周期性水位波動(dòng)作用下庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性分析

武 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

水庫(kù)運(yùn)行后庫(kù)區(qū)水位的頻繁波動(dòng)，將改變巖土體的有效重度，弱化巖土體力學(xué)強(qiáng)度，可能引起滑坡復(fù)活或促成新的不穩(wěn)定斜坡體[1]。

以恩施市雙龍洞水庫(kù)滑坡為研究對(duì)象，在充分考慮雙龍洞滑坡地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行條件，利用ANSYS軟件的溫度模塊建立計(jì)算模型，并在考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用的情況下，利用APDL語(yǔ)言編譯求解程序，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 滑坡的工程地質(zhì)條件

該滑坡為中型巖質(zhì)滑坡，規(guī)模600×104m3。地處恩施市珠山鎮(zhèn)雙龍洞村6組龍洞水庫(kù)右岸。滑坡平面呈半圓形，剖面呈階梯狀，主滑方向?yàn)镹E10°，滑坡體斜長(zhǎng)300 m，寬600 m，厚度1～22 m，平均厚度約20 m，見(jiàn)圖1。

滑坡體表覆蓋白堊紀(jì)(K)殘坡積紫紅色碎石土、黏性土等，深度約為0～8 m；下部為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)灰綠色碎石土，深度約為8～17 m；滑帶埋深：前緣18 m、中部22 m、后緣18 m，厚度約為10～20 cm，主要為灰綠色石塊及松散土體；滑床為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)紫紅色泥質(zhì)砂巖巖體完整性較好，RQD>90%，見(jiàn)圖2。

2 數(shù)值模擬

利用數(shù)值模擬的方法研究滑坡穩(wěn)定性，要建立合理的數(shù)值計(jì)算模型，同時(shí)還要掌握庫(kù)水位波動(dòng)的規(guī)律，以及各類巖土參數(shù)的合理選取。

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料，選擇主滑面，建立二維計(jì)算模型。模型左邊界為已知流量邊界和水平約束，下邊界為“0”流量邊界和數(shù)值約束，計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖2 雙龍洞滑坡Ⅱ-Ⅱ剖面

圖3 雙龍洞滑坡物理模型

2.2 水位運(yùn)營(yíng)模型的建立

根據(jù)水庫(kù)歷年逐日水位記錄表，為了研究水庫(kù)運(yùn)行后滑坡穩(wěn)定性分析，確定了以下模擬方法，見(jiàn)圖4。

圖4 水庫(kù)水位運(yùn)行圖

2.3 模型參數(shù)的確定

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測(cè)試、核磁NMR測(cè)試反演結(jié)果，滑坡各部位參數(shù)見(jiàn)表1及圖5。

表1 滑坡物理、力學(xué)參數(shù)

圖5 雙龍洞滑坡土水特征曲線

3 數(shù)值成果分析

為了揭示水位運(yùn)行對(duì)滑坡的影響，分別在滑體、滑帶、滑床的前緣、中前緣、中部、中后緣、后緣選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 滲流場(chǎng)分析

圖6 泄水時(shí)水位線變動(dòng)

模擬結(jié)果分析：

①?gòu)膱D6中可以清晰的看出庫(kù)水波動(dòng)引起的地下水的變動(dòng)主要集中在滑坡的中前緣，而在滑坡后緣由于地下水的補(bǔ)給，變化幅值較小。

表2 兩個(gè)周期內(nèi)滑帶水頭變動(dòng)幅值

②在兩個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)，在相同位置，后一個(gè)周期較前一周期的水頭高；在不同的波動(dòng)周期，滑坡體相同位置，水位變化幅值不同，水頭變動(dòng)幅值最大出現(xiàn)第二個(gè)上升期內(nèi)；由滑帶前緣、中部、后緣變化幅值表(表2)可知，地下水變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的中部附近。

③在不同的波動(dòng)周期，滑體、滑帶、滑床不同位置處的水位變動(dòng)幅值各不相同。在滑坡中部水位變動(dòng)幅值最大，底部次之，而在滑坡底部變動(dòng)幅值最小。如在第二個(gè)上升周期(118～168 d)時(shí)，滑體、滑帶、滑床水位變動(dòng)幅值分別為4.0 m、3.6 m、2.0 m，其變化幅值逐漸減小。

