水位變化對砌石坡岸遺址穩(wěn)定性的影響

孫 博，彭寧波，王逢睿，申喜旺

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，蘭州 730000;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730003;3.上海大學(xué)文化遺產(chǎn)保護(hù)基礎(chǔ)科學(xué)研究院，上海 200444;4.淮陰工學(xué)院建筑工程學(xué)院，淮安 223001)

地表徑流、地下水和潮濕的環(huán)境對遺址有著巨大影響，導(dǎo)致遺址破壞嚴(yán)重，消亡速度很快[1]。隨著水庫、河水等水位上升及周期性漲落，岸坡巖土體在水的作用下軟化，波浪對岸坡沖刷搬運(yùn)、庫水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用，導(dǎo)致岸坡工程地質(zhì)條件發(fā)生變化，國內(nèi)外因庫水水位變化誘發(fā)的滑坡、崩塌災(zāi)害并不鮮見[2]。中國存在大量的處于降雨量大、地下水位淺的環(huán)境中的文化遺產(chǎn)，特別對于沿河岸建造的水利文化遺產(chǎn)，其所處的工程地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，存在較大隱患，嚴(yán)重威脅了文物及人員財產(chǎn)安全。

現(xiàn)有研究表明，河流水庫或地下水的水位變化對于岸坡的穩(wěn)定性具有較大影響[3-6]。廖紅建等[7]對不同滲透系數(shù)土質(zhì)邊坡在庫水位下降速率變化下的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計算和分析，計算了在庫水位下降期間，不同滲透系數(shù)滑坡體的穩(wěn)定性受庫水位下降速率影響的變化規(guī)律。朱冬林等[8]在庫水位與滑坡穩(wěn)定性一般規(guī)律的分析基礎(chǔ)之上，對某水庫滑坡進(jìn)行了考察，研究了初期蓄水過程中滑坡的位移動態(tài)和代表性測點(diǎn)位移的規(guī)律，并對庫岸邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測。董金玉等[9]利用巖土數(shù)值分析FLAC3D軟件，考慮了堆積體與基巖基覆接觸帶介質(zhì)的應(yīng)變軟化特性，對水庫蓄水和下降過程中邊坡的變形破壞特征進(jìn)行了分析預(yù)測。盧向濤等[10]以苗尾水電站大溜槽岸坡在暫態(tài)水位變化作用下的變形為例，發(fā)現(xiàn)受庫水位變動及降雨等條件的影響，庫岸邊坡坡體內(nèi)暫態(tài)上層滯水位和暫態(tài)潛水位會產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而引發(fā)岸坡出現(xiàn)各種地質(zhì)災(zāi)害。中村浩之等[11]對日本滑坡進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明，近六成滑坡發(fā)生在庫水位驟降時期，其余四成發(fā)生在水位上升時期，包括蓄水初期；浸水和庫水位急劇降低和降雨是水庫滑坡形成的主要因素。郭志華等[12]研究了庫水位下降速度、下降時間和滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響，得到庫水位下降速度越大，滑弧深度越大，安全系數(shù)隨水位降低和下降時間的增加呈先減小后增加的趨勢。劉新榮等[13]研究發(fā)現(xiàn)水位變化對于坡岸巖土體的影響包括：①巖土體軟化，性質(zhì)降低；②動水壓力和靜水壓力；③超孔隙水壓力；④沖刷剝蝕作用等。

不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有成果中的研究對象很多針對大型水庫的庫岸邊坡，其體量較大，且水庫蓄水的水位變化多以10 m的數(shù)量級變化。對于小型壩體或庫岸邊坡，其水位變化相對量級較小，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多針對于均質(zhì)土壩。而對于古遺址中的砌石坡岸，其內(nèi)部通常為人工填筑的碎石土或塊石土，容易在水流的作用下軟化，而且內(nèi)部填充的巖土體較松散，在水流的軟化作用下流動性較強(qiáng)，加之其具有滲透性較好的特點(diǎn)，水位下降過程中排水迅速，這些特點(diǎn)決定了其不能簡單地按照一般的水庫庫岸邊坡的研究結(jié)果進(jìn)行類比分析。鑒于此，本文對貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)青龍洞古建筑群中的湘黔古驛道為研究對象，建立了數(shù)值分析模型并進(jìn)行流固耦合計算，分析了潕陽河水水位變化對古驛道堡坎位移及穩(wěn)定性的影響，本文的研究可為此類砌石坡岸遺址的保護(hù)提供參考，也為相關(guān)加固工程提供理論依據(jù)。

