動態水位誘導下庫岸邊坡穩定性分析

楊金林, 吳國宏, 周延國

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

動態水位誘導下庫岸邊坡穩定性分析

楊金林, 吳國宏, 周延國

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州 450003)

水庫建成蓄水后,為滿足防洪和發電的要求,水位將在最低正常水位和最高正常水位之間反復升降,庫水位的變動很可能誘導庫岸變化的失穩。因此,有必要對動態水位誘導下庫岸邊坡穩定性進行分析。采用數值模擬方法,結合小浪底水庫運營方式,分析不同庫水位升降及不同升降速率下庫岸邊坡穩定性演化規律,研究成果為庫岸的穩定分析及防護提供了有益的依據。

動態水位;庫岸穩定性;數值模擬

水庫建成蓄水后,庫區巖土體邊坡大面積受庫水的浸泡,逐漸出現變形、塌岸等地質災害,水是誘發庫區各種地質災害最主要的因素[1-3]。據資料統計[4],庫水位上升期間庫岸發生失穩約占40%～49%,消落期約占30%,其中,庫區較大的滑坡或岸坡多數發生在庫區最高水位消落期。為了研究水庫運營期庫周岸坡的穩定性問題,一些學者從理論、試驗和數值模擬方面對庫岸邊坡穩定性進行了研究。

朱冬林等人[5-6]研究發現,隨著庫水位的上升和下降,庫區滑坡安全系數出現由大到小、再由小到大的變化規律;Griffiths等人[7]基于強度折減法分析了庫水位變化對庫岸邊坡安全系數的影響,研究結果表明庫岸安全系數隨著庫水位的上升出現先變小后增大的規律;賈官偉等[8]、李紹軍等[9]、姜海西等人[10]利用模型試驗研究了庫水位升降對巖質邊坡的穩定性及變形破壞特征;李會中等人[11]對千將坪滑坡與庫水位升降的關系進行了系統研究,認為滑坡復活的根本原因是庫水位的抬升和持續的強降雨;劉才華等人[12]研究了地下水對邊坡失穩的影響,研究表明地下水作用下邊坡的巖土體物理力學性質降低,坡體內滲透力和庫水浮托力是影響岸坡穩定性的重要因素。

庫岸岸坡的失穩是庫水反復升降造成的結果,但以上研究中,分析庫岸穩定性和變形往往重點考慮單次水位上升和下降對邊坡的力學效應影響及巖土體飽和狀態下強度參數折減,在庫水位不同降速下庫岸巖土體質量的累計損傷卻很少考慮到。因此,本文擬利用三維數值模擬軟件分析,結合小浪底水庫的運營方式,分析不同水位上升、下降及不同降速工況下庫岸岸坡安全系數的演化變化規律。

1 計算模型及參數

1.1 計算模型

圖1 數值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

1.2 計算參數

為查明工程區的巖土體物理力學性質,本次勘察在工程區進行了巖土取樣室內物理力學試驗,根據試驗物理力學指標,提出以下巖土體物理力學指標,見表1。

表1 亳清河岸坡巖土體的物理力學建議值

1.3 計算工況

結合小浪底水庫運營方式,為全面模擬動態水位誘導下庫岸邊坡穩定性演化規律,設置了工況A、工況B、工況C,工況信息詳見表2。為了研究庫水位降速對庫岸邊坡穩定性的影響,分別設置庫水位降速為0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d等5種工況。

表2 水位升降時岸坡穩定性分析計算工況

2 結果分析

2.1 不同水位升降工況下岸坡穩定性分析

工況A為庫水位從235 m上升到275 m再下降到235過程中庫岸岸坡的安全系數隨庫水位升降演化規律圖。圖2表明:隨著庫水位的上升,庫岸岸坡的安全系數隨著庫水位的上升而增大;隨著庫水位的下降,安全系數總體呈減小趨勢且減小的速率高于增大的速率。庫水位由235 m上升到275 m,安全系數由235 m水位下的1.53增大到275 m水位下的1.832;庫水位由275 m下降到235 m,安全系數由1.832下降到1.345后增大到1.401。安全系數在庫水位由245 m下降到235 m過程中,安全系數略有增大。動態水位誘導下,岸坡的安全系數整體上隨著庫水位的上升呈現增大的規律,隨著庫水位下降出現較小的規律且下降的速率高于上升的速率。

圖2 工況 A穩定性系數變化曲線圖Fig.2 Change curve of stability coefficient of condition A

圖3 工況B穩定性系數變化曲線圖Fig.3 Change curve of stability coefficient of condition B

圖4 工況C穩定性系數變化曲線圖Fig.4 Change curve of stability coefficient of condition C

工況B是為庫水位從255 m上升到275 m再下降到235過程中,庫岸岸坡的安全系數隨庫水位升降演化規律圖。圖3表明:隨著庫水位的上升,庫岸岸坡的安全系數隨著庫水位的上升而增大,隨著庫水位的下降,安全系數總體呈減小趨勢且減小的速率高于增大的速率。庫水位由255 m上升到275 m，安全系數由255 m水位下的1.417增大到275 m水位下的1.696;庫水位由275 m下降到235 m,安全系數由1.696下降到1.336后增大到1.357。安全系數在庫水位由245 m下降到235 m過程中,安全系數略有增大。動態水位誘導下,岸坡的安全系數整體上隨著庫水位的上升呈現增大的規律,隨著庫水位下降出現較小的規律且下降的速率高于上升的速率。

