干湿循环作用下堤防岸坡工程稳定性与渗流场特征研究

杨俊鸽

(洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000)

水利工程的安全稳定运营离不开地基土体，特别是与土体密不可分的岸坡工程[1-2]，水利工程中大多岸坡工程势必会经历干湿效应、降雨条件等[3-4]，研究在多种自然工况因素影响下岸坡工程安全稳定性与渗流场特征，对推动堤防、坝体等岸坡工程的安全运营具有重要作用。彭和鹏等[5]、眭敏磊等[6]利用有限元仿真方法建立边坡模型，施加相关荷载条件，获得了边坡安全系数与工况条件的关联性。李国维等[7]、吴忠等[8]根据岸坡土体特性，采用物化改良方法分析土体力学特征，为岸坡土体的改良加固提供基础试验依据。曾强[9]、雷怡等[10]专门研究岸坡内渗流场分布特征，探讨坡内流场非稳定因素，分析岸坡内流场特征，为岸坡防渗加固提供参照。而对于岸坡护坡方法来说，党海平等[11]、黄艳婷[12]采用有限元仿真分析了不同护坡方法下岸坡运营期稳定性变化，扩展了岸坡加固方法。从上述已有研究成果可知，综合稳定性与渗流场特征开展岸坡安全性评价很有必要，本文采用室内渗透试验与Midas GTS仿真建模手段开展了岸坡土体渗透特性测试、渗流场模拟计算及安全稳定性分析，为工程防渗、护坡及坡体加固等提供计算参考。

1 工程概况

某水库是重要水利枢纽，其承担着地区防洪调度、农业灌溉及工业用水等水利功能，原设计蓄水库容为320万m3，正常蓄水位19.5 m。该水库工程包括有堤防、泄洪闸及引水灌渠。目前，堤防工程最大高度为21.6 m，无防浪墙及二次加高挡墙等结构设施，原堤防基础乃是原位地基，仅进行防渗垫层及注浆加固处理，承载力与泄洪闸加固后地基相差较大，堤防断面形状如图1所示，图1中A1为碎石土，A2为壤土，A3为粉质黏土。由于该水库工程为区域内水利安全性提供重要保障，因而有必要对其堤防工程开展加固，特别是堤防两侧岸坡稳定性，该堤防地基土体以软弱黏土为主，沉降变形较大，特别是岸坡内易形成潜在滑移面，对堤防工程带来较大威胁。因而，在考虑堤防工程现有地质条件前提下，对该岸坡进行“检修”调研，获得该堤防岸坡工程稳定性及渗流场特征。

图1 堤防断面图(单位cm)

2 材料与方法

针对岸坡土体渗透特征，在现场钻孔取样后在室内精加工成环刀土样，采用STS渗透仪开展变水头渗透测试，该装置首、尾设置有供水及放水装置，并配备有带计量的水头管。由于该堤防岸坡土体渗透系数较大，因而试验过程中分次击实土体，确保环刀试样间压实度，由于不同击实次数势必会影响环刀土样密闭性[13]，因而本试验中分别设定击实次数为1次、2次、3次、4次，当土样4次击实后，即可表示土样压实度达100%，而击实1次、2次、3次分别表示压实度70%、80%、90%。试验前每个试样颗粒在制备前均烘干、重塑，制备后试样含水量控制为13%～15%，所有试验土样的质量、取样地点均保持一致性，确保试验结果可靠性。

不仅需研究岸坡土体渗透特征，同样也要探讨土体在干湿循环条件下渗透演变过程，故采用抽真空饱和机与烘干箱开展岸坡干湿循环模拟。每次将制备好的饱和试样放在烘干箱内保持8 h，后将试样采用真空饱和机完成饱和试验，1轮干湿作用完成。

从试验方法可知，本试验中土样渗透测试包括有干湿循环次数与压实度影响因素，分别测定各试验方案组土样渗透特性，试验方案如表1。

表1 各组渗透试样试验参数

针对岸坡静力稳定性与渗流场特征，采用Midas GTS仿真平台开展建模分析[14]，并结合堤防实际工程建立有限元模型，所划分的网格单元以实际土层为本构模型依托，如图2所示。并依托仿真平台分别在模型顶部、底部设定透水和不透水边界条件，所有降雨条件因素的叠加通过瞬态径流设定，而模型土体渗透系数等物理力学参数由实测确定，并假定干湿循环影响面作用点位于岸坡土体上，在统一地下水位4 m的计算基础下，采用稳态法计算获得初始孔隙水压力分布，如图3。

