不同渠水位及其骤降对灌溉渠堑坡稳定性的影响分析李宏冲1，2 （1.南阳市水利建筑勘测设计院，河南南阳473000；2.河南灵捷水利勘测设计研究有限公司，河南南阳473000） 摘 要：为了研究渠道内不同水位及其骤降对饱和黏性土灌溉渠堑边坡稳定性的影响，本文结合某大型灌区渠堑典型断面，利用SLOPE/W软件分析了不同渠水位下渠堑边坡的安全系数和不同渠水位骤降至渠底面时渠堑边坡的安全系数。结果表明：不同渠水位稳定时安全系数随渠水位的减小呈先减小后小幅增大的趋势，在渠水位为3 m时，安全系数最小；渠水位骤降时安全系数随渠水位的减小呈增大的趋势，曲线由缓变陡再变缓，最后与稳定时零水位的安全系数相同；比较稳定和骤降时的安全系数，可以看出不同水位安全系数的差随水位的降低逐渐减小。 关键词：渠堑；渠水位；骤降；稳定性；影响分析 目前，国内、外针对水库水位变化对大坝坝坡以及库区滑坡稳定性的影响做了大量的研究工作。刘新喜［1］对库水位下降滑坡稳定性的研究，得到了库水位下降时产生的渗流对滑坡的影响特点，其影响程度主要与滑坡体的渗透系数有关。GGriggiths D V等［2］研究了库水位与浸润线作用下的边坡稳定性，通过自编的强度折减法有限元程序结合算例得到的边坡安全系数与传统方法得到的能很好的吻合。郭志华等［3］研究了库水位下降速度、下降时间和渗透系数对边坡稳定性的影响，得到库水位下降速度越大，滑弧深度越大，安全系数随水位降低和下降时间的增加呈先减小后增加的趋势。郝飞等［4］研究了库水位缓慢下降、骤降、骤升变化时对滑坡稳定性的影响，得到在库水位骤降或骤升时，滑坡安全系数均小于水位缓慢下降时的安全系数的结论。中村浩之等［4］对日本滑坡调查结果表明：接近六成滑坡发生在库水位骤降时期，其余四成发生在水位上升时期，包括蓄水初期。Moregenstern N［5］利用极限平衡法，忽略孔压消散的情况下，研究了均质边坡在库水位变化时安全系数的变化，结果表明安全系数随库水位的上升呈增大的趋势。张大鹏等［6］运用SLOPE/ W软件，对渠道位于边坡后缘时，渠道在不同水位下的渗漏对边坡渗流场的影响进行了模拟分析，得出了边坡稳定变化的规律。刘翠容等［7］对渠道位于路堤坡脚处，渠道不同水位降低速率下的渗流场进行了模拟，得出了路堤边坡稳定安全系数的变化规律。上述分析中多是针对水库或者交通相关方面的边坡进行的稳定性研究，而对水利工程中大中型灌区渠堑边坡稳定性分析的研究方面还很少。渠堑边坡和大坝坝坡、库区滑坡以及路堤边坡相比，既有共同点，也有其特殊性，特别之处在于其对渠道水位变化更敏感。由于渠堑处于挖方段，两岸地形较渠道高，地表水径流和降雨时，缺少径流排泄条件，还有受到渠水的浸泡，渠堑边坡土体长期处于饱和状态，在水位急剧变化或骤降过程中，坡体内的孔隙水来不及排出，导致边坡内水位高于渠道内水位，边坡易失稳滑塌。本文采用SLOPE/W软件，对某大型灌区渠堑典型断面边坡在不同水位和不同水位骤降至渠底面的稳定性进行了分析，得到了不同水位及骤降下安全系数的变化规律，为此类灌区渠道的设计、施工和管理运行提供了参考依据。 1 计算模型及参数灌区为大型灌区，灌溉面积15.87×104hm2。本文选取的灌区渠堑的典型断面，位于总干渠，渠道底宽40 m，渠道深10 m，渠坡坡比为1∶2，两岸地形较平坦，岩性均由黏性土组成。渠道正常灌溉时水深约6 m，最大过水深度约为9 m。由于渠道内长期有水，且水深较大，可认为渠堑边坡土体均为饱和状态［8-10］。根据对灌区总干渠以往滑坡断面的搜集和整理，发现滑坡多为浅层滑动，后缘滑面通常距离坡上缘的距离小于10 m，滑动面与坡面的垂直距离也小于10 m，故本次模型坡顶至左侧距离取30 m，模型高取30 m。因此，根据典型断面的尺寸和对称性［11-13］，建立模型：长70 m，左侧高30 m，右侧为渠底以下20 m，模型渠底宽取一半的实际渠底宽度，为20 m，渠深和坡比依照典型断面的实际尺寸，坡顶至左侧距离30 m，如图1所示。各土层的参数依据地质勘察报告和土工试验提出的参数，详见表1。  图1 计算模型 2 计算结果及分析2.1 计算结果 首先进行不同渠水位时渠堑边坡的稳定性计算，以渠道内最大水位9 m起始，每次水位递减1 m，直至渠水位为零时，分别计算在各自渠水位下的安全系数，每次计算时，假设渠堑边坡内的水位与渠水位齐平［9，14-15］，即渠坡土体浸润线水平。当渠道水位为最大水位9 m时的岸坡稳定性，采用Spencer法计算所得岸坡初始安全系数为2.265，见图2。当渠道水位为正常水位6 m时的岸坡稳定性，采用Spencer法计算所得岸坡初始安全系数为1.890，见图3。 表1 渠堑边坡各土层参数  注：层号与计算模型中的地层自上而下一一对应。 