深層排水孔堵塞對富水巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的影響

高春君 張學(xué)富 向立輝 喬丹

摘 要：

高邊坡施工或運(yùn)營期間常因多種因素作用導(dǎo)致排水孔堵塞，從而抬升地下水位，影響邊坡穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全?；跐B流折射定律，采用空氣單元法模擬排水孔，開展了巖質(zhì)高邊坡滲流應(yīng)力耦合分析，重點(diǎn)研究了排水孔不同堵塞工況下的坡后地下水位變化及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：排水孔堵塞對坡后地下水位影響顯著，坡內(nèi)位移整體變化不大，坡趾位置巖體變形最大；坡體錨桿軸力明顯增加，最大增長幅度達(dá)到45%。對于布設(shè)深層排水孔的巖質(zhì)高邊坡，排水孔堵塞后邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化明顯，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，尤其體現(xiàn)在坡趾剪出口位置。此外，排水孔接近完全堵塞時，邊坡安全系數(shù)顯著降低。提出了以框架式格構(gòu)和錨桿共同作為支護(hù)體系的高邊坡處理措施，即下部邊坡加強(qiáng)格構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度，上部邊坡增加錨桿錨固長度。

關(guān)鍵詞：高邊坡；排水孔；空氣單元法；滲流應(yīng)力耦合

中圖分類號：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：16744764（2018）05009210

收稿日期：20170907

基金項(xiàng)目：

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目（KJ1705144、KJ1400310、KJ1404102、KJZH17120）；貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（2017123011）；重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究資助項(xiàng)目（cstc2014jcyjA30023）；重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院青年科研基金（16QK3）

作者簡介：

高春君（1980），男，博士生，高級工程師，主要從事巖土工程、地下工程研究，Email： 349037418@qq.com。

Received：20170907

Foundation item：

Chongqing Municipal Education Commission Project （No.KJ1705144， KJ1400310， KJ1404102， KJZH17120）； Science and Technology Project of Guizhou Provincial Transportation and Department （No.2017123011）； Chongqing Science and Technology Commission Project （No.cstc2014jcyjA30023）；Chongqing Jianzhu College Youth Research Fundation（No.16QK3）

Author brief：

Gao Chunjun （1980）， PhD candidate， senior engineer， main research interests： geotechnical engineering and underground engineering， Email： 349037418@qq.com.

Impact of deep drainage hole blockage on high slope stability

in rich water formation

Gao Chunjun1， Zhang Xuefu1， Xiang Lihui1， Qiao Dan2

（1.School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P. R. China；

2. Chongqing Jianzhu College， Chongqing 400072， P. R. China）

Abstract：

The groundwater level rises once the drainage hole of high slope is blocked during construction or operation， affecting the slope stability and safety of the supporting structure. Based on the law of seepage refraction， this paper focuses on the changes of groundwater level and the mechanical response of supporting structure in cases of different blockage conditions. The calculation results firstly demonstrate that the impact of the drainage hole blockage on pore water pressure development is significant， and that the displacement change within the slope is less obvious. Secondly the axial force along the anchor rod of the slope increases obviously with the maximum growth rate of 45%. In addition， for the high slope in the rock formation arranged with the deep drainage hole， the displacement and stress of the support structure changes significantly after the drainage hole blockage. Therefore， the impact on the supporting structure should not be ignored， especially in the position of the shear outlet on the slope toe. Safety factor of the slope decreases significantly when the drainage hole is almost completely clogged. This paper also introduces a high slope treatment method of the supporting system adopting the frame type and anchor rod， that is， for the lower part of the slope， strengthening the lattice support strength； and for the upper part of the slope， increasing the anchorage length of the anchor rod.

Keywords：

high slope； drainage hole； air element method； hydromechanical coupling

山區(qū)工程建設(shè)中，高邊坡是一種重要的工程承載體，在富水區(qū)，其穩(wěn)定性是工程建設(shè)首要解決的工程地質(zhì)問題和巖土力學(xué)問題[1]。發(fā)生在山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害中，水毀災(zāi)害發(fā)生頻率最高，其中邊坡區(qū)段尤為突出，根據(jù)陜西、四川等地統(tǒng)計(jì)，在公路水毀地質(zhì)災(zāi)害中，邊坡路段約占全路段的40%～55%[2]。可見，富水區(qū)邊坡宜設(shè)置合理的排水系統(tǒng)，以確保邊坡工程的安全。對于巖質(zhì)高邊坡工程，布置深層排水孔是一種簡單實(shí)用且較為普遍的方法。巖質(zhì)高邊坡排水過程中，由于細(xì)小顆粒沉積[3]，地下水滲流結(jié)晶[4]、微生物生長[56]等，常導(dǎo)致排水管道堵塞，進(jìn)而抬升坡內(nèi)地下水位，嚴(yán)重威脅邊坡的穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，有必要開展排水孔堵塞對邊坡穩(wěn)定性影響的研究。

