背河坑塘水力条件对河道边坡稳定性的影响

沈思朝，邱金伟，刘 军，童 军，胡 波

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

新开河渠及利用的现有河湖与地下水通常有着密切的水力联系，河水往往是地下水的主要补给来源或排泄去处。工程建设及建成运行过程中，河渠水与周围地下水的相互关系是非常重要的工程安全影响因素和生态环境影响因素，而靠近渠堤的坑塘是影响和危害河渠工程安全的严重隐患之一。从渠道工程安全的角度考虑，近堤范围内常年积水坑塘的存在，使堤基及其附近土壤长期处于浸泡之中，致使堤基及其附近土体松软，极易造成堤基渗透变形、堤身滑坡等险情，近堤范围内长期积水的坑塘也给渠堤查险和险情处理带来很大的困难[1]。当河堤存在膨胀土时，由于膨胀土的湿胀干缩工程特性，其强度和变形受坑塘水分的变化影响显著，较无膨胀土河堤更易失稳破坏[2-5]。因此，考虑背河坑塘水力条件对河道边坡稳定性的影响，在此基础上提出针对性的支护措施是当前面临的一个重要工程问题。

目前，不少学者研究了地下水力条件对边坡稳定性的影响，并取得了一定的成果。张文杰等[6]从非饱和土的渗流和抗剪强度理论出发，分析了水位升降时土质岸坡的渗流规律及其稳定性的变化规律。汪斌等[7]利用有限元数值分析软件对含有软弱透水夹层的层状岸坡进行了非稳定渗流和有限元数值分析。进一步地，汪斌等[8]基于流固耦合理论，研究了库岸滑坡在库水涨落下的变形失稳机制；杨文琦等[9]研究了降雨作用下考虑膨胀推力的膨胀土边坡稳定性；乔文号等[10]以大永高速公路老南瓜塘边坡为研究对象，采用数值方法分析了降雨和地震耦合作用下该边坡的失稳破坏机制；周晗晗[11]通过数值模拟分析了膨胀土渠道边坡内的渗流场分布，在此基础上进行边坡的稳定性分析，研究膨胀土渠道边坡的破坏机理并提出相应的支护方案。韦秉旭等[12]探究了多场耦合作用下膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的变化规律。目前关于涉水边坡的研究主要体现在水位涨落、降雨等水力条件对边坡稳定性的影响[13-16]，还没有针对坑塘水力条件对河道边坡稳定影响的研究，而坑塘对于河道边坡的稳定性具有较大影响，尤其是对于膨胀土边坡。

基于此，本文以引江济淮工程中涉及坑塘和膨胀土的J45+100断面河道边坡为例，运用GeoStudio软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块，建立耦合渗流和稳定性分析的J45+100断面河道边坡计算模型，并对该边坡提出了相应的支护方案，针对3种不同工况分别对支护前后的边坡进行了抗滑稳定性分析和评价。最后，研究了填塘范围、坑塘水深以及土体渗透性对边坡渗流和稳定性的影响。

2 工程概况与断面选取

2.1 工程概况

引江济淮工程是2014年5月国务院第48次常务会议要求加快推进的172项节水供水重大水利工程之一，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境为主要任务的大型跨流域调水工程。工程自南向北分为引江济巢、江淮沟通、江水北送3段，输水线路总长723 km，其中新开河渠88.7 km、利用现有河湖311.6 km、疏浚扩挖215.6 km、压力管道107.1 km。线路先后经过沿江冲积平原、江淮丘陵和淮北冲积平原三大地貌单元，其中，在淮河以南菜子湖线路和江淮沟通切岭地段及部分岗地，约有140 km渠段分布有弱、中等膨胀潜势的膨胀土及少量崩解岩(膨胀岩)，包括：菜子湖线路约37.85 km，过巢湖线路约39.16 km，江淮沟通段约63.025 km。各标段膨胀土为重粉质壤土，以弱膨胀土为主，部分渠段为中膨胀土。江淮沟通段切岭段边坡最大开挖深度47.6 m，挖深超过30 m的边坡长6.1 km，边坡上部分布有中膨胀土，下部为具有膨胀性的崩解泥岩夹层，部分区段软弱夹层为顺坡向缓倾角分布。膨胀土地段沿线存在约300个坑塘，高地下水问题和边坡稳定问题突出。为此，需要评估坑塘引起的地下水渗漏及其膨胀土边坡稳定的影响，在此基础上制订经济合理的处理方案。

