冯文刚

（北京中水利德科技发展有限公司山东分公司，山东 临沂 276000）

1 引言

随着城市化进程的加快，国家大力新建基础设施，水库对保障人民用水有着至关重要的作用。因自然因素或人类活动造成的边坡失稳灾害逐渐增多，不仅对国家经济发展造成不利影响，更加威胁人民财产生命安全。因此，针对库岸边坡失稳问题的研究已逐渐成为当前的热点之一。

针对库岸边坡失稳问题，众多学者通过不同的方法开展了一系列的研究。李王浩等以某涉水库岸边坡为研究对象，通过有限元软件建立三维数值模型，分析了水位变动对库岸边坡稳定性的影响规律；并系统研究了水边升降幅度和水位升降速率对库岸边坡稳定性的影响。张祖莲等以红土库岸边坡为研究对象，通过室内试验分析了水位变动下红土的力学特性变化；基于此，深入研究了水位变动对红土库岸边坡稳定性的影响。周世良等基于某泥岩库岸工程，从水-岩相互作用机理出发，研究了泥岩库岸边坡的稳定性；并对相关敏感因素进行了参数分析。曾刚以水库库岸边坡为背景，通过现场勘察分析了库岸边坡失稳发生滑坡的机理；并结合有限元软件，分析了库水升降作用下库岸边坡的变化规律。贾逸等以某运行水库为研究对象，通过现场监测，获得了水库蓄水和放水过程中边坡的变形规律；进一步通过数值模拟手段研究水库不同运行条件下库岸边坡的稳定性。宋丹青等以水库蓄水过程为研究对象，分析了水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响。

以红土库岸边坡为研究对象，通过土工试验和有限元分析相结合的方法，研究了不同因素对红土边坡稳定性的影响规律。

2 试验方法

2.1 试验材料

选取水库边坡处的红土制备试验试样，根据《土工试验规程》，试样比重为2.71，最优含水率为26.50%，最大干密度为1.40 g/cm3，黏粒（粒径小于0.05×10-1mm）质量分数为54.80%，粉粒（粒径小于0.75×10-1mm 大于0.05×10-1mm）质量分数为42.80%，砂粒（粒径大于0.75×10-1mm）质量分数为2.40%。

2.2 试验制样

试验选了三种不同初始干密度的红土进行制样，分别为1.20 g/cm3、1.30 g/cm3、1.40 g/cm3，初始含水率都为26.50%。根据试验所研究的工况制备不同含水率的试件，为使红土与水混合充分，先静置试件约24 h。将静置后的试样装入环刀，随后采用分层击实，以获得设计干密度试样。所有试件需一次性制备完成。

2.3 试验方案

为模拟红土抗剪强度在水库水位变动下的变化规律，对试样开展不同干湿循环次数的对比工况，共进行11 个不同工况试验，表1 给出了工况表，从而获得不同循环次数下的红土抗剪强度。对于水库库岸边坡，当水库水位上升（或水库蓄水）时，水分入渗边坡的过程对应试验的浸泡增湿过程；当水库水位下降（或水库放水）时，水分从边坡渗出的过程对应试验的脱湿风干过程。在对试样浸泡增湿之前，首先称重试样，然后将试样浸泡水中1 d，以达到增湿目的。然后将浸泡后的试样脱湿风干。对于脱湿风干后的试样质量与浸泡增湿前的试样质量差小于浸泡增湿前的试样质量的0.10%时，则可看作试样本次干湿循环试验成功。将完成干湿循环试验的试样开展直剪试验。依据直剪试验结果绘制莫尔圆包线，然后计算出试样的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力。

