水位骤降条件下粘土边坡渗流特征分析

范会芳

（河南省商丘市虞城县水利局，河南 虞城 476300）

1 边坡概况

临水库动水环境条件下的粘土边坡坡度为75°，边坡高13 m，坡底长15 m，水库蓄水水位在该边坡位置处的常见水位深度为19 m，水库排水后水位在该边坡位置处的常见水位深度为13 m，属典型的临水粘土边坡工程。构成边坡坡体的土体主要物理力学参数和水力学参数如表1所示。

表1 粘土的物理力学和水力学参数表

2 数值模型建立

针对岸坡在水位骤降条件下的渗流特征分析，由于其主要考虑边坡形态的不同产生的影响，在岸坡延伸方向上的岸坡形态近似一致，基底高度相同，水位骤降幅度也基本一致，因此该类岸坡工程问题可简化为平面应变问题，针对二维条件下位骤降条件下的渗流特征分析，Geostudio软件中SEEP模块无疑可作为首选分析软件，其可在建立分析模型时采用设置水位线的方式指定蓄水水位，用于对静态水位条件下的边坡稳定性求解和分析，文中的水位骤降条件下渗流特征分析，通过设定水压线的方式设置蓄水水位及排水后的低水位，划定分析模型区域，经过材料参数设置等步骤，按照表1 中给出的土体水力和物理力学参数对边坡土体材料进行赋值，最后创建的用于岸坡渗流特征研究的分析模型如图1所示。

图1 分析模型图

边界条件设置：首先设定蓄水水位为19 m，然后通过构建函数的方式使水位经过10 d时间骤降为13 m，除上部边界外，其它外部边界均设置为固定约束，设置模型网格边长尺寸为1 m，兼顾计算效率和求解效果。

3 计算结果分析

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，获得了水位骤降前后的边坡水压图以及压力水头与含水量与土体水压关系曲线图、水力传导度与土体水压关系曲线图。

3.1 初始水位水压特征

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中获得的初始水位的边坡水压图，如图2所示。

图2 初始水位水压云图

由图2 所示初始水位条件下粘土临水边坡的土体内的水压图可知，水压自上而下逐渐增大，与土体距离X 轴的距离成反比，最大水压位于边坡体的最底部，约为190 kPa，在与初始水位齐平位置处的边坡土体中的水压为0 kPa，边坡顶部土体的水压出现负值，表现为负孔隙水压力，最大的负孔隙水压力约为24 kPa，在坡体底部的水压约为120 kPa这与静水压力大小一致，说明土体内的水压力大小与理论结果一致，该边坡在初始水位时能够保持稳定。

3.2 初始水位压力水头特征

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中获得的初始水位的压力水头图。结果显示初始水位条件下压力水头自上而下逐渐增大，与土体距离X轴的长度成反比，最大压力水头位于边坡体的最底部，约为19 m，在与初始水位齐平位置处的边坡土体中的压力水头为0 m，边坡顶部土体的压力水头出现负值，表现为负压力水头，最大的负压力水头约为1.50 m，在坡体底部的压力水头约为12 m 这与蓄水深度一致，说明土体内的压力水头大小与理论结果一致，同样说明该边坡在初始水位时能够保持稳定。

3.3 水位骤降6 m的水压特征

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中获得的水位骤降6 m 后的边坡水压图，结果显示水位骤降6 m 后的粘土临水边坡的土体内的水压自上而下逐渐增大，与土体距离X 轴的距离成反比，最大水压位于边坡体的最底部，约为127 kPa，在与水位齐平位置处的边坡土体中的水压为0 kPa，边坡顶部土体的水压出现负值，表现为负孔隙水压力，最大的负孔隙水压力约为48 kPa，在坡体底部的水压约为57 kPa这与静水压力大小一致，说明土体内的水压力大小与理论结果一致，该边坡在水位骤降6 m后能够保持稳定。

3.4 水位骤降6 m的压力水头特征

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中获得的水位骤降6 m 后的压力水头图，结果显示水位骤降6 m 后的粘土临水边坡土体内压力水头自上而下逐渐增大，与土体距离X 轴的长度成反比，最大压力水头位于边坡体的最底部，约为13 m，在与水位齐平位置处的边坡土体中的压力水头为0 m，边坡顶部土体的压力水头出现负值，表现为负压力水头，最大的负压力水头约为1.50 m，在坡体底部的压力水头约为6 m这与蓄水深度一致，说明土体内的压力水头大小与理论结果一致，同样说明该边坡在水位骤降6 m后能够保持稳定。

3.5 体积含水量与水压关系

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中获得的含水量与土体水压关系曲线图，如图3所示。

图3 体积含水量与水压关系曲线图

由图3 所示的粘土临水边坡的土体含水量与土体水压关系曲线图可知，随土体水压的不断增大，土体的体积含水量也随之增大，初始时增大速率小，在越过-300 kPa时，增大速率迅速提高，整体呈凹形曲线上升的增大变化趋势，最大体积含水量为0.45，此时的土体水压为0 kPa，也即土体饱和，最小体积含水量为0.13，此时的土体水压为-1e3 kPa，也即达到最大负水压值，土体中的自由水已完全流失说明土体在对水环境具有良好的渗流作用，土体未发生破坏。

3.6 水力传导度与水压关系

为了研究该岸坡在水位骤降条件下的渗流特征，通过求解计算和绘制相应的初始水位和骤降水位后的水压图以及压力水头图的方式，其中水力传导度与土体水压关系曲线图，结果显示，随土体水压的不断增大，土体的水力传导度也随之增大，初始时增大速率小，同样在越过-300 kPa时，增大速率迅速提高，整体呈凹形曲线上升的增大变化趋势，最大水力传导度为1e-6 m/s，此时的土体水压为0 kPa，也即土体饱和，最小水力传导度为2.6e-11 m/s，此时的土体水压为-1e3 kPa，也即达到最大负水压值，水力传导度降低至最小值，土体中的自由水已完全流失，说明土体在对水环境具有良好的传导水的作用，土体未发生破坏。

4 结论

文章依托山西省长治市长治北地区一水库的实体岸坡工程，开展了对该实体岸坡工程在库水位发生骤降条件下的渗流特性研究，得到结论：①水位骤降6 m后最大水压为127 kPa，在水位线处为0 kPa，水位线以上的水压表现为负值，初始水位时有同样的规律，说明该边坡在水位变化前后能够保持稳定。②初始水位压力水头值最大为19 m，在水位线处为0 m，水位线以上的压力水头表现为负值，水位骤降后有同样的规律，说明该边坡在水位变化前后能够保持稳定。③水位变化前后的水力传导度和体积含水率随土体水压的增大而增大，且具有相似的变化规律，水在土体中具有良好的渗流作用，土体未发生破坏。