图2 岸坡有限元模型

图3 岸坡初始孔隙水压力分布

3 岸坡工程稳定性特征

3.1 坡内土体渗透系数特征

基于岸坡土体渗透测试，获得干湿循环与压实度耦合因素影响下土体渗透系数变化特征，如图4所示。从图中可看出，干湿循环次数与土样渗透系数具有正相关关系，当循环次数愈大，则渗透系数愈高，但渗透系数的变化增幅在减弱，当压实度均为90%时，无干湿循环条件下试样渗透系数为1.53×10-8cm/s，而循环1次、3次、5次后，渗透系数较前者分别增长了1.65倍、14.30倍、35.80倍，随方案每增多1次循环，渗透系数平均增长了1.12倍，但增长空间集中在循环次数0～3次，表明随干湿循环作用后，试样渗透特性逐渐处于劣化发展过程。当压实度为70%、100%时，每增多1次干湿循环，渗透系数平均增长了6.44倍、0.77倍，分析可知压实度愈大，此时干湿循环对试样渗透特性的促进效应在减弱。软弱黏土颗粒骨架在环刀内受到多次击实后，压实度较高，颗粒骨架结构完整性、紧凑性及抗损伤效果均较大，而干湿循环作用本质上是对土体颗粒骨架孔隙的一种扩展、延伸作用[15]，当试样本身压实度较高时，颗粒骨架孔隙的延伸较困难，因而可抑制干湿循环作用下的渗透特性。当干湿循环条件因素一致时，压实度愈高，则渗透系数愈低。从各干湿循环方案来看，压实度提升10%，渗透系数降低了0.93～0.99倍。此即印证了压实度对土样渗透系数的约束作用，对堤防岸坡土体渗流安全性来说，应分层压实岸坡土层，控制岸坡内土体滑移面，增大压实系数。

图4 土体渗透系数变化特征

3.2 干湿循环影响岸坡稳定性

为分析干湿循环作用对岸坡安全稳定性影响，本文在Midas GTS仿真平台完成了岸坡安全系数计算，获得了岸坡安全系数影响变化特征，如图5。其中计算模型为图5(a)所示，土体参数按照土工试验取值，以折减系数作为安全系数求解原则，分析图中安全系数变化趋势可知，循环次数与岸坡安全系数为负相关变化，在相同降雨时长30 min下，干湿1次时安全系数为3.61，而循环每增长1次，在该降雨条件下安全系数平均减少了0.11，而在降雨时长90 min、150 min、240 min下安全系数随干湿循环次数平均减少了分别为0.13、0.15、0.26，当降雨时长愈大，干湿循环作用影响效应更显著，径流更易在岸坡内土层产生渗透通道，导致局部出现突涌点，因而产生安全系数降低现象。当降雨时长愈大，同一干湿循环下岸坡安全系数为递减态势，但降幅逐渐增大，在循环2次下，降雨30 min岸坡安全系数为3.4，而在降雨60～150 min区间内，随降雨每增大30 min，安全系数平均降低了0.027，但在降雨150～240 min内，安全系数的降幅最大可达0.15，平均降低了0.12。而干湿循环次数增多后，岸坡安全系数随降雨时长变化均是如此，为堤防岸坡安全性，应对坡身进行防护加固，减弱雨期干湿循环影响。比较干湿循环与降雨时长两者耦合影响可知，在降雨时长影响岸坡安全系数降幅时，不同干湿循环下差距较小，即干湿循环作用较弱，表明降雨径流因素对岸坡稳定性影响高于干湿作用。

图5 岸坡安全系数影响变化特征

4 岸坡工程渗流场影响特征

基于图3模型初始孔隙水压力分布，借助Midas GTS流场模拟获得干湿循环作用、降雨时长因素影响下岸坡内渗流场特征，本文以坡身内孔隙水压力参数为典型对象分析，如图6所示。

图6 岸坡孔隙水压力影响变化特征

分析图中每个研究方案下坡身内最大孔隙水压力变化特征可知，当降雨时长一定时，干湿循环次数愈多，则孔隙水压力愈大，且增幅较稳定，在降雨60 min时长下，干湿循环1～4次方案中，各循环次数方案间坡身最大孔隙水压力的增幅分别为0.82～0.88倍，由此可知，岸坡内孔隙水压力受干湿循环作用影响，其分布状态较稳定，每一次干湿循环作用均会造成岸坡孔隙水压力的变化。从岸坡土体特征分析可知，黏性土自身孔隙较多，在无理想压实状态下，干湿循环作用会对其内部渗透通道的形成产生“恒量”效果。

当处于同一干湿循环次数方案中，降雨时长愈大，孔隙水压力递增，且增幅为先慢后快的态势，在循环1次时，降雨30～120 min各方案间坡身最大孔隙水压力的增幅分别为0.15倍、0.18倍、0.22倍，而在降雨时长150～240 min方案内孔隙水压力的最小增幅都已达0.29倍，此种现象在干湿循环2～4次下均是如此。干湿循环叠加作用下，降雨时长对岸坡渗流场影响更为促进，而降雨时长因素本质上反映了降雨径流条件，故干湿循环可正向促进降雨径流活跃性[16]。从堤防岸坡稳定性考虑，应针对岸坡易受到干湿作用的土层处开展防渗加固处理，确保岸坡内渗流场稳定。

5 结 论

(1)干湿循环次数与土样渗透系数具有正相关关系，但增幅递减；压实度愈大，干湿作用对试样渗透特性的促进效应减弱；压实度愈高，则土体渗透系数愈低，在各干湿循环次数下，压实度每增大10%，渗透系数平均降低了0.93～0.99倍。

(2)干湿循环次数愈多，岸坡安全系数愈低，降雨时长愈大，干湿循环作用影响效应更显著，降雨时长愈大，岸坡安全系数为递减态势，但降幅递增。

(3)干湿作用、降雨时长与孔隙水压力均为正相关变化；但干湿作用促进增幅较稳定，且干湿作用可促进降雨条件对岸坡渗流场影响效应。