1 遺址概況

1.1 遺址保護(hù)現(xiàn)狀

青龍洞古建筑群前的湘黔古驛道段，屬青龍洞古建筑群附屬部分，總長約200 m，寬約6 m，南端通過祝圣橋連通鎮(zhèn)遠(yuǎn)古鎮(zhèn)，如圖1所示。20世紀(jì)30年代早期，為了滿足抗日戰(zhàn)爭的需要，國民政府重新修繕了該段，1936年通車，屬于京滇公路段。1988年，被國務(wù)院公布為第三批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

圖1 青龍洞古建筑群平面分布圖Fig.1 The plan map of Qinglongdong ancient buildings

古驛道頻臨潕陽河，護(hù)堤長期受潕陽河水沖刷浸泡，保存的自然條件較差。1936年修整作為滇緬公路的一部分，至今未做任何保護(hù)措施。近年來，局部段出現(xiàn)了鼓脹病害，如圖2(a)所示；2014年5月9日上午9點(diǎn)，古驛道靠近祝圣橋南側(cè)路段發(fā)生局部垮塌，垮塌規(guī)模約150 m3，險情嚴(yán)重影響祝圣橋、古驛道及人員的安全，存在極大隱患，如圖2(b)所示；2015年11月16日，古驛道萬壽宮段再次發(fā)生局部垮塌，垮塌規(guī)模約100 m3，垮塌上緣至路面，下緣位于水下約1 m處附近，如圖2(c)所示。連續(xù)的兩次垮塌，嚴(yán)重威脅到祝圣橋、青龍洞古建筑群、古驛道及往來游客的安全，也說明湘黔古驛道青龍洞段存在極大安全隱患，亟待搶險加固，以避免發(fā)生更大范圍的垮塌，保證文物及人員的安全。

1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

垮塌之后，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣文物局迅速組織搶險加固工作，對古驛道垮塌段進(jìn)行了勘察和加固保護(hù)工作。根據(jù)古驛道的平面圖，勘探點(diǎn)按橫縱兩線布置，在不破壞古驛道下管線的情況下橫線的勘探點(diǎn)間距為30 m，縱線間距為2 m。本次勘探點(diǎn)的類型為一般性鉆孔，共布置8個鉆孔，深度為3.6～9.6 m。根據(jù)鉆孔來看地層主要為寒武系高臺組淡灰、微肉紅色中厚層狀白云巖以及白云巖經(jīng)水動力作用、生物化學(xué)作用而形成的灰華堆積體，從上往下如下。

圖2 鼓脹病害與垮塌現(xiàn)場Fig.2 Tympanic disease and collapse site

(1)水泥層：厚30 cm左右。

(2)塊石土層：厚6 m左右，在斜坡處略薄。

(3)灰華堆積體：分布于古驛道的所有區(qū)域，分布于地下6.5～7.5 m處，厚為1 m左右。

(4)白云巖、云灰?guī)r：白云巖、云灰?guī)r為灰華堆積體的基座，上部為強(qiáng)風(fēng)化的白云巖、云灰?guī)r，厚層塊狀構(gòu)造，具碎裂狀糜棱巖狀結(jié)構(gòu)，厚約2 m。下部為較完整的白云巖、云灰?guī)r，埋深一般在9 m以下，多為中厚層狀，部分地段為薄中層狀，巖石致密完整。

古驛道修建在河流階地上，地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水。潛水主要賦存于碎石層中，受降雨及潕陽河河水水位變化影響明顯。基巖裂隙水賦存于下層基巖中，富水性弱，含水量一般，主要補(bǔ)給為大氣降水、潕陽河水。區(qū)內(nèi)巖溶地貌發(fā)育，地下水量豐富。

