水位驟降對(duì)下伏隧道堤防安全影響研究

曹 磊，易 宸，劉 娟，王江營(yíng)，劉思博

(1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410131；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.湖南建工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程速度不斷加快，現(xiàn)有地面交通逐漸無(wú)法滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的交通需求，解決交通需求迫在眉睫。目前，地鐵是一種解決城市交通問(wèn)題的有效措施之一[1-2]，隨著地鐵項(xiàng)目的不斷增多，地鐵建設(shè)將不可避免地穿越江河堤防，穿堤隧道的修建及地鐵運(yùn)營(yíng)將對(duì)堤防產(chǎn)生不利影響，而我國(guó)大量堤防工程歷史悠久，受到當(dāng)時(shí)施工條件限制，這些堤防在運(yùn)營(yíng)至今多數(shù)出現(xiàn)了一些不同程度的隱患[3-4]，穿堤隧道的修建將進(jìn)一步加劇堤防的險(xiǎn)情，甚至造成嚴(yán)重的工程事故。因此，研究穿堤隧道堤防安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)階段，已有部分學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于隧道穿堤的相關(guān)研究[5-8]，且主要集中在隧道開(kāi)挖對(duì)堤防的安全影響方面，而關(guān)于隧道運(yùn)營(yíng)階段的研究則相對(duì)較少，尤其是水位變化下下伏隧道堤防的安全影響方面的研究則更少。但在水位變化下，下伏隧道堤防將處于較不利工況下，分析該工況下的堤防安全對(duì)于下伏隧道工程施工和運(yùn)營(yíng)管理均具有重要的指導(dǎo)意義。

鑒于此，本研究基于有限元應(yīng)力計(jì)算對(duì)處于不同驟降速率下伏隧道堤防穩(wěn)定性進(jìn)行探討，同時(shí)結(jié)合邊坡穩(wěn)定分析獲得了堤岸在各個(gè)階段的安全穩(wěn)定系數(shù)。

1 工程概況

1.1 堤防及隧道基本特征

某堤防設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水，警戒水位36.00 m (黃海高程，下同)。加超高2.0 m，設(shè)防頂高程為38 m，城區(qū)側(cè)地面高程為36 m。堤防為由雜填土堆砌的土堤，堤頂寬5 m。迎水坡坡比1∶3。穿堤隧道洞徑6.2 m，施工采用地下盾構(gòu)掘進(jìn)的方式，穿越處地層主要為中風(fēng)化礫巖和少量泥質(zhì)粉砂巖，隧道下穿段地質(zhì)圖見(jiàn)圖1；隧道頂端距河床底部最小距離約9.3 m，距河堤埋深22 m～27 m。

圖1 地質(zhì)分布剖面圖

1.2 水位變化情況

長(zhǎng)沙地區(qū)年平均降水量為1 300 mm～1 500 mm，徑流與降水關(guān)系相關(guān)度較高，年均變化較大且分布不均。平均流量為2 100 m3/s，汛期為4月至9月，枯水期為10月至下年2月。水位變化較大，因此，針對(duì)汛期水位變化幅度較大時(shí)期進(jìn)行案例分析。

2 分析方法

2.1 堤防邊坡滲流原理

該堤防主要由填土組成，滲透系數(shù)相對(duì)較小，故洪水位的變化總先于滲流浸潤(rùn)線的變化，且屬于地下水富集地段的岸坡，洪水位突然降低時(shí)，堤防中水體沒(méi)有及時(shí)排出，洪水位低于浸潤(rùn)線最高點(diǎn)，極易形成超孔隙水壓力，造成土顆粒間的有效應(yīng)力降低[9]。與此同時(shí)，巖土體在高流速水的沖刷下又會(huì)減小其抗滑阻力，容易產(chǎn)生崩塌和滑坡。因此，洪水位變化是影響堤防邊坡穩(wěn)定的重要因素。

假定堤防土體中的水和氣滿(mǎn)足達(dá)西滲流條件，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可推出水-氣兩相滲流微分方程[10]，即：

(1)

(2)

式中:ρg、ρw分別為氣、水密度；kws為飽和水滲透系數(shù)，krg為氣相相對(duì)滲透系數(shù)；μg、μw分別為氣相、水相動(dòng)力黏度；qg、qw分別為氣相、水相的匯源項(xiàng)；sg、sw分別為氣、水飽和度；Hg、Hw分別為氣頭、水頭。

2.2 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

受剪破壞是土的主要破壞模式，抗剪強(qiáng)度參數(shù)是影響穩(wěn)定性的主要因素，也是壩坡穩(wěn)定性最為重要的計(jì)算參數(shù)。可利用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則與有效應(yīng)力表達(dá)飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)。氣的存在導(dǎo)致無(wú)法使用經(jīng)典飽和土力學(xué)理論。眾多學(xué)者據(jù)此提出了一些非飽和土體計(jì)算公式，其中應(yīng)用最為廣泛的是Fredlund的雙參數(shù)模型[11]:

