庫水位變動條件下岸坡滲流特性及穩(wěn)定性研究

覃夢卿 (中國葛洲壩集團第一工程有限公司， 湖北 宜昌 443000)

儲成龍 (江蘇中南控股集團有限公司，江蘇 海門 226124)

郭運華 (武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070)

徐建雄 (湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江 433100)

庫水位變動是影響庫岸邊坡滑移破壞的一個主導(dǎo)因素[1，2]，有統(tǒng)計顯示，三分之二的水庫在水位驟降時發(fā)生滑坡，三分之一的水庫水位上升階段發(fā)生滑坡[3]。塘巖光滑坡以及瓦依昂水庫滑坡[4]發(fā)生后，庫區(qū)水位變動誘發(fā)水庫邊坡穩(wěn)定性問題才引起科研人員的空前重視。在已有的研究中大多數(shù)采用穩(wěn)態(tài)滲流場作為計算依據(jù)，對于庫水位變動引起的滑坡研究以均勻的水位升降速度為主[5～7]。隨著對庫岸滑坡更深入地研究，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)滲流場對邊坡穩(wěn)定性影響更加顯著，同時邊坡材料非均質(zhì)性的影響也得到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，在庫水位升降作用條件下的邊坡破壞機制研究還有待進一步加強，主要體現(xiàn)在庫岸邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)變化，對庫水位變動條件下的邊坡穩(wěn)定性影響尚缺乏系統(tǒng)深入的研究[8]，也較少考慮瞬態(tài)飽和非飽和區(qū)對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響[9，10]。下面，筆者以大崗山右岸壩肩樞紐區(qū)邊坡作為研究對象，采用更符合庫區(qū)形態(tài)的正弦余弦函數(shù)作為水頭邊界函數(shù)，分析庫岸邊坡在水位變化過程中，滲流場影響范圍的邊坡局部穩(wěn)定性與邊坡全局穩(wěn)定性演化規(guī)律，并確定水庫水位升降的速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 庫水位變動條件下的邊坡穩(wěn)定性分析原理

1.1 庫水位變動條件下的水巖作用原理

水巖作用首先由前蘇聯(lián)A.M.O Bynhhnkob于20世紀(jì)50年代提出，庫水位變動過程中水與巖土體的物理作用包括侵蝕作用和軟化作用，主要包括庫水位升降過程中水對巖體的靜、動水滲透壓力作用，超孔隙水壓力效應(yīng)以及岸坡淹沒部分的浮力作用。當(dāng)庫水位上升和下降時，分別形成指向坡內(nèi)坡外的動水滲透壓力。動水滲透壓力越大，越容易導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)破壞；較大的超孔隙水壓力，使壓密區(qū)抗剪強度急劇減小，岸坡失穩(wěn)概率提高；浮力會提高滑坡體的失穩(wěn)可能性。

1.2 飽和-非飽和滲流控制方程

二維滲流的一般控制微分方程如下：

(1)

式中，h為水頭；kx為x方向飽和滲透系數(shù)(x為水平方向)；ky為y方向飽和滲透系數(shù)(y為垂直方向)；Q為邊界上的流量；θ為單位體積含水量；t為滲流時間。

飽和-非飽和情況下的有限元控制方程為[11]：

(2)

式中，mw為儲水曲線的斜率；γw為水的容重；H為總水頭。

1.3 邊界條件

在瞬態(tài)分析中，邊界條件可以是時間的函數(shù)，也可以是存在于流動區(qū)域或者進入流動區(qū)域流量的函數(shù)。假定庫水位上升與下降互為逆過程，可選用正弦或余弦函數(shù)來描述庫水位升降條件下總水頭與時間的函數(shù)關(guān)系[12～14]。當(dāng)庫水位上升時，邊坡邊界總水頭與時間的正弦函數(shù)表達式為：

(3)

式中，h(t)為總水頭，是時間t的函數(shù)；Δh為正常蓄水位與枯水位的差值；T為庫水位上升的總時間；t為庫水位上升時的各時間節(jié)點；h0為枯水位高度。

當(dāng)庫水位下降時，定義的巖坡體邊界總水頭與時間的余弦函數(shù)關(guān)系式為：

(4)

