庫水位緩變作用下高陡邊坡變形及穩(wěn)定性分析

余志剛，蔣博林，莫勇剛，陰 可

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學院建筑工程學院，重慶402260；2.重慶大學土木工程學院，重慶400045；3.山地城鎮(zhèn)建設與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶400045)

0 引 言

庫岸滑坡主要是由于水位升、降引起邊坡所受到的水力條件頻繁變化而產(chǎn)生的。水庫蓄水后，水位升、降對邊坡的失穩(wěn)有顯著影響。MORGENSTERN[1]報道了16起土壩迎水面由于水位驟降引發(fā)的滑坡；ROOSEVELT湖附近地區(qū)1941年～1953年發(fā)生的滑坡表明[2]，49%發(fā)生在1941年～1942年的蓄水初期，30%發(fā)生在水位驟降10～20 m期間，21%發(fā)生在其他時間(小型滑坡)；在日本，約40%的水庫滑坡發(fā)生在庫水位上升期間，包括初期蓄水，60%發(fā)生在水位驟降期間。對庫水位升、降引起的邊坡失穩(wěn)機理及穩(wěn)定安全系數(shù)變化特征的研究表明，庫水位升、降對邊坡穩(wěn)定性影響較大[3]，對水-巖循環(huán)作用的研究都反映出其對巖體有較大弱化作用[4]，水位的升、降對岸坡滲流場及浸潤線分布變化有顯著的影響[5- 6]。現(xiàn)雖以“庫水升、降作用”命名的相關文獻較多，但幾乎都是在假定降水前邊坡狀態(tài)一致的前提下計算初始應力場的，而涉及某一因素，如滲透系數(shù)[7]、土-水特征曲線[8]在升、降水全過程中對岸坡變形及穩(wěn)定性的影響的研究很少。

研究水位緩變時岸坡變形及穩(wěn)定性主要優(yōu)點在于充分考慮了時間效應的影響。為此，本文選用Geo-Studio系列有限元軟件 SLOPE/W、SEEP/W及SIGMA/W 進行耦合模擬，分析升、降水全過程條件下近似平行坡面裂隙及滲透系數(shù)對邊坡變形位移及穩(wěn)定性的影響效應，以及單獨升、降水條件下滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 地下水位升、降函數(shù)的影響因素

根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定滲流運動的微分方程，可采用簡化方法推導得到邊坡巖體距離庫岸水平位移x位置處在t時刻的地下水位升、降函數(shù)[9]，即

上述結(jié)論只有在升、降水前，岸坡浸潤線及巖體力學狀態(tài)都一致的條件下才能成立。雖僅考慮浸潤線的位置一致，不考慮岸坡巖體力學狀態(tài)是否一致不符合工程的實際情況，但從較宏觀角度，對庫水升、降作用相關研究仍有較大借鑒意義。分析可知，庫水位上升時，對邊坡的穩(wěn)定有利可以改變以下條件：增大V或μ、減小k或H。庫水位下降時，對邊坡的穩(wěn)定有利可以改變以下條件：減小V或μ、增大k或H。

2 數(shù)值試驗方案設計

2.1 數(shù)值模型

某水庫最大壩高約109 m。壩址處屬深切中山地貌，為左陡右緩不對稱的“U”形河谷，左壩肩陡崖絕，存在2條主要近似平行坡面的裂隙X1、X2，裂隙X1傾角75°～85°，張開達15～35 cm，局部粘土充填；裂隙X2最大寬度約45 cm，基本無充填。數(shù)值模擬計算模型見圖1。巖體物理力學參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

表1 巖體物理力學參數(shù)

2.2 升、降水速度

庫水位升、降速度見表2。計算水位基面采用庫底位置處作為計算水位的零點，最高上升水位為98 m。雖然岸坡水位在53、98 m持續(xù)365 d內(nèi)因水位高度不變而提供的坡面應力不變，但考慮岸坡巖體存在一定的滲流力的作用，故將此階段變形看成近似蠕變。

表2 庫水位升、降速度

2.3 模擬條件

數(shù)值模擬條件見表3。表中，Ci-S為緩變時第i種條件，i=1、2、3、4、5。統(tǒng)一取值指的是巖體滲透系數(shù)都取1×10-4cm/s；分區(qū)域取值指的是弱風化線底界線以上的巖體滲透系數(shù)取1×10-2cm/s，弱風化線底界線與弱透水層頂界線之間的巖體滲透系數(shù)取1×10-3cm/s，弱透水層頂界線以下的巖體滲透系數(shù)取1×10-4cm/s。

