地下水渗流对岸坡稳定影响试验研究

顶板高，河岸抗冲能力差，历史上崩岸频繁发生， 堤防后移、大量农田崩失。此段的文村夹河段， 江心洲将长江分为南北两汊。1998 年特大洪水前， 枯水期江水主流在南汊，文村夹所在的北汊基本 不过流，大洪水后，河势发生变化，北汊发育明 显，过流量加大，造成对文村夹河段河床的冲刷， 2002 年以来文村夹多次发生崩岸险情，河道水流 方向的改变造成文村夹成为崩岸多发区。
下面从江河水位下降后的非稳定渗流和地下 水渗流两个方面试验分析岸坡稳定性。
2 渗流对岸坡稳定性影响试验 2.1 模型布置和试验方法
试验依托南京水科院水工渗流试验室水槽模 型。水槽长 5.0 m，宽 30 cm，高 80 cm。两侧均 有供水、排水、平水设备。可双向进水，可模拟 上下游均有水的土石坝和河道渗流。槽身由角钢 和有机玻璃组合而成，底部由工字钢梁衬垫。水 槽西侧钢板边壁凿孔接测压管及渗压计，在高 程（相对于底板） 10，20，30，40，50，60 cm 处间 隔 10 cm 打孔接测压管测量水头。试验步骤如下：
2009 年 4 月 第 4 期 总第 426 期
水运工程 Port & Waterway Engineering
Apr. 2009 No. 4 Serial No. 426
地下水渗流对岸坡稳定影响试验研究 *
严文群 1，段祥宝 2，张大伟 1, 2
（1. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2. 南京水利科学研究院水工所， 江苏 南京 210029)
施，重点研究了土工织物和排水减压井在降低渗流破坏、增加边坡稳定性的效果。最后介绍了土工织物设计准则和排水减压
井渗流计算方法。
关键词：河道崩岸；渗流控制；砂槽模型试验
中图分类号：U 656.3
文献标志码：B
文章编号：1002-4972(2009)04-0022-05
Experimental research on the effect of groundwater seepage on bank slope′s stability
降雨期间根据 Bishop 强度理论可知非饱和区 基质吸力内摩擦角较小直至饱和后变为 0，土体抗 剪力减小，且由于入渗后饱和区升高形成自由出 渗并增加了上部土体滑动力，从而易造成岸坡稳 定性不满足。汛期高水位浸泡岸坡土体后土体抗 剪强度显著减小，岸坡稳定性降低。可见地下水 对岸坡稳定影响很大。
在不考虑波浪冲刷、船行波冲击等条件下，对 河道最不利的渗流水力学条件是河道水位比地下水 位低很多，及汛期河道水位为高水位。试验中研究 了河道水位下降过程，这种情况发生在汛后水位消 退时期；还模拟了河道水位比地下水低很多的情 况，这种情况主要出现在春汛期间，受降雨入渗影 响，岸坡内地下水较高，易形成崩岸险情。
q = h12-h22 k 2L
（1）
式中：q 为渗流单宽流量；k 为土层渗透系数；h1，
h2 为浸润面在两个截面处与不透水底板的高差；L
为截面间的距离。
杜布依方程式表明不透水地基上的无压渗流
浸润线为抛物线形式。
在假定下游浸润线在下游水面以下为铅直线
且水面以上具有 1∶0.5 的坡度的基础上，谢斯塔克
来自百度文库
夫联立上游垂直入渗段渗流方程和下游楔体渗流
方程，求得地下水出逸点高程及渗流量。巴甫洛
夫斯基对下游楔体进行分析后首先得到下游楔体
渗流量计算式，再依据浸润线假定求得地下水逸
出点高程。巴甫洛夫斯基公式较谢斯塔克夫公式
简单实用。
特别是下游无水时，巴甫洛夫斯基计算公式为
q=
H12
k L1+ ( 姨L12-m22H12 )
1.3 渗流对崩岸发生发展机理简析
比较渗流从下到上的太沙基公式和自由出渗
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水运工程
2009 年
