库岸高填方路堤稳定性渗流耦合数值分析

顾中华

(福建省交通规划设计院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

随着水利建设的迅猛发展，水库的建设有时难以避免临近既有高速公路进行选址。目前，福建省已建成的龙岩何家陂水库临近既有的龙长高速。在建和拟建的永春马跳水库和泉州白濑水库分别临近既有的泉南高速和莆永高速。水库建成后会浸没既有高速公路部分桥梁的墩、台边坡和高填路堤，水位升降对边坡和高填路堤的稳定性产生一定影响。

库水位涨落导致边坡失稳的现象引起国内外岩土工程专家、学者的关注，大量的文献对库水位上升和下降影响滑坡稳定性进行了较为深入和详细的研究。刘红岩，等[1]对库水位上升条件下边坡渗流场进行数值模拟，发现由于渗透系数的差异，基岩内地下水位的抬升明显滞后于上部松散堆积体。

刘才华，等[2]对库水位上升诱发边坡失稳机理进行研究，发现在库水位由坡脚上升到坡顶的过程中，孔隙水压力作用使边坡稳定性先降低后增加；廖红建，等[3]结合库水位下降期间不同渗透系数滑坡体的实际渗流场，对滑坡体稳定性进行了数值计算分析，得到了库区降水速度和渗透系数与边坡稳定性之间的变化规律。但，库水位升降影响库岸人工填方路堤稳定性的研究较少，鲜见文端。

本文以福建省龙长(龙岩-长汀)高速公路何家陂水库影响段的高填路堤为工程实例，以有限元方法构建水库水位升降过程中的填方路堤的非稳定渗流场，进而与传统的极限平衡方法耦合，研究库水位涨落对高填路堤边坡稳定性的影响，希冀能为库岸高填方路堤的稳定评价和加固提供依据和借鉴。

1 库岸高填路堤基本条件

龙长高速公路何家陂水库影响段高填路，堤长320m，路堤边坡共7级，坡脚高程为533m，路面高程为585m，最大边坡高度约52m，该路堤已于2007年建成通车。2012年拟在路堤下侧建设何家陂水库，水库正常蓄水位为546.00m，设计洪水位为549.65m，水库建成蓄水后高填路堤底部两级边坡将被淹没，路堤平面如图1所示。

图1 水库蓄水后高填路堤平面示意图

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

工程区境内峰峦叠嶂，山岭耸峙，丘陵起伏，河谷与盆地错落相间，属低山丘陵地貌，地形为南高北低。该段内发育有3条小冲沟，冲沟近垂直于线路，沟谷底坡度较缓，自然坡度约12°～20°；但该段山脊和山谷间的小山脊坡度较大，自然坡度达35°～45°，局部大于45°。

2.2 地层岩性

区内主要分布泥盆系上统、石炭系下统及二叠系下统地层，根据该路段施工期间的补充勘察揭示：

2.3 水文地质条件

该区地下水主要为下部强、弱风化岩层的孔隙-裂隙水。施工期间钻孔中未见地下水，但雨季时地面会有地表水渗入地下，尤其是左侧山沟中的地表常年流水，直接渗入路基内，会影响路基的稳定；雨季时右侧山沟会积水。

3 库区影响段高填路堤稳定性分析

3.1 稳定性分析方法

运用饱和-非饱和渗流理论，利用有限元分析软件Geo-Studio[4]对高填路堤在库水位变化条件下的渗流场进行数值模拟，将得到的渗流结果与传统的极限平衡方法进行耦合，对库水位的上升、下降和暴雨情况下分别对路堤稳定性、路堤和地基的整体稳定性及路堤沿斜坡或软弱层稳定性[5]进行计算。

3.2 高填路堤计算的地质模型

根据钻探资料[6]和水文地质资料及水库建成后的蓄水情况，建立高填路基典型地质计算模型如图2所示。

图2 典型高填路堤地质断面图

3.3 渗流分析

根据工程地质勘察报告提供的地层水文参数，使用Geo-studio系列软件中seep/w模块，对高填路堤的各种工况进行渗流分析。seep/w模块具有饱和-非饱和非稳定渗流计算功能。在进行计算时，根据勘察期间的地下水位作为初始水位，先进行库水位上升过程的模拟计算，然后再以上升后的稳定水位作为初始水位进行库水位下降过程的模拟计算。

填方段土体渗透系数7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，其下伏强风化基岩渗透系数2.3×10-3～6.2×10-5cm/s，含碎石亚粘土层渗透系数按经验取值。

在非饱和土渗流计算数值模拟过程中，非饱和土的水分特征曲线和非饱和土的渗透系数是基础性要素。直接量测非饱和土的渗透系数代价很高，用实验方法测量非饱和土的渗透系数不太现实。本文采用Modified Kovacs方法[7]计算该段路堤非饱和土水分特征曲线和水力传导系数，填土的计算成果如图3～图4所示。

图3 非饱和土水分特征曲线

图4 水力传导系数

首先按照1m/d的速率上升至正常蓄水位，再设置90d延长期以待达到稳定渗流状态，然后以4m/d时间，水位由蓄水位的稳定状态骤降至原地面。对于设计洪水位，以蓄水位的稳定渗流为基础，按照1m/d的速率上升至设计洪水位，再设置30d延长期以待达到稳定渗流状态，然后以4m/d时间，水位由设计洪水位的稳定状态骤降至原地面。水位升降过程中，路堤内的浸润线如图5～图6所示。

