背河坑塘水力條件對河道邊坡穩定性的影響

沈思朝，邱金偉，劉 軍，童 軍，胡 波

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

新開河渠及利用的現有河湖與地下水通常有著密切的水力聯系，河水往往是地下水的主要補給來源或排泄去處。工程建設及建成運行過程中，河渠水與周圍地下水的相互關系是非常重要的工程安全影響因素和生態環境影響因素，而靠近渠堤的坑塘是影響和危害河渠工程安全的嚴重隱患之一。從渠道工程安全的角度考慮，近堤范圍內常年積水坑塘的存在，使堤基及其附近土壤長期處于浸泡之中，致使堤基及其附近土體松軟，極易造成堤基滲透變形、堤身滑坡等險情，近堤范圍內長期積水的坑塘也給渠堤查險和險情處理帶來很大的困難[1]。當河堤存在膨脹土時，由于膨脹土的濕脹干縮工程特性，其強度和變形受坑塘水分的變化影響顯著，較無膨脹土河堤更易失穩破壞[2-5]。因此，考慮背河坑塘水力條件對河道邊坡穩定性的影響，在此基礎上提出針對性的支護措施是當前面臨的一個重要工程問題。

目前，不少學者研究了地下水力條件對邊坡穩定性的影響，并取得了一定的成果。張文杰等[6]從非飽和土的滲流和抗剪強度理論出發，分析了水位升降時土質岸坡的滲流規律及其穩定性的變化規律。汪斌等[7]利用有限元數值分析軟件對含有軟弱透水夾層的層狀岸坡進行了非穩定滲流和有限元數值分析。進一步地，汪斌等[8]基于流固耦合理論，研究了庫岸滑坡在庫水漲落下的變形失穩機制；楊文琦等[9]研究了降雨作用下考慮膨脹推力的膨脹土邊坡穩定性；喬文號等[10]以大永高速公路老南瓜塘邊坡為研究對象，采用數值方法分析了降雨和地震耦合作用下該邊坡的失穩破壞機制；周晗晗[11]通過數值模擬分析了膨脹土渠道邊坡內的滲流場分布，在此基礎上進行邊坡的穩定性分析，研究膨脹土渠道邊坡的破壞機理并提出相應的支護方案。韋秉旭等[12]探究了多場耦合作用下膨脹應變對膨脹土邊坡非飽和降雨入滲的變化規律。目前關于涉水邊坡的研究主要體現在水位漲落、降雨等水力條件對邊坡穩定性的影響[13-16]，還沒有針對坑塘水力條件對河道邊坡穩定影響的研究，而坑塘對于河道邊坡的穩定性具有較大影響，尤其是對于膨脹土邊坡。

基于此，本文以引江濟淮工程中涉及坑塘和膨脹土的J45+100斷面河道邊坡為例，運用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，建立耦合滲流和穩定性分析的J45+100斷面河道邊坡計算模型，并對該邊坡提出了相應的支護方案，針對3種不同工況分別對支護前后的邊坡進行了抗滑穩定性分析和評價。最后，研究了填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對邊坡滲流和穩定性的影響。

2 工程概況與斷面選取

2.1 工程概況

引江濟淮工程是2014年5月國務院第48次常務會議要求加快推進的172項節水供水重大水利工程之一，是一項以城鄉供水和發展江淮航運為主，結合灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境為主要任務的大型跨流域調水工程。工程自南向北分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送3段，輸水線路總長723 km，其中新開河渠88.7 km、利用現有河湖311.6 km、疏浚擴挖215.6 km、壓力管道107.1 km。線路先后經過沿江沖積平原、江淮丘陵和淮北沖積平原三大地貌單元，其中，在淮河以南菜子湖線路和江淮溝通切嶺地段及部分崗地，約有140 km渠段分布有弱、中等膨脹潛勢的膨脹土及少量崩解巖(膨脹巖)，包括：菜子湖線路約37.85 km，過巢湖線路約39.16 km，江淮溝通段約63.025 km。各標段膨脹土為重粉質壤土，以弱膨脹土為主，部分渠段為中膨脹土。江淮溝通段切嶺段邊坡最大開挖深度47.6 m，挖深超過30 m的邊坡長6.1 km，邊坡上部分布有中膨脹土，下部為具有膨脹性的崩解泥巖夾層，部分區段軟弱夾層為順坡向緩傾角分布。膨脹土地段沿線存在約300個坑塘，高地下水問題和邊坡穩定問題突出。為此，需要評估坑塘引起的地下水滲漏及其膨脹土邊坡穩定的影響，在此基礎上制訂經濟合理的處理方案。

