水位驟降條件下粘土邊坡滲流特征分析

范會(huì)芳

（河南省商丘市虞城縣水利局，河南 虞城 476300）

1 邊坡概況

臨水庫動(dòng)水環(huán)境條件下的粘土邊坡坡度為75°，邊坡高13 m，坡底長(zhǎng)15 m，水庫蓄水水位在該邊坡位置處的常見水位深度為19 m，水庫排水后水位在該邊坡位置處的常見水位深度為13 m，屬典型的臨水粘土邊坡工程。構(gòu)成邊坡坡體的土體主要物理力學(xué)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 粘土的物理力學(xué)和水力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模型建立

針對(duì)岸坡在水位驟降條件下的滲流特征分析，由于其主要考慮邊坡形態(tài)的不同產(chǎn)生的影響，在岸坡延伸方向上的岸坡形態(tài)近似一致，基底高度相同，水位驟降幅度也基本一致，因此該類岸坡工程問題可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，針對(duì)二維條件下位驟降條件下的滲流特征分析，Geostudio軟件中SEEP模塊無疑可作為首選分析軟件，其可在建立分析模型時(shí)采用設(shè)置水位線的方式指定蓄水水位，用于對(duì)靜態(tài)水位條件下的邊坡穩(wěn)定性求解和分析，文中的水位驟降條件下滲流特征分析，通過設(shè)定水壓線的方式設(shè)置蓄水水位及排水后的低水位，劃定分析模型區(qū)域，經(jīng)過材料參數(shù)設(shè)置等步驟，按照表1 中給出的土體水力和物理力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡土體材料進(jìn)行賦值，最后創(chuàng)建的用于岸坡滲流特征研究的分析模型如圖1所示。

圖1 分析模型圖

邊界條件設(shè)置：首先設(shè)定蓄水水位為19 m，然后通過構(gòu)建函數(shù)的方式使水位經(jīng)過10 d時(shí)間驟降為13 m，除上部邊界外，其它外部邊界均設(shè)置為固定約束，設(shè)置模型網(wǎng)格邊長(zhǎng)尺寸為1 m，兼顧計(jì)算效率和求解效果。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，獲得了水位驟降前后的邊坡水壓圖以及壓力水頭與含水量與土體水壓關(guān)系曲線圖、水力傳導(dǎo)度與土體水壓關(guān)系曲線圖。

3.1 初始水位水壓特征

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中獲得的初始水位的邊坡水壓圖，如圖2所示。

圖2 初始水位水壓云圖

由圖2 所示初始水位條件下粘土臨水邊坡的土體內(nèi)的水壓圖可知，水壓自上而下逐漸增大，與土體距離X 軸的距離成反比，最大水壓位于邊坡體的最底部，約為190 kPa，在與初始水位齊平位置處的邊坡土體中的水壓為0 kPa，邊坡頂部土體的水壓出現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為負(fù)孔隙水壓力，最大的負(fù)孔隙水壓力約為24 kPa，在坡體底部的水壓約為120 kPa這與靜水壓力大小一致，說明土體內(nèi)的水壓力大小與理論結(jié)果一致，該邊坡在初始水位時(shí)能夠保持穩(wěn)定。

3.2 初始水位壓力水頭特征

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中獲得的初始水位的壓力水頭圖。結(jié)果顯示初始水位條件下壓力水頭自上而下逐漸增大，與土體距離X軸的長(zhǎng)度成反比，最大壓力水頭位于邊坡體的最底部，約為19 m，在與初始水位齊平位置處的邊坡土體中的壓力水頭為0 m，邊坡頂部土體的壓力水頭出現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為負(fù)壓力水頭，最大的負(fù)壓力水頭約為1.50 m，在坡體底部的壓力水頭約為12 m 這與蓄水深度一致，說明土體內(nèi)的壓力水頭大小與理論結(jié)果一致，同樣說明該邊坡在初始水位時(shí)能夠保持穩(wěn)定。