图5 库水位上升至正常蓄水位瞬态浸润线

图6 库水位由设计洪水位骤降至原地面浸润线

计算结果表明，高填路堤在库水位升降条件下的渗流场符合一般渗流规律，库水位从低水位上升至高水位时，水体由路堤外向内入渗，由于填方体内细颗粒填料的渗透滞后，路堤内的饱和渗流场是向内凹的；库水位从高水位下降至低水位时，水体由路堤向外排泄，填料内孔隙水压力滞留，路堤内饱和渗流场是向外凸的，但外凸不是很明显。

3.4 暴雨工况稳定性分析

根据库水位升降饱和与非饱和渗流数值计算得到路堤暂态孔隙水压力，代入slope/w计算各种工况的高填路堤的稳定性。

计算所用各土层的物理力学指标如表1所示。

表1 岩土层物理力学参数表

路堤稳定性计算的工况较多，由于篇幅所限，本文仅列出暴雨工况下路堤稳定安全系数随库水位变动的变化情况。暴雨工况下岩土层的物理力学采用饱和快剪指标，计算结果如图7所示。

图7 高填路堤稳定性随库水位变动的变化情况

计算结果表明，水库开始蓄水时，由于静水压力的作用，路堤稳定安全系数有所增加；延长期，随着水位上升稳定后，路堤稳定安全系数略有下降；水位骤降时，静水压力不断减少，但水位下降较慢，路堤内地下水位较高，路堤稳定安全系数急剧下降，路堤处于失稳状态。

根据计算结果，在既有高填路堤区域建设水库，在暴雨季节水库泄洪时，高填路堤存在失稳风险。所以，在建设水库前期，应对既有路堤进行加固，确保公路的运营安全。

3.5 填料渗透系数对高填路堤稳定性分析

由于填方土体渗透系数为7.6×10-4～3.3×10-5cm/s，所以，进一步地考虑填方段渗透系数对高填路堤的稳定性影响。渗透系数取3.3×10-5cm/s、1.5×10-4cm/s、4×10-4cm/s、5×10-4cm/s和7.6×10-4cm/s，各土层物理力学指标取饱和快剪指标，如表1所示。

(1)库水位上升

从图8中可以看出，库水位上升阶段，路堤受到库水产生的静水压力，路堤稳定安全系数随着库水位的上升而逐渐增加。

从图9中可以看出，随着路堤填土渗透系数的不断增大，路堤地下水位上升速率也随之增大，加剧了滑动面抗剪强度降低和填土容重增大的速率，使得路堤稳定安全系数随着渗透系数的增大而减少。

图8 高填路堤稳定性与库水位上升关系图

图9 高填路堤稳定性随渗透系数的变化

(2)库水位稳定期

图10 高填路堤稳定性与库水位关系图

从图10中可以看出，当库水位处于稳定期，不同渗透系数下的填土路堤安全系数均随着蓄水时间的增加而减少，由此可说明，随着蓄水时间的增加，路堤地下水位逐渐升高，使得路堤的抗剪强度和容重增加，降低了路堤稳定性。但是，当渗透系数较小时，路堤安全系数达到稳定值所需的时间增长，在一定时间内的安全系数仍然随着渗透系数的增大而减少。根据计算结果，路堤地下水位上升的速率随着路堤渗透系数的减少而减少，较小的路堤渗透系数能够减缓库水向路堤渗透，对于水位上升期和稳定期的路堤稳定性有利。

(3)库水位下降

图11 高填路堤稳定性与库水位关系图

图12 库水位下降与高填路堤安全系数降低速率的关系

从图11可以看出，由于地下水位的下降滞后于库水位的下降，不同渗透系数下的填土路堤安全系数均随着库水位的下降而减少。

从图12可以看出，当渗透系数为3.3×10-5时，路堤稳定性降低速率较大，由此说明，路堤渗透系数较小将会使得路堤地下水位滞后性更加明显，安全系数降低的速率增大，不利于路堤的稳定。

4 结论

(1)运用饱和-非饱和渗流理论，利用有限元分析软件Geo-Studio对高填路堤在库水位变化条件下的渗流场进行数值模拟，将得到的渗流结果与传统的极限平衡方法进行耦合，计算库区影响段高填路堤的稳定性。该方法是合适的，且所得的计算结果较为符合实际。

(2)库水位上升时，水体由路堤外向内入渗，路堤内的渗流场是向内凹的；库水位下降时，水体由路堤向外排泄，路堤内渗流场是向外凸的，但外凸不是很明显。

(3)水库开始蓄水时，路堤稳定安全系数有所增加；水位稳定后，安全系数略有下降；水位骤降时，静水压力不断减少，但水位下降较慢，安全系数急剧下降。

(4)水库水位上升期和稳定期，路堤稳定安全系数随着渗透系数的增大而减少；水位骤降时，路堤稳定性安全系数降低速率随着渗透系数的降低而增大。