表1 不同试验工况表

3 试验结果分析

3.1 干湿循环次数对红土抗剪强度的影响

图1 水库边坡模型图

水库边坡土体的抗剪强度是边坡稳定性的重要影响因素。水库水位升降过程影响了边坡土体微结构特征，因而对土体的抗剪强度有显著影响。图2 给出了试样抗剪强度随干湿循环次数的变化曲线，并给出了三种不同初始干密度工况。从图中可以看出，对于相同的初始干密度试样，增加试验干湿循环次数会导致试样的抗剪强度先迅速下降随后缓慢下降直至稳定。抗剪强度的变化可以分为三个阶段：第一阶段，当试验干湿循环次数＜6次时，试样的抗剪强度迅速下降；第二阶段，当6＜试验干湿循环次数次＜10 时，试样的抗剪强度缓慢下降；第二阶段，当试验干湿循环次数次＞10 时，试样的抗剪强度基本趋于稳定。当保持试验干湿循环次数不变时，试样的抗剪强度随着初始干密度的增大而增大。这是因为红土试样在浸泡增湿时会吸水膨胀，在风干脱水时会收缩体积，这种膨胀收缩过程会改变其胶结结构，从而使得试样产生裂缝并发展，水分会通过裂缝更多的渗入边坡内部。随着水分逐渐渗入边坡，边坡土体的含水率逐渐提高，从而土颗粒间结构键力被逐渐破坏，最终破坏了土样的内部结构。因此，试样经过干湿循环试验后抗剪强度被削弱。综上所示，干湿循环对土样抗剪强度的影响归结于干湿循环破坏了土样微结构，试验改变了其颗粒形态和排列，颗粒间距随之增大，孔隙比也随之增大。但干湿循环对土样抗剪强度的影响时在一定范围内的，随着干湿循环次数的增大，这种影响逐渐削弱。这是因为经过多次干湿循环后，土样内部结构大幅下降但逐渐达到新一个平衡。因此，当经过多次干湿循环后，其抗剪强度基本趋于稳定。

图2 试样抗剪强度随干湿循环次数的变化曲线图

3.2 边坡倾角对边坡稳定性的影响

为研究边坡倾角对边坡稳定性的影响规律，在保持水库水位变化一致的前提下，模拟了不同干湿循环不同边坡倾角工况，边坡倾角从25°增大到70°。图3给出了边坡稳定安全系数随边坡倾角的变化曲线，并对比了10种不同干湿循环条件。从图中可以看出，在保持水库水位变化一致的条件下，当干湿循环次数不超过4次时，边坡的稳定安全系数随着边坡倾角的增大逐渐减小；当干湿循环次数超过4次后，边坡的稳定性安全系数随着边坡倾角的增大的变化规律：首先迅速下降，随后略有增长，随后又逐渐减小直至趋于稳定。当边坡倾角从45°增加到50°时，边坡的稳定安全系数下降速率最大，在边坡倾角增大50°时，边坡的稳定安全系数达到最小值。以干湿循环次数为0为例，当边坡倾角为45°时，稳定安全系数为1.73；当边坡倾角为50°时，稳定安全系数下降至1.644，较边坡倾角为45°下降了约4.90%。另一方面，当边坡倾角为50°时，干湿循环对边坡稳定安全系数的影响最为显著。此时干湿循环次数为0所对应的安全系数为1.64，当干湿循环次数增大到15次时，边坡安全系数下降到1.26，降幅约24%。可见，对于边坡倾角处于45°～50°范围内的红土水利边坡，边坡稳定性最差，同时水位升降对边坡稳定性的影响也最为显著。 对于边坡的稳定性安全系数随着边坡倾角的增大总体呈下降趋势的规律，主要原因是边坡倾角的变化会改变了库岸边坡的滑动力和抗滑力，从而引发了边坡力学机制的变化。随着边坡倾角的增大，边坡的滑动力增大，而抗滑力减小，因此边坡稳定性下降。

图3 边坡稳定安全系数随边坡倾角的变化曲线图

为更好地分析干湿循环次数对边坡稳定性的影响规律，图4给出了边坡稳定性随干湿循环次数的变化曲线，并给出了三种不同初始干密度的工况。从图中可以看出，当试样初始干密度一定时，当循环次数＜6次时，边坡稳定安全系数迅速减小；当6≤循环次数≤10 次时，边坡稳定安全系数缓慢减小，减小幅度变小。当循环次数≥20 时，边坡稳定安全系数随逐渐趋于稳定，即红土边坡达到一个新平衡状态。

图4 边坡稳定性随干湿循环次数的变化曲线图

4 结论

以红土库岸边坡为研究对象，通过土工试验和有限元分析相结合的方法，研究了不同因素对红土边坡稳定性的影响规律，主要得到以下结论：①对于相同的初始干密度试样，增加试验干湿循环次数会导致试样的抗剪强度先迅速下降随后缓慢下降直至稳定。具体的，当试验干湿循环次数＜6 次时，试样的抗剪强度迅速下降；当6＜试验干湿循环次数次＜10 时，试样的抗剪强度缓慢下降；当试验干湿循环次数次＞10时，试样的抗剪强度基本趋于稳定。②当边坡倾角从45°增加到50°时，边坡的稳定性安全系数下降速率最大，在边坡倾角增大50°时，边坡的稳定性安全系数达到最小值。当边坡倾角为50°时，干湿循环对边坡稳定安全系数的影响最为显著。