事實(shí)上，關(guān)于企業(yè)高管薪酬的研究長久以來一直是研究中的熱點(diǎn)問題。之所以會出現(xiàn)市場對于高管薪酬的質(zhì)疑，很大程度上是因為公眾認(rèn)為不公平導(dǎo)致，高管給自己發(fā)放高薪酬被人們廣為詬病。因此，國內(nèi)企業(yè)必須根據(jù)市場供給情況建立一個“合理”的高管薪酬體系。這個體系使企業(yè)高級管理人員的薪酬在具有市場競爭優(yōu)勢的同時，又能夠?qū)⑵鸬郊罴s束的作用，恰當(dāng)?shù)貙⒏呒壒芾砣藛T的績效考核結(jié)果(包括企業(yè)的業(yè)績增長、風(fēng)險管控等)與薪酬掛鉤起來。

1.3 區(qū)域氣候條件

根據(jù)鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣氣象站氣象統(tǒng)計資料，鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣屬典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，冬夏氣溫、降水變化劇烈，年平均氣溫16.4 ℃，年平均降水量1 058.8 mm，年平均蒸發(fā)量912.1 mm。鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣1961～2006年間的年平均降雨量如圖3所示。另外，研究區(qū)域上游20 km處有水電站，據(jù)監(jiān)測，水電站排水時，潕陽河水水位上升較快，可達(dá)到1.0 m/d，正常雨季期間，河水水位上升相對較慢，約為0.5 m/d，下游農(nóng)田灌溉時期，水位下降速度較快，約1.0 m/d，枯水期水位下降速度較慢，約0.5 m/d。

圖3 鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣1961—2006年平均降水量變化趨勢圖Fig.3 The trend chart of average precipitation in Zhenyuan from 1961 to 2006

2 模型的建立及計算工況

2.1 數(shù)值模型及參數(shù)

為計算水位變化對堡坎的穩(wěn)定性，分別建立了6 m和7 m高的典型驛道坡岸剖面的數(shù)值計算模型，6 m模型以第一次垮塌位置為代表，7 m模型以第二次垮塌位置為代表。根據(jù)古驛道典型剖面圖以及地質(zhì)勘查情況，由于影響堡坎穩(wěn)定性的原因主要為河水水位變化對堡坎內(nèi)部塊石土的作用，為簡化建模及分析過程，將灰華堆積體及白云巖、云灰?guī)r層視作堡坎的基巖部分進(jìn)行建模，同時將混凝土路面、塊石土以及砌石按照巖性區(qū)分進(jìn)行分組建模，計算模型如圖4所示。

圖4中，6 m高坡岸堡坎高度為5 m，7 m高坡岸堡坎高度為6.1 m，模型厚度方向取3 m，能夠代表現(xiàn)場的實(shí)際情況。模型底部(底邊屆)為固定約束邊界，限制其在直角坐標(biāo)系下3個方向的位移，考慮到坡岸在長度方向上足夠長(前后邊界)，山體一側(cè)邊界(左邊界)受后側(cè)山體約束，可認(rèn)為其在這三個方向上無位移，在這三個方向設(shè)置單向約束邊界，限制其在坐標(biāo)軸方向的位移，坡岸臨河面(右邊界)的位移自由，不做約束。塊石土和砌石賦予各向同性滲流模型，基巖設(shè)置為不透水模型。計算模型的滲流邊界條件：前后邊界、左邊界、底邊屆均設(shè)置為不透水邊界；右邊界設(shè)置為透水邊界條件，流體可以流出和流入)。在滲流模式下，進(jìn)行瞬態(tài)滲流計算，得到滲流場后，再關(guān)閉滲流模式，打開力學(xué)模式，進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型中各組的參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報告和土工實(shí)驗的結(jié)果取值，如表1所示。其中，由于砌石之間存在縫隙，其滲透系數(shù)的取值不能按照完整巖石的滲透系數(shù)取值，需進(jìn)行相應(yīng)的折減，取1.0×10-3cm/s。

圖4 數(shù)值模型及分組Fig.4 Numerical model and group

2.2 計算工況

根據(jù)潕陽河的水位情況，正常水位在3 m左右，根據(jù)前文的地質(zhì)勘查結(jié)果顯示，地下水位基本受河水水位控制，并且考慮到坡岸內(nèi)部主要填充物為塊石土，滲透系數(shù)較大，水位變化時，坡岸內(nèi)的水能夠及時浸入和排除，因此地下水位可以認(rèn)為與河水水位一致進(jìn)行計算。