2.2 斷面選取

江淮溝通J7-2標段位于江淮分水嶺南側，屬巢湖流域。本標段地處江淮分水嶺最高處，中間高、兩側低，地面高程為41.0～61.0 m?；鶐r埋深一般10～30 m，基巖主要為白堊系上統邱莊組(K2qz)粉砂巖、砂巖，夾泥巖。J7-2標段具有開挖深度大、軟化泥巖層面多、坑塘分布廣的特點，沿線河道邊坡高地下水問題和邊坡穩定問題尤為突出。

本文以J7-2標段J45+100斷面為例來進行支護設計和穩定性分析。J45+100斷面坡高45.6 m，層切深7～21 m，渠底高程為13.4 m，設計輸水位為17.86 m，最低通航水位為16.91 m，防洪水位為25.42 m。地層分布從上往下依次為：重—中粉質壤土(中膨脹)，全、強風化巖和中等風化巖?？犹羶砂毒嚯x河道邊坡開挖線10～102 m，水深為4 m。在開挖過程中，J45+100斷面河道邊坡出現了不同程度的裂隙和局部塌陷，后經補勘發現該斷面具有多條軟化泥巖層面。本文以J45+100斷面為研究對象具有較好的代表性。

3 河道邊坡支護設計與參數取值

3.1 邊坡支護設計

J45+100斷面河道邊坡支護設計如圖1所示。該剖面一級、二級邊坡采用現澆C25鋼筋混凝土面板，并設有非預應力鋼筋錨桿。二級、三級、四級邊坡中風化巖地層范圍內，在坡面設PVC排水管。四級(全、強風化巖以上)至八級邊坡表層設1.5 m厚4%水泥改性土，改性土下設置高強內支撐排水盲管。二級平臺以上巖質邊坡換填4%水泥改性土至上部膨脹土高程，其中坡比為1∶2及漸變段邊坡換填厚度1.2 m，坡比為1∶3的邊坡換填厚度為1.0 m。二級平臺設置一排抗滑樁，抗滑樁樁長12.2 m，樁徑為2.0 m，C35鋼筋混凝土結構。六級平臺及七級平臺各設置一排抗滑樁，其中六級平臺抗滑樁樁長15 m，樁徑1.2 m；七級平臺抗滑樁樁長20.0 m，樁徑1.2 m。

圖1 J45+100斷面河道邊坡支護設計Fig.1 Support scheme for the river slope of section J45+100

3.2 邊坡計算參數

根據《引江濟淮工程江淮溝通段J7-2標(J43+600—46+000)施工圖階段工程地質勘察報告》(以下簡稱《工程地質勘察報告》)，重—中粉質壤土層(中膨脹)滲透系數一般為10-5～10-7cm/s，屬弱—極微透水性土層；全—強風化粉砂巖一般為弱透水性，中等風化—新鮮基巖一般為微—極微透水性。根據《工程地質勘察報告》，此處取中膨脹土滲透系數為5.0×10-5cm/s，全—強風化粉細砂巖滲透系數為2.0×10-4cm/s，中等風化—新鮮粉細砂巖滲透系數為2.0×10-6cm/s，軟化泥巖層面滲透系數為1.0×10-5cm/s，換填土滲透系數取1.0×10-6cm/s。根據《引江濟淮工程膨脹土地段生態河道關鍵技術研究中期成果報告》，各巖土層物理力學指標如表1所示。

表1 各巖土層物理力學指標Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers of river slope

4 河道邊坡抗滑穩定性分析

4.1 河道邊坡工況條件

根據《水利水電工程邊坡設計規范》(SL 386—2007)[17]，渠道邊坡穩定性分析應考慮以下3種條件。

(1)正常運用條件：水道邊坡的正常高水位與最低水位之間的各種水位及其經常性降落。

(2)非常運用條件Ⅰ：①由于降雨引起的邊坡體地下水位變化；②校核洪水位及其水位降落。

(3)非常運用條件Ⅱ：正常運用條件下遭遇地震。

引江濟淮工程為Ⅰ等工程，根據《水利水電工程邊坡設計規范》[17]，Ⅰ級邊坡的允許最小安全系數：正常運用條件為1.30、非常運用條件I為1.20、非常運用條件Ⅱ為1.10。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)[18]，工程區地震動峰值加速度為0.1g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。地震峰值加速度為0.1g，按照規范采用擬靜力法(《水利水電工程邊坡設計規范》[17]、《水工建筑物抗震設計標準》(GB 51247—2018)[19])，將地震峰值加速度乘以0.25，擬靜力取值為0.025g。