段临界坡降和水下淹没段临界坡降公式后，发现 坡面渗出点处的临界渗透坡降最小，即渗出点最 易发生渗透破坏。由于地下水水流方向在河道坡 面与水面交点处发生转向，由沿着坡面转向为垂 直于坡面，因此理论上此点的渗透坡降无穷大， 加之河道水面的波动及风浪冲刷及沿着坡面下渗 的地下水的侵蚀等原因，此处极易冲塌，很不稳 定。长期处于高水位运行的河道 （汛期） 快速行 洪时由于大区域地下水位变动较河道水位缓慢， 地下水在坡面上产生自由渗出面，河道水位下降， 土体抗滑力较小，在河道坡面与水面处土颗粒首 先起动破坏，上移至逸出面，最后呈现为块状坍 落，临水面崩落，形成崩岸[4-6]。
目前国内对河道崩岸研究主要是着眼于外部
收稿日期：2008-10-17 *基金项目：江苏省自然科学基金（BK2005007）。 作者简介：严文群（1955—），男，副教授，主要从事岩土渗流研究。
第4期
严文群，等：地下水渗流对岸坡稳定影响试验研究 *
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水流对河道的冲刷，较少关注地下水流对河道稳 定系的影响。毛昶熙[1]在其渗流专著中明确了渗流 自下而上时的渗流出口处、覆盖层 （受下部承压 水顶托） 和淹没出渗坡面及自由出渗坡面的临界 渗流坡降的计算公式，结合河道坡面上的渗透坡 降的实际分布，就可以判断出坡面是否会发生渗 流破坏。1998 年特大洪水后，毛昶熙等[2-3]对国内 的江堤进行了调研，研究认为抛石防冲是临时性、 局部的抢险，应防范地下水流的危害。实际上地 下水对崩岸影响并不亚于洪水顶冲，而且其危害 和治导原理类同。都需要改造流场疏导流向，避 免冲向岸坡。勃劳恩斯 （1977） 曾分析了不同渗 流方向对坝坡稳定性的影响，研究表明水平向渗 流较平行于坡面、垂直向下两种方向的稳定性大 大降低。保尔 （1982） 系统地计算 75 种岸坡情况 按照 Bishop 法求得的最小抗滑安全系数，说明了 疏导流向能提高岸坡稳定性。
（2）
h0=(m2+0.5)
q k
（3）
式中：H1 为河道地下水位；m2 为河道坡比；L1 为
计算长度。
1.2 河道岸坡渗流稳定分析
1.2.1 岸坡渗流临界坡降
坡面有自由出渗条件时土颗粒在渗流力和自
重的作用下会沿着坡面滑动、侵蚀坡面。土颗粒
能承受的最大比降 Jc 的计算公式为
Jc=
ρ1′ ρ
(tanφ-tanβ)cosβ+
1） 控制干密度填筑细砂 （均质坝坝型，k= 3.7×10-3 cm/s）。
2） 测量稳定渗流场，在下游出水处测量渗流 量，当流速恒定时对各个测压管进行排气。确保 各垂直断面上水头相差很小。
3） 用 DV 摄像机测量非稳定渗流场，将一测 压管预设于河道侧底板上，测量河道水位的下降 过程。间隔一定时间取图像，将所有的测压管集 中于坐标纸架上。读取各时刻各测压管的水头值， 误差<2 mm。当图片读取的测压管水头值低于测 压管高程时，测压管已进气，测值失真不再作为 有效数据。
4） 埋设减压井，减压井直径 2 cm，开孔率> 35%，四周开孔并包裹土工布，排水井位于河道 高程 55 cm （相对底板） 上，打至底部。共打 3 口 井，两侧两口井距离边壁 7.5 cm。中间井处于水 槽中线。试验时取坝顶中轴线处 x=0，底板处 y= 0。x 以向地下水位侧为正，y 以向上为正。河道 坡脚处 x=-155 cm。地下水垂直进口处 x=75 cm。
Key words: river bank-failure; seepage control; sand-box model test
河流的迎溜顶冲、河道护坡基础薄弱、河势 转变、汛期高水位及洪水快速下泄、降雨入渗和 岸坡高地下水位等是造成河道岸坡失稳的主要原 因。有二元地质结构 （下面是覆盖层，上面是薄 层黏土） 的堤防、大江大河岸坡陡峭、河道曲折 处及遭遇汛期高水位、汛后快速排泄洪水的河道 极易发生崩岸险情，严重威胁两岸人民的生命财 产安全以及河道的正常行洪。以长江荆江段为例， 此段堤防工程地质构造多属砂土二元结构，砂层
Abstract: Based on the underground steady seepage′s analytical solution and FEM solution，we analyzed
