水位降落時(shí)河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

高素霞

(建平縣水務(wù)局水利工程移民股，遼寧建平 122400)

水位降落時(shí)河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素分析

高素霞

(建平縣水務(wù)局水利工程移民股，遼寧建平 122400)

維持河岸邊坡穩(wěn)定性是河流治理中的重要任務(wù)。從河流治理實(shí)踐來看，影響邊坡穩(wěn)定性的因素多種多樣，而且這些因素相互之間存在復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系。本文對(duì)水位降落時(shí)河岸邊坡穩(wěn)定性常見的河水浸泡、超孔隙水壓力、靜水壓力等影響機(jī)理進(jìn)行了分析，對(duì)三類關(guān)鍵影響因素的敏感性進(jìn)行了計(jì)算。研究結(jié)果表明：土體黏聚力c對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最為顯著，對(duì)水位降落的敏感性也最高，邊坡土體內(nèi)地下水位Hd對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響次之，邊坡內(nèi)摩擦角φ的影響則最不具有敏感性。

河岸邊坡；穩(wěn)定性；影響因素

我國(guó)東北地區(qū)處于溫帶季風(fēng)氣候調(diào)節(jié)區(qū)，河水季節(jié)變化特征顯著。在降水集中季節(jié)，河流水位會(huì)快速上漲；隨著洪峰退去，河床、河岸都會(huì)受到?jīng)_刷，從而影響邊坡土體穩(wěn)定性［1］。由于西部河流沿岸人口密度較高，邊坡受損的河流難以有效發(fā)揮其疏水調(diào)洪功能，從而影響沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，在河道治理過程中，需要對(duì)邊坡穩(wěn)定性予以重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)于存在滑坡及坍塌風(fēng)險(xiǎn)的河岸，需要采取提前加固、臨時(shí)救險(xiǎn)及事后及時(shí)補(bǔ)救等措施［2-3］。在這個(gè)過程中，尤其需要研究和分析邊坡穩(wěn)定性影響因素及其影響機(jī)理，從而提升相關(guān)治理措施的針對(duì)性。本文以遼寧境內(nèi)海棠河為例，對(duì)其河岸邊坡穩(wěn)定性的常見影響因素進(jìn)行討論，并對(duì)關(guān)鍵因素的敏感性進(jìn)行分析，希望對(duì)相關(guān)治理方案的制定有積極作用。

1 工程概況

海棠河位于建平縣中部，屬老哈河一級(jí)支流，發(fā)源于建平縣張家營(yíng)子鎮(zhèn)青山村，由東流向西，在太平莊鄉(xiāng)郎家營(yíng)子村匯入老哈河。河長(zhǎng)51km，河道平均比降2.61‰，流域面積751km2，河道平均寬100～250m。流域內(nèi)多年平均降水量445.60mm，多集中在6—9月，占全年降水量的80%以上。

海棠河系中小河流，沒有徑流觀測(cè)資料，屬于無資料地區(qū)，此次河道治理工程洪水采用1998年遼寧省水文手冊(cè)計(jì)算。10年一遇洪峰流量為896.27m3/s。為發(fā)揮海棠河防洪抗旱作用，需要對(duì)其進(jìn)行綜合治理。

2 水位降落時(shí)河岸邊坡穩(wěn)定性的影響機(jī)理

2.1 河水浸泡導(dǎo)致土體強(qiáng)度弱化

河水上漲時(shí)，受浸泡土體面積增大。受浸泡期間，土體物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，其容重會(huì)升高，從而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度受到抑制。相比較于受浸泡前，當(dāng)水位出現(xiàn)降落時(shí)，土體強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)弱化。

研究結(jié)果表明：當(dāng)河水長(zhǎng)時(shí)間浸泡邊坡土體后，土體黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ都會(huì)減?。划?dāng)二者降低至最弱水平時(shí)，邊坡穩(wěn)定性便會(huì)受到破壞，從而引發(fā)邊坡坍塌。

2.2 靜水壓力引發(fā)邊坡穩(wěn)定性失衡

靜水壓力對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到內(nèi)部控制作用。一方面，當(dāng)河水上漲時(shí)，靜水位會(huì)隨之上漲，其形成的靜水壓力與土體形成的坡角會(huì)發(fā)生變化。另一方面，當(dāng)水位下降時(shí)，靜水位下降速度會(huì)低于前者下降速度。在此情形下，靜水壓力與土體形成的坡角就會(huì)大于土體滑動(dòng)傾角，從而會(huì)“推動(dòng)”邊坡土體向下滑落；當(dāng)這種推動(dòng)作用大于土體既有黏聚力時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)河岸邊坡坍塌。