层号天然重度/（kN?m-3）饱和重度/（kN?m-3）比重c/kPaφ/（°）c′/kPaφ′/（°）1 .0 19.7420.202.70014.012.011.013.0 2 20.0820.352.70516.019.014.025.0 3 20.1020.402.71021.017.018.023.0 4 20.2520.562.72532.017.024.022 然后再进行不同渠水位分别骤降至零水位时渠堑边坡的稳定性计算，以渠道水位9 m骤降至零为起始，每次依旧减少1 m，以此类推，直至计算到零水位为止。在每次进行骤降计算时，假设渠堑边坡内的水位与骤降前渠水位齐平，即渠坡土体浸润线不变。当渠道水位由最大水位9 m骤降至零水位时，由于渠堑岸坡内的孔隙水压力来不及消散，极大的降低了岸坡的稳定性，采用Spencer法按两条水压线计算所得岸坡初始安全系数为1.416，见图4。当渠道水位由正常水位6 m骤降至零水位时稳定性，采用Spencer法按两条水压线计算所得岸坡初始安全系数为1.494，见图5。不同水位下稳定和骤降的渠堑边坡稳定性计算结果见表2。  图2 渠水位9 m稳定性计算  图3 渠水位6 m稳定性计算  图4 渠水位9 m骤降至0 m稳定性计算  图5 渠水位6 m骤降至0 m稳定性计算 表2 渠堑渠水位稳定或骤降时的安全系数  注：骤降值为骤降开始时渠道稳定水位与渠坡高度的比值。 渠水位稳定时渠水位/m9876543210安全系数2.2652.1171.9941.8901.8111.7541.7201.7301.7551渠水位骤降时.790 .790骤降值0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0安全系数1.4161.4371.4631.4941.5361.5841.6391.7011.7501  图6 稳定及骤降时渠堑边坡安全系数 2.2 渠堑稳定性分析 根据表2中的计算结果，制成了不同渠水位及其骤降渠堑边坡安全系数（图6）和不同水位稳定时与骤降时安全系数差值（图7）的变化曲线。 由图6中上方的曲线可知：在渠水位为3 m时，渠堑边坡的安全系数最小，为1.720；渠水位自9 m、8 m直至3 m时，渠堑边坡的安全系数逐渐减小，水位高时曲线较陡，反映到安全系数减小的快，水位越接近3 m，曲线越缓，相应的安全系数减小的越慢；当渠水位小于3 m直至零水位时，安全系数缓慢增大，曲线变化的趋势基本呈线性增大。由图6中下方的曲线可知：当渠水位分别由9 m、8 m、7 m骤降时，安全系数缓慢增大，增大幅度在0.021～0.031之间；当渠水位由6 m～3 m骤降时，安全系数增速变快，曲线变陡，增大幅度在0.042～0.062之间；当渠水位由2 m～0 m骤降时，安全系数增速又开始变缓，且越来越接近稳定时的安全系数，并在零水位时与稳定时重合，增大幅度在0.040～0.049之间；骤降时，渠水位在6 m～3 m之间时，曲线最陡，安全系数增加最快，渠水位在2 m～0 m之间时次之，渠水位在9 m～7 m之间时，曲线最缓，安全系数增加最慢。  图7 稳定与骤降时安全系数差值 由图7可知：当渠水位在9 m～4 m时，稳定与骤降时安全系数的差值逐渐减小，安全系数差值减小较快，基本呈线性变化，曲线较陡，减小幅度在0.089～0.169之间；当渠水位在3 m～0 m时，稳定与骤降时安全系数的差值也呈逐渐减小的趋势，最后在零水位时差值为零，安全系数差值减小变慢，曲线变缓，减小幅度在0.005～0.052之间；当渠水位越高时，骤降的安全系数越小，两者差值越大，高水位（6 m～9 m）时骤降的安全系数降幅达到稳定时的21.0%～37.5%，也能反映出水位骤降，渠堑边坡土体内的水来不及排出，水压力不能及时消散，对渠堑边坡稳定性的危害程度。 3 结 论根据不同渠水位稳定和骤降时渠堑边坡的稳定性对比分析可知：渠水位稳定时安全系数随渠水位的减小呈先减小后小幅增大的趋势，在渠水位为3 m时，安全系数最小；渠水位骤降时安全系数随渠水位的减小呈增大的趋势，曲线由缓变陡再变缓，最后与稳定时零水位的安全系数相同；比较稳定和骤降时的安全系数，可以看出不同水位安全系数的差随水位的降低逐渐减小，且在高水位时稳定和骤降的安全系数差别最大，安全系数降低幅度达到21.0%～37.5%。由上述分析可见，渠道水位骤降对渠堑边坡有很大危害。在今后的渠道设计、施工和管理运行时，应充分的考虑渠道水位对渠堑边坡的影响，采取合理的设计、施工和管理运行方案，减小或避免其对渠堑边坡的不利影响。 参考文献： ［1］ 刘新喜.库水位下降对滑坡稳定性的影响及工程应用研究［D］.北京：中国地质大学工程学院，2003. ［2］ GGriggiths D V，Lane P A.Slope stability analysis by finite elements［J］.Geootechnique，1999，49（3）：387－403. ［3］ 郭志华，周剑兵，盛 谦，等.库水位变化对边坡稳定性的影响［J］.岩土力学，2005，26（10）：29－32. ［4］ 中村浩之，王恭先.论水库滑坡［J］.