不同水位下降速度下的砂性土堤邊坡穩(wěn)定性研究

劉發(fā)智，韓 雷，王理想

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

堤防是在汛期河流上最普遍的防洪工程，它對(duì)保護(hù)堤后城鎮(zhèn)居民及財(cái)產(chǎn)安全具有重要的作用。堤防在汛期經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期浸泡，當(dāng)江河水位下降過(guò)快時(shí)形成不利于邊坡穩(wěn)定的非穩(wěn)定滲流，容易導(dǎo)致上游邊坡失穩(wěn)，引起工程災(zāi)害。近年來(lái)，水位降落過(guò)程中堤防上游邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1]。因此，對(duì)水位下降期堤防穩(wěn)定性研究具有重要的工程意義。

關(guān)于堤防穩(wěn)定性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了一系列重要成果。賈官偉等[2]通過(guò)大型模型試驗(yàn)，探究了水位驟降引起的堤防邊坡失穩(wěn)的原因與模式。段祥寶等[3]通過(guò)寬槽和窄槽的模型試驗(yàn)，模擬了洪峰過(guò)程中堤岸的非穩(wěn)定滲流過(guò)程。劉世凱等[4]對(duì)長(zhǎng)江中下游重點(diǎn)堤防進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：水位突降時(shí)堤防易出現(xiàn)滑坡。朱濤等[5]通過(guò)geo-studio軟件對(duì)堤防在洪水位變化過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。對(duì)于不同水位降速情況下堤防邊坡穩(wěn)定性的研究較少，還有待進(jìn)一步研究。

本文通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，模擬堤防經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高水位浸泡后不同降速過(guò)程，利用高精度傳感器、地形測(cè)量系統(tǒng)，觀測(cè)堤防內(nèi)部滲流場(chǎng)自由面、孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩(wěn)定性。

1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)裝置

1.1 模型設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)用土性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用土料取自松花江某段堤防，根據(jù)堤防巖土工程勘察報(bào)告和試驗(yàn)資料，土樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50123—1999)的要求進(jìn)行試驗(yàn)，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用土主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.1.2 模型比尺

本次試驗(yàn)將松花江某段堤防斷面作為模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)斷面，按幾何比尺1∶10進(jìn)行縮放布置于1.0 m寬的試驗(yàn)水槽中。斷面模型堤頂寬0.8 m，堤底寬4.7 m，堤身高0.6 m，迎水坡坡比為1∶3，背水坡坡比為1∶3.5。模型試驗(yàn)應(yīng)使模型與原型之間保持基本相似，即幾何相似和動(dòng)力相似。前者指保持模型與原型間一定大小的長(zhǎng)度比尺關(guān)系，而后者指保持模型中的滲流場(chǎng)符合達(dá)西定律。確定模型比尺如下：

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)?zāi)M堤防在經(jīng)過(guò)超設(shè)計(jì)洪水位長(zhǎng)期浸泡之后水位下降對(duì)堤防穩(wěn)定性的影響。根據(jù)V1=10k/u和V2=60k/u為判斷水位驟降和緩降界限，土樣滲透系數(shù)k=0.04 cm/s，計(jì)算出水位驟降速度為V>0.632 cm/s，水位緩降速度為V<0.001 cm/s。本文將驟降與緩降之間的降速定義為快降。本次試驗(yàn)?zāi)M水位下降速度為V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s、V=0.694 cm/s等，包含了驟降、快降、緩降的三組工況，降水高度為0.5 m，對(duì)應(yīng)的降水時(shí)間分別為1140 s、92 s、72 s。

1.3 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)設(shè)備主要包括模型試驗(yàn)箱、地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

試驗(yàn)箱由調(diào)水裝置和試驗(yàn)槽兩部分組成，兩者通過(guò)管道連接。通過(guò)調(diào)水裝置調(diào)節(jié)水位下降的速度，控制水位變化。試驗(yàn)槽尺寸為6.0 m×1.0 m×1.3 m(長(zhǎng)×寬×高)，四壁采用 12 mm 厚的鋼化玻璃制作，便于觀察模型水槽內(nèi)堤壩的破壞情況，四周采用厚度為10 mm、寬度為100 mm的角鋼進(jìn)行支撐固定。在水槽的鋼化玻璃一側(cè)安裝有紫銅管, 外接測(cè)壓管, 測(cè)量坡體內(nèi)部的瞬時(shí)孔隙水壓力,如圖1所示。

圖1 模型箱示意圖

地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(TTMS)基于先進(jìn)的超聲測(cè)距技術(shù)、智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)，非接觸式測(cè)量，不影響床面；最小步進(jìn)速度為1 cm/s，測(cè)量精度為1 mm，誤差較小。地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成，主要進(jìn)行孔隙水壓力的自動(dòng)采集。在堤防模型內(nèi)部埋設(shè)了6個(gè)滲壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)孔隙水壓力變化過(guò)程。傳感器布置如圖3所示。

圖2 地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

圖3 傳感器布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流場(chǎng)特性

V=0.694 cm/s和V=0.044 cm/s工況水位降落時(shí)自由面變化情況如圖4所示。在水位驟降和快降情況下,堤防邊坡內(nèi)孔隙水壓力消散速度比坡外水位的降落速度相對(duì)滯后,滯留在邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力改變滲流場(chǎng)形態(tài)。滲流自由面在堤防內(nèi)部形成凸形分水嶺,分水嶺上游側(cè)滲流是向上游邊坡方向,分水嶺下游側(cè)的滲流方向是向下游側(cè)的。水位降落速度越快孔隙水壓力滯后于坡前水位越明顯，形成的自由面形狀越突出，坡體內(nèi)部孔隙水壓力與靠近坡面處孔隙水壓力差值越大，滲透坡降越大。