4.2 模型概化

對二維計算模型進行邊界、參數概化，上游側模型邊界距河道邊坡坡肩約350 m，下游側模型邊界為河渠中心線，渠底高程為13.40 m，設計輸水位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。模型頂部有坑塘的位置取為定水頭邊界，坑塘以外的地表邊界為自由面，底部邊界位于新鮮基巖，為隔水邊界?？犹辆嚯x河道邊坡開挖線10～102 m，坑塘深4 m。在滲流計算分析的過程中，由于抗滑樁和錨桿無法在河道邊坡內部形成一個防滲面，因此此處不考慮抗滑樁和錨桿對滲流的影響，從滲流角度分析這一假設是合理的。

無任何支護情況和有支護后J45+100斷面的概化模型如圖2所示。

圖2 無任何支護和有支護后J45+100斷面概化模型Fig.2 Generalized model of section J45+100 in the presence and in the absence of slope support

4.3 河道邊坡抗滑穩定性分析

根據圖2及3.2節中的計算參數值，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊來分析坑塘水力條件對河道邊坡穩定性的影響。穩定性計算采用Mohr-Coulomb強度破壞準則，并選用廣泛采用的Morgenstern-Price方法計算邊坡的穩定安全系數。

為了直觀表示出總水頭沿坡面下降情況，以坡頂為最高水頭(45.6 m)，坡底為最低水頭(0 m)，給出了J45+100斷面河道邊坡的總水頭占最高總水頭百分比等值線分布，如圖3所示。由于邊坡開挖，總水頭沿坡度向下呈現不同程度的下降。圖示中虛線為浸潤線，坑塘滲流在坡面的出溢點位于高程49.42 m處，滲漏單寬流量為262.28 L/(d·m)。

圖3 河道邊坡總水頭占最高總水頭百分比等值線分布Fig.3 Contours of percentage of total head to maximum total head for the river slope

表2為不同河道水位工況下的邊坡穩定性計算結果，其中非常運用條件Ⅰ為考慮降雨的影響。表2中“a”和“b”對應安全系數的計算模型分別如圖4(a)和圖4(b)所示。未支護時，邊坡的穩定性不滿足規范要求，潛在滑動面分布在軟化泥巖層面。經過支護后，邊坡的穩定性有了顯著提升，滿足規范要求，潛在滑動面下移。由于施加了換填土護坡，并在換填土層下設置高強內支撐排水盲管，浸潤線高程有了顯著下降。

表2 不同河道水位工況下的邊坡安全系數Table 2 Safety factor of slope under different water levels of river channel

表3為河道水位下降工況下的邊坡穩定性計算結果，其中非常運用條件Ⅰ為考慮洪水位降落的影響。表3中“c”對應的安全系數的計算模型如圖4(c)所示。水位下降對邊坡的穩定性有較大影響，以正常運用條件為例，在靜態設計輸水位時的裸坡安全系數為1.080，而當水位由設計輸水位降至最低通航水位時，裸坡的安全系數為1.010。

表3 河道水位下降工況下的邊坡安全系數Table 3 Safety factor of slope under water level drawdown

圖4 “a” “b”“c”對應安全系數的計算模型Fig.4 Calculation model of stability analysis corresponding to “a” “b” and “c”

5 影響因素分析

本節在設計輸水位和正常運用條件下分析填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對河道邊坡滲流和穩定性的影響，在分析每種影響因素時，保持其他參數不變。

5.1 填塘范圍的影響

表4為不同填塘程度條件下J45+100河道邊坡的滲流計算結果，填塘從靠近河道邊坡一側開始。從表4可以看出，隨著坑塘回填面積的增大(坑塘開口距離坡肩越遠)，坑塘滲流在坡面的出溢點高程和滲漏單寬流量均逐漸減小。當坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增至100 m時，出溢態高程下降了10.43 m，單寬流量下降了46.4%。

表4 不同填塘范圍條件下J45+100河道邊坡的 滲流計算結果Table 4 Seepage calculation results of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