3.3 水位驟降6 m的水壓特征

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中獲得的水位驟降6 m 后的邊坡水壓圖，結(jié)果顯示水位驟降6 m 后的粘土臨水邊坡的土體內(nèi)的水壓自上而下逐漸增大，與土體距離X 軸的距離成反比，最大水壓位于邊坡體的最底部，約為127 kPa，在與水位齊平位置處的邊坡土體中的水壓為0 kPa，邊坡頂部土體的水壓出現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為負(fù)孔隙水壓力，最大的負(fù)孔隙水壓力約為48 kPa，在坡體底部的水壓約為57 kPa這與靜水壓力大小一致，說明土體內(nèi)的水壓力大小與理論結(jié)果一致，該邊坡在水位驟降6 m后能夠保持穩(wěn)定。

3.4 水位驟降6 m的壓力水頭特征

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中獲得的水位驟降6 m 后的壓力水頭圖，結(jié)果顯示水位驟降6 m 后的粘土臨水邊坡土體內(nèi)壓力水頭自上而下逐漸增大，與土體距離X 軸的長(zhǎng)度成反比，最大壓力水頭位于邊坡體的最底部，約為13 m，在與水位齊平位置處的邊坡土體中的壓力水頭為0 m，邊坡頂部土體的壓力水頭出現(xiàn)負(fù)值，表現(xiàn)為負(fù)壓力水頭，最大的負(fù)壓力水頭約為1.50 m，在坡體底部的壓力水頭約為6 m這與蓄水深度一致，說明土體內(nèi)的壓力水頭大小與理論結(jié)果一致，同樣說明該邊坡在水位驟降6 m后能夠保持穩(wěn)定。

3.5 體積含水量與水壓關(guān)系

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中獲得的含水量與土體水壓關(guān)系曲線圖，如圖3所示。

圖3 體積含水量與水壓關(guān)系曲線圖

由圖3 所示的粘土臨水邊坡的土體含水量與土體水壓關(guān)系曲線圖可知，隨土體水壓的不斷增大，土體的體積含水量也隨之增大，初始時(shí)增大速率小，在越過-300 kPa時(shí)，增大速率迅速提高，整體呈凹形曲線上升的增大變化趨勢(shì)，最大體積含水量為0.45，此時(shí)的土體水壓為0 kPa，也即土體飽和，最小體積含水量為0.13，此時(shí)的土體水壓為-1e3 kPa，也即達(dá)到最大負(fù)水壓值，土體中的自由水已完全流失說明土體在對(duì)水環(huán)境具有良好的滲流作用，土體未發(fā)生破壞。

3.6 水力傳導(dǎo)度與水壓關(guān)系

為了研究該岸坡在水位驟降條件下的滲流特征，通過求解計(jì)算和繪制相應(yīng)的初始水位和驟降水位后的水壓圖以及壓力水頭圖的方式，其中水力傳導(dǎo)度與土體水壓關(guān)系曲線圖，結(jié)果顯示，隨土體水壓的不斷增大，土體的水力傳導(dǎo)度也隨之增大，初始時(shí)增大速率小，同樣在越過-300 kPa時(shí)，增大速率迅速提高，整體呈凹形曲線上升的增大變化趨勢(shì)，最大水力傳導(dǎo)度為1e-6 m/s，此時(shí)的土體水壓為0 kPa，也即土體飽和，最小水力傳導(dǎo)度為2.6e-11 m/s，此時(shí)的土體水壓為-1e3 kPa，也即達(dá)到最大負(fù)水壓值，水力傳導(dǎo)度降低至最小值，土體中的自由水已完全流失，說明土體在對(duì)水環(huán)境具有良好的傳導(dǎo)水的作用，土體未發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

文章依托山西省長(zhǎng)治市長(zhǎng)治北地區(qū)一水庫的實(shí)體岸坡工程，開展了對(duì)該實(shí)體岸坡工程在庫水位發(fā)生驟降條件下的滲流特性研究，得到結(jié)論：①水位驟降6 m后最大水壓為127 kPa，在水位線處為0 kPa，水位線以上的水壓表現(xiàn)為負(fù)值，初始水位時(shí)有同樣的規(guī)律，說明該邊坡在水位變化前后能夠保持穩(wěn)定。②初始水位壓力水頭值最大為19 m，在水位線處為0 m，水位線以上的壓力水頭表現(xiàn)為負(fù)值，水位驟降后有同樣的規(guī)律，說明該邊坡在水位變化前后能夠保持穩(wěn)定。③水位變化前后的水力傳導(dǎo)度和體積含水率隨土體水壓的增大而增大，且具有相似的變化規(guī)律，水在土體中具有良好的滲流作用，土體未發(fā)生破壞。