工況C是庫水位從275 m下降到235 m過程中，庫岸岸坡的安全系數隨庫水位升降演化規律圖。圖4表明:隨著庫水位的下降,庫岸岸坡的安全系數逐漸變小,庫水位由275 m下降到235 m時,安全系數由1.622下降到1.339后增大到1.364。安全系數在庫水位由245 m下降到235 m過程中,安全系數略有增大。

圖5 水位升降時各工況穩定性系數變化曲線圖Fig.5 Change curve of stability coefficient of each condition in water level variation

圖5是工況A、B、C庫岸岸坡的安全系數隨庫水位升降演化規律圖。圖5表明:在動態水位升降誘導下,三種工況條件下岸坡安全系數的演化規律是一致的。

2.2 不同降速工況下岸坡穩定性分析

圖6 不同降速時穩定性系數變化曲線圖Fig.6 Change curve of stability coefficient in different deceleration

圖6是不同庫水位降速(0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d)條件下庫水位由275 m下降到235 m岸坡安全系數變化規律圖。由圖可知,庫水位降速越大,岸坡的安全系數減小越快,代表岸坡失穩的時間越短。

3 結論

本文利用三維數值模擬軟件,結合小浪底水庫運營方式,分別模擬了動態水位誘導下庫岸邊坡穩定性演化規律。模擬結果表明:

(1) 庫岸岸坡安全系數整體上與庫水位升降成線性關系,當庫水位上升時,安全系數增大;庫水位下降時,安全系數減小。

(2) 同水位高程下,庫水位降速越大,岸坡的安全系數減小越快,岸坡失穩的時間越短。

[1] 王士天,劉漢超,張倬元,等.大型水域水巖相互作用及其環境效應研究[J].地質災害與環境保護,1997,8(1):69-88.

[2] 刁承泰,黃京鴻.三峽水庫水位漲落帶土地資源的初步研究[J].長江流域資源與環境,1999,8(1):75-80.

[3] 徐千軍,陸楊.干濕交替對邊坡長期安全性的影響[J].地下空間與工程學報,2005,1(6):1021-1024.

[4] Griffiths D V,Lane P A.Slope stability analysis by finite elements[J].Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[5] 朱冬林,任光明,聶德新,等.庫水位變化下對水庫滑坡穩定性影響的預測[J].水文地質工程地質,2002(3):6-9.

[6] 徐文杰,王立朝,胡瑞林.庫水位升降作用下大型土石混合體邊坡流—固耦合特性及其穩定性分析[J].巖石力學與工程學報,2009,28(7):1491-1498.

[7] Lane P A,Griffiths D V.Assessment of stability of slopes under drawdown conditions[J].Journal of Geotechni-cal and Geoenviromental Engineering,2000,126(5):443-450.

[8] 賈官偉,詹良通,陳云敏.水位驟降對邊坡穩定性影響的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28(9):1798-1803.

[9] 李邵軍,Knappett J A,馮夏庭.庫水位升降條件下邊坡失穩離心模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(8):1586-1593.

[10] 姜海西,沈明榮,程石,等.水下巖質邊坡穩定性的模型試驗研究[J].巖土力學,2009(7):1993-1999.

[11] 李會中,王團樂,孫立華,等.三峽庫區千將坪滑坡地質特征與成因機制分析[J].巖土力學,2006,27(增刊):1239-1244.

[12] 劉才華,陳從新,馮夏庭,等.地下水對庫岸邊坡穩定性的影響[J].巖土力學,2005,26(3):419-422.

(責任編輯：陳文寶)

Stability Analysis on the Bank Landslide Induced by Dynamic Water Level

YANG Jinlin, WU Guohong, ZHOU Yanguo

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

After impoundment,the reservoir water level will fluctuate in normal lower and higher water level in order to meet the requirements of flood control and power generation,which will induce stable bank slope develop to instable probably.Therefore,it’s necessary to make systematic research on the stability of landslide because of dynamic water level.In this paper,evolution of bank landslide stability rules in different water level fluctuation and different lifting rate are analyzed by numerical simulation combining with the Xiaolangdi Dam reservoir operation.The research results can provide useful basis for the stability analysis and protection of bank landslide.

dynamic water level; reservoir bank stability; numerical simulation

2016-04-17;改回日期:2016-05-11

楊金林(1984-),男,工程師,碩士,巖土工程專業,從事工程地質勘察、設計與研究工作。E-mail:yangjl@yrec.cn

TV697.2+3

A

1671-1211(2016)03-0468-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.051

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.004.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24