關(guān)于排水管道堵塞問題，科研工作者采用理論推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行過諸多研究，取得了一系列成果。例如，Pedescoll等[7]、Hua等[8]、Morvannou等[9]分析了人工濕地堵塞的機(jī)理并提出了一系列處置措施。劉璐等[3]利用內(nèi)鑲片式斜齒形迷宮流道灌水器進(jìn)行堵塞實(shí)驗(yàn)，確定了灌水器最易堵塞的泥砂粒徑和含砂量。周卓[4]利用經(jīng)驗(yàn)公式，模型試驗(yàn)研究了地下水結(jié)晶導(dǎo)致隧道排水管堵塞的機(jī)理。Li等[10]利用滴灌試驗(yàn)研究了不同水質(zhì)條件下滴管的堵塞規(guī)律。OasellesOsorio等[5]、Zhong等[6]研究發(fā)現(xiàn)，微生物生長會在匯水處形成一層生物膜，其擴(kuò)散會導(dǎo)致附近的孔隙率和滲透系數(shù)持續(xù)減小，進(jìn)而造成排水管道堵塞?？偨Y(jié)起來，排水管堵塞的原因可以歸納為物理、化學(xué)、生物幾個方面。深層排水孔堵塞常常涉及多種因素綜合作用，很難通過上述方法進(jìn)行研究，采用數(shù)值方法進(jìn)行邊坡滲流場與應(yīng)力場耦合分析是一種有效的輔助措施。現(xiàn)階段，排水孔模擬的主流方法有“以管代孔”法[11]、匯線單元法[12]、排水子結(jié)構(gòu)法[13]、空氣單元法[14]等。已有研究中，通常對排水孔上各點(diǎn)給定水頭來計(jì)入排水孔的作用；然而，在高邊坡工程中，各排水孔中的水頭并不相等，甚至有部分零水頭排水孔，通過賦予水頭來模擬排水效果并不完全合理?！翱諝鈫卧ā币罁?jù)水頭等效的原則，確定排水孔等效滲透系數(shù)，即將排水孔視為一種強(qiáng)滲透介質(zhì)，模擬其排水效果；通過調(diào)整排水孔的滲透系數(shù)，即可計(jì)算排水孔不同堵塞工況下的應(yīng)力場和滲流場。

如何真實(shí)反映富水巖質(zhì)高邊坡（下文簡稱邊坡）深層排水孔（下文簡稱排水孔）堵塞對邊坡穩(wěn)定性的影響，是筆者研究的重點(diǎn)。依托大灣溝2號深路塹邊坡工程，基于排水孔模擬的空氣單元法，利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，開展排水孔不同工況下的坡內(nèi)水位變化以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)研究，并計(jì)算各種堵塞工況下的安全系數(shù)，定量評價排水孔堵塞對邊坡穩(wěn)定性的影響，提出富水區(qū)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)新思路。

1 計(jì)算理論

1.1 滲流折射定律

由滲流基本理論可知，流體在不同介質(zhì)中的滲流速度不同，穿越不同介質(zhì)時滲流方向也會隨之改變。假設(shè)介質(zhì)Ⅰ的滲透系數(shù)為k1，介質(zhì)Ⅱ的滲透系數(shù)為k2，界面上某一點(diǎn)附近的滲透速度和水頭在兩介質(zhì)中的值依次為v1、v2和H1、H2；v1、v2與分界面法向夾角分別為θ1、θ2，圖1為滲流折射示意圖。界面上按照水頭相等和法向分速度相等的原則，其滲流折射定律為[15]

tan θ1tan θ2=k1k2（1）

從式（1）可以看出，折射角θ2隨k2增大而增大，k2k1時，θ2接近90°，表明強(qiáng)滲透介質(zhì)可以改變滲流的方向從而達(dá)到導(dǎo)水的目的。基于上述理論，采用空氣單元法模擬排水孔的排水效果，若k1、k2分別表示巖體和排水孔的滲透系數(shù)，在k2從等效滲透系數(shù)逐漸減小過程中，排水孔的排水作用不斷減弱，這一過程物理可描述為排水孔的堵塞過程；當(dāng)k2=k1時，排水孔成為和巖體一樣的弱透水介質(zhì)，表明排水孔堵塞失效。

