试验研究
南水北调中线穿黄工程南岸明渠高边坡稳定性研究
邢义川
中国水利水电科学研究院，北京 100048
张爱军
西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100
安鹏
中国水利水电科学研究院，北京 100048
张少宏
西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100
穿黄南岸连接段渠道位于黄土地区，工程地质条件复杂，约有2/3的渠段位于地下水位以下，该渠段黄土高边坡高度可达80m，属一级建筑物。其黄土高边坡的稳定性是南水北调工程建设中关键的技术难题之一。为了保证穿黄南岸连接段工程施工及运行安全，需要对明渠高边坡稳定性进行研究。现分析了该地区大量黄土基本试验资料，并选取了计算参数，通过极限平衡法、非线性有限元和动力有限元分析计算了原设计方案进口和出口段黄土高边坡的稳定性，修改了原设计坡型，提出了符合黄土特点的新边坡设计方案，并对新设计方案进行了稳定验算，分析计算表明新方案优于原方案。
1 研究背景
穿黄南岸连接段由进口明渠段、黄土隧洞段及出口明渠段组成。进口明渠段长777.85m，原设计渠底高程111.00～113.00m，渠道挖深32～44m，地下水位最大高出渠底27.18m。121.0m高程以下的坡比为1：2，121.0m高程以上单级坡比均为1：0.7，在121.0m高程设17.0m宽平台，121.0m高程以上平台宽均为7.0m。出口明渠段长758.15m，沿满沟布设，原渠底设计高程为111.66～110.16m。原设计121.0m高程以下的坡比为1：2，121.0m高程以上单级坡比均为1：0.7，单级坡高均为7m，121.0m高程设17m宽平台，121.0m高程以上平台宽度均为7.0m。
明渠段黄土层分为5层，第Ⅰ层黄土处于地下水位以上属非饱和黄土，第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ和第Ⅴ层黄土均为饱和黄土，各层只是物理力学指标数值有所差异。区内地震基本烈度为7度。明渠进口段为人工挖方形成的黄土高边坡，出口段是在原来的边坡上整修形成的高边坡。为了保证穿黄南岸连接段工程施工及运行安全，在对高边坡地质特性进行详细勘察研究的基础上，需要对明渠高边坡稳定性进行研究。
2 边坡地下水渗流计算
采用南京水利科学研究院DQB平面渗流有限元程序计算明渠开挖和渗流水抽排施工过程的渗流场。计算中采用渗透系数为5.8×10-4cm/s，给水度μ为0.052。
2.1 稳定渗流计算结果
（1）开挖高程在128m以上时，渠道附近地下水位降落较明显，浸润线末端均能降至开挖高程处，没有从边坡出逸现象。但浸润线与地下水位相接处附近20m以内浸润线降落不明显。
（2）开挖至123.4m高程时，从123.5m高程处出逸。
（3）开挖至121m高程时，从121.2m高程处出逸，而后渠道再往下开挖浸润线基本保持不变，121m高程以下边坡上均为出渗段。
2.2 非稳定渗流计算结果
三个水位的降落时间为：从138.58m降至135m位置时需4天；从135m降至132.67m位置时需1.365天；从132.67m降至130.20m位置时需0.552天。
3 极限平衡法边坡稳定计算
3.1 计算方法与参数
计算方法为毕肖普法和瑞典圆弧法，地层情况和各层土的计算参数见表1。
表1 极限平衡法土层分类与计算参数汇总
注 1.I①与上部①参数相同，均为考虑雨水作用时Q3黄土的强度指标，范围0～3m。
2.II、III、IV、V均为饱和状态，故天然与饱和状态强度值相同。
3.2 原设计方案计算结果
计算中渠道的进口段和出口段各选择了4个剖面，对施工期和运行期多种工况进行了计算，施工期计算中不考虑地震的作用，运行期计算考虑地震作用。断面位置、计算工况和边坡稳定安全系数计算值见表2和表3。
表2 施工期计算安全系数汇总
表3 运行期计算安全系数汇总
计算表明：进口段比出口段边坡的稳定性差，纵断面比横断面的稳定性差。造成这一结果的原因是进口段的地下水位比出口段的高。其中施工期进口、出口段原设计边坡断面的安全系数均大于规范规定的允许值，证明边坡是稳定的；运行期进口段边坡在地震情况下安全系数偏小，小于规范允许的范围，有发生滑动的危险；出口段是稳定的，但安全富余量不大。
3.3 新设计方案计算结果
鉴于原设计方案局部有不稳定情况，且边坡的坡型从上到下采用相同的形式，平台宽度均为7m不够宽，未考虑土层特性的不同和不同挖深的渗流特性和应力状况的差别，导致设计边坡局部不稳定。所以必须对原设计方案进行修改。
根据该处地质、地形情况和黄土高边坡运行特点将原设计方案修改为“大平台，陡边坡，控制单级坡高”的新设计方案。采用“大平台”可以有效缓减坡脚应力集中，利于坡体排水系统的设置；“陡边坡”就是在单个边坡上采用较陡的坡比，减小降雨对边坡的冲刷；“控制单级坡高”就是控制单级坡高不超过10～15m，减小局部滑动可能性。