上游水電站排水時水位上升較快，雨季水位上升較慢，最高水位達(dá)到5 m左右，下游灌溉時水位下降較快，枯水期水位下降較慢，最低水位在1 m左右。綜合考慮潕陽河水的水位變化情況，計算時分漲水和降水兩種情況，并且分別考慮水位變化快慢1 m/d和0.5 m/d兩種情況，共分四種工況(快漲3 m—4 m—5 m，快降3 m—2 m—1 m，慢漲3.0 m—3.5 m—4.0 m—4.5 m—5.0 m，慢降3.0 m—2.5 m—2.0 m—1.5 m—1.0 m)，對古驛道遺址進(jìn)行流固耦合計算。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

數(shù)值模擬的位移結(jié)果具有很強(qiáng)的直觀性，常常作為數(shù)值分析中定性判斷結(jié)果正確性的重要依據(jù)。以7 m高古驛道堡坎的計算結(jié)果為例，如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)分別為計算模型的初始狀態(tài)(只受重力作用)和常水位狀態(tài)下的位移云圖。其他水位狀態(tài)下的位移云圖與常水位的位移云圖相似，但數(shù)值不同，文中不再附圖。從圖5中可以看出，坡岸的最大位移處于堡坎的中下部位置，這與青龍洞古建筑群古驛道遺址的實(shí)際勘測結(jié)果一致，說明本文建立的數(shù)值模型是合理的。另外，最大位移處通常是坡岸發(fā)生垮塌時最先破壞的位置，此處的破壞引起上部堡坎砌塊的塌落，內(nèi)部碎石土失去支撐滑出，導(dǎo)致從此位置至混凝土路面之間發(fā)生垮塌，能夠很好的解釋坡岸垮塌的原因。從圖中還可以看出，由于水位的上升，最大水平位移增大，且最大位移所在的位置略有下降，但下降量較小。

表1 靜力模型各分組的參數(shù)Table 1 The parameters of each group of the static model

圖5 水平位移云圖Fig.5 Contour of horizontal displacement

為比較各個工況的位移結(jié)果，選取河床上部至路面的堡坎中的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行分析，如圖6所示。圖中曲線為漲水工況下，堡坎的最大水平位移沿著高度方向的分布曲線，從圖中可以看出，堡坎底部與上部的位移值差別不大，說明水位變化對于下部基巖和上部的混凝土路面影響較?。怀Ｋ粻顟B(tài)下堡坎的位移整體較小，并且位移分布曲線較平緩。在水位上漲至同一位置時，快漲工況下的堡坎水平位移比慢漲工況時的位移略大，即水位上漲速率越高，堡坎的水平位移越大。

圖6 漲水工況下堡坎沿高程水平位移分布Fig.6 The horizontal displacement distribution of the revetment along the elevation in the flood condition

降水工況下，無論水位下降快慢，其位移分布與常水位相比變化不大。這是由于常水位位置較低，處于人工回填塊石土的底部位置，且此處受到天然斜坡地形的影響，塊石土填量較少，水位主要的影響區(qū)域為基巖，特別水位在2 m以下時，水位已降至堡坎以下，對堡坎位移的影響不明顯，因此，降水工況的位移分布不再附圖。

根據(jù)圖6可知，堡坎的最大位移處于堡坎的中部靠下位置，是堡坎的潛在不穩(wěn)定區(qū)域，堡坎上部和下部區(qū)域位移變化量以及變化率較小，特別對于混凝土路面，由于其受水位變化的影響可以忽略，其位移變化很小，加之其具有一定的抗拉強(qiáng)度，對堡坎具有一定的阻滑作用。這里進(jìn)一步針對堡坎的最大位移位置，分析水位變化時堡坎最大位移的變化趨勢，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，水位從常水位下降時，最大位移變化極小，可以忽略不計；水位從常水位上升時，堡坎的水平位移增大，上升水位越高，蓄水對位移的影響越大，最大位移不斷增長，增長速率隨著水位的升高略有增長。

圖7 堡坎最大水平位移隨水位漲落的變化Fig.7 The maximum horizontal displacement of the revetment with the water level fluctuation

3.2 安全系數(shù)