the seepage gradient′ s distribution law on slope surface，and obtained the calculation formula for the critical fall of soil particle on unconfined seepage surface. We also carried out an experimental research on the effect of groundwater seepage on bank slope′s stability and analyzed the river bank-failure′ s mechanism of occurrence, development and evolution process under the action of underground seepage. We studied the seepage control measures for bank-failure′s prevention, especially the effect of geotextiles and drainage well on reducing the risk of seepage failure and increasing the stability of slope from prevention of seepage failure, reduction of saturation line and decrease of seepage discharge. The design criteria for geotextiles and calculation method for drainage well seepage are presented.
临界坡降是很小的。
1.2.2 岸坡渗流出逸坡降
对于砂体，坡比为 m，则相应的地下水渗流
出逸点坡降为
J= 1
（5）
姨1+m2
试验模型坡比假设为 1∶2.5 或 1∶2，则相应的出
逸坡降为 0.307 和 0.325，可见出逸坡降远大于临
界坡降，也就是说，对砂体岸坡，在有地下水渗流
出逸时渗流是不稳定的，必须采取渗流保护措施。
YAN Wen-qun1，DUAN Xiang-bao2，ZHANG Da-wei1, 2
（1. Hydraulic Science and Engineering College of Yangzhou University, Yangzhou 225009, China; 2. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China）
摘要：从河道地下水稳定渗流的解析解、有限元解出发，分析了河道坡面上的渗透坡降的分布规律，得到了自由出渗坡
面上土颗粒的临界渗透坡降计算公式。开展了地下水渗流对岸坡稳定影响的试验研究，分析了地下水渗流作用下的河道崩岸
发生、发展机理和演变过程。从防止坡面发生渗透破坏和降低浸润线、减少渗流量两个角度，研究了防治崩岸的渗流控制措
c ρ
（4）
式中：β 为河道坡度；c，φ 为土体抗剪强度指标；
ρ 为水的密度；ρ1′为土体的浮密度。
试验土体采用了两种砂料：1） 粉细砂：c=0，
φ=30°，ρ1′=1.0 g/cm3，得到 Jc=0.07；2） 中砂：c= 0，φ=35°，ρ1′=1.0 g/cm3，得到 Jc=0.18。可见砂料
本文开展地下水渗流对河道岸坡稳定的模型 试验和数值分析，着重分析河道水位降落形成的 非稳定渗流和地下水渗流对河道岸坡稳定的影响。 并尝试改变地下水渗流来防治崩岸。
1 河道岸坡渗流稳定分析
1.1 河道岸坡渗流解析解
1857 年杜布依应用达西定律来研究不透水层
面上有自由表面的地下渗流时，得到了著名的杜
布依方程式
单就防止坡面发生渗透破坏、降低浸润线、 减少渗流量 （渗流控制的主要目标） 而言，土工 织物和排水减压井能有效地降低渗流破坏发生的 危险、改变地下水流流向和高度、增加边坡稳定 性。目前土工布设计多参照 1922 年太沙基提出的 设计准则。对于排水加压井附近渗流场的计算，在 保持流量和水头相等的前提下，用窄沟代替井列。 把原属三向渗流问题化为二向渗流问题来求解。