修改后的新设计方案为：
（1）进口断面边坡上部140.0m高程以上单级坡比控制在1：0.7之间，下部坡比均为1：1；单级坡高取10.0m；进口横断面在高程121.0m设10m宽平台，131.0m、140.0m高程设15.0m平台；高程136.0m设7.0m平台，151.0m高程设5.0m平台。修改后渠道开口宽度与原设计一样。
（2）出口断面，纵、横断面均在130.0m高程设10.0m平台，在高程140.0m设20.0m平台，高程170.0m设15.0m平台，其余高程设7.0m平台；除121.0m坡高为9.0m外其余单级坡高均取为10.0m；140.0m高程以上单级坡比为1：0.7，以下单级坡比为1：1，对原过水段面部分不做变更。
计算表明：修改设计方案边坡稳定安全系数较原设计方案大，均可满足规范要求，修改方案是合理的。
4 高边坡静、动力有限元计算
4.1 静力有限元计算
本次计算采用邓肯—张E-μ模型。将高边坡按平面应变问题考虑，对进出口段选定了纵横4个典型断面，每个断面又分为3个开挖深度计算。
采用自编的二维等参4节点动静力有限元计算程序CJAP计算，对开挖的模拟计算思路是：先计算出未开挖时断面的变形及应力场，将初始变形忽略，作为初始应力场；由以上计算出的应力场，确定土体的模量、泊松比及卸载模量；然后对开挖单元分6级卸载，并将已开挖单元的刚度取很小的值，判断每个单元的应力是加载还是卸载而采用不同的模量值，迭代计算开挖时土体的应力和变形场；这样依次计算直到开挖到渠底。计算参数见表4和表5。
表4 进口段邓肯—张模型参数
表5 进口段邓肯—张模型参数
续表
邓肯—张模型的应力水平SL值反映了土体破坏程度，其计算公式为：
式中：Sl为应力水平值；c＇、＇φ为土体有效强度指标；σ1、σ3为大小主应力。
一般认为该值接近1.0时表明土体接近破坏，计算得到的应力水平等值线如图1和图2所示。从两图中看出，优化后坡型土体是稳定的。
图1 进口段应力水平等值线图
图2 出口段应力水平等值线图
通过对原方案和新方案进行的变形特性分析、进口明渠段横断面和纵断面的应力特性分析以及出口明渠段横断面和纵断面的应力特性分析发现以下两点。
（1）进口明渠段新方案横断面和纵断面的应力水平较原方案断面有所减小，边坡的稳定安全性好。但边坡的上部15m的范围内由于单级坡高加大，坡比变陡，其应力水平较高，值得注意。
（2）出口明渠横断面和纵断面开挖到渠底时，新方案断面的开挖量较原设计断面减少了很多，但其边坡的稳定性并没有减少，表明新设计断面的稳定性好。
4.2 动力有限元计算
为了与静力计算相对应，将高边坡按平面应变问题考虑，计算中假定地震惯性力沿水平方向作用于渠底的基岩上，地震波从基岩垂直向上传播，考虑到边坡土质渗透性较小的特点，计算时认为地震时土体是不排水的，即不考虑地震过程中土体内孔隙水压力的消散。仍采用CJAP计算软件计算。
地震加速度时程曲线确定：选用唐山地震迁安强余震实测地震加速度反应曲线作为输入水平地震加速度反应曲线模型，根据Seed提出的方法把原有地震加速度时程曲线的加速度值乘以ao/amax值，将横坐标（时值）乘以Tp/Tmax ，并将地震持续时间折算到20s，得到计算地震加速度时程曲线。计算中采用哈丁-德聂维契（Hardin-Drnevich）提出的等效黏弹性模型，孔压增长采用徐志英孔压模型，饱和区采用有效应力法计算，非饱和区采用总应力计算。
输入的地震加速度过程曲线如图3所示。计算结果表明：进口明渠段高边坡在地震情况下不会发生液化，边坡坡面上变形幅值不大，说明该段边坡是稳定的；出口明渠段黄土高边坡在地震情况下不会发生液化，但边坡上部动变形较大，值得注意。
图3 地震加速度过程线
5 结论
（1）由渗流计算可见：逐级开挖明渠、渠底抽水降低浸润线的施工方法对降低施工区域的浸润线有一定效果，但效果不甚明显，尤其开挖至 128m 高程以下将会出现渗出段，会给施工带来一定困难。建议：在 111.4m（渠底）高程增设辐射管井点抽排水设施，进一步降低浸润线保证明渠施工顺利进行；在128m高程以下明渠两侧边坡出逸段上增设反滤层，建议采用400g/m2无纺布做反滤，上覆干砌块石护坡，保证明渠在运用期的渗流安全。
（2）坡体排水是保证边坡安全的关键，建议在施工期采用深排水沟与井点相结合的排水措施，同时作好坡面排水。
（3）由极限平衡稳定计算、静力和动力有限元分析表明：原设计方案进、出口段边坡在施工期是稳定的。运行期进口段边坡在地震情况下安全系数较小，有发生滑动的危险；出口段基本是稳定的，但安全富余量不大，在地震作用下有发生局部崩塌的危险。所以对原设计方案必须进行修改。
（4）按照“大平台、陡边坡和控制单级坡高”的思路，对原边坡设计方案的优化修改符合黄土边坡特有的变形和破坏形态，优化后的边坡在保持平均坡比不变的情况下，稳定性有较大幅度增加，更为合理。
参考文献
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