1.2 邊坡巖體滲透系數(shù)

巖體的滲透系數(shù)與飽和度、孔隙水壓力相關(guān)，為研究三者之間的關(guān)系，學(xué)者們提出了多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，其中，經(jīng)典Van Genuchten模型在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[16]，其表達(dá)式為

式中：θ為體積含水率；θr為殘余含水率；θs為飽和含水率；h為水頭高度；Ks為飽和滲透系數(shù)；m、n為水力學(xué)特征曲線形狀參數(shù)。模型中有4個獨(dú)立的參數(shù)：殘余含水率θr、飽和含水率θs、經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)a和n。已有人[1719]對這些參數(shù)取值進(jìn)行過研究，并針對不同性質(zhì)的巖層給出了一系列經(jīng)驗(yàn)值。

1.3 巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測定的粘聚力、摩擦角一般為巖石的強(qiáng)度參數(shù)，實(shí)質(zhì)上巖體本身存在節(jié)理和裂隙，需要參數(shù)進(jìn)行修正。修正的方法為：在一定范圍內(nèi)，按照HoekBrown （HB）強(qiáng)度準(zhǔn)則和MohrCoulomb （MC）強(qiáng)度準(zhǔn)則覆蓋的面積相等的原則（見圖2），選取相應(yīng)的最大圍壓上限σ3max和抗拉強(qiáng)度σt，然后在（σt， σ3max）范圍內(nèi)基于MC強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合。表達(dá)式為[20]

1.4 安全系數(shù)

邊坡的失穩(wěn)常常是由于外界因素的影響導(dǎo)致邊坡巖體的力學(xué)性質(zhì)改變，工程實(shí)踐表明，利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)是一種較合理的方法，已被國際工程界廣泛認(rèn)可。當(dāng)強(qiáng)度折減時，將巖體的粘聚力和摩察角同時折減后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，折減的方法為[21]

τ=c′+σtan φ′ （6）

式中：c′、φ′分別為折減后的巖體粘聚力和摩察角，其起算格式為

c′=cFstan φ′=tan φFs （7）

式中：Fs為達(dá)到極限平衡狀態(tài)的折減系數(shù)，即安全系數(shù)，數(shù)值計(jì)算中，定義特征點(diǎn)位移發(fā)生突變時的折減系數(shù)為安全系數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 工程概況

以大灣溝2號深路塹邊坡工程為依托，工程地點(diǎn)巖層分為兩層：第1層為粉質(zhì)黏土，黃褐色，厚約1 m；第2層為微風(fēng)化灰?guī)r，深灰色、淺肉紅色，厚層狀構(gòu)造；方解石脈發(fā)育，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面富有鐵質(zhì)；巖芯局部溶蝕、溶隙發(fā)育。

邊坡分為4級，從下往上依次是1級、2級、3級和4級，坡度依次是1∶0.75、1∶0.5、1∶0.5、1∶0.5。各級邊坡高度均為10 m。邊坡最大高度43.3 m。由于地下水位較高，第1、2、3級邊坡設(shè)平孔排水，每級邊坡設(shè)兩層排水孔，長度為15 m，仰角為10°，橫向布置間距為6 m，排水孔直徑為100 mm，采用FH100軟式透水管，在靠近出水口距離60 cm長度范圍內(nèi)用粘性土或止水材料堵塞鉆孔與排水孔之間的空隙。邊坡開挖后及時進(jìn)行防護(hù)封閉，以防止表層巖體風(fēng)化剝落。

邊坡以框架式格構(gòu)（下文簡稱格構(gòu)）和錨桿共同作為邊坡的支護(hù)體系，格構(gòu)橫梁間距為2.5 m，豎梁間距為3 m，底部采用M7.5漿砌片石進(jìn)行鑲邊，格構(gòu)斷面采用0.3 m × 0.3 m鋼筋混凝土；錨桿為全長粘結(jié)式結(jié)構(gòu)，采用Φ25螺紋鋼筋制作，與水平面成23°夾角，錨固于格構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)位置。

