試驗研究

南水北調中線穿黃工程南岸明渠高邊坡穩定性研究

邢義川

中國水利水電科學研究院，北京 100048

張愛軍

西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100

安鵬

中國水利水電科學研究院，北京 100048

張少宏

西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100

1 研究背景

穿黃南岸連接段由進口明渠段、黃土隧洞段及出口明渠段組成。進口明渠段長777.85m，原設計渠底高程111.00～113.00m，渠道挖深32～44m，地下水位最大高出渠底27.18m。121.0m高程以下的坡比為1：2，121.0m高程以上單級坡比均為1：0.7，在121.0m高程設17.0m寬平臺，121.0m高程以上平臺寬均為7.0m。出口明渠段長758.15m，沿滿溝布設，原渠底設計高程為111.66～110.16m。原設計121.0m高程以下的坡比為1：2，121.0m高程以上單級坡比均為1：0.7，單級坡高均為7m，121.0m高程設17m寬平臺，121.0m高程以上平臺寬度均為7.0m。

明渠段黃土層分為5層，第Ⅰ層黃土處于地下水位以上屬非飽和黃土，第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ和第Ⅴ層黃土均為飽和黃土，各層只是物理力學指標數值有所差異。區內地震基本烈度為7度。明渠進口段為人工挖方形成的黃土高邊坡，出口段是在原來的邊坡上整修形成的高邊坡。為了保證穿黃南岸連接段工程施工及運行安全，在對高邊坡地質特性進行詳細勘察研究的基礎上，需要對明渠高邊坡穩定性進行研究。

2 邊坡地下水滲流計算

采用南京水利科學研究院DQB平面滲流有限元程序計算明渠開挖和滲流水抽排施工過程的滲流場。計算中采用滲透系數為5.8×10-⁴cm/s，給水度μ為0.052。

2.1 穩定滲流計算結果

（1）開挖高程在128m以上時，渠道附近地下水位降落較明顯，浸潤線末端均能降至開挖高程處，沒有從邊坡出逸現象。但浸潤線與地下水位相接處附近20m以內浸潤線降落不明顯。

（2）開挖至123.4m高程時，從123.5m高程處出逸。

（3）開挖至121m高程時，從121.2m高程處出逸，而后渠道再往下開挖浸潤線基本保持不變，121m高程以下邊坡上均為出滲段。

2.2 非穩定滲流計算結果

三個水位的降落時間為：從138.58m降至135m位置時需4天；從135m降至132.67m位置時需1.365天；從132.67m降至130.20m位置時需0.552天。

3 極限平衡法邊坡穩定計算

3.1 計算方法與參數

計算方法為畢肖普法和瑞典圓弧法，地層情況和各層土的計算參數見表1。

3.2 原設計方案計算結果

計算中渠道的進口段和出口段各選擇了4個剖面，對施工期和運行期多種工況進行了計算，施工期計算中不考慮地震的作用，運行期計算考慮地震作用。斷面位置、計算工況和邊坡穩定安全系數計算值見表2和表3。

計算表明：進口段比出口段邊坡的穩定性差，縱斷面比橫斷面的穩定性差。造成這一結果的原因是進口段的地下水位比出口段的高。其中施工期進口、出口段原設計邊坡斷面的安全系數均大于規范規定的允許值，證明邊坡是穩定的；運行期進口段邊坡在地震情況下安全系數偏小，小于規范允許的范圍，有發生滑動的危險；出口段是穩定的，但安全富余量不大。

3.3 新設計方案計算結果

鑒于原設計方案局部有不穩定情況，且邊坡的坡型從上到下采用相同的形式，平臺寬度均為7m不夠寬，未考慮土層特性的不同和不同挖深的滲流特性和應力狀況的差別，導致設計邊坡局部不穩定。所以必須對原設計方案進行修改。

根據該處地質、地形情況和黃土高邊坡運行特點將原設計方案修改為“大平臺，陡邊坡，控制單級坡高”的新設計方案。采用“大平臺”可以有效緩減坡腳應力集中，利于坡體排水系統的設置；“陡邊坡”就是在單個邊坡上采用較陡的坡比，減小降雨對邊坡的沖刷；“控制單級坡高”就是控制單級坡高不超過10～15m，減小局部滑動可能性。

修改后的新設計方案為：

（1）進口斷面邊坡上部140.0m高程以上單級坡比控制在1：0.7之間，下部坡比均為1：1；單級坡高取10.0m；進口橫斷面在高程121.0m設10m寬平臺，131.0m、140.0m高程設15.0m平臺；高程136.0m設7.0m平臺，151.0m高程設5.0m平臺。修改后渠道開口寬度與原設計一樣。

（2）出口斷面，縱、橫斷面均在130.0m高程設10.0m平臺，在高程140.0m設20.0m平臺，高程170.0m設15.0m平臺，其余高程設7.0m平臺；除121.0m坡高為9.0m外其余單級坡高均取為10.0m；140.0m高程以上單級坡比為1：0.7，以下單級坡比為1：1，對原過水段面部分不做變更。

