非稳定渗流作用下边坡稳定性试验研究

谢罗峰，段祥宝

1 概 述

水库或江河水位降落过快过深，导致上游边坡失稳发生滑坡，在我国水库大坝运行和堤防管理中有着深刻教训。近年来，水位降落过程中上游边坡失稳的现象时有发生，因此，中小型水库除险加固工程研究得到深入开展。

我国对因库水位降落导致滑坡的土石坝进行统计结果表明［1］：已经发生过上游边坡滑动的土石坝，平均库水位降落速度为0．35～1．15 m／d，水位降幅为7．25～23．95 m。水位降落诱发滑坡的根本原因是边坡中孔隙水压力无法及时消散，形成不利于上游边坡稳定的非稳定渗流［2］。而目前常用的简化处理非稳定渗流方法易产生较大误差［3］，因此，需要分析水位降落产生的非稳定渗流作用下的边坡稳定。

本文开展了不同土质及坡比的砂槽模型试验，模拟水位降落过程中多种工况下非稳定渗流场和边坡失稳变化过程，探讨了渗透力在非稳定渗流过程中对边坡的作用规律，并结合非稳定渗流场分析坝坡稳定性，找出危险工况的水力条件，以便正确预防滑坡。

2 试验材料方法

模型水槽的尺寸为5 m×0．3 m×0．8 m，如图1所示。

选择了3种材料，其物理力学参数见表1，其中抗剪强度指标为固结不排水剪强度指标。

给水度是根据公式（1）［2］计算：

式中：μ为给水度；n为孔隙率；k为渗透系数。

考虑了3种土质边坡和多组降速，模拟工况见表2。

图1 砂槽模型正向图Fig．1 Front view of the sandflume

表1 试验土体材料物理力学参数Table 1 Physical parameters of the soil

表2 不同降速的试验组次Table 2 Test conditions with different setting velocities

3 水位降落期堤坝稳定分析［4］

3．1 边坡渗流场变化过程

图2是细砂材料坝水位降落时一组自由面变化情况。水位降速 v＝0．033 8 cm／s，k＝1．7×10－2cm／s，μ＝0．156，m＝1．5，k／μv＝0．017，结合自由面和分水岭最高点的情况，本组试验结果属于急降情况。

水位降落过程中，上游边坡孔隙水压力变化幅度明显，下游边坡变化较小。图3为上游水位急降过程中边坡内部各部位测压管水头测值。

图2 砂土边坡中急降非稳定渗流瞬时自由面Fig．2 Transient phreatic line of quick setting in sandy slope

图3 水位降落过程中内部水头值变化Fig．3 Variation of piezometric head during the water level drawdown

由退水指标 k／μv的分析结果［5］可知：渗透性和给水度小的土质边坡内渗流场的孔隙水压力消散速度远远小于渗透性较大的砂砾边坡，最易形成具有凸形分水岭的自由面；降速快的非稳定渗流上游边坡的孔隙水压力难以消散，上游边坡中的渗透坡降随着水位的降落逐渐增大，且降速越大，坡降也越大；k／μv越小，水头越难以消散，增大边坡内外的水头差，形成向上游坡面方向的渗流。

图4是黏土边坡瞬时坡降分布，边坡上游侧渗透坡降值很高，上游水面以上的部位坡降值高达4．6，随着坡内外水位的落差进一步增加，坡降值J也是逐步增大。水位快降，在降落总时间T的大约6／10～7／10时，出渗坡降达到峰值。出渗处渗透坡降在此过程中远大于细砂允许比降。对缺少反滤措施的上游边坡而言，易发生破坏。

图4 瞬时实测渗透坡降值分布Fig．4 Distribution of measured transione seepage gradient

图5 表明，无论是出渗处，还是边坡内部点（－75，20）处，渗透坡降在水位降落过程中，不是单调减小的，急降过程中存在极高值。

图5 渗透坡降在非稳定渗流过程中的变化Fig．5 The change of seepage gradient in unsteady seepage

3．2 水位降落时边坡失稳过程

水位骤然下降时，坡体中地下水位下降相对滞后于坡外水位，边坡内部存在高于边坡附近的孔隙水压力，坡体内产生向坡面方向的渗流，易导致滑坡。试验中观察到水位降落过程中上游边坡发生破坏，且砂土与黏土的失稳形态并不相同。

（1）砂性土失稳破坏形态

上游边坡在水位降落后发生破坏的起始位置在上游边坡坡脚处，沿逐渐向边坡内部和上游方向继续发展的距离较短。破坏范围局限在边坡坡脚处，没有常见的剧烈“逆行冲蚀”现象，为局部破坏。

如图6所示，试验中观察到砂质模型上游边坡在非稳定渗流期破坏的具体位置集中在从高程10～15 cm处，边坡坡面多处发现若干条冲沟。

图6 砂土边坡破坏形状俯视图Fig．6 Vertical view for failure form in sand slope

非稳定渗流期与高水位稳定渗流期下游边坡破坏形式不同，没有继续发展成大规模的滑动。结合试验中的孔隙水压力值和渗透坡降分布可知，砂土边坡失稳后，扩大了孔隙水压力的消散面积，同时无粘性土的孔隙水压力消散较快，较高的渗透坡降值和孔隙水压力不会持续很久，因此没有继续向边坡内部大规模发展，破坏位置集中在失稳位置与边坡坡脚之间的部位。