圖5為不同坑塘回填范圍條件下J45+100河道邊坡的安全系數，圖5表明，坑塘回填范圍越大，邊坡的安全系數越大，尤其是對于裸坡，當坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增加至100 m時，邊坡的安全系數增加了0.274。由此可見，坑塘回填處理能夠顯著降低坑塘水分的出溢點高程和滲漏單寬流量，這些影響能夠有效提升邊坡的穩定性，對于工程而言，填塘處理是必要的。

圖5 不同填塘范圍條件下J45+100河道邊坡的安全系數Fig.5 Safety factor of slope at J45+100 section with different ranges of pond filling

5.2 水深的影響

經過勘測發現，引江濟淮膨脹土地段沿線坑塘水最深不超過4 m，此處分別計算水深由1 m增至6 m時河道邊坡的滲流和穩定性。表5為不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡的滲流計算結果。計算結果表明，坑塘水越深，坑塘滲流在坡面的出溢點高程越高，單寬流量越大。當坑塘水深由1 m增至6 m時，滲漏單寬流量由248.67 L/(d·m)增至264.38 L/(d·m)(增長了6.3%)，可見坑塘水深對河道邊坡滲流的影響較小。

表5 不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡滲流 計算結果Table 5 Seepage calculation results of slope at J45+100 section under different pond water depths

圖6為不同坑塘水深對應的J45+100河道邊坡安全系數，從圖中可以看出，裸坡和支護邊坡在坑塘水深變化時安全系數幾乎保持不變，當水深由1 m增至6 m時，未支護和支護邊坡的安全系數分別僅下降了0.022和0.002?？梢?，坑塘水深對邊坡穩定性的影響較小。

圖6 不同坑塘水深條件下J45+100河道邊坡安全系數Fig.6 Safety factor of slope at J45+100 section under different water depths of pond

5.3 膨脹土滲透性的影響

本節討論膨脹土滲透性對河道邊坡滲流和穩定性的影響，膨脹土滲透系數分別取5.0×10-5、5.0×10-6、5.0×10-7cm/s。表6為不同膨脹土滲透系數條件下J45+100河道邊坡的滲流和穩定性計算結果，結果顯示，膨脹土滲透系數越低，坑塘滲流在坡面出溢點高程越低，滲漏單寬流量也越低，安全系數越高。當膨脹土滲透系數由5.0×10-5cm/s減至5.0×10-7cm/s時，出溢點高程下降了15.49 m，單寬流量減少了84.8%，裸坡和支護邊坡的安全系數分別增加了0.238和0.084。由此可見，膨脹土滲透系數對邊坡滲流和穩定性的影響均十分顯著，是一個重要的指標參數。

表6 不同膨脹土滲透系數條件下J45+100河道邊坡的 滲流和穩定性計算結果Table 6 Seepage and slope stability calculation results of J45+100 section with different permeability coefficients of expansive soil

6 結 論

本文以引江濟淮工程中涉及坑塘和膨脹土的J45+100斷面河道邊坡為例，運用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊，建立耦合滲流和穩定性分析的J45+100斷面河道邊坡計算模型，并對該邊坡提出了相應的支護方案，分析了邊坡支護前后的抗滑穩定性，并研究了填塘范圍、坑塘水深以及土體滲透性對河道邊坡滲流和穩定性的影響。本文的主要結論如下：

(1)未支護時，邊坡的穩定性不滿足規范要求。經過本文提出的支護方案進行支護后，邊坡的穩定性有了顯著提升，在正常運用條件、非正常運用條件Ⅰ和非正常運用條件Ⅱ 3種不同工況下，均滿足規范要求。

(2)填塘處理能夠顯著降低坑塘滲流在坡面的出溢點高程和滲漏單寬流量，這些措施能夠有效提升河道邊坡的穩定性。以本文考慮的工況為例，當坑塘回填后坑塘開口與坡肩間距由10 m增加至100 m時，出溢點高程下降了10.43 m，單寬流量下降了46.4%，裸坡安全系數提升了0.274。

(3)就本文所考慮的工況而言，當坑塘水深由1 m增至6 m時，裸坡的單寬流量僅增長了6.3%，安全系數下降了0.022。而引江濟淮工程沿線坑塘水深不超過4 m，在這一背景下，可以忽略坑塘水深對河道邊坡水分滲流和穩定性的影響。

(4)膨脹土滲透系數對邊坡滲流和穩定性的影響均十分顯著，是一個重要的指標參數。膨脹土滲透系數越低，河道邊坡的出溢點高程越低，單寬流量也越低，安全系數越高。