2.2 断面选取

江淮沟通J7-2标段位于江淮分水岭南侧，属巢湖流域。本标段地处江淮分水岭最高处，中间高、两侧低，地面高程为41.0～61.0 m。基岩埋深一般10～30 m，基岩主要为白垩系上统邱庄组(K2qz)粉砂岩、砂岩，夹泥岩。J7-2标段具有开挖深度大、软化泥岩层面多、坑塘分布广的特点，沿线河道边坡高地下水问题和边坡稳定问题尤为突出。

本文以J7-2标段J45+100断面为例来进行支护设计和稳定性分析。J45+100断面坡高45.6 m，层切深7～21 m，渠底高程为13.4 m，设计输水位为17.86 m，最低通航水位为16.91 m，防洪水位为25.42 m。地层分布从上往下依次为：重—中粉质壤土(中膨胀)，全、强风化岩和中等风化岩。坑塘两岸距离河道边坡开挖线10～102 m，水深为4 m。在开挖过程中，J45+100断面河道边坡出现了不同程度的裂隙和局部塌陷，后经补勘发现该断面具有多条软化泥岩层面。本文以J45+100断面为研究对象具有较好的代表性。

3 河道边坡支护设计与参数取值

3.1 边坡支护设计

J45+100断面河道边坡支护设计如图1所示。该剖面一级、二级边坡采用现浇C25钢筋混凝土面板，并设有非预应力钢筋锚杆。二级、三级、四级边坡中风化岩地层范围内，在坡面设PVC排水管。四级(全、强风化岩以上)至八级边坡表层设1.5 m厚4%水泥改性土，改性土下设置高强内支撑排水盲管。二级平台以上岩质边坡换填4%水泥改性土至上部膨胀土高程，其中坡比为1∶2及渐变段边坡换填厚度1.2 m，坡比为1∶3的边坡换填厚度为1.0 m。二级平台设置一排抗滑桩，抗滑桩桩长12.2 m，桩径为2.0 m，C35钢筋混凝土结构。六级平台及七级平台各设置一排抗滑桩，其中六级平台抗滑桩桩长15 m，桩径1.2 m；七级平台抗滑桩桩长20.0 m，桩径1.2 m。

图1 J45+100断面河道边坡支护设计Fig.1 Support scheme for the river slope of section J45+100

3.2 边坡计算参数

根据《引江济淮工程江淮沟通段J7-2标(J43+600—46+000)施工图阶段工程地质勘察报告》(以下简称《工程地质勘察报告》)，重—中粉质壤土层(中膨胀)渗透系数一般为10-5～10-7cm/s，属弱—极微透水性土层；全—强风化粉砂岩一般为弱透水性，中等风化—新鲜基岩一般为微—极微透水性。根据《工程地质勘察报告》，此处取中膨胀土渗透系数为5.0×10-5cm/s，全—强风化粉细砂岩渗透系数为2.0×10-4cm/s，中等风化—新鲜粉细砂岩渗透系数为2.0×10-6cm/s，软化泥岩层面渗透系数为1.0×10-5cm/s，换填土渗透系数取1.0×10-6cm/s。根据《引江济淮工程膨胀土地段生态河道关键技术研究中期成果报告》，各岩土层物理力学指标如表1所示。

表1 各岩土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers of river slope

4 河道边坡抗滑稳定性分析

4.1 河道边坡工况条件

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386—2007)[17]，渠道边坡稳定性分析应考虑以下3种条件。

(1)正常运用条件：水道边坡的正常高水位与最低水位之间的各种水位及其经常性降落。

(2)非常运用条件Ⅰ：①由于降雨引起的边坡体地下水位变化；②校核洪水位及其水位降落。

(3)非常运用条件Ⅱ：正常运用条件下遭遇地震。

引江济淮工程为Ⅰ等工程，根据《水利水电工程边坡设计规范》[17]，Ⅰ级边坡的允许最小安全系数：正常运用条件为1.30、非常运用条件I为1.20、非常运用条件Ⅱ为1.10。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[18]，工程区地震动峰值加速度为0.1g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。地震峰值加速度为0.1g，按照规范采用拟静力法(《水利水电工程边坡设计规范》[17]、《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)[19])，将地震峰值加速度乘以0.25，拟静力取值为0.025g。

