程穩定性及滲流場特征。

圖1 堤防斷面圖(單位cm)

2 材料與方法

針對岸坡土體滲透特征，在現場鉆孔取樣后在室內精加工成環刀土樣，采用STS滲透儀開展變水頭滲透測試，該裝置首、尾設置有供水及放水裝置，并配備有帶計量的水頭管。由于該堤防岸坡土體滲透系數較大，因而試驗過程中分次擊實土體，確保環刀試樣間壓實度，由于不同擊實次數勢必會影響環刀土樣密閉性[13]，因而本試驗中分別設定擊實次數為1次、2次、3次、4次，當土樣4次擊實后，即可表示土樣壓實度達100%，而擊實1次、2次、3次分別表示壓實度70%、80%、90%。試驗前每個試樣顆粒在制備前均烘干、重塑，制備后試樣含水量控制為13%～15%，所有試驗土樣的質量、取樣地點均保持一致性，確保試驗結果可靠性。

不僅需研究岸坡土體滲透特征，同樣也要探討土體在干濕循環條件下滲透演變過程，故采用抽真空飽和機與烘干箱開展岸坡干濕循環模擬。每次將制備好的飽和試樣放在烘干箱內保持8 h，后將試樣采用真空飽和機完成飽和試驗，1輪干濕作用完成。

從試驗方法可知，本試驗中土樣滲透測試包括有干濕循環次數與壓實度影響因素，分別測定各試驗方案組土樣滲透特性，試驗方案如表1。

表1 各組滲透試樣試驗參數

針對岸坡靜力穩定性與滲流場特征，采用Midas GTS仿真平臺開展建模分析[14]，并結合堤防實際工程建立有限元模型，所劃分的網格單元以實際土層為本構模型依托，如圖2所示。并依托仿真平臺分別在模型頂部、底部設定透水和不透水邊界條件，所有降雨條件因素的疊加通過瞬態徑流設定，而模型土體滲透系數等物理力學參數由實測確定，并假定干濕循環影響面作用點位于岸坡土體上，在統一地下水位4 m的計算基礎下，采用穩態法計算獲得初始孔隙水壓力分布，如圖3。

圖2 岸坡有限元模型

圖3 岸坡初始孔隙水壓力分布

3 岸坡工程穩定性特征

3.1 坡內土體滲透系數特征

基于岸坡土體滲透測試，獲得干濕循環與壓實度耦合因素影響下土體滲透系數變化特征，如圖4所示。從圖中可看出，干濕循環次數與土樣滲透系數具有正相關關系，當循環次數愈大，則滲透系數愈高，但滲透系數的變化增幅在減弱，當壓實度均為90%時，無干濕循環條件下試樣滲透系數為1.53×10-8cm/s，而循環1次、3次、5次后，滲透系數較前者分別增長了1.65倍、14.30倍、35.80倍，隨方案每增多1次循環，滲透系數平均增長了1.12倍，但增長空間集中在循環次數0～3次，表明隨干濕循環作用后，試樣滲透特性逐漸處于劣化發展過程。當壓實度為70%、100%時，每增多1次干濕循環，滲透系數平均增長了6.44倍、0.77倍，分析可知壓實度愈大，此時干濕循環對試樣滲透特性的促進效應在減弱。軟弱黏土顆粒骨架在環刀內受到多次擊實后，壓實度較高，顆粒骨架結構完整性、緊湊性及抗損傷效果均較大，而干濕循環作用本質上是對土體顆粒骨架孔隙的一種擴展、延伸作用[15]，當試樣本身壓實度較高時，顆粒骨架孔隙的延伸較困難，因而可抑制干濕循環作用下的滲透特性。當干濕循環條件因素一致時，壓實度愈高，則滲透系數愈低。從各干濕循環方案來看，壓實度提升10%，滲透系數降低了0.93～0.99倍。此即印證了壓實度對土樣滲透系數的約束作用，對堤防岸坡土體滲流安全性來說，應分層壓實岸坡土層，控制岸坡內土體滑移面，增大壓實系數。