表3 數(shù)值模擬條件

2.4 觀測點

在整個邊坡坡面，按高度劃分坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度3個部分進行位移觀測，每個部分從高到低依次選取14個觀測點進行編號：第1～14觀測點，相鄰觀測點高差約4～5 m，裂隙X2左側(cè)及右側(cè)從高到低依次取8、7個觀測點，相鄰觀測點高差約8～9 m。坡面中部1/3高度內(nèi)觀測點布置見圖2。

圖2 坡面中部1/3高度內(nèi)觀測點布置

3 數(shù)值試驗結(jié)果分析

3.1 位移分析

選取坡面中部1/3高度內(nèi)第1、12、14觀測點的位移為例進行分析，其水平位移-時間關系見圖3，觀測點的位移-時間關系極值見表4。

圖3 位移-時間關系

表4 觀測點的位移-時間關系極值

注：U為最高位置的曲線，如U∶14表示最高位置是第14號曲線，L為最低位置的曲線，如L∶1表示最低位置是第1號曲線。

從圖3和表4分析可知，有裂隙X1、X2時的影響，對坡面上部1/3高度及裂隙X2左側(cè)內(nèi)觀測點X、Y向位移影響較小，對中部1/3高度、下部1/3高度及裂隙X2右側(cè)內(nèi)觀測點X、Y向位移影響都較大，下部1/3高度、裂隙X2左側(cè)及右側(cè)內(nèi)觀測點整體都表現(xiàn)越高越敏感，上部1/3高度及中部1/3高度內(nèi)觀測點整體都表現(xiàn)越低越敏感，下部1/3高度內(nèi)觀測點整體位移表現(xiàn)最敏感。各測區(qū)觀測點近似蠕變規(guī)律雖稍有差異，但有裂隙時對其影響規(guī)律類似各測區(qū)整體位移變化規(guī)律。增大滲透系數(shù)時對所有觀測點的X、Y向位移影響都較小，觀測點的敏感性及近似蠕變規(guī)律與有裂隙時幾乎一致。

3.2 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析

采用極限平衡分析法中的摩根斯頓-普賴斯法(Morgenstern-Price)[10]進行岸坡穩(wěn)定計算，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)-時間關系見圖4。

圖4 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)-時間關系

從圖4可知，有裂隙X1、X2時，與C1-S時對比，C2-S時穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎一致，其值普遍大于1.60。增大滲透系數(shù)時，與C2-S時對比，C3-S時其值整體表現(xiàn)都有下降趨勢，單獨升水時，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小，裂隙的存在不影響此規(guī)律。全過程升、降水時，在水位下降階段滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小。單獨降水時，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越大。

C2-S、C3-S時穩(wěn)定安全系數(shù)雖然都普遍大于1.60，但觀測點位移值卻較大，如C3-S時坡面下部1/3高度內(nèi)觀測點X、Y向位移最大值達58.6、43.7 mm。本文傾向認為，距離庫底28～72 m高度內(nèi)坡面巖體位移較大，穩(wěn)定性較差；而剩余坡面附近巖體及坡體內(nèi)部巖體整體穩(wěn)定性都較好。

4 結(jié) 語

本文基于Geoslope軟件，分析升、降水全過程條件下近似平行坡面裂隙及滲透系數(shù)對邊坡變形位移及穩(wěn)定性的影響效應，以及單獨升、降水條件下滲透系數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)有近似平行坡面裂隙時，對坡面上部1/3高度及裂隙X2左側(cè)內(nèi)觀測點X、Y向位移影響較小，對坡面中部1/3高度、下部1/3高度及裂隙X2右側(cè)內(nèi)觀測點X、Y向位移影響都較大，對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎無影響。

(2)增大滲透系數(shù)時，對所有觀測點的X、Y向位移影響都較小；在升、降水全過程時，巖體滲透系數(shù)越大，各階段穩(wěn)定安全系數(shù)越小；在單獨升水時，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小，近似平行坡面裂隙的存在對此規(guī)律無影響；在單獨降水時，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越大。今后應重視庫水位升、降全過程中影響因素對邊坡的全動態(tài)過程的影響。

(3)有近似平行坡面裂隙或增大滲透系數(shù)時，下部1/3高度、裂隙X2左側(cè)及右側(cè)內(nèi)觀測點整體都表現(xiàn)為越高越敏感，上部1/3高度及中部1/3高度內(nèi)觀測點整體都表現(xiàn)越低越敏感，各測區(qū)觀測點近似蠕變規(guī)律類似各測區(qū)整體位移變化規(guī)律。

(4)對邊坡穩(wěn)定性分析不能完全依賴于穩(wěn)定安全系數(shù)的求解，應結(jié)合觀測點位移進行綜合分析評價，才能得出比較可靠的結(jié)論。