④在不同的波動(dòng)周期滑坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時(shí)不同，隨著波動(dòng)次數(shù)的增加水位穩(wěn)定用時(shí)增加。水位在535～547 m范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，由于時(shí)間短水位未達(dá)到穩(wěn)定，而水位在555 m高程時(shí)水位達(dá)到穩(wěn)定，周期一用時(shí)為25 d，周期二用時(shí)為31 d，說(shuō)明隨庫(kù)水的波動(dòng)，地下水位達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。

⑤隨著庫(kù)水位做周期性波動(dòng)，滑坡體內(nèi)部浸潤(rùn)線的位置也不相同，水位波動(dòng)次數(shù)越多，地下水滲出點(diǎn)位置越高。

⑥由于周期性水位作用時(shí)間越長(zhǎng)，滲出點(diǎn)位置越高，而相應(yīng)的非飽和區(qū)范圍縮小，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力貢獻(xiàn)范圍縮小，不利于滑坡穩(wěn)定性。

⑦地下水是一條上凸的曲線，當(dāng)水庫(kù)泄水時(shí)滑坡底部水位線曲率增大，該區(qū)域下部水頭大于上部水頭，滲透力的方向向上；水位周期性波動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，水位線的曲率越大。

3.2 坡體內(nèi)部滲透力分析

圖7 周期1時(shí)250 d滲透壓力分布

模擬結(jié)果分析：

①水位相同，水位波動(dòng)周期不同時(shí)，滲透力不同，波次數(shù)越多，滲透力越大；在兩個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)，相同位置處，后一個(gè)波動(dòng)周期的滲透力大于前一個(gè)波動(dòng)周期(表3)；不同的波動(dòng)周期，滑坡體內(nèi)部相同位置，滲透力增加幅值也不相同。增幅值與水頭變化幅值最大值同樣出現(xiàn)第二個(gè)上升期；從表3可知，變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的前緣、中前緣，這是因?yàn)樵谠摬糠炙^變化幅值大，相應(yīng)的滲透壓力較大。

表3 滑帶滲透力變動(dòng)幅度

②在同一個(gè)水位波動(dòng)周期，庫(kù)水位下降時(shí)，滲透力主要集中在滑坡的前緣。庫(kù)水下降幅值越大，滲透力也越大，滑坡不穩(wěn)定性也越大。由圖7、圖8可知，在滑坡體內(nèi)部，滲透力主要集中在滑坡體前緣，在滑坡體中后緣滲透力的相對(duì)較小，同時(shí)變幅也較小，且為負(fù)值；二者對(duì)比可以看出，在滑體部分的滲透力要相應(yīng)的大于滑帶部分的滲透力。在不同的波動(dòng)周期，滑體、滑帶、滑床不同位置處的滲透力的變幅也各不相同；如在第二個(gè)上升周期(118～168 d)時(shí)，滑體、滑帶、滑床滲透力變動(dòng)幅值分別為0.8 kN、0.5 kN、0.3 kN，其變化幅值逐漸減小。

③下降過(guò)程中，滲透力最大值區(qū)域逐漸右移，并隨庫(kù)水下降高度的增加而增大，差別較大，滑坡前緣的滲透力要大于滑坡后緣。

④庫(kù)水波動(dòng)次數(shù)越多，地下水位也下降速度越慢，滲透壓力穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，其消散時(shí)間上與坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時(shí)相同。

3.3 應(yīng)力分析

①滑帶：從圖9和圖10中可以知水位波動(dòng)時(shí)滑坡體內(nèi)部的剪應(yīng)力不斷發(fā)生變化，在水位初期穩(wěn)定期(1～30 d)，滑帶中前部的剪應(yīng)力會(huì)略微減小，而在滑坡的中后部剪應(yīng)力會(huì)增加，并且隨著波動(dòng)次數(shù)的增加，其變動(dòng)幅度會(huì)逐步增大，且在滑坡中部變動(dòng)幅值最大；在水位波動(dòng)過(guò)程中，水位初期升降對(duì)滑坡中前緣影響較大，而在波動(dòng)后期對(duì)其影響較小，剪應(yīng)力基本維持不變，在滑坡中后緣，水位波動(dòng)對(duì)其影響一直比較顯著，且隨著波動(dòng)次數(shù)的增加，影響幅度也相應(yīng)的增大。

