高水位骤降作用下堤防边坡稳定性研究

张家阳，王远明，苏安双，徐丽丽，王理想

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

江河、水库水位骤降过快，导致边坡结构失稳引起工程灾害[1]。对土石坝因水位骤降导致滑坡进行统计表明：坝体形成不利于边坡稳定的非稳定渗流[2-3]。堤防边坡稳定性物理模型可以反映渗流的物理现象，能够反映非稳定渗流过程中的边坡稳定情况，在边坡稳定性研究中被广泛应用[4]。余湘娟等利用宽水槽模型，模拟了河流边坡在高水位降落时的崩岸和稳定，并分析多种因素对退水速度判别指标的影响[5]。

国内学者在研究水库岸边边坡稳定性时提出，边坡失稳最不利情况为长期浸泡后的水位骤降，水位骤降速度越快，边坡沉降也就越大，边坡就越不稳定，最后形成明显的位移集中区域[6-9]。贾官伟等[10]利用模型试验，监测孔隙水压力、土水总压力变化情况及滑动面形态、坡面裂缝的形成和发展过程，揭示水位骤降引致边坡失稳的原因及失稳模式。Lane and Griffiths[11]、 Berilgen[12]、 Alonso and Pinyol[13]对骤降条件下的边坡稳定性进行了研究。此外Nian等[14]结合渗流和边坡稳定性模型研究岸坡遭受瞬变非饱和渗流影响的稳定性问题。而对于砂土筑堤高水位骤降情况下，堤防边坡稳定性如何还有待研究。

本文通过室内模拟修筑提防模型，并开展边坡稳定性物理模型试验，利用水位控制系统实现坡外水位的骤降，测试高水位浸泡及水位骤降过程中孔隙水压力、坡面地形变化，分析堤防边坡稳定性。

1 试验装置及模型

1.1 土料性质

本次试验所用土料取自黑龙江省某段吹填堤防，根据某堤防岩土工程勘察报告和试验资料，土样按《土工试验方法标准》(GBT 50123—1999)[15]的要求进行试验，其主要物理力学指标见表1。

表1 试验用土料主要物理力学指标

1.2 试验装置

模型试验设备主要包括模型试验箱、地形自动测量系统、数据采集系统。试验箱(3.4 m×1.0 m×1.3 m)四壁及底板均使用厚度为12 mm有机玻璃制作，四周采用厚度为10 mm、宽度为100 mm的角钢加以固定。如图1所示。

图1 模型箱

地形自动测量系统(TTMS)基于先进的超声测距技术、智能控制技术设计，最小步进长度为1 cm/s，测量精度为1 mm，误差较小，定点定位测量自动化控制精度高。

数据采集系统主要进行孔隙水压力参数的自动采集。在边坡模型内埋设了7个传感器监测点，用于监测各物理量的变化过程，其中包括7个孔隙水压力计。测试仪器布置如图2所示。第二层4个孔隙水压力计埋设于与边坡坡脚在同一高程的位置，间隔40 cm；第一层3个孔隙水压力计埋设于高于边坡坡脚20 cm的高程位置，间隔40 cm。用来监测水位骤降过程中边坡内部的孔隙水压力变化，以掌握内部的渗流状况。

图2 测试仪器布置图

1.3 试验工况

1.3.1 模型比尺

根据流动系统相似理论，基于重力相似准则，确定模型比尺如下[16]：

1.3.2 水位

将黑龙江省某段堤防设计典型断面作为模型试验的设计断面，本次试验填筑标准按照模型比尺得出，边坡部分中迎水坡坡顶高度为112.9 cm，模拟堤基深度为50.0 cm，边坡垂直高度为62.9 cm，迎水面坡比为1∶3.5。根据50 a一遇防洪标准，其设计洪水位42.58 m，水深4.09 m。

1.3.3 骤降速度

根据水位骤降判断条件“k/uv<1/10”《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)和土的物理力学性质(渗透系数k为0.027 cm/s，给水度u为0.167)，以水位骤降速度表示，计算可知当v>0.517 cm/s，属于水位骤降状态，本次试验采用水位骤降的临界速度为0.517 cm/s，模型降水高度为0.41 m，故模型试验中理论降水时间约为79 s。室内模拟水位浸泡骤降装置如图3所示：

图3 室内模拟水位浸泡骤降装置图

2 试验结果分析

2.1 孔隙水压力变化

在模型的不同深度埋设压力传感器，监测模型的孔隙水压力，分析在长期浸泡后水位骤降条件下，堤防模型的孔隙水压力变化情况。具体变化情况如图4所示。

图4 吹填堤防水位骤降阶段孔隙水压力变化

孔隙水压力随坡外水位下降而骤降，坡外水位降至底部后，堤身内部水形成渗流并从边坡渗出，在靠近溢出点4#处可见孔隙水压力快速下降。当坡外水位下降到坡底时，碾压模型1#、4#、5#测得的孔隙水压力下降约为0.53 kPa、1.34 kPa、0.68 kPa，均小于水位下降0.4 m所对应的4.00 kPa。表明边坡内部的孔隙水压力下降滞后于边坡外水位，且以1#位置滞后较多。由此可知，堤防有明显的坡内指向坡外的渗流，这是引起滑坡的重要原因，另一个原因是坡外水位快速下降，其对边坡的推力作用迅速减小。

2.2 表面地形沉降

将试验模型沿堤防轴线方向划分为5个断面，间隔距离20 cm。使用地形自动测量系统，对堤防断面进行监测。如图5～图6所示，分别为碾压筑堤水位骤降前后坡面地形云图。

图5 碾压筑堤原始地形云图

图6 碾压筑堤骤降后地形云图

在试验模型填筑后及水位骤降后分别进行地形测量，测量结果如图7～图8所示，从图中可以看出，由于底部水头差，形成渗透力方向指向坡外；边坡上部产生沉降对底部土体产生挤压，可以很清晰看出在水位骤降工况下底部产生拱起，拱起最大值约1.71 cm。同时与原始地面比较，水位骤降工况下坝体沉降非常明显，200～255 cm的轮廓发生较大变化，沉降值最大处发生在4#断面，最大沉降4.33 cm。

图7 吹填堤防水位骤降坡面各位置处平均变形量

图8 堤防水位骤降坡面平均变形

3 结 论

(1)边坡内部的孔隙水压力下降滞后于边坡外部水位，堤防有明显的坡内指向坡外的渗流，这是引起滑坡的重要原因，另一个原因是坡外水位快速下降，其对边坡的推力作用迅速减小。

(2)在水位骤降过程中，坡内产生指向坡外的渗透压力，带动土体由坡面向下滑动，边坡上部产生沉降对底部土体产生挤压。底部产生拱起，与原始地面比较，坝体沉降非常明显。

(3)在水位骤降过程中，由于堤坡内外的水头差而产生渗透力，堤坡的稳定系数快速下降，后期随着孔隙水压力的消散，稳定性系数逐渐上升。