τ′=c′+(σf+μa)ftanφ′+(μa+μw)tanφb

(3)

式中:τ′為土的抗剪強(qiáng)度；c′為土的有效黏聚力；(σf+μa)f為有效法向應(yīng)力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；(μa+μw)為基質(zhì)吸力；φb為吸力內(nèi)摩擦角。

由飽和土抗剪強(qiáng)度公式可以延伸出非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，非飽和土抗剪強(qiáng)度公式里用(σf+μa)f與(μa+μw)描述非飽和土抗剪強(qiáng)度?？墒怪^(guò)渡到飽和土的強(qiáng)度計(jì)算公式。

2.3 驟降速率對(duì)堤岸的影響效應(yīng)

促使滑坡變形發(fā)生的原因主要是水位在“陡升驟降”階段的變化。各國(guó)學(xué)者在判斷水位降低速率方面暫未得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)是以相對(duì)比值k/(μV)作為降低速率的判別依據(jù)。其中，V為上游水位降速，k、μ分別是土的滲透系數(shù)及給水度。

根據(jù)文獻(xiàn)[11-14]可將k/(μV)作為評(píng)判水位下降快慢的依據(jù)用于判定堤壩穩(wěn)定性。當(dāng)k/(μV)<1/10 時(shí)，堤體內(nèi)自由水面下降速率緩慢，可按庫(kù)水位驟降問(wèn)題分析，在計(jì)算堤防穩(wěn)定時(shí)需采用完全飽和土體；k/(μV)>10 時(shí)，壩體內(nèi)自由水面與庫(kù)水位同步下降，滲流對(duì)穩(wěn)定性無(wú)影響；1/1060時(shí)水位下降速度已不致影響壩坡穩(wěn)定性；k/(μV)>100時(shí)水位與自由面同步下降。

為給計(jì)算提供標(biāo)準(zhǔn)需要一個(gè)用于鑒別驟降與緩降的具體指標(biāo)。將上述整理變形可得當(dāng)水位下降速率V>10k/μ時(shí)發(fā)生驟降。計(jì)算堤防土體參數(shù)和水位驟降速度結(jié)果見(jiàn)表1?；趯?shí)際考慮取整數(shù)3×10-3cm/s，即V>3 m/d時(shí)，堤防水位驟降，應(yīng)對(duì)堤防進(jìn)行驟降滲透穩(wěn)定分析。此時(shí)穩(wěn)定分析的速率按實(shí)際計(jì)算所得水位驟降速率進(jìn)行計(jì)算。給水度μ的數(shù)值根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](GB 50286—2013)中估算取用。

表1 水位驟降參數(shù)

3 計(jì)算模型及物理力學(xué)參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

本文借助有限元分析軟件對(duì)某既有隧道堤防進(jìn)行建模分析，基于現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果及工程概況，對(duì)典型堤防段建立三維實(shí)體模型。按我國(guó)現(xiàn)有的水利、地鐵規(guī)范規(guī)定：工程等級(jí)為4級(jí)、5級(jí)的堤防工程護(hù)堤寬度范圍在5 m～30 m。模型水平方向向隧道兩側(cè)取8倍洞徑，共計(jì)50 m；模型垂直方向上由封頂管片向上取約6倍洞高，從河床底向上取約3倍洞高，豎向高程分別為38 m和21 m；隧底距模型底邊界2 m；模型垂直河流方向取93 m。共劃分19 258個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 467個(gè)單元。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定模型邊界條件：設(shè)定底層礫巖為不透水邊界；右側(cè)沿江風(fēng)光帶為透水邊界；左側(cè)河床區(qū)為透水邊界，自然水位與洪水位之間為水位高程與時(shí)間成線性的變水頭邊界；位于河床下1 m處為地下水位線，可視為定水頭邊界。堤防最高點(diǎn)橫剖面模型位移邊界條件如圖2所示。下伏隧道堤防建模在GTS軟件中進(jìn)行，建立的模型見(jiàn)圖3。

圖2 模型邊界示意圖

圖3 有限元計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

應(yīng)用GTS分析計(jì)算區(qū)域滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用時(shí)，應(yīng)給定圍巖滲透系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)裂隙采樣法計(jì)算的滲透系數(shù)與工程勘測(cè)報(bào)告資料，圍巖滲流場(chǎng)分析參數(shù)見(jiàn)表2。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)，湘江水位最大降幅為4 m/d，則從洪水位降至正常水位需3 d，由于滲流的滯后性，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)長(zhǎng)持續(xù)至7 d。根據(jù)飽和與非飽和滲流原理，以水位驟降速率3 m/d、4 m/d為例，分析水位下降至正常后的堤防滲流場(chǎng)。