圖9 滑床剪應(yīng)力周期變幅值

圖10 滑帶剪應(yīng)力周期變幅值

②滑體、滑床：相對(duì)于滑帶而言，滑體、滑床內(nèi)部的剪應(yīng)力變化規(guī)律有所不同。在水位初始穩(wěn)定期(1～30 d)，各個(gè)部位其剪應(yīng)力都會(huì)有所增大；在水位上升初期(30～40 d)剪應(yīng)力變化最大；滑帶的剪應(yīng)力主要為正值，而在滑體、滑床后部出現(xiàn)負(fù)值；波動(dòng)過(guò)程中，滑體、滑帶剪應(yīng)力的波動(dòng)幅度相對(duì)于滑體而言要大。

③從圖11和圖12中可以看出，隨著水位做周期性的波動(dòng)，在滑坡的中部、中后緣、后緣剪應(yīng)力等值線的密度逐步增加，數(shù)值增大，并且向滑帶附近靠攏，說(shuō)明雙龍洞滑坡的破壞模式為推移是破壞。

圖11 周期1滑坡剪應(yīng)力等值線

圖12 周期2滑坡剪應(yīng)力等值線

4 結(jié)論

本文主要研究目的是周期性庫(kù)水位波動(dòng)下滑坡穩(wěn)定性。利用ANSYS軟件中的熱傳導(dǎo)的溫度模塊進(jìn)行滲流分析，利用ANSYS的APDL語(yǔ)言編制將滲透力轉(zhuǎn)化成等效節(jié)點(diǎn)力的控制程序；結(jié)合雙龍洞滑坡工程實(shí)例，對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證，取得了一些研究成果及結(jié)論。

①分析了雙龍洞滑坡在水位周期性波動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)水位波動(dòng)次數(shù)的不同水庫(kù)進(jìn)行分析，水位分別模擬了波動(dòng)1次、2次兩個(gè)周期，得到了滑坡體內(nèi)水頭分布、滲透壓力、位移等的變化分布情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

②采用有限單元法求解，方法很直接，但是在求解過(guò)程中存在一些問(wèn)題：首先，網(wǎng)格剖分問(wèn)題，對(duì)網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)量限制，模型的單元格尺寸很大導(dǎo)致計(jì)算精度不高而出現(xiàn)異常，不滿足工程要求，網(wǎng)格剖分過(guò)小過(guò)密，計(jì)算困難，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，浪費(fèi)時(shí)間；再次，在非穩(wěn)定滲流場(chǎng)中，飽和-非飽和介質(zhì)的容水度(儲(chǔ)水系數(shù))對(duì)滲流場(chǎng)的影響很大，容水度大浸潤(rùn)線變化緩慢，容水度小浸潤(rùn)線變化快，而該系數(shù)的試驗(yàn)確定方法目前的研究很少。

③對(duì)于雙場(chǎng)耦合目前研究尚處于起步階段，各個(gè)理論還不成熟，目前數(shù)值計(jì)算主要以間接耦合為主，能夠直接耦合計(jì)算的軟件目前比較少；間接耦合過(guò)程中，計(jì)算時(shí)步長(zhǎng)度的確定是間接耦合的關(guān)鍵。

④庫(kù)水周期性作用下的滑坡在時(shí)間上是一個(gè)由多期次的、空間上巖性漸變的復(fù)雜的復(fù)合地質(zhì)變形體[5]，作者為了能模擬庫(kù)水波動(dòng)時(shí)坡體內(nèi)部耦合效應(yīng)，作了一些地質(zhì)模型上的簡(jiǎn)化，由于硬件的限制僅作了二維研究。在以后研究中，如何建立本質(zhì)上反映應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合三維模型，并進(jìn)行數(shù)值分析，是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

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