2.2 數(shù)值模型

利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行滲流場與應(yīng)力場耦合分析，取邊坡延伸方向6 m進(jìn)行三維數(shù)值建模。整個模型尺寸大小為100 m（長） × 6 m（寬）× 77 m（高），巖體和排水孔采用C3D8RP孔壓單元，格構(gòu)采用C3D8R三維應(yīng)力單元，錨桿采用T3D2嵌入式桁架單元。三維模型見圖3。

模型中巖體為服從MC屈服準(zhǔn)則與非關(guān)聯(lián)流動法則的理想彈塑性材料，格構(gòu)支護(hù)采用DruckerPrager （DP）理想彈塑性模型，排水孔和錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)視為理想線彈性體。邊界條件為：坡面及路面為自由邊界，模型左右兩側(cè)以及邊坡延伸方向施加法向約束，模型底部約束所有方向的自由度，地下水位采用定水頭邊界。模型計(jì)算參數(shù)見表1。

根據(jù)工程勘察地質(zhì)報告，由室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)、礦物組成和不連續(xù)面描述確定巖石的強(qiáng)度參數(shù)，其中mb=2.923、s=0.006 3、a=0.502；經(jīng)計(jì)算可得，巖體的粘聚力為4.168 MPa，內(nèi)摩擦角為35.23°。

計(jì)算中涉及的邊坡巖體滲透系數(shù)、飽和度和孔隙水壓力之間的關(guān)系利用Van Genuchten模型擬合得到，結(jié)合已有研究成果和工程實(shí)際情況，4個擬合參數(shù)的取值為：殘余含水率θr為0.057，飽和含水率θs為0.269，經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)a、n分別為0.023、3441，將擬合結(jié)果繪制成曲線，如圖4所示。

3 等效滲透系數(shù)確定

采用等效的方法模擬排水孔的排水效果，實(shí)質(zhì)是利用強(qiáng)滲透性介質(zhì)的強(qiáng)導(dǎo)水作用，只需確定排水孔的等效滲透系數(shù)，便可模擬排水孔的排水效果，并用于后續(xù)堵塞工況分析。為得到排水孔等效滲透系數(shù)，操作流程為：首先按照正常排水條件計(jì)算邊坡的滲流場，即排水孔單元不參與數(shù)值計(jì)算，僅在排水孔內(nèi)賦予排水邊界；然后利用空氣單元法模擬排水孔，即賦予排水孔單元較大的滲透系數(shù)。兩種方法各得出一個地下水位線，對兩種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，然后調(diào)整排水孔滲透系數(shù)，直至兩種方法計(jì)算得出的地下水位線近似重合，此時對應(yīng)的排水孔滲透系數(shù)即為等效滲透系數(shù)。

基于坡內(nèi)水位等效的原則，確定排水孔等效滲透系數(shù)，詳細(xì)計(jì)算過程見文獻(xiàn)[14]。排水孔正常排水工況下，等效滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.475 m/s。圖5為邊坡不排水與排水狀況的孔隙水壓力云圖。

由計(jì)算結(jié)果可知，不設(shè)排水孔時，坡內(nèi)地下水位呈一個近似水平面；計(jì)入排水孔的作用后，靠近排水孔附近坡內(nèi)地下水位顯著降低；取邊坡的一個橫斷面進(jìn)行分析，坡內(nèi)水位線整體上呈近“S”曲線，最低水位出現(xiàn)在一級邊坡下部排水孔孔口附近。圖6為邊坡局部排水孔流速矢量圖，由圖6可以看出，巖體內(nèi)滲流方向指向排水孔，并通過排水孔排出坡體，說明上述

圖6 局部排水孔流速矢量圖

Fig.6 Vector diagram local drainage holes[] 方法模擬邊坡排水過程能達(dá)到預(yù)期效果。然而，排水孔在長期排水過程中，不可避免地會出現(xiàn)不同程度的堵塞，有必要研究排水孔堵塞對邊坡穩(wěn)定性的影響。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

4.1 地下水位分析

在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，賦予排水孔相應(yīng)的滲透系數(shù)，模擬不同堵塞工況。為了便于描述排水孔的堵塞狀態(tài)，引入相對滲透系數(shù)R的概念[13]，其表達(dá)式為

