水庫水位上升條件下滲透系數(shù)對順層滑坡的穩(wěn)定性分析

王 幸 林

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶　400016)

1　概述

順層邊坡在自然界十分常見，當(dāng)順層邊坡處于水庫庫岸時，就形成了順層庫岸邊坡。順層庫岸邊坡在水庫水位變化時非常容易發(fā)生滑坡，是工程上最為關(guān)注的巖質(zhì)邊坡類型，其穩(wěn)定問題復(fù)雜而突出。國內(nèi)外對滑坡的調(diào)查結(jié)果表明：水庫水位變化時滑坡體內(nèi)瞬態(tài)孔隙水壓力的時空分布對滑坡體的變形及穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，水庫水位的上升導(dǎo)致部分滑帶飽水后強度降低，滑動面上的有效應(yīng)力降低[1，2]。由于庫岸順層滑坡在水庫水位變化時的失穩(wěn)機制較復(fù)雜，破壞后的危害性較大，因此其穩(wěn)定性的研究對水庫庫岸地區(qū)的工程建設(shè)具有重大工程意義[1，2]。

因此，為了分析水庫水位上升對順層庫岸滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響，本文以某典型順層庫岸巖質(zhì)滑坡為工程背景，采用GEO-SLOPE有限元計算軟件，通過研究不同滲透系數(shù)下的邊坡巖土體在水庫水位上升條件下邊坡體內(nèi)滲流場的變化，并在此滲流場的基礎(chǔ)上，對順層滑坡的穩(wěn)定性進行了數(shù)值計算，并對計算結(jié)果進行了分析，得到了順層滑坡在水庫水位變化條件下的安全系數(shù)和邊坡巖土體的滲透系數(shù)之間的關(guān)系，為順層庫岸滑坡的邊坡穩(wěn)定性分析提供了可靠依據(jù)。

2　計算分析理論與方法

2.1　滲流計算理論

非飽和土的滲流系數(shù)K不是常量，而是飽和度的函數(shù)[3]。在多孔介質(zhì)中的流體流動中應(yīng)用質(zhì)量守恒原理，可得到其連續(xù)方程。結(jié)合連續(xù)方程和達西定律可推導(dǎo)出水分在多孔介質(zhì)中運動的基本方程。

2.2　穩(wěn)定性計算理論及方法

本文采用GEO/SLOPE/W有限元分析軟件，計算順層滑坡在水庫庫水位上升時的邊坡穩(wěn)定性。計算時選用的方法理論為極限平衡法中同時考慮力和力矩平衡的較完備的摩根斯坦—普萊斯法[3]。

3　計算模型及參數(shù)確定

3.1　順層邊坡計算模型的簡化

根據(jù)順向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)特點，數(shù)值模擬采用了如圖1所示的簡化邊坡模型。假定邊坡內(nèi)部存在如圖1所示的層間錯動帶。其中α為巖層傾角，α=31°，邊坡傾角θ=40°。計算模型共3 325個節(jié)點，3 211個四邊形單元，其計算網(wǎng)格圖如圖2所示。

3.2　計算參數(shù)的確定

本文根據(jù)《實用土木工程標(biāo)準規(guī)范》中的滲透等級分類[4]，選取滲透性為中等、弱、微、極微4種情況，選擇了滲透系數(shù)從5e-4 m/s～1e-7 m/s的4個數(shù)量等級，8種不同的滲透系數(shù)分別為：1)5.0e-4和1.0e-4；2)5.0e-5和1.0e-5；3)5.0e-6和1.0e-6；4)5.0e-7和1.0e-7。其他各層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　順層滑坡的物理力學(xué)參數(shù)表

本文分析所采用土—水特征曲線見圖3。在此基礎(chǔ)上，采用工程類比法[5-8]，根據(jù)滲透系數(shù)推導(dǎo)出的滲透性函數(shù)如圖4所示。

3.3　計算工況和邊界條件

本文按照水庫運營時的水位調(diào)節(jié)方案，選擇庫水位從145 m以2 m/d的上升速率上升至175 m的工況作為計算工況[9-12]。

計算模型的邊界條件為：選取底面為不透水邊界，左邊界初始地下水位線以下為定水頭邊界，右邊界從底部至175 m水位線之間為水位隨時間變化的變水頭邊界。

4　數(shù)值計算與分析

4.1　初始地下水位線的確定

本文采用穩(wěn)定滲流模型來獲得初始滲流場條件。在庫水位由145 m上升到175 m過程中，假設(shè)邊坡左邊界高程H=145 m以下為固定水位邊界，計算其滲流場作為的初始條件。