4.2 模型概化

对二维计算模型进行边界、参数概化，上游侧模型边界距河道边坡坡肩约350 m，下游侧模型边界为河渠中心线，渠底高程为13.40 m，设计输水位17.86 m，最低通航水位16.91 m，防洪水位25.42 m，模型底取至向下-50.0 m。模型顶部有坑塘的位置取为定水头边界，坑塘以外的地表边界为自由面，底部边界位于新鲜基岩，为隔水边界。坑塘距离河道边坡开挖线10～102 m，坑塘深4 m。在渗流计算分析的过程中，由于抗滑桩和锚杆无法在河道边坡内部形成一个防渗面，因此此处不考虑抗滑桩和锚杆对渗流的影响，从渗流角度分析这一假设是合理的。

无任何支护情况和有支护后J45+100断面的概化模型如图2所示。

图2 无任何支护和有支护后J45+100断面概化模型Fig.2 Generalized model of section J45+100 in the presence and in the absence of slope support

4.3 河道边坡抗滑稳定性分析

根据图2及3.2节中的计算参数值，采用GeoStudio软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块来分析坑塘水力条件对河道边坡稳定性的影响。稳定性计算采用Mohr-Coulomb强度破坏准则，并选用广泛采用的Morgenstern-Price方法计算边坡的稳定安全系数。

为了直观表示出总水头沿坡面下降情况，以坡顶为最高水头(45.6 m)，坡底为最低水头(0 m)，给出了J45+100断面河道边坡的总水头占最高总水头百分比等值线分布，如图3所示。由于边坡开挖，总水头沿坡度向下呈现不同程度的下降。图示中虚线为浸润线，坑塘渗流在坡面的出溢点位于高程49.42 m处，渗漏单宽流量为262.28 L/(d·m)。

图3 河道边坡总水头占最高总水头百分比等值线分布Fig.3 Contours of percentage of total head to maximum total head for the river slope

表2为不同河道水位工况下的边坡稳定性计算结果，其中非常运用条件Ⅰ为考虑降雨的影响。表2中“a”和“b”对应安全系数的计算模型分别如图4(a)和图4(b)所示。未支护时，边坡的稳定性不满足规范要求，潜在滑动面分布在软化泥岩层面。经过支护后，边坡的稳定性有了显著提升，满足规范要求，潜在滑动面下移。由于施加了换填土护坡，并在换填土层下设置高强内支撑排水盲管，浸润线高程有了显著下降。

表2 不同河道水位工况下的边坡安全系数Table 2 Safety factor of slope under different water levels of river channel

表3为河道水位下降工况下的边坡稳定性计算结果，其中非常运用条件Ⅰ为考虑洪水位降落的影响。表3中“c”对应的安全系数的计算模型如图4(c)所示。水位下降对边坡的稳定性有较大影响，以正常运用条件为例，在静态设计输水位时的裸坡安全系数为1.080，而当水位由设计输水位降至最低通航水位时，裸坡的安全系数为1.010。

表3 河道水位下降工况下的边坡安全系数Table 3 Safety factor of slope under water level drawdown

图4 “a” “b”“c”对应安全系数的计算模型Fig.4 Calculation model of stability analysis corresponding to “a” “b” and “c”

5 影响因素分析

本节在设计输水位和正常运用条件下分析填塘范围、坑塘水深以及土体渗透性对河道边坡渗流和稳定性的影响，在分析每种影响因素时，保持其他参数不变。

5.1 填塘范围的影响

表4为不同填塘程度条件下J45+100河道边坡的渗流计算结果，填塘从靠近河道边坡一侧开始。从表4可以看出，随着坑塘回填面积的增大(坑塘开口距离坡肩越远)，坑塘渗流在坡面的出溢点高程和渗漏单宽流量均逐渐减小。当坑塘回填后坑塘开口与坡肩间距由10 m增至100 m时，出溢态高程下降了10.43 m，单宽流量下降了46.4%。

表4 不同填塘范围条件下J45+100河道边坡的 渗流计算结果Table 4 Seepage calculation results of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