計算表明：修改設計方案邊坡穩定安全系數較原設計方案大，均可滿足規范要求，修改方案是合理的。

4 高邊坡靜、動力有限元計算

4.1 靜力有限元計算

本次計算采用鄧肯—張E-μ模型。將高邊坡按平面應變問題考慮，對進出口段選定了縱橫4個典型斷面，每個斷面又分為3個開挖深度計算。

采用自編的二維等參4節點動靜力有限元計算程序CJAP計算，對開挖的模擬計算思路是：先計算出未開挖時斷面的變形及應力場，將初始變形忽略，作為初始應力場；由以上計算出的應力場，確定土體的模量、泊松比及卸載模量；然后對開挖單元分6級卸載，并將已開挖單元的剛度取很小的值，判斷每個單元的應力是加載還是卸載而采用不同的模量值，迭代計算開挖時土體的應力和變形場；這樣依次計算直到開挖到渠底。計算參數見表4和表5。

鄧肯—張模型的應力水平S_L值反映了土體破壞程度，其計算公式為：

式中：S_l為應力水平值；c^＇、^＇φ為土體有效強度指標；σ₁、σ₃為大小主應力。

一般認為該值接近1.0時表明土體接近破壞，計算得到的應力水平等值線如圖1和圖2所示。從兩圖中看出，優化后坡型土體是穩定的。

通過對原方案和新方案進行的變形特性分析、進口明渠段橫斷面和縱斷面的應力特性分析以及出口明渠段橫斷面和縱斷面的應力特性分析發現以下兩點。

（1）進口明渠段新方案橫斷面和縱斷面的應力水平較原方案斷面有所減小，邊坡的穩定安全性好。但邊坡的上部15m的范圍內由于單級坡高加大，坡比變陡，其應力水平較高，值得注意。

（2）出口明渠橫斷面和縱斷面開挖到渠底時，新方案斷面的開挖量較原設計斷面減少了很多，但其邊坡的穩定性并沒有減少，表明新設計斷面的穩定性好。

4.2 動力有限元計算

為了與靜力計算相對應，將高邊坡按平面應變問題考慮，計算中假定地震慣性力沿水平方向作用于渠底的基巖上，地震波從基巖垂直向上傳播，考慮到邊坡土質滲透性較小的特點，計算時認為地震時土體是不排水的，即不考慮地震過程中土體內孔隙水壓力的消散。仍采用CJAP計算軟件計算。

地震加速度時程曲線確定：選用唐山地震遷安強余震實測地震加速度反應曲線作為輸入水平地震加速度反應曲線模型，根據Seed提出的方法把原有地震加速度時程曲線的加速度值乘以a_o/a_max值，將橫坐標（時值）乘以T_p/T_max ，并將地震持續時間折算到20s，得到計算地震加速度時程曲線。計算中采用哈丁-德聶維契（Hardin-Drnevich）提出的等效黏彈性模型，孔壓增長采用徐志英孔壓模型，飽和區采用有效應力法計算，非飽和區采用總應力計算。

輸入的地震加速度過程曲線如圖3所示。計算結果表明：進口明渠段高邊坡在地震情況下不會發生液化，邊坡坡面上變形幅值不大，說明該段邊坡是穩定的；出口明渠段黃土高邊坡在地震情況下不會發生液化，但邊坡上部動變形較大，值得注意。

5 結論

（1）由滲流計算可見：逐級開挖明渠、渠底抽水降低浸潤線的施工方法對降低施工區域的浸潤線有一定效果，但效果不甚明顯，尤其開挖至 128m 高程以下將會出現滲出段，會給施工帶來一定困難。建議：在 111.4m（渠底）高程增設輻射管井點抽排水設施，進一步降低浸潤線保證明渠施工順利進行；在128m高程以下明渠兩側邊坡出逸段上增設反濾層，建議采用400g/m²無紡布做反濾，上覆干砌塊石護坡，保證明渠在運用期的滲流安全。

（2）坡體排水是保證邊坡安全的關鍵，建議在施工期采用深排水溝與井點相結合的排水措施，同時作好坡面排水。

（3）由極限平衡穩定計算、靜力和動力有限元分析表明：原設計方案進、出口段邊坡在施工期是穩定的。運行期進口段邊坡在地震情況下安全系數較小，有發生滑動的危險；出口段基本是穩定的，但安全富余量不大，在地震作用下有發生局部崩塌的危險。所以對原設計方案必須進行修改。

（4）按照“大平臺、陡邊坡和控制單級坡高”的思路，對原邊坡設計方案的優化修改符合黃土邊坡特有的變形和破壞形態，優化后的邊坡在保持平均坡比不變的情況下，穩定性有較大幅度增加，更為合理。

參考文獻

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