水土保持通报，1990，10（1）：53－64. ［5］ Moregenstern N.Stabitity charts for earth slopes during rapid drawdown［J］.Geootechnique，1963，13（2）：121－131. ［6］ 张大鹏，刘翠容，孔德惠，等.渠道水位变化对路堑边坡稳定的影响［J］.铁道建筑，2008（6）：65－67. ［7］ 刘翠容，孔德惠.人工渠道水位下降速率对路堤边坡稳定的影响［J］.铁道建筑，2011（7）：102－104. ［8］ 陈祖煜.土质边坡稳定分析—原理?方法?程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2003. ［9］ 张永生，梁立孚，周健生.水位骤降对土质渠道边坡稳定性影响的弹塑性有限元分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2004，25（6）：736－739. ［10］ 刘娟奇，王志强，梁收运.库水位下降对新集水库均质土坝渗流及稳定性影响分析［J］.水利与建筑工程学报，2014，12（6）：38－43. ［11］ 刘英泉，王成言.库水位骤降时坝坡稳定性分析研究［J］.水利与建筑工程学报，2011，9（6）：55－58. ［12］ 姜朋明，尚 羽.水位快速变动下边坡稳定性分析［J］.水利与建筑工程学报，2010，8（4）：76－78. ［13］ 钟启明，霍家平，刘若星.库水位骤降对非饱和坝坡稳定性的影响［J］.水利水电科技进展，2012，32（6）：84－86. ［14］ 赵吉坤，陈佳虹.降雨条件下土体坡度及含水率对边坡稳定性影响的试验研究［J］.山东大学学报，2013，43（2）：76－83. ［15］ 周 建，张映钱，方亿刚，等.水位变动及降雨入渗联合作用对岩溶地面塌陷的影响分析［J］.水利与建筑工程学报，2016，14（1）：218－222. Effects of Different Water Levels to Sudden Drop of Drainage Canal Slope Stability LI Hongchong1，2 Abstract：In order to analyze the different channel water level and its impacts on the saturated cohesive plunged canal cutting slope stability，a typical large－scale irrigation canal cutting section was analyzed under different drainage canal water level cutting slope by using SLOPE/W software.The results show that different canal water level is stable safety coefficient with decreasing canal water level increased slightly decreasing trend，when the water level is 3 meters，the minimum safety factor，safety factor with the drainage canal rapid drawdown water level reduction small showed an increasing trend，and the final level of zero safety factor the same time stable，the safety factor is relatively stable and dips and the difference between different safety factor decreases with the level of water gradually decreases. Keywords：cut canal；canal water；sudden drop；stability；impact analysis 中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1672—1144（2016）05—0211—04 DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.040 收稿日期：2016－06－04 修稿日期：2016－07－01 作者简介：李宏冲（1985—），男，宁夏中宁人，硕士，工程师，主要从事水利水电、工民建、交通、市政、电力等行业的岩土工程勘察与治理工作。E－mail：2415214472@qq.com |
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