圖4 土體滲透系數變化特征

3.2 干濕循環影響岸坡穩定性

為分析干濕循環作用對岸坡安全穩定性影響，本文在Midas GTS仿真平臺完成了岸坡安全系數計算，獲得了岸坡安全系數影響變化特征，如圖5。其中計算模型為圖5(a)所示，土體參數按照土工試驗取值，以折減系數作為安全系數求解原則，分析圖中安全系數變化趨勢可知，循環次數與岸坡安全系數為負相關變化，在相同降雨時長30 min下，干濕1次時安全系數為3.61，而循環每增長1次，在該降雨條件下安全系數平均減少了0.11，而在降雨時長90 min、150 min、240 min下安全系數隨干濕循環次數平均減少了分別為0.13、0.15、0.26，當降雨時長愈大，干濕循環作用影響效應更顯著，徑流更易在岸坡內土層產生滲透通道，導致局部出現突涌點，因而產生安全系數降低現象。當降雨時長愈大，同一干濕循環下岸坡安全系數為遞減態勢，但降幅逐漸增大，在循環2次下，降雨30 min岸坡安全系數為3.4，而在降雨60～150 min區間內，隨降雨每增大30 min，安全系數平均降低了0.027，但在降雨150～240 min內，安全系數的降幅最大可達0.15，平均降低了0.12。而干濕循環次數增多后，岸坡安全系數隨降雨時長變化均是如此，為堤防岸坡安全性，應對坡身進行防護加固，減弱雨期干濕循環影響。比較干濕循環與降雨時長兩者耦合影響可知，在降雨時長影響岸坡安全系數降幅時，不同干濕循環下差距較小，即干濕循環作用較弱，表明降雨徑流因素對岸坡穩定性影響高于干濕作用。

圖5 岸坡安全系數影響變化特征

4 岸坡工程滲流場影響特征

基于圖3模型初始孔隙水壓力分布，借助Midas GTS流場模擬獲得干濕循環作用、降雨時長因素影響下岸坡內滲流場特征，本文以坡身內孔隙水壓力參數為典型對象分析，如圖6所示。

圖6 岸坡孔隙水壓力影響變化特征

分析圖中每個研究方案下坡身內最大孔隙水壓力變化特征可知，當降雨時長一定時，干濕循環次數愈多，則孔隙水壓力愈大，且增幅較穩定，在降雨60 min時長下，干濕循環1～4次方案中，各循環次數方案間坡身最大孔隙水壓力的增幅分別為0.82～0.88倍，由此可知，岸坡內孔隙水壓力受干濕循環作用影響，其分布狀態較穩定，每一次干濕循環作用均會造成岸坡孔隙水壓力的變化。從岸坡土體特征分析可知，黏性土自身孔隙較多，在無理想壓實狀態下，干濕循環作用會對其內部滲透通道的形成產生“恒量”效果。

當處于同一干濕循環次數方案中，降雨時長愈大，孔隙水壓力遞增，且增幅為先慢后快的態勢，在循環1次時，降雨30～120 min各方案間坡身最大孔隙水壓力的增幅分別為0.15倍、0.18倍、0.22倍，而在降雨時長150～240 min方案內孔隙水壓力的最小增幅都已達0.29倍，此種現象在干濕循環2～4次下均是如此。干濕循環疊加作用下，降雨時長對岸坡滲流場影響更為促進，而降雨時長因素本質上反映了降雨徑流條件，故干濕循環可正向促進降雨徑流活躍性[16]。從堤防岸坡穩定性考慮，應針對岸坡易受到干濕作用的土層處開展防滲加固處理，確保岸坡內滲流場穩定。

5 結 論

(1)干濕循環次數與土樣滲透系數具有正相關關系，但增幅遞減；壓實度愈大，干濕作用對試樣滲透特性的促進效應減弱；壓實度愈高，則土體滲透系數愈低，在各干濕循環次數下，壓實度每增大10%，滲透系數平均降低了0.93～0.99倍。

(2)干濕循環次數愈多，岸坡安全系數愈低，降雨時長愈大，干濕循環作用影響效應更顯著，降雨時長愈大，岸坡安全系數為遞減態勢，但降幅遞增。

(3)干濕作用、降雨時長與孔隙水壓力均為正相關變化；但干濕作用促進增幅較穩定，且干濕作用可促進降雨條件對岸坡滲流場影響效應。