R=k2k1（8）

式中：k1、k2分別為巖體和排水孔的滲透系數(shù)。此外，定義排水孔堵塞系數(shù)B，用以反映排水孔的堵塞程度，其表達(dá)式為

B=1-lg Rlgkmk1（9）

式中：km為排水孔正常排水情況下的等效滲透系數(shù)；B在物理上可表示為排水孔的堵塞狀態(tài)，變化范圍是0～1，0和1分別表示排水孔正常排水和堵塞失效的工況；從0到1變化反映排水孔堵塞程度逐漸增大的過程。不同的堵塞系數(shù)B，對應(yīng)于不同的排水孔滲透系數(shù)，排水孔單元滲透系數(shù)減小，則其中的滲流速度也相應(yīng)地減小，宏觀上表現(xiàn)為排水量減小，這與排水孔堵塞的實(shí)質(zhì)相吻合。為了便于后續(xù)研究，每一種工況都將所有排水孔的滲透系數(shù)賦予相同的值，由滲流折射定律可知，各排水孔在同一工況下堵塞程度相同。

計(jì)算出排水孔在不同堵塞工況的地下水位后，取一個橫斷面，繪制不同堵塞系數(shù)對應(yīng)的坡內(nèi)地下水位曲線，得出圖7所示的結(jié)果。從下往上依次對應(yīng)排水孔堵塞系數(shù)B逐漸增大的地下水位曲線。由圖7可見，隨排水孔堵塞程度增大，坡內(nèi)地下水位明顯上升；比較排水孔正常排水和完全堵塞兩種工況，坡表水位由1級邊坡上升至3級邊坡，水位變化最大為21.15 m，約為邊坡總體高度的一半。由此可見，排水孔堵塞對坡內(nèi)地下水位的影響不容忽視。

以坡表孔隙水壓力變化作為輔助分析，深入探究這一問題。在1級邊坡臨空面上取兩個橫向監(jiān)控路徑，分別位于排水孔上方，將沿路徑的距離表述為格構(gòu)的橫向跨度D。記錄監(jiān)控路徑上各點(diǎn)在不同堵塞工況下的孔隙水壓力，圖8為監(jiān)控路徑示意及孔隙水壓力變化圖。

圖8中，從下往上依次是排水孔堵塞系數(shù)逐漸增大過程中路徑上孔隙水壓力曲線。從圖8可以直觀地看出，兩個路徑的結(jié)果表現(xiàn)出一些相似的規(guī)律。堵塞系數(shù)增大，臨空面上孔隙水壓力增加較為明顯；此外，在排水孔孔口附近，兩個路徑上的孔隙水壓力均出現(xiàn)突變，尤其在路徑2上出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，進(jìn)一步證明了排水孔對坡體的排水降壓作用。

由路徑2的計(jì)算結(jié)果可知，隨排水孔堵塞系數(shù)增大，排水孔周圍坡表的孔隙水壓力由負(fù)值過渡為正值，說明排水孔正常排水工況下，坡表水位位于2號排水孔之下；隨排水孔堵塞程度的發(fā)展，臨空面上的孔隙水壓力增加，最后發(fā)展到正壓狀態(tài)，表明坡表水位上升到2號排水孔上部，這與圖8的坡內(nèi)水位變化結(jié)果吻合。

4.2 格構(gòu)變形響應(yīng)

設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)是邊坡穩(wěn)定的重要保障，支護(hù)結(jié)構(gòu)與邊坡巖體相互作用，相互制約，可用支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化間接表現(xiàn)巖體的變形。由于多級邊坡的特殊性，坡面各點(diǎn)的位移變化特征在數(shù)值上與方向上均呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

取邊坡一個橫斷面（位于兩列排水管中間位置），分析排水孔堵塞后邊坡整體水平位移。將排水孔堵塞工況下各點(diǎn)水平位移繪制成等值線圖，結(jié)果如圖9所示。坡趾區(qū)域?yàn)閹r體最大水平位移的位置；在坡面上，從坡趾往上，水平位移遞減，在邊坡巖體頂部出現(xiàn)了反方向的位移，整個坡體形成了一個“順時針”旋轉(zhuǎn)的下錯變形機(jī)制。由此可以證明，接近坡趾剪出口部位的巖體最容易發(fā)生破壞，這與Cao等[22]的計(jì)算結(jié)果基本一致，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行格構(gòu)變形響應(yīng)分析。