不考慮水位的影響時，7 m和6 m兩個模型的安全系數(shù)分別為7.02和8.34，安全系數(shù)較大，坡岸處于穩(wěn)定狀態(tài)。常水位狀態(tài)，由于水流對巖土體的軟化作用，兩個模型的安全系數(shù)急劇下降，分別為1.5和1.18，說明水位對坡岸的穩(wěn)定性影響極大。不同水位變化工況下坡岸的安全系數(shù)如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)，水位的變化對堡坎的安全系數(shù)影響較大，水位發(fā)生變化時的安全系數(shù)大都小于常水位下的安全系數(shù)。這是因為在水位上升階段，坡岸的淹沒部分就會產(chǎn)生浮力作用，這種作用抵抗滑坡體的重量，使得坡腳部分的有效重量減少，造成整個滑坡體的抵抗力變小、穩(wěn)定性降低；當(dāng)水位急劇下降時，存在于坡岸中的地下水水位下降有一定的滯后，在這期間坡岸中產(chǎn)生滲透水壓力，其方向指向坡外，造成穩(wěn)定性降低，容易誘發(fā)垮塌。

圖8 各工況坡岸的安全系數(shù)Fig.8 Safety factor of the revetment in all conditions

水位慢速變化工況，水位上升過程中，安全系數(shù)整體上呈現(xiàn)下降的趨勢，水位下降工況下，安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后上升的趨勢。對于水位快速變化工況，水位從常水位上升和下降過程中，安全系數(shù)在整體上都呈現(xiàn)下降的趨勢。

對于7 m高的坡岸，在水位變化速率0.5 m/d的情況下，水位上升至4 m時，其安全系數(shù)極值僅為0.26，5 m水位安全系數(shù)也小于1，為0.78；在水位變化速率1 m/d情況下，水位為4 m和5 m時，安全系數(shù)也小于1，分別為0.93和0.99。對于6 m高的坡岸，水位變化速率0.5 m/d的情況下，水位在2 m，3.5 m和5 m時，安全系數(shù)小于1，分別為0.98、0.75和0.80；水位變化速率1 m/d情況下，水位在1 m和5 m時，安全系數(shù)較低，分別為0.98和0.73。安全系數(shù)是判斷坡岸穩(wěn)定性的重要依據(jù)，因此，可以判斷，7 m高坡岸的水位在4～5 m時，穩(wěn)定性較低；水位變化速率較慢時，6 m高坡岸在水位為2 m以及3.5～5 m時，安全系數(shù)較低，水位快速變化時，1 m和5 m水位處穩(wěn)定性最差。

如前文所述，第一次垮塌時間為2014年5月9日，此期間由于下游灌溉，水位下降較快，其垮塌時水位在1 m左右，即對應(yīng)本文算例中的6 m坡岸水位快降工況，第二次垮塌時間為2015年11月16日，此期間由于降雨，水位上升，可對應(yīng)算例中7 m坡岸水位慢漲工況。而對于算例中其他安全系數(shù)較低的情況，特別是水位5 m的情況，雖然目前沒有發(fā)生在此水位的垮塌現(xiàn)象，但也應(yīng)注意較高水位情況下的穩(wěn)定性監(jiān)測與防護(hù)。

4 結(jié)論

通過對貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)青龍洞古建筑群中的湘黔古驛道坡岸遺址進(jìn)行流固耦合計算，得到的結(jié)果與其鼓脹病害和垮塌案例具有很好的一致性，得到了如下結(jié)論。

(1)常水位狀態(tài)時，7 m與6 m高的坡岸安全系數(shù)分別為1.5和1.18，安全系數(shù)均不高，安全儲備不足。

(2)堡坎的最大位移處于堡坎的中下部，在水流作用下，此部位的局部破壞導(dǎo)致上部砌石的整體塌落，內(nèi)部塊石土失去堡坎的支撐作用，最終引發(fā)垮塌。

(3)水位變化對于坡岸的穩(wěn)定性影響很大，水位上升階段，浮力作用造成整個滑坡體的抵抗力變小、穩(wěn)定性降低；當(dāng)水位急劇下降時，坡岸中產(chǎn)生滲透水壓力，造成穩(wěn)定性降低，容易誘發(fā)崩塌。

(4)7 m高坡岸在水位4～5 m處，6 m高坡岸在水位1 m和3.5～5 m處，安全系數(shù)較低，容易發(fā)生垮塌事故；雖然水位上升至5 m時，坡岸并沒有發(fā)生垮塌的先例，但也應(yīng)在以后的保護(hù)工作中足夠重視。