（2）粘性土体整体稳定破坏

粘性土体在水位降落过程中的破坏以整体滑坡为主。整体稳定破坏即一般而言的滑坡破坏，是整个斜坡或斜坡的一部分沿滑动面发生滑动破坏，也就是一般意义上的“滑坡”。水位降落形成的非稳定渗流作用下的土坡，由于边坡内渗流场造成整个土体的滑坡［4］。

水位下降时上游边坡附近的等势线形状接近平行于边坡，坡面存在出渗现象，渗流方向指向上游坡面，水流从坡面出渗。如图7所示，上游坡面平水位上部发现一条张开的裂缝，裂缝的最大宽度为6 mm，水平长度约25 cm，几乎贯穿了模型中边坡的表面宽度。

图7 黏土边坡裂缝贯穿边坡模型俯视图Fig．7 Vertical view of cracks in clay slope caused by drawdown

3．3 水位降落对边坡稳定性影响

水位降落期影响上游边坡稳定的两个直接原因是：边坡的内向外由渗流方向和坡面附近渗透坡降值过高。

渗流方向对分析边坡稳定的影响较大。段祥宝等人曾研究过山美水库心墙下游风化料坝壳内浸润线过高的现象。通过实测资料的渗流反演分析，等势线分布基本水平，渗流方向向下，结合渗流场用渗透力的方法验算边坡的稳定性，安全系数为1．648，而应用条分法计算值为1．203。但在模型土坝的水位降落时期，两种方法计算结果则相反，条分法计算值大于渗透力计算结果，则偏于危险。可见验算边坡稳定性时是否考虑渗流方向对结果的影响很大。向下的渗流对边坡稳定性有利，而向边坡外侧的渗流则不利于边坡稳定。

水位降落过程非稳定渗流作用下的边坡，渗透坡降较高，渗流方向指向边坡外侧。渗流作用产生渗透力可由下式计算：

式中：f为渗透力；γ为容重；J为渗透坡降。

渗透力的方向与渗流方向一致，指向上游边坡。水位降落过程中，上游侧渗透坡降值增加，导致渗透力同步增大，渗透力的增加势必会影响土体边坡的整体抗滑稳定性。指向上游边坡的渗流力成为不利于边坡稳定的滑动力，促进边坡土体往上游方向滑动。渗透力在水位降落过程中是逐步增加的。另外，水位降落过程中，边坡前缘原本为抗滑力的静水压力消失，此消彼长，必然不利于边坡的稳定。

比较了不同水位降落退水指标值k／μv对边坡安全系数的影响。图8结果表明，水位骤降的非稳定渗流，其安全系数减小幅值较大，且骤降速度越快，水位降深越大，安全系数越小。而缓降时，安全系数虽有所降低，但降低的幅度较小，最大降幅不足10%，同时渗流方向依旧保持从上游往下游的方向，不致引起边坡失稳。

图8 k／μv与安全系数关系曲线Fig．8 The relationship between k／μv and safety factor

坡前水位急降（k／μv为0．73，3．354和20．018）或缓降（k／μv为72．668）时，安全系数在水位均匀降落的过程中存在一个最小值，与图5的渗透坡降值变化趋势一致，最小值出现在水位降落总时间的60%～80%之间，此时水位约为边坡高度的1／3，与工程发生滑坡的位置基本一致，主要原因在于此时的渗流作用最为突出，渗透力达到峰值。

总之，渗流方向是边坡稳定分析的关键因素，水位降落速度决定渗流场形态，是影响边坡稳定的主要因素。

4 结 语

在水位降落条件下非稳定渗流场试验结果基础上，开展了边坡稳定性模型试验研究，分析认为上游水位降落产生的非稳定渗流对边坡稳定产生极大影响。

（1）水位降落速度是决定非稳定渗流场特征的关键因素，退水指标是k／μv影响流态的主导因素，也是考察边坡内部水头消散率的评价指标。

（2）无黏性土边坡失稳范围较小，发生破坏的位置局限于发生初始破坏至坡脚的范围；黏性土滑坡范围则较大。

（3）渗流方向是影响边坡稳定的重要因素，水位降落时的等势线与边坡趋于平行，渗流方向指向坡面。同时，由此产生的渗透力为不利于土体稳定的滑动力，边坡前缘水位降落时原本为抗滑力的静水压力消散，降低了上游边坡的安全性。当边坡达到极限状态时，随即失稳。

（4）建议水位降落速度应该尽量控制在退水指标k／μv足够大时，以免引起边坡失稳。对骤降和可能引起地质灾害的水位急降情况应该采用有限元方法计算非稳定渗流，并结合非稳定渗流计算结果验算上游坡的稳定性。

［1］ 汝乃华，牛运光．大坝事故与安全·土石坝 ［M］．北京：中国水利水电出版社，2001．

［2］ 毛昶熙．渗流计算与分析控制［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．

［3］ 郑颖人．库水作用下的边坡稳定性分析［J］．岩土工程学报，2007，（8）：1115－1121．

［4］ 谢罗峰．渗流作用下边坡稳定性研究［D］．南京：南京水科院，2009．

［5］ 唐晓松，郑颖人．水位下降过程中超孔隙水压力对边坡稳定性的影响［J］．水利水运工程学报，2007，（1）：1－6．

［6］ 罗先启，刘德富，吴 剑，等．雨水及库水作用下滑坡模型试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2476－2483．