從邊坡格構(gòu)支護(hù)的水平位移UX和豎向位移UY兩個角度出發(fā)，研究排水孔堵塞對邊坡格構(gòu)支護(hù)位移的影響。取3種排水孔工況進(jìn)行分析，工況1：正常排水（B=0）；工況2：局部堵塞（B=0.5）；工況3：完全堵塞（B=1）。每一級邊坡格構(gòu)上分別建一條監(jiān)控路徑，記錄各點(diǎn)位移，圖10為所取路徑示意圖。取格構(gòu)的一個豎梁，按箭頭所示方向從底部到頂部建立路徑。每級邊坡均在相同位置建立路徑，取1級邊坡格構(gòu)作為示意。位移計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

從整體上看，格構(gòu)水平位移從下往上依次減??；排水孔堵塞對各級格構(gòu)水平位移的影響順序?yàn)椋?級>2級>3級、4級（由于3級和4級邊坡格構(gòu)變化較小，故不做單獨(dú)比較）。對于1級邊坡格構(gòu)，最大水平位移位于格構(gòu)中部，說明1級邊坡巖體最大位移出現(xiàn)在1級邊坡中部剪出口位置，并且隨著排水孔堵塞系數(shù)增大，這種現(xiàn)象表現(xiàn)更為顯著。其原因是，邊坡開挖后坡腳巖體的抗力不足，排水孔堵塞又導(dǎo)致坡內(nèi)地下水位抬升，進(jìn)而邊坡巖體下滑力增大，因此，不難解釋坡趾水平位移增大的現(xiàn)象；對于2級邊坡格構(gòu)，隨邊坡高度的增加，排水孔堵塞對格構(gòu)水平位移的影響逐漸減小。這是因?yàn)椋潘渍Ｅ潘r下，地下水位在2級邊坡之下，隨排水孔堵塞的發(fā)展，地下水位先上升到2級邊坡底部，使得底部水平位移增大，水位持續(xù)抬升，2級邊坡上部巖體水平位移也受其影響而增大，但相比于下部巖體，這種影響并不明顯；對于3級和4級邊坡格構(gòu)，排水孔堵塞對其水平位移的影響較小，與1級和2級邊坡不同的是，在3級邊坡格構(gòu)上部，排水孔堵塞后格構(gòu)水平位移減小，這是因?yàn)?，排水孔完全堵塞后，坡表水位?級邊坡格構(gòu)中部，導(dǎo)致其下部巖體和格構(gòu)的水平位移增大，潛在滑體下錯變形導(dǎo)致上部巖體和格構(gòu)產(chǎn)生了方向變形。

與水平位移不同，隨排水孔堵塞系數(shù)增大，各級格邊坡構(gòu)的豎向位移減小。從圖中可知，格構(gòu)豎向位移與排水孔堵塞系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是由于排水孔堵塞導(dǎo)致坡內(nèi)地下水位抬升，坡內(nèi)孔隙水壓力增加與巖體吸水體積膨脹二者共同作用，從而使邊坡巖體的豎向位移出現(xiàn)了反向增長。需要指出的是，這并非說明邊坡的穩(wěn)定性更佳，相反，這會導(dǎo)致邊坡巖體的變形程度惡化，對邊坡的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。

綜合以上分析結(jié)果可知，邊坡的最不利位置為坡趾剪出口附近巖體，位移有較大程度的增長，因此，在支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)加強(qiáng)1級邊坡格構(gòu)支護(hù)強(qiáng)度。

4.3 錨桿軸力分析

以上分析僅僅是從表層支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的角度闡述排水孔堵塞的影響，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析排水孔堵塞對錨桿的影響，研究排水孔堵塞對邊坡深部巖體的危害。提取3個典型位置的錨桿作為研究對象，1#和2#錨桿分別位于1級邊坡的底部和頂部，3#錨桿位于2級邊坡的頂部。將排水孔不同堵塞工況的錨桿軸力結(jié)果繪制成曲線，圖12為不同堵塞工況下的錨桿軸力變化曲線以及所取典型錨桿的示意圖。