4.2　計算結(jié)果

通過計算，可獲得水庫水位以2 m/d的速率從145 m上升到175 m時各時間內(nèi)滑坡體內(nèi)的滲流場，為了便于觀看，僅給出第0天、第1天、第5天、第10天和第15天時的地下水位線。為了使模擬結(jié)果得到更清晰的顯示，在圖中對關(guān)鍵部分進行放大顯示。

圖5,圖6分別為水庫水位上升速率為2 m/d條件下，K=5e-4 m/s和K=5e-7 m/s兩種不同滲透系數(shù)的邊坡巖土體的滲流場的變化。不同地下水位線上的數(shù)字表示水庫水位上升后對應(yīng)的時間(按天計)，0為初始地下水位線。

從圖5，圖6可以看出，滲透系數(shù)對順層庫岸滑坡的滲流場有明顯的影響，滲透系數(shù)越大，滑坡前部地下水位線整體形態(tài)上升變化幅度越大，變化越明顯。

對于滲透系數(shù)為K=5e-4 m/s的邊坡巖土體，當(dāng)庫水位從145 m上升到175 m完成時，邊坡的前部地下水位線上升幅度非常大，變化非常明顯，地下水位線能夠迅速的同庫水位快速上升，其變化過程與庫水位變化過程具有同步特點。而隨著滲透系數(shù)的減小，前部地下水位線上升變化越來越緩慢，地下水位上升幅度也變得越來越小，當(dāng)滲透系數(shù)減小到K=5e-7 m/s時，在庫水位從145 m上升到175 m完成時，前部地下水位線上升變化非常小，地下水位上升幅度也變得非常不明顯，說明地下水位變化具有明顯的滯后特點。

滲透系數(shù)對邊坡巖土體的滲流場有明顯的影響，同時也對庫岸邊坡的安全系數(shù)有重要的影響。結(jié)合SEEP/W的計算水位，應(yīng)用SLOOPE/W算出邊坡在庫水位上升至175 m時，不同滲透系數(shù)條件下的邊坡安全系數(shù)如表2所示。根據(jù)計算結(jié)果繪制出滲透系數(shù)—安全系數(shù)曲線見圖7。

表2　水位上升至175 m時不同滲透系數(shù)的邊坡安全系數(shù)表

從圖7可知：在庫水位上升時，隨著滲透系數(shù)的逐漸增大，邊坡的安全系數(shù)逐漸的減小。這是由于隨著滲透系數(shù)的逐漸增大，邊坡的前部地下水位線也在逐漸的抬高，導(dǎo)致邊坡巖土體的浸水面積增加，滑動面上的有效應(yīng)力降低，部分順層滑坡的上層巖土體飽水后強度降低，不利于穩(wěn)定，從而導(dǎo)致邊坡巖土體內(nèi)的安全系數(shù)逐漸的減小。

5　結(jié)論

1)滲透系數(shù)對邊坡巖土體的滲流場有明顯的影響，滲透系數(shù)越大，邊坡巖土體的滲透性越來越好，邊坡的前部地下水位線整體形態(tài)上升變化幅度越大，變化越明顯。當(dāng)滲透系數(shù)較大時，邊坡的前部地下水位線變化非常明顯，地下水位上升幅度非常大，地下水位線能夠迅速的同庫水位快速上升，其變化過程與庫水位變化過程具有同步特點。而隨著滲透系數(shù)的減小，前部地下水位線上升變化越緩慢，地下水位上升幅度也變得越來越小，具有明顯的滯后現(xiàn)象。

2)滲透系數(shù)同時也對庫岸邊坡的安全系數(shù)有重要的影響?；麦w穩(wěn)定性的變化趨勢與其滲透系數(shù)密切相關(guān)，對于不同滲透系數(shù)的庫岸邊坡巖土體，在庫水位上升到相同的位置時，滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越高。即滲透系數(shù)對于庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響，并不是簡單的認為滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越低，而應(yīng)該結(jié)合庫岸邊坡的水位變化情況來定。因此，巖土體的滲透性差對庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響并不總是不利的，這與傳統(tǒng)的認為滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越低的論斷是不同的。