表2 主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4.1 水位驟降對(duì)滲流的影響

在計(jì)算堤體降水過(guò)程中，最為關(guān)心的是浸潤(rùn)線的變化情況，圖4為各個(gè)階段浸潤(rùn)線位置的分布情況。初始浸潤(rùn)線為軟件自動(dòng)計(jì)算所得，從上至下第一條為設(shè)防水位穩(wěn)定滲流期的浸潤(rùn)線，依次向下各條為以不同速率驟降后的瞬態(tài)滲流場(chǎng)浸潤(rùn)線。

圖4 不同驟降速率下堤防滲流場(chǎng)

由圖4可知：(1) 由于淤泥質(zhì)土中存在大量黏土且滲透系數(shù)較小，因此淤泥質(zhì)土中的水位在其底部；(2) 地下水在堤內(nèi)流動(dòng)時(shí)，浸潤(rùn)線位置隨降水時(shí)間越來(lái)越低，且水位驟降速率越大，堤內(nèi)浸潤(rùn)線變化范圍越大；(3) 浸潤(rùn)線斜率在水位下降期逐補(bǔ)增大，至最后浸潤(rùn)線與河水位基本重合，直到形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)；(4) 浸潤(rùn)線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)前部浸潤(rùn)線隨堤外水位而變化，成連續(xù)水位線；(5) 堤外水面明顯低于坡內(nèi)水位線，堤內(nèi)水位產(chǎn)生向堤水力梯度，滲透力指向岸邊；(6) 水位驟降速率越快，堤內(nèi)外水位差越大，產(chǎn)生的向堤動(dòng)水壓力越大，對(duì)迎水坡穩(wěn)定越不利。

4.2 水位驟降對(duì)堤岸穩(wěn)定的影響

導(dǎo)致堤身浸潤(rùn)線變化區(qū)土體的孔隙水壓力變化跟不上水位的變化從而出現(xiàn)滯后現(xiàn)象的原因是堤前水位的迅速變化，這使堤內(nèi)土體的受力變得復(fù)雜，從而影響堤岸穩(wěn)定性。因此，在飽和與非飽和滲流分析基礎(chǔ)上分別對(duì)處于正常水位情況下和水位驟降情況下的堤防進(jìn)行堤防穩(wěn)定性計(jì)算，求得滑動(dòng)破壞面如圖5所示。

圖5 不同情況下堤防穩(wěn)定

圖5(a)為天然狀態(tài)下堤防滑坡穩(wěn)定性示意圖，未發(fā)生水位驟降正常水位下的堤防，堤防穩(wěn)定性系數(shù)為1.173 5，且滑裂面并不明顯，當(dāng)發(fā)生水位驟降由37 m以4 m/d的速度下降3 d后如圖5(b)，堤防穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.1153且還有繼續(xù)下降的趨勢(shì)。將下降速率3 m/d、4 m/d各個(gè)不同水位下堤防穩(wěn)定性系數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 不同驟降速率下各不同水位堤防穩(wěn)定性系數(shù)

由表3可知：(1) 在水位驟降過(guò)程中，堤防穩(wěn)定性系數(shù)隨水位降低而迅速減小；(2) 水位驟降速率越大，堤防穩(wěn)定性系數(shù)低越快；(3) 同一水位下，驟降速率越小的堤防穩(wěn)定系數(shù)要大于驟降速率較大的堤防。

5 結(jié) 論

(1) 水位驟降時(shí)，堤防內(nèi)的水位的變化總是快于浸潤(rùn)線，形成流向堤外的超孔隙水壓力與滲流，對(duì)上游側(cè)堤防的穩(wěn)定不利，堤防應(yīng)根據(jù)邊坡穩(wěn)定情況確定適宜的水位下降時(shí)間過(guò)程。

(2) 水位迅速驟降至正常水位時(shí)，滑坡穩(wěn)定性與暫態(tài)滲流浸潤(rùn)線和滑坡結(jié)構(gòu)有關(guān)。計(jì)算表明，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的變化是由大變小的。

(3) 汛期洪水會(huì)在堤身淺層非飽和區(qū)域形成暫飽和區(qū)域，當(dāng)水位驟降時(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致淺層填埋土的抗剪強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致堤防穩(wěn)定性降低。

綜上，即便每次水位升、降循環(huán)作用下的對(duì)堤防的損傷效果可能不是很明顯，但長(zhǎng)年累月重復(fù)作用下?lián)p傷效果可能會(huì)產(chǎn)生疊加發(fā)展，可能導(dǎo)致穩(wěn)定堤防朝著不穩(wěn)定方向發(fā)展。