2.3 超孔隙水壓力引發(fā)邊坡穩(wěn)定性失衡

邊坡土體自身?yè)碛锌障叮涑炙芰^強(qiáng)，從而形成鮮明浸潤(rùn)線。在水位上漲過程中，超孔隙水得到較為充分的補(bǔ)充；當(dāng)水位下降時(shí)，浸潤(rùn)線自身仍然會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)呈持水狀態(tài)，從而形成超孔隙水壓力。研究結(jié)果表明：超孔隙水壓力會(huì)增加邊坡土體下行壓力，增加其滑坡可能性。

3 河岸邊坡穩(wěn)定性影響參數(shù)及其計(jì)算方法

在對(duì)河岸邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析時(shí)，主要涉及如下參數(shù)：

a.滑坡土體有效重量。計(jì)算該參數(shù)時(shí)，須按照下式進(jìn)行：

式中 Wt——滑坡土體有效重量；

γ——地基土體重度；

Hw——邊坡臨河水位；

γsat——巖土體的飽和重度；

Au、Ad——體積參數(shù)。

b.超孔隙水壓力。計(jì)算該參數(shù)時(shí)，須按照下式進(jìn)行：

式中 Hd——邊坡土體地下水位；

Hw——邊坡臨河水位；

α——主動(dòng)區(qū)與地基夾角；

β——被動(dòng)區(qū)與地基夾角；

γw——水的重度。

c.滲透水壓力。計(jì)算該參數(shù)時(shí)，須按照下式進(jìn)行：

式中 Pd——滲透水壓力；

J——滲流梯度。

d.靜水壓力。靜水壓力計(jì)算公式為

式中 R——靜水壓力。

e.滑坡面抗滑力及阻滑力。對(duì)于一段滑坡面，其所受到的綜合支持力為

滑坡面抗滑力計(jì)算公式為

式中 N——滑坡面綜合支持力；

φ——地基土內(nèi)摩擦角；

Tf——滑坡面抗滑力；

c——土體黏聚力；

L——邊坡長(zhǎng)度。

滑坡面阻滑力計(jì)算公式為

4 水位降落時(shí)邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性

本文對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性進(jìn)行分析，主要考慮到河水長(zhǎng)時(shí)間浸泡所直接引發(fā)的因素：邊坡內(nèi)部地下水位Hd、邊坡土體內(nèi)摩擦角φ以及土體黏聚力c。本文將對(duì)這些因素的敏感系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

4.1 因素變化情況

本文中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)邊坡經(jīng)過一定時(shí)間浸泡后，其土體黏聚力c等因素都會(huì)發(fā)生變化。首先，不對(duì)各個(gè)因素作分別討論，則出現(xiàn)如下變化：邊坡土體內(nèi)部地下水位降低至4m（原始值為5m），內(nèi)摩擦角降低至15°（原始值為12.10°），邊坡土體黏聚力降低至18kPa（原始值為25.kPa）。此時(shí)，需要以變化前數(shù)值為基準(zhǔn)條件，計(jì)算這些因素的總體敏感性。其次，需要對(duì)其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)變化，另外兩個(gè)參數(shù)則控制不變。此時(shí)，需要計(jì)算不同工況所對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定系數(shù)，可得各個(gè)單一影響因素的敏感性（見表1）為各個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果。由表1可知，當(dāng)土體內(nèi)地下水位Hd等出現(xiàn)任何變化，相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)都會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變。

表1 各主要影響因素變化的河岸穩(wěn)定系數(shù)

4.2 單一因素敏感性計(jì)算公式

根據(jù)已有研究成果，在計(jì)算單一影響因素相對(duì)于邊坡土體穩(wěn)定性的敏感性時(shí)，可依據(jù)如下公式進(jìn)行：

式中 βij——第j個(gè)指標(biāo)對(duì)第i個(gè)不確定因素的敏感度系數(shù)，計(jì)算結(jié)果取絕對(duì)值，絕對(duì)值越低則表明該因素的敏感性越低；

ΔYj——所計(jì)算參數(shù)Yj的相對(duì)變化率；

ΔXi——考核指標(biāo)i的相對(duì)變化率。

4.3 各影響因素的敏感系數(shù)計(jì)算

在水位下降時(shí)，為維持河岸穩(wěn)定，邊坡需要滿足一定的安全系數(shù)K。各影響因素在變化過程中，該安全系數(shù)會(huì)呈現(xiàn)不同的敏感度，該敏感度即為各影響因素對(duì)邊坡土體穩(wěn)定性的敏感系數(shù)。表2～表4分別為土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及土體內(nèi)地下水位Hd相對(duì)于K的敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

4.3.1 土體黏聚力c的敏感系數(shù)

