高水位条件下边坡渗流控制及变形特性研究

吴佩佩，王立鹏

（1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311200；2.南京农业大学工学院，江苏 南京 210031）

黄河山东段河道比降呈上陡下缓趋势，输沙能力上大下小，泥沙沿程淤积，河床逐年淤高，形成地上悬河，河床普遍高于背河地面3～5m，而且还有逐年上升的趋势。由于存在较大的水位差，必将导致大流量的侧向渗流，对外围基坑开挖工程施工影响较大，增加了工程施工难度；同时，由于距离黄河河道距离较近，地下水含量丰富，一般降水施工难度较大。因此，研究高水位条件下边坡渗透变形控制技术，确保边坡稳定，具有十分重要的意义。

1 边坡渗流的控制措施

渗流问题是岩土工程中一个重要的课题，影响土渗透系数的因素很多，主要包括有以下因素，有土的矿物成分、土的结构、粒径大小与级配及土的饱和度等，水的渗流引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。

边坡渗流控制[1,2]的目的，主要包括控制渗流量、消减水力坡降，消除渗透破坏的威胁，确保边坡工程的稳定安全。渗流对边坡稳定性[3-6]的影响有两方面：一是引起滑动力，二是会影响抗滑力。地下水位升降会引起边坡土体产生变形、滑移、崩塌等失稳现象。随着地下潜水位的不断上升，土体的浸湿范围逐渐增大，浸湿程度逐渐加剧，导致岩土被水饱和，逐步软化，导致抗剪强度的降低；当地下水位下降的时候向坡外渗流，这样就可能产生了潜蚀作用，从而导致流砂、管涌现象的发生，破坏了土体的强度和结构；地下水的升降变化还可能导致动水压力的增大。因此，应特别重视渗流场的变化对边坡变形与稳定的影响。

2 渗流控制措施的选择

渗流控制的基本原理主要有三点，一是延长渗径或截断渗径，消减水力坡降；二是排水减压，减低水力坡降；三是提高土体的抗渗性能。总体上，渗流控制应坚持防渗、排渗和保护渗流出口三结合的原则。防渗是最常用的方法：就是是在土体中利用弱透水材料筑防渗体以截断渗流，减少渗透流量，同时起到消减土中其它部分水头的作用，以防止土体的渗透破坏。早期防止土工建筑物渗透破坏的方法，大多采用透水性小、粘粒含量高的土填筑防渗体，并加大厚度，以期减小水力比降。目前由于渗透计算理论与土的渗透变形理论的发展，认识到土的渗透破坏可以由反滤层直接防止。于是防渗体的任务变为以防渗为主，其本身的渗透稳定借助反滤层的保护。

3 渗流计算模型

根据工程实际情况，参考地质勘探资料，对土层进行概化，建立计算模型如图 1。不同土层渗透系数如表1。

图1 计算模型

图2 稳定流计算浸润线和流网

表1 计算模型渗透系数表

4 模型渗流计算

根据黄河水位，两侧水位高差接近9m。根据稳定渗流计算，此时浸润线及流网如图 2所示，浸润线斜率增大，黄河向边坡边的渗流量为8.45×10-5m3/s。水力梯度见图3，其中坡脚处接近0.3，接近土体的允许坡降，特殊情况下有可能会发生渗透破坏，而坡底的水力坡降均小于0.1，坡底不会发生渗透破坏。

图3 边坡水力梯度

图4 设置截渗墙后等势场

设置截渗墙后，等势线如图4所示，流场如图5所示。

图5 设置截渗墙后渗流场

图6 边坡水平向位移等值线图

计算结果分析：设置截渗墙后，其中渗流量在黄河向边坡侧为6.62×10-6m3/s，最大渗流速度，可以看到为2.16×10-5m/s，。水力梯度在坡脚处未超过0.2，低于土体的允许坡降。

5 渗流场作用下截渗墙变形计算

采用极限平衡法进行边坡的稳定性分析。只考虑静力平衡条件和土的Mohr-Coulomb破坏准则，计算结果见图6。

图7 边坡水平向位移

图8 截渗墙水平向位移

当考虑渗流场作用进行极限平衡分析时，渠坡中浸润面以下的土体按饱和土考虑，其上土体按非饱和土考虑。同时，对于浸润面以下的土体按浮容重计算土条重量，并计算作用于土条底部的孔隙水压力。

6 结论

高水位条件下，边坡渗流控制，选择截渗墙后，由于水位提高，会影响边坡前后稳定性，也会使截渗墙产生变形，设计及施工过程中必须对截渗墙前后水位变化及截渗墙变形进行计算和施工监测，以保证边坡施工安全。

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利电力出版社, 2003.

[2]毛昶熙, 段祥宝, 毛佩郁, 等.堤防渗流与防冲[M].北京：中国水利电力出版社, 2003.

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