碧流河水库库区上游滑坡体多级虹吸排水技术研究

张学伟，郑向辉

（建昌县水利局，辽宁葫芦岛125300）

1 工程背景

碧流河水库位于大连市与营口市交界处的碧流河干流上，距大连市区175 km，集水面积2 085 km2，最大库容9.34 亿m3[1]。碧流河水库是一座以城市供水为主要功能，兼具防洪、发电、养鱼、灌溉、旅游等多种功能的多年调节大（2）型水利枢纽工程[2]。水库主体工程由 1 座主坝、3 座副坝、3 处泄水建筑物（溢洪道、输水洞、放水底孔）及坝后式水电站组成。水库建成之后一直是大连市的主要供水水源地，自建成投入运行以来，已经累计向大连市供水 25 亿 m3。

库区坝址区上游约4.5 km 位置存在一个古滑坡体，长期以来一直处于稳定状态。为了提高库区的交通状况，当地政府规划修建了一条穿越滑坡体边坡部位的公路。由于公路在施工过程中需要对边坡进行开挖，造成部分区域的岩土体发生明显的变形破坏，并伴有数条比较明显的裂缝。由于碧流河水库库区属于典型的温带大陆性季风气候区，且位于辽东半岛迎风坡，气候湿润，夏季多短时强降雨。因此，丰富的边坡地下水可以使边坡坡体的抗剪强度下降，进而造成下滑力增大，是诱发地质灾害的重要原因[3]。因此，及时排除坡体内的地下水，对提高边坡稳定性，保证库区和修建公路安全具有重要意义。

目前，排泄坡体内地下水的常用方案是设置倾斜式排水孔。但是这种方案存在比较明显的缺陷：一是排水过程中夹带的泥沙经常会造成排水孔堵塞；二是排水过程中经常会出现回渗现象，影响排水效果[4]。基于此，相关学者提出了虹吸管边坡排水方案，也就是将虹吸管通过下斜孔深入边坡内部，在边坡内的地下水沿着钻孔下渗到孔底之后，再通过虹吸管排出坡外。由于边坡内的地下水位只有上升到一定高度时才会发生虹吸排水，因此可以有效克服倾斜式排水孔的回渗和堵塞问题[5]。因此，拟在碧流河水库上游边坡治理中采用虹吸管排水方案，控制地下水位对边坡稳定性的负面影响。下文主要通过数值模拟的方法，分析虹吸管的位置、角度和级数对边坡稳定性的影响，为工程设计提供支持。

2 边坡稳定性评价方法

2.1 数值计算模型的构建

根据对研究区岸坡的野外地质调查数据及工程设计资料的整理和分析，得到岸坡内部空间分布情况，进而建立有限元计算模型。该模型的海拔高程差为50 m，最高点和最低点的海拔高程分别为135 m和185 m。研究中，利用GeoStudio 软件进行岸坡计算模型的构建[6]，该模型的优势在于添加或改变虹吸管的位置之后，模型可以自动进行网格单元划分和调整，而不需要对边界条件进行改变。同时该软件中已经内置了多种极限平衡方程的算法，可以实现对边坡极限平衡的自动分析[7]。鉴于该段滑坡内部的C-C1 断面穿越边坡内部的断层破碎带，地质条件最差，为最容易发生失稳破坏的部位，因此研究中以该断面为基础建立二维有限元模型，对各种计算工况下的边坡稳定性展开分析研究，其几何模型的示意图如图1 所示。在模型构建过程中以指向左岸的方向为X轴正方向，以竖直向上的方向为Y轴正方向。模型在X轴方向的分别为105 m，Y轴方向的高度为50 m。在模型进行网格划分时，选择四边形和三角形组合单元进行网格划分，并对虹吸结构部位进行加密处理。在没有设置虹吸结构的模型下，获得1 457 个计算节点，1 024 个网格单元。模型的X轴方向的两侧需要施加应力边界条件；模型的上部为自由边界条件；根据现场的实测地质数据资料确定初始应力场。因此，研究中将模型的底面视为不透水面；模型的X轴方向为已知水头边界。