由表2可知，在基準(zhǔn)條件（Hd=5、φ=15°）下，c相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感系數(shù)為0.90。當(dāng)河流水位下降至4m后，若其內(nèi)摩擦角φ=15°，其敏感系數(shù)下降為0.89；若φ=12.1°，則敏感系數(shù)會(huì)上升至0.91?？梢姡谒唤德溥^程中，土體黏聚力c與安全系數(shù)K呈同向變化關(guān)系。即河流水位下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土體黏聚力降低，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成消極影響，然而這種作用會(huì)越來越低。

表2 土體黏聚力φ相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感性計(jì)算結(jié)果

4.3.2 內(nèi)摩擦角φ的敏感系數(shù)

由表3可知，在基準(zhǔn)條件（Hd=5、c=25kPa）下，φ相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感系數(shù)為0.111。當(dāng)河流水位下降至4m后，若其土體黏聚力c=25kPa，其敏感系數(shù)上升為0.126；若土體黏聚力下降至c= 18kPa，則敏感系數(shù)會(huì)上升至0.165?？梢?，在水位降落過程中，內(nèi)摩擦角φ與安全系數(shù)K呈反向變化關(guān)系。即河流水位下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致邊坡土體內(nèi)摩擦角φ降低，對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成更加顯著的影響，從而加大邊坡坍塌的可能性。

表3 內(nèi)摩擦角φ相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感性計(jì)算結(jié)果

4.3.3 土體內(nèi)地下水位Hd的敏感系數(shù)

由表4可知，在基準(zhǔn)條件（c=25、φ=15°）下，邊坡土體內(nèi)地下水位Hd相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感系數(shù)為0.696。當(dāng)土體黏聚力下降至18kPa后，若其內(nèi)摩擦角φ=15°，其敏感系數(shù)下降為0.675；若內(nèi)摩擦角下降至φ=12.1°，則敏感系數(shù)會(huì)上升至0.690?？梢姡谒唤德溥^程中，土體內(nèi)地下水位Hd與安全系數(shù)K呈反向變化關(guān)系。即河流水位下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致邊坡土體內(nèi)地下水位Hd降低，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成更加顯著的影響，加大邊坡坍塌的可能性。

表4 土體內(nèi)地下水位Hd相對(duì)于安全系數(shù)K的敏感性計(jì)算結(jié)果

綜合表2～表4的數(shù)據(jù)及分析可知，隨著地下水位的變化，內(nèi)摩擦角φ對(duì)邊坡坍塌的影響最小，土體內(nèi)地下水位Hd的影響居中，土體黏聚力c的影響最顯著。在邊坡治理過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注土體黏聚力強(qiáng)弱，并采取針對(duì)性措施有效改良土體黏性；同時(shí)，需要對(duì)邊坡土地持水能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)其土體內(nèi)地下水位所造成的邊坡坍塌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行跟蹤。

5 結(jié) 語(yǔ)

河岸邊坡坍塌及土體滑落會(huì)降低河道輸水能力，從而增加洪水的破壞力，影響沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。通過對(duì)老哈河的支流海棠河水位降落過程中的邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：土體黏聚力c對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響最為顯著，對(duì)水位降落的敏感性也最高；為增加土體黏聚力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的支撐作用，需要采取措施增加土體內(nèi)摩擦角并合理控制邊坡土體內(nèi)的地下水位。

［1］ 黃春，柯善軍.大崗山水電站工程邊坡穩(wěn)定性分析［J］.中國(guó)水能及電氣化，2011（9）：43-46.

［2］ 王英，戰(zhàn)永亮.關(guān)于基坑邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的思考［J］.水利建設(shè)與管理，2003（5）：23-24.

［3］ 戴年粉.團(tuán)坡水電站壩址右岸邊坡穩(wěn)定性分析及支護(hù)處理［J］.中國(guó)水能及電氣化，2014（2）：61-65.

Analysis on Influencing Factors for Bank Slope Stability at Drawdown of Water Level

GAO Suxia
（Hydropower Engineering Transmigrant Subsection of Jianping County Water Authority，Jianping 122400，China）

It is an important task to maintain the bank slope stability in river improvement.From the viewpoint of river improvement practices,the factors influencing slope stability are various,and between these factors,there exist complex internal relations.This paper analyzes the influencing mechanisms of common factors on bank slope stability at drawdown of water level,such as river water soaking,excess pore-pressure,hydrostatic pressure,etc.And also calculation on sensibility of the three kinds of key influence factors is made.Research results show that soil cohesion c has the most significant influence on slope stability,and also has the highest sensibility on drawdown;the underground water level Hdin slope soil is the second major factor influencing slope stability;the influence of internal friction angle of slopeφhas the least sensibility.

bank slope;stability;influencing factor

TV223

A

1673-8241（2016）12-0038-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.010