1.4 裂隙巖體非飽和滲流特性及等效化

對于裂隙飽和滲流規(guī)律可用立方定理描述，對于裂隙網(wǎng)絡(luò)中的非飽和滲流，一般認為節(jié)理的幾何特征、裂隙中水的飽和度、流體性質(zhì)等均對裂隙的非飽和滲透性質(zhì)有影響。胡云進等[15]通過實驗認為巖石裂隙非飽和排水及吸濕過程具有非飽和土類似的特征，因此，將裂隙的非飽和滲流過程等效為連續(xù)多孔介質(zhì)具有可行性，其中關(guān)鍵在于其REV(表征單元體體積)尺度的確定[16]。M.Wang et al[17]研究了4組節(jié)理跡長0.88～2m的隨機節(jié)理巖體的三維滲流特征，其REV尺度為12m，這與張莉麗[18]的研究結(jié)果基本一致。陳亮[19]通過隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)計算了大崗山邊坡滲透系數(shù)張量，認為REV尺度為8m×4m。筆者研究對象滿足連續(xù)介質(zhì)的等效條件，因此采用Van Genuchten模型擬合非飽和滲透系數(shù)曲線[20，21]:

(4)

1.5 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)滲流分析

在進行瞬態(tài)滲流分析之前，首先確定各類巖體的非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，然后定義滲流巖質(zhì)邊坡邊界上所有結(jié)點的初始總水頭。當(dāng)庫水位上升時，以初始地下水位線作為初始條件，作穩(wěn)態(tài)滲流分析，在此基礎(chǔ)上再作瞬態(tài)滲流分析；當(dāng)庫水位下降時，以正常蓄水位時穩(wěn)態(tài)情況下的浸潤線作為初始水位線，進而分析瞬態(tài)滲流情況。

1.6 邊坡穩(wěn)定性分析

由于大崗山水電站西部高山峽谷邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，由坡頂自然邊坡殘、坡積層逐步過渡到峽谷底部人工邊坡的Ⅲ、Ⅳ類強卸荷巖體。同時順坡面走向的卸荷裂隙發(fā)育帶構(gòu)成的潛在底滑面，使得邊坡穩(wěn)定性分析不僅要考慮水位變化影響強烈的局部穩(wěn)定性，也需要分析邊坡全局的穩(wěn)定性演化，以全面評估水位變動對邊坡穩(wěn)定性的影響，穩(wěn)定性分析采用極限平衡的Morgenstern-Price方法計算。

2 水位變動條件下大崗山水電站右岸邊坡滲流特性

2.1 工程概況

大崗山水電站位于大渡河中游，是四川近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積達6.27×104km2，占全流域的五分之四。右岸邊坡約1200～1300m高程以上為塊碎石土，基巖巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長花崗巖(γ24-1)，局部出露輝綠巖脈(β)、花崗細晶巖脈(γL)等。據(jù)勘探揭示，右岸發(fā)育78條輝綠巖脈，8條主要花崗細晶巖脈，主要有β4、β97(f93)、β146、β168(f154)、β170(f244)、β202(f191)、β203(f194)等巖脈破碎帶，巖脈破碎帶呈塊裂-碎裂結(jié)構(gòu)。大崗山右岸邊坡地形及地質(zhì)剖面如圖1所示，節(jié)理、裂隙統(tǒng)計規(guī)律如表1所示。

圖1 大崗山右岸邊坡地形及地質(zhì)剖面圖

跡長統(tǒng)計跡長/m百分比/%產(chǎn)狀統(tǒng)計優(yōu)勢產(chǎn)狀密度/%間距統(tǒng)計平均間距/m所占比例/%0.4～1.037194°∠3°4～5<0.115.11.0～3.058177°∠81°3～40.1～0.216.63.0～5.03288°∠63°3～40.2～0.435.4>5.02254°∠65°2.5～3.50.4～0.616.4--77°∠35°2～30.6～0.88.4---->0.88.2

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)勘察設(shè)計單位推薦的各分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)取值如表2～表4所示。

表3 主要結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)表

表3 壩址區(qū)各類巖體和結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)建議值

2.3 水位變動條件下滲流場演化規(guī)律

根據(jù)大崗山水電站的水文地質(zhì)資料，從枯水位蓄水至正常蓄水位時間長短分為4個方案進行研究，分別為30d蓄滿、90d蓄滿、150d蓄滿、270d蓄滿；放空方案依據(jù)從正常蓄水位降至枯水位分為4個方案進行研究，分別為30d放空、90d放空、150d放空、270d放空，不同水位變動速率條件下坡內(nèi)滲流場演化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同水位變動速率條件下坡內(nèi)滲流場演化規(guī)律