由圖12可知，排水孔堵塞對錨桿軸力的影響顯著，不僅表現(xiàn)在數(shù)值上，也表現(xiàn)在最大軸力出現(xiàn)的位置。在數(shù)值上，3根錨桿在排水孔完全堵塞狀態(tài)相對于正常排水狀態(tài)分別提高了35.14%、44.95%和44.45%。其原因是，巖體內(nèi)部地下水位上升導(dǎo)致邊坡巖體內(nèi)部變形增大，使得錨桿的軸力亦隨之增大；從宏觀上看，1號、2號和3號錨桿最大軸力分別出現(xiàn)在離坡面約1、3、9 m的位置，對應(yīng)于示意圖中的A、B、C點(diǎn)。隨著排水孔堵塞系數(shù)增大，最大錨桿軸力對應(yīng)的位置向邊坡深部巖體發(fā)展，圖中虛線對應(yīng)最大軸力。由葉海林等[23]的研究結(jié)果可知，錨桿軸力最大的點(diǎn)對應(yīng)于潛在滑動面的位置。因此，可用一系列錨桿的最大軸力點(diǎn)定性判斷邊坡的潛滑動面范圍，由圖中最大軸出現(xiàn)的位置變化可知，潛在滑動面沿坡趾剪出口向坡內(nèi)延伸，且在排水孔堵塞后，有向巖體內(nèi)部擴(kuò)展的態(tài)勢。

隨排水孔堵塞系數(shù)增大，3根錨桿軸力變化也呈現(xiàn)出了不同的規(guī)律。1#和2#錨桿的軸力均表現(xiàn)為中間大兩邊小，而3#錨桿的軸力沿路徑方向增大后并沒有出現(xiàn)明顯的下降；在數(shù)值上，3#錨桿的軸力明顯小于1#錨桿和2#錨桿，說明3#錨桿軸力沒有得到較好發(fā)揮；此外，3#錨桿處于工況1和工況2時，靠近坡面的位置軸力大致相等，這是因?yàn)椋谶@兩種工況下，地下水位均在3#錨桿之下，因此，靠近坡面的錨桿段在這兩種工況下軸力并無太大差異；而對于遠(yuǎn)離坡面的錨桿段，在工況2時位于地下水位之下，所以，排水孔堵塞后，該錨桿段軸力變化較顯著。

綜上所述，在富水區(qū)宜適當(dāng)增加錨桿長度，尤其是邊坡上部錨桿，確保其錨固范圍穿越潛在滑動體的范圍，較大限度發(fā)揮其錨固效果。

4.4 邊坡安全系數(shù)

利用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，研究排水孔堵塞程度與邊坡安全性的關(guān)系。計(jì)算中，取一個坡頂節(jié)點(diǎn)的位移變化為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)坡頂節(jié)點(diǎn)位移發(fā)生突變，則此時對應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)即是邊坡的安全系數(shù)，將不同堵塞系數(shù)下的安全系數(shù)繪制成曲線如圖13所示。

的安全性。

5 結(jié)論

建立了考慮邊坡排水孔堵塞的邊坡穩(wěn)定性分析模型，利用數(shù)值方法研究邊坡排水孔不同堵塞工況下的坡內(nèi)地下水位和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，探討了排水孔堵塞對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到如下結(jié)論：

1）高邊坡排水孔堵塞后，坡內(nèi)地下水位顯著抬升，一方面會導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)劣化，另一方面增大邊坡巖體的下滑力，嚴(yán)重威脅邊坡的穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

2）格構(gòu)支護(hù)的變形響應(yīng)受排水孔堵塞的影響顯著，主要表現(xiàn)為：邊坡最危險位置為坡趾剪出口附近巖體。坡趾剪出口位置出現(xiàn)了較大的側(cè)向位移，有向外擠出的趨勢，排水孔堵塞后，這種特征表現(xiàn)更加明顯。

3）排水孔堵塞后，錨桿軸力有較大幅度的增長，位于自由水面下的錨桿段尤為顯著；排水孔堵塞后，錨桿最大軸力對應(yīng)的位置向邊坡巖體深部發(fā)展，表明邊坡潛在滑體有向巖體內(nèi)部漸進(jìn)擴(kuò)展的趨勢。

4）排水孔堵塞后，邊坡的安全系數(shù)有大幅度的降低，尤其是排水孔接近完全堵塞狀態(tài)時，排水孔堵塞會造成邊坡安全系數(shù)的急劇減小，嚴(yán)重威脅邊坡的安全性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

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（編輯 胡英奎）