图5为不同坑塘回填范围条件下J45+100河道边坡的安全系数，图5表明，坑塘回填范围越大，边坡的安全系数越大，尤其是对于裸坡，当坑塘回填后坑塘开口与坡肩间距由10 m增加至100 m时，边坡的安全系数增加了0.274。由此可见，坑塘回填处理能够显著降低坑塘水分的出溢点高程和渗漏单宽流量，这些影响能够有效提升边坡的稳定性，对于工程而言，填塘处理是必要的。

图5 不同填塘范围条件下J45+100河道边坡的安全系数Fig.5 Safety factor of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

5.2 水深的影响

经过勘测发现，引江济淮膨胀土地段沿线坑塘水最深不超过4 m，此处分别计算水深由1 m增至6 m时河道边坡的渗流和稳定性。表5为不同坑塘水深条件下J45+100河道边坡的渗流计算结果。计算结果表明，坑塘水越深，坑塘渗流在坡面的出溢点高程越高，单宽流量越大。当坑塘水深由1 m增至6 m时，渗漏单宽流量由248.67 L/(d·m)增至264.38 L/(d·m)(增长了6.3%)，可见坑塘水深对河道边坡渗流的影响较小。

表5 不同坑塘水深条件下J45+100河道边坡渗流 计算结果Table 5 Seepage calculation results of slope at J45+100 section under different pond water depths

图6为不同坑塘水深对应的J45+100河道边坡安全系数，从图中可以看出，裸坡和支护边坡在坑塘水深变化时安全系数几乎保持不变，当水深由1 m增至6 m时，未支护和支护边坡的安全系数分别仅下降了0.022和0.002。可见，坑塘水深对边坡稳定性的影响较小。

图6 不同坑塘水深条件下J45+100河道边坡安全系数Fig.6 Safety factor of slope at J45+100 section under different water depths of pond

5.3 膨胀土渗透性的影响

本节讨论膨胀土渗透性对河道边坡渗流和稳定性的影响，膨胀土渗透系数分别取5.0×10-5、5.0×10-6、5.0×10-7cm/s。表6为不同膨胀土渗透系数条件下J45+100河道边坡的渗流和稳定性计算结果，结果显示，膨胀土渗透系数越低，坑塘渗流在坡面出溢点高程越低，渗漏单宽流量也越低，安全系数越高。当膨胀土渗透系数由5.0×10-5cm/s减至5.0×10-7cm/s时，出溢点高程下降了15.49 m，单宽流量减少了84.8%，裸坡和支护边坡的安全系数分别增加了0.238和0.084。由此可见，膨胀土渗透系数对边坡渗流和稳定性的影响均十分显著，是一个重要的指标参数。

表6 不同膨胀土渗透系数条件下J45+100河道边坡的 渗流和稳定性计算结果Table 6 Seepage and slope stability calculation results of J45+100 section with different permeability coefficients of expansive soil

6 结 论

本文以引江济淮工程中涉及坑塘和膨胀土的J45+100断面河道边坡为例，运用GeoStudio软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W模块，建立耦合渗流和稳定性分析的J45+100断面河道边坡计算模型，并对该边坡提出了相应的支护方案，分析了边坡支护前后的抗滑稳定性，并研究了填塘范围、坑塘水深以及土体渗透性对河道边坡渗流和稳定性的影响。本文的主要结论如下：

(1)未支护时，边坡的稳定性不满足规范要求。经过本文提出的支护方案进行支护后，边坡的稳定性有了显著提升，在正常运用条件、非正常运用条件Ⅰ和非正常运用条件Ⅱ 3种不同工况下，均满足规范要求。

(2)填塘处理能够显著降低坑塘渗流在坡面的出溢点高程和渗漏单宽流量，这些措施能够有效提升河道边坡的稳定性。以本文考虑的工况为例，当坑塘回填后坑塘开口与坡肩间距由10 m增加至100 m时，出溢点高程下降了10.43 m，单宽流量下降了46.4%，裸坡安全系数提升了0.274。

(3)就本文所考虑的工况而言，当坑塘水深由1 m增至6 m时，裸坡的单宽流量仅增长了6.3%，安全系数下降了0.022。而引江济淮工程沿线坑塘水深不超过4 m，在这一背景下，可以忽略坑塘水深对河道边坡水分渗流和稳定性的影响。

(4)膨胀土渗透系数对边坡渗流和稳定性的影响均十分显著，是一个重要的指标参数。膨胀土渗透系数越低，河道边坡的出溢点高程越低，单宽流量也越低，安全系数越高。