水位驟降時土質邊坡的滲流特征演化研究

樊尊榮，李 坤，霍利兵

（1.江蘇水利投資開發有限公司，江蘇南京 210000；2.太倉市水利工程有限公司，江蘇太倉215400）

1 工程概況

研究所依托的某湖泊岸坡工程，屬臨湖靜態水文條件下的邊坡，邊坡設計削坡坡度60°，坡高31 m，坡底長15 m，水位在該邊坡位置處的常見水位深度12 m，邊坡實際橫剖面尺寸見圖1，屬典型的土質岸坡工程。構成邊坡坡體的土體主要物理力學參數和水力學參數見表1。

表1 岸坡土體的物理力學和水力學參數表

圖1 岸坡邊坡尺寸圖

2 數值模型建立

此類岸坡工程問題可簡化為平面應變問題，針對二維條件下的靜水環境中的岸坡工程穩定性分析，Geostudio軟件中SLOPE模塊無疑可作為首選分析求解軟件，其可在建立分析模型時采用設置水位線的方式指定蓄水水位，用于對靜態水位條件下的邊坡穩定性求解和分析。文中靜態水位條件下的岸坡工程，在構建分析模型時，首先通過設定孔隙水壓力的來源為水壓線的方式以便后期將靜水水位線設置成湖水水位，同時根據邊坡方向設置滑入和滑出方向，此案例為自右至左，在設置分析區域的邊界條件下，通過拖動鼠標的方式設置滑體邊界，然后經過材料參數等步驟，按照表1中給出的土體水力和物理力學參數對邊坡土體材料進行賦值，最后創建用于岸坡穩定性計算模型見圖2。

圖2 分析模型圖

邊界條件設置：由于滑入和滑出的方向在創建新的分析模型時已進行設置，對于滑入和滑出邊界的設置僅需通過選擇相應的區域即可，此外，需對分析模型的外邊界條件進行設置，如圖2中所示的分析模型，水位線設置位置按照蓄水深度為12 m進行繪制，左、右邊界以及下邊界設置為固定約束，設置模型網格邊長尺寸為0.30 m，兼顧計算效率和求解效果。

3 計算結果分析

3.1 初始水位X水通量

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數，通過求解計算和繪制得到按照邊坡進行削坡后的岸坡最小安全系數滑面的位置及滑面以上滑體的土條劃分方式。經對該滑面的計算求解，得到該假設滑面安全系數為1.79，滑面所計算的安全系數為最小安全系數滑面也即臨界滑面，可見試算后得出的該岸坡土體的安全系數遠大于1，說明該沉積土岸坡穩定。

3.2 初始水位XY水力坡度

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數，通過求解計算和繪制得到邊坡進行削坡后的岸坡2.003安全系數滑面的位置及該滑面以上滑體的土條劃分方式。可知，經過對該滑面的計算求解，得到該假設滑面的安全系數為2.003，但該滑面所計算的安全系數是否為最大安全系數滑面還需進一步試算確定，可見對該滑面試算后得出的該岸坡土體的安全系數大于1，說明該沉積土岸坡穩定。

3.3 水位驟降6 m的X水通量

為了研究該臨湖岸坡工程削坡后的安全系數，通過求解計算和繪制得到削坡后的岸坡最大安全系數滑面的位置及該滑面以上滑體的土條劃分方式。經對該滑面計算求解，得到該假設滑面安全系數為2.32，經與其它滑面安全系數比較可得，該滑面安全系數最大，可見試算后得出的該岸坡土體的安全系數遠大于1，說明該沉積土岸坡穩定。

3.4 水位驟降6 m的XY水力坡度

通過求解計算和繪制最小安全系數滑面上滑體各條塊的重量滑移力，得到了最小安全系數滑體的各條塊的重量滑移力隨著x 值的變化曲線圖見圖3。由圖可知，隨滑體由下向上（x值由小到大），條塊的重量滑移力呈現出先增大后減小的變化趨勢，由x=12.50 m位置處開始增大，增大速率較緩，在x=24 m位置處達到最大值，約為50 kN，隨后開始減小，減小速率相對較大，至x=30.50 m 位置處減小至約4 kN 位置處，說明滑體最不利受力位置處位于滑體上部位置處，但邊坡安全系數顯著大于1，說明靜水環境下該沉積土岸坡能夠保持穩定。

圖3 水位驟降6 m的XY水力坡度云圖

3.5 臨界滑體總應力

通過求解計算和繪制最小安全系數滑面上滑體各條塊對滑面產生的總正應力，得到了最小安全系數滑體對滑面產生的總正應力隨著x值的變化曲線圖見圖4。

圖4 臨界滑體內總正應力變化圖

由圖所4可知，隨滑體由下向上（x值由小到大），滑體對滑面產生的總正應力呈現出先緩慢增大后微量減小最后又迅速減小的變化趨勢，由x=12.50 m 處開始緩慢增大，在x=16.50 m處達到極大值，約155 kPa，隨后緩慢減小，至x=19 m處減小至極小值約145 kPa，自x=24 m處開始迅速減小，至x=30.50 m處減小至約-30.50 kPa，說明滑體最上部條塊對滑面作用力表現為拉力，即最易發生開裂位置，應加強防排水處理。

3.6 臨界滑體抗剪強度

為了研究該岸坡工程的穩定性特點，通過求解計算和繪制最小安全系數滑面上滑體的抗剪強度，得到了最小安全系數滑面上滑體的抗剪強度隨著x值的變化情況。可知，隨滑體由下向上（x值由小到大），滑體的抗剪強度呈現出先緩慢增大后又迅速減小的變化趨勢，由x=12.50 m 位置處開始緩慢增大，在x=24 m位置處達到最大值，約為70 kPa，隨后迅速減小，至x=30.50 m位置處減小至約10.50 kPa，說明滑體未發生滑動破壞。

4 結語

①該岸坡最小安全系數1.79，遠大于1，說明靜水環境下該沉積土岸坡在60°坡度時穩定。②滑體由下向上（x 值由小到大），抗剪強度呈現出先緩慢增大后又迅速減小的變化趨勢，至x=30.50 m 處減小至最小值10.50 kPa，說明岸坡穩定。③滑體對滑面產生的總正應力至x=30.50 m處減小至約-30.50 kPa，說明滑體最上部條塊對滑面作用力表現為拉力，即為最易開裂位置，應加強防排水。