图1 有限元模型示意图

2.2 边坡稳定性评价方法

极限平衡法是目前工程地质领域进行边坡稳定性分析的常用方法，同时也是出现最早、发展最为完善的计算分析方法[8]。该方法的基本思路是对具有滑动趋势的边坡土体进行划分，将其剖分为一定数量的小块体，然后对每个块体的受力情况进行分析，再基于平衡条件构建起整个边坡的稳定性平衡方程，进而实现对边坡稳定性的计算分析。由于该方法具有模型简单、计算方便、适用性广的优势，在水利工程边坡稳定性分析过程中具有较为广泛的应用。因此，此次研究利用软件中自带的极限平衡法对边坡的安全系数进行计算。

3 计算结果与分析

3.1 边坡原始稳定状态分析

利用已构建的有限元计算模型，以边坡渗流计算结果为父本，选择内置的摩根斯坦-普莱斯极限平衡法，对边坡的安全系数进行计算，结果如图2所示。由图2 可知，在没有设置虹吸排水结构的情况下，边坡的安全系数为0.778，显著小于1，说明该段边坡处于不安全状态，需要采取虹吸排水结构降低边坡内部的地下水位，提高边坡的稳定性。

图2 未设置虹吸排水结构的边坡安全系数

3.2 虹吸管设置位置分析

根据工程实际，集水井的内径设置为0.1 m，虹吸管的扬程设定为7.0 m；结合相关研究成果，虹吸管入水口和管顶的水平距离为7.0 m，也就是虹吸管与水平面的夹角为45°。在加入虹吸管之后，需要对模型附近区域网格进行适当加密，以提升计算结果的准确性。为了研究单级虹吸管不同设置位置对边坡稳定性的影响，设置虹吸管管顶的高程分别为245，255，26，275 m 进行边坡安全系数计算，结果分别为0.785，0.809，0.792，0.780。由结果可知，设置虹吸排水结构的条件下，边坡的稳定性系数均有明显提升，这说明设置虹吸排水结构对提升研究边坡的稳定性具有显著作用。同时，随着虹吸排水结构设置位置高程的增加，边坡的安全系数呈现出先增加后降低的变化特征，并且在255 m 的位置得到安全系数的最大值（0.809）。因此，要获得最佳治理效果，需要将虹吸排水结构设置在255 m 高程位置。不过，该位置的安全系数仍小于1，还不能保证边坡安全。

3.3 虹吸管设立角度分析

虹吸排水结构中的虹吸管倾斜角度也是影响边坡安全系数的重要因素。结合已有研究成果，在保持155 m 设置高程不变的情况下，将虹吸管入水口与管顶的水平距离分别设置为10.0，13.0，16.0，19.0 m 等不同角度进行边坡安全系数计算，结果分别为 0.826，0.843，0.869，0.878。由计算结果可知，边坡的稳定系数会随着虹吸管入水口和管顶水平距离的增大而增大，但是增加的速度会明显减缓，在19.0 m 的基础上继续增加，会进一步加大水头损失，进而造成气化和断流。因此，不宜再增加虹吸管长度，虹吸管入水口和管顶水平距离取19 m 左右为宜，此次研究中取整为20.0 m。

3.4 多级虹吸结构的效果分析

由上述研究结果可知，采用单级虹吸排水结构并不能在提高边坡稳定性方面起到显著的作用，因此考虑采用多级虹吸排水结构。结合上文的研究成果，设定虹吸排水管的扬程为7.0 m，虹吸管入水口和管顶水平距离取20.0 m，将最低一级虹吸管设置在245 m 高程，将最高一级排水管设置在275 m 高程，其余虹吸管按照高程均匀分布，对不同级数（2~5 级）的虹吸管条件下的边坡安全系数进行计算，结果各级对应的安全系数分别为0.873，0.947，1.089，1.107。由计算结果可知，边坡的安全系数随着虹吸排水管级数的增加而增大，设置4 级虹吸排水结构情况下边坡的安全系数已经大于1，结合工程的经济性，建议在工程设计中采用4 级虹吸管排水结构，其设置高程分别为245，255，265，275 m。

4 结论

研究以碧流河水库库区上游滑坡体为例，利用数值模拟的方法对多级虹吸排水技术进行了研究，可以得出：1）设置虹吸排水结构对提升研究边坡的稳定性具有显著作用；2）采用单级虹吸管条件下，将虹吸排水结构设置在255 m 高程位置，虹吸管入水口和管顶水平距离取20.0 m 可以获得最佳效果；3）结合边坡稳定性和工程的经济性，建议在工程设计中采用4 级虹吸管排水结构，其设置高程分别为245，255，265，275 m。