由圖2(a)～(d)可知，浸潤線從初始地下水位線逐漸上移，浸潤線在庫岸邊坡的較深部區(qū)域的變動幅度較弱，在邊坡較淺層區(qū)域的變動幅度更加明顯。30d快速蓄滿方案中，隨著庫水位的不斷上升，滑坡體內(nèi)逐漸形成“倒流”現(xiàn)象，坡體浸潤線上升滯后于庫水位上升，形成庫區(qū)水體向坡內(nèi)的補給。當(dāng)蓄水速度降低到90d蓄滿時，浸潤線的形成基本為庫水位抬高坡內(nèi)地下水位。對比4個方案可知，蓄水速度越快，地下水位變化滯后越明顯，曲線下凹程度越嚴(yán)重；反之，水庫蓄水時間越長，浸潤線向下凹的程度越小，庫水位變化的滯后效應(yīng)越低，且地下水滲流場的影響范圍更廣。

由圖2(f)～(i)可知，最下部分的浸潤線是庫水位從正常蓄水位下降至枯水位時的浸潤線。浸潤線在庫岸邊坡較深區(qū)域變動幅度更弱，較淺層區(qū)域變化幅度更加明顯。從4個方案計算結(jié)果對比可以判斷，浸潤線在庫水位下降時呈現(xiàn)上凸?fàn)睿瑤焖幌陆禃r，坡體中的浸潤線總是滯后于庫水位邊界水頭的下降速度，坡內(nèi)水體向庫區(qū)補給；當(dāng)庫水位下降速度較快時，邊坡內(nèi)水位線下降滯后于庫水位下降。降水速度越快滯后效應(yīng)越明顯，曲線上凸程度則越嚴(yán)重；由于斷層滲透系數(shù)遠大于周圍巖體，快速放空時，出現(xiàn)了斷層部位，浸潤線產(chǎn)生突變。

3 水位變動條件的下邊坡穩(wěn)定性

3.1 局部穩(wěn)定性分析

水位變動條件下的巖質(zhì)邊坡局部分析，也就是分析水位變化影響區(qū)在水位變動過程中的穩(wěn)定性演化規(guī)律，分析方法是利用剪入剪出法在該特定區(qū)域搜索滑移面，分析庫水位變動條件下庫岸巖質(zhì)邊坡的滲流特性及其穩(wěn)定性。局部邊坡的滑移面的位置關(guān)系如圖3、圖4所示。

水位變化影響區(qū)的坡體滲流場浸潤線與局部滑移面大部分情況都有交集，在庫水位上升的后半段，由于坡體的形態(tài)滑移面浸沒在水體中，浸潤線隨著庫水位的上升而位于滑移面的上段。局部邊坡的分析能夠更直接將瞬態(tài)滲流場與邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)合考慮，在分析庫水位變動與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系具有針對性。以庫區(qū)水位調(diào)控周期30d為例，得出庫水位變動與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，庫水位上升時，局部安全系數(shù)先減小至最小值隨后不斷增大，高水位時略有減小；庫水位下降時，安全系數(shù)起初有波動，隨后不斷減小至最小值后略有抬升。從安全系數(shù)的波動曲線可以確定水變化影響區(qū)的最危險水位，該水位在高程980.7m位置處。

3.2 全局穩(wěn)定性分析

大崗山右岸邊坡全局穩(wěn)定性分析基于2點考慮：①壩頂以上邊坡巖體風(fēng)化卸荷強烈， V類強風(fēng)化巖體內(nèi)可能形成均質(zhì)材料的潛在圓弧滑動破壞；②由斷層f218、f231(見圖1)形成另一種可能的深部滑動面。邊坡全局穩(wěn)定性控制區(qū)域如圖7所示，庫水位變動期邊坡全局穩(wěn)定性演化如圖8所示。由圖7和圖8可知，蓄水前，f218、f231已完成預(yù)應(yīng)力錨索與抗剪錨固洞結(jié)合的加固施工，計算結(jié)果表明，加固后的第2種破壞模式安全系數(shù)已達到1.4，第1種破壞模式安全系數(shù)更小。同時，在庫水位變動條件下，無論第1種還是第2種破壞模式，庫水位變動后坡體內(nèi)的滲流場對邊坡總體安全系數(shù)沒有影響，原因是水位變動影響范圍的邊坡具有足夠的穩(wěn)定性，沒有影響到上部坡體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)庫水位上升時，浸潤線呈下凹狀，升速越大下凹程度越顯著，滲流場影響范圍越小；庫水位下降時，浸潤線呈上凸?fàn)睿邓僭酱笊贤钩潭仍斤@著，滲流場影響范圍越小。