圖4 滲流瞬時(shí)自由面變化過(guò)程

2.2 孔隙水壓力變化

在模型不同深度布置了孔隙水壓力傳感器，監(jiān)測(cè)模型孔隙水壓力，分析不同降速條件下，堤防模型的孔隙水壓力變化情況。當(dāng)V=0.694 cm/s工況堤防不同深度孔隙水壓力變化情況如圖5所示，同一位置不同降速孔隙水壓力變化情況如圖6所示。

圖5 V=0.694 cm/s工況孔隙水壓力變化

圖6 不同降速S1#傳感器孔隙水壓力變化

在水位下降過(guò)程中，堤防內(nèi)部孔隙水壓力隨著坡外水位的下降而下降。當(dāng)V=0.694 cm/s工況的坡外水位下降到坡底時(shí)，此時(shí)S3#、S4#、S5#、S6#傳感器實(shí)測(cè)得孔隙水壓力下降值約為0.75 kPa、0.79 kPa、0.39 kPa、0.04 kPa，均小于水位下降引起的坡外水位水壓力下降值5.00 kPa，表明坡體內(nèi)部的孔隙水壓力變化明顯慢于坡外的孔隙水壓力變化。而且靠近坡面處的孔隙水壓力下降的幅度明顯大于坡體內(nèi)部的孔隙水壓力下降的幅度，說(shuō)明堤防存在明顯的坡體內(nèi)部指向坡外的滲流，這是引起滑坡的重要原因。在V=0.044 cm/s、V=0.544 cm/s兩個(gè)工況中同樣存在坡體內(nèi)部指向坡外的滲流。

從圖6可以看出，堤防坡內(nèi)孔隙水壓力隨著坡外水位下降而下降，水位降速越快，孔隙水壓力下降越快。當(dāng)坡外水位下降到坡底時(shí)，孔隙水壓力下降速度開(kāi)始減緩，300 s后V=0.694 cm/s工況和V=0.544 cm/s工況孔隙水壓力基本相同，在1200 s后三組降速的孔隙水壓力最終趨于一致。說(shuō)明降速越快堤防內(nèi)外孔隙水壓力差越大，隨著時(shí)間增加，浸潤(rùn)線(xiàn)逐漸回落，土體內(nèi)部孔隙水壓力消散。

2.3 表面地形沉降

以迎水坡堤腳為原點(diǎn)，沿迎水坡向背水坡方向?qū)⒃囼?yàn)?zāi)Ｐ蛣澐譃?2個(gè)斷面，間隔距離20 cm。使用地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)堤防斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

通過(guò)地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞钪蠹八幌陆岛蠓謩e進(jìn)行地形測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果可以看出，見(jiàn)圖7，三組工況經(jīng)過(guò)水位下降后迎水坡由于內(nèi)外水頭差，形成方向指向坡外的滲透壓力，土體產(chǎn)生由坡面向下滑動(dòng)的趨勢(shì)。致使邊坡上部發(fā)生明顯沉降，其中V=0.694 cm/s工況最大斷面平均沉降0.56 cm，V=0.544 cm/s工況最大斷面平均沉降0.77 cm，V=0.044 cm/s工況最大斷面平均沉降0.19 cm。邊坡上部沉降的同時(shí)對(duì)底部土體產(chǎn)生擠壓，下部可以清晰的看到拱起，其中V=0.694 cm/s工況最大斷面平均拱起1.7 cm，V=0.544 cm/s工況最大斷面平均拱起0.4 cm，V=0.044 cm/s工況最大斷面平均拱起1.0 cm?？傮w來(lái)說(shuō)降速越快堤防坡面地形沉降變形越大，見(jiàn)圖8。

圖7 不同水位下降速度下堤防各斷面平均變形量

圖8 水位下降堤防平均變形示意圖(V=0.694 cm/s)

3 結(jié) 論

本文通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，模擬堤防經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高水位浸泡后不同降速過(guò)程，利用高精度傳感器、地形測(cè)量系統(tǒng)，觀測(cè)堤防內(nèi)部滲流場(chǎng)自由面、孔隙水壓力、坡面地形變化，分析堤防邊坡穩(wěn)定性。得到如下結(jié)論：(1)在水位驟降和快降情況下，堤防邊坡內(nèi)孔隙水壓力消散速度滯后于坡外水位的降落速度，在堤防內(nèi)部形成凸形分水嶺,分水嶺上游側(cè)滲流是向上游邊坡方向,分水嶺下游側(cè)的滲流方向是向下游側(cè)的。水位降落速度越快孔隙水壓力滯后于坡前水位越明顯，形成的自由面形狀越突出，坡體內(nèi)部孔隙水壓力與靠近坡面處孔隙水壓力差值越大，滲透坡降越大。

(2)在水位驟降和快降情況下,靠近坡面處的孔隙水壓力下降的幅度明顯大于坡體內(nèi)部的孔隙水壓力下降的幅度。降速越快堤防內(nèi)外孔隙水壓力差越大，隨著時(shí)間增加，浸潤(rùn)線(xiàn)逐漸回落，土體內(nèi)部孔隙水壓力消散。

(3)在水位驟降和快降情況下,迎水坡坡內(nèi)產(chǎn)生指向坡外的滲透壓力，土體出現(xiàn)由坡面向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，邊坡上部沉降的同時(shí)對(duì)底部土體產(chǎn)生擠壓，出現(xiàn)拱起。降速越快堤防坡面地形沉降變形越大。