2)無論是庫區(qū)水位升高還是降低，水位變動影響區(qū)的局部庫岸邊坡穩(wěn)定性都會產(chǎn)生變化。庫水位上升時，安全系數(shù)先小幅減小隨后不斷增大，最后趨于一個穩(wěn)定值；庫水位下降時，安全系數(shù)先大幅減小到最小值，隨后小幅抬升。如果水位變動影響區(qū)局部邊坡穩(wěn)定性足夠，則邊坡全局安全性可能不受水位變動的影響，因此水位變動條件下的庫岸邊坡穩(wěn)定性需要綜合評價，否則可能得出錯誤的結(jié)論。

圖7 邊坡全局穩(wěn)定性控制區(qū)域 圖8 庫水位變動期邊坡全局穩(wěn)定性演化

3)庫區(qū)蓄水速度不是越慢就越安全，而是存在一個明顯危險水位高程；水庫放空過程中，邊坡穩(wěn)定性對降水速率更加敏感，需要嚴(yán)格控制水位下降速率。

[參考文獻]

[1]朱冬林, 任光明, 聶德新,等. 庫水位變化下對水庫滑坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2002, 29(3):6～9.

[2]Louis C. Rock hydraulics in rock mechanics [M]. New York: Verlay Wien,1974.

[3]廖紅建，高石夯. 滲透系數(shù)與庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響[J]. 西安交通大學(xué)報，2006，40(1)：88～92.

[4]Morgenstern N R. Stability Charts for Earth Slopes During Rapid Drawdown[J]. Geotechnique, 1963(13):121～131.

[5]柳群義，朱自強，何現(xiàn)啟，等. 水位漲落對庫岸滑坡孔隙水壓力影響的非飽和滲流分析[J]. 巖土力學(xué)，2008，29 (增)：85～89.

[6]鄭穎人，時衛(wèi)民，孔位學(xué). 庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(18)：3203～3210.

[7]劉新喜, 夏元友, 練操, 等. 庫水位驟降時的滑坡穩(wěn)定性評價方法研究[J]. 巖土力學(xué), 2005, 26(9): 1427～1432.

[8]鐘聲輝. 水巖體系中地下水效應(yīng)與邊坡穩(wěn)定性研究[J]. 鐵道工程學(xué)報, 1999, 16(4):86～90.

[9]莫偉偉，徐平，丁秀麗，等. 庫水位漲落對滑坡穩(wěn)定性影響研究進展[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2006，2(6):997～1002.

[10]中村浩之.論水庫滑坡[J]. 水土保持通報，1990, 10(1):53～64.

[11]儲呈龍. 蓄水期壩肩樞紐區(qū)邊坡滲流特性及穩(wěn)定性研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2014.

[12]Nakamra H. Discussions on reservoir landslide[J].Bulletin of Soil and Water Conservation，1990, 10(1):53～64.

[13]雷紅軍, 馮業(yè)林, 劉興寧. 糯扎渡水電站蓄水速度對心墻堆石壩安全的影響研究[J]. 大壩與安全, 2012(5):1～5.

[14]蘇愛軍. 湖北省三峽庫區(qū)滑坡防治地質(zhì)勘查與治理工程技術(shù)規(guī)定[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2003.

[15]胡云進, 錢銳, 速寶玉. 一種確定裂隙非飽和水力參數(shù)的數(shù)值模擬法[J]. 巖土工程學(xué)報, 2001, 23(3):284～287.

[16]Long J C S, Witherspoon P A. The relationship of the degree of interconnection to permeability in fracture networks[J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 1985, 90(B4):3087～3098.

[17]Wang M, Kulatilake P H S W, Um J, et al. Estimation of REV size and three-dimensional hydraulic conductivity tensor for a fractured rock mass through a single well packer test and discrete fracture fluid flow modeling[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2002, 39(7):887～904.

[18]張莉麗. 裂隙巖體滲透典型單元體存在性[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 2011.

[19]陳亮. 霧化條件下裂隙巖體水力學(xué)特征及對邊坡變形的影響[D]. 成都：成都理工大學(xué), 2013.

[20]Genuchten M T V. A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils 1[J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44(44):892～898.

[21]Fredlund D G, Xing A. Equations for the soil-water characteristic curve [J]. Canadian Geotechnical Journal, 1994, 31(4):521～532.