某水電站溢洪道開挖邊坡滲流場變化規律及穩定性研究

黃葉寧 孫旭曙 遲 健 劉 洋 陳 超 梁佳燈

(三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002)

水利水電工程建設形成的邊坡所處工程環境復雜，且長期處于庫水位循環升降作用下，對邊坡巖土體物理力學參數都有一定程度的劣化影響，從而對其穩定性產生影響．邊坡失穩造成的滑坡、崩塌是十分嚴重的自然災害，其危害僅次于第2大地質災害的地震[1]．邊坡開挖改變了天然邊坡的幾何形狀，對邊坡滲流場產生一定影響從而影響其穩定性．因此，對庫水位升降過程中的開挖邊坡滲流場和穩定性問題需持續研究．

文獻[2-5]以實際邊坡工程為例，根據Geo Studio軟件的SEEP/W與SLOPE/W模塊對瞬態滲流條件下的邊坡進行穩定性分析，得出了庫水位升降對邊坡滲流場和穩定性影響的一般規律．文獻[6-8]通過試驗獲取邊坡巖土體的力學參數，測量庫水升降過程中滑坡體內土壓力、孔隙水壓力的變化情況，從而分析水庫蓄水和下降過程中邊坡的變形破壞特征．上述文獻已對庫水作用下邊坡內部地下水位變化及其對穩定性的影響進行了深入研究，但邊坡開挖之后，其原始地貌將發生變化，就有限元計算模型而言，首先其幾何模型發生變化，導致邊坡荷載發生變化；其次滲流邊界條件發生變化，從而影響滲流場．上述因素都將影響邊坡的穩定性．因此，掌握邊坡開挖后滲流場及其穩定性的變化規律具有重要的工程意義．

本文基于飽和-非飽和滲流理論和剛體極限平衡法，采用數值模擬方法研究庫水升降作用下邊坡開挖前后滲流場變化規律及其對邊坡穩定性的影響．

1 計算理論及方法

1.1 滲流計算

Geostudio系統軟件中的SEEP/W模塊的理論公式基于飽和與非飽和土體滲流的達西定律[9]，表述如下：

v=ki(1)

式中，v為達西流速；k為滲透系數；i為總水頭梯度．

SEEP/W模塊中瞬態二維滲流的一般控制微分方程可表述為[10]：

(2)

式中，H為總水頭；kx為x方向的滲透系數；ky為y方向的滲透系數；Q為施加的邊界流量；t為時間；mw為出水曲線的斜率；γw為水的容重．

1.2 穩定性計算

本次計算采用Morgenstern-Price法進行穩定性分析，該方法考慮了條間剪力和法向力并同時滿足彎矩平衡和力的平衡．Morgenstern-Price法[10]根據彎矩和水平力平衡條件，通過FOS迭代計算滑動面的安全系數．

彎矩平衡的安全系數可表述為：

(3)

水平方向靜力平衡的安全系數可表述為：

(4)

式中，c′為有效粘聚力；φ′為有效摩擦力；u為孔隙水壓力；N為土條底部法向力；W為土條重量；D為集中荷載；β，R，x，f，d，ω為幾何參數；α為土條底面傾角．

中藥湯劑聯合丙酸氟替卡松治療變應性鼻炎患者對其血清Th1/Th2細胞因子及VCAM-1水平的影響（唐愛華）3∶190

1.3 計算方法

本次數值分析包括邊坡飽和-非飽和滲流計算和穩定分析兩部分內容．首先，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊分析庫水位升降過程中坡體內部水頭分布和浸潤線的變化規律；其次，在此基礎上分析庫水位升降作用對邊坡穩定性的影響．

2 工程實例

2.1 工程概況

某水電站處于西藏自治區芒康縣境內，溢洪道布置于河流左岸，且距大壩左壩肩約50 m，溢洪道邊坡自然坡度為40°～50°，出露地層巖性為三疊系中統竹卡組(T2z)英安巖、流紋巖，大多基巖祼露，巖體風化強烈，并發育多個碎裂巖體，巖體一般呈強～弱風化、山脊一帶巖體局部呈全風化狀態，承載力和變形模量大部分基本滿足要求．壩址河段枯期河水位2 615.6 m，水庫正常蓄水位2 895 m，死水位2 825 m．

2.2 計算模型及參數

根據該工程溢洪道典型地質剖面圖，巖層可分為碎裂巖體、全風化、強風化、弱風化上帶、弱風化下帶、微分化和微新巖體，有限元計算模型如圖1所示．

圖1 溢洪道邊坡計算模型

參考地質勘查報告、文獻[11]和GEO-SLOPE軟件自帶數據庫確定巖土體物理力學參數，其參數見表1．

2.3 計算工況

本次計算考慮了庫水位升降速率和邊坡巖土體滲透系數對溢洪道邊坡滲流場和穩定性的影響，按表2中的工況模擬計算．有限元模型中，坡體左、右兩側地下水位、正常蓄水位和死水位均為定水頭邊界條件，當考慮庫水位上升和下降時，庫水位為隨時間變化的函數．

表1 溢洪道邊坡巖土體力學參數表

表2 計算工況

3 計算結果分析

3.1 滲流計算分析

1)工況1

邊坡開挖前后坡體內部浸潤線分布如圖2所示．結果表明：在原地下水面線以上開挖邊坡，不會對浸潤線分布產生影響．

圖2 枯水期邊坡開挖前后地下水位分布

為分析庫水位升降過程對坡體內部滲流場變化規律的影響，從左至右選取11個監測點，各點位置如圖3所示．以1 m/d的升降速率為例分析庫水升降過程對邊坡滲流場的影響，庫水上升、下降過程中各點總水頭變化曲線如圖4所示．結果表明：對比庫水位上升和下降過程，橫坐標0～400 m處地下水位幾乎無變化，400～1 080 m處浸潤面隨著庫水位升降而變化，表明邊坡淺層局部區域及受庫水位直接影響區域的滲流場受庫水位升降作用更為敏感．

圖3 選取各點位置示意圖

圖4 開挖后各點總水頭隨距離變化曲線

選取坡體開挖平臺下部P12點(如圖3所示)，分析不同庫水位升降速率0.5 m/d、1 m/d、2 m/d對邊坡滲流場的影響，3種升降速率下P12點總水頭隨時間的變化曲線如圖5所示．

圖5 不同升降速率某點總水頭隨時間變化曲線

結果表明，①庫水位以不同速率上升時，P12點處總水頭總體變化趨勢為緩慢增加→快速上升→趨于穩定，庫水位上升速率越大，曲線上升段起始時間越早，曲線斜率越大；當庫水位上升速率為0.5 m/d時，在計算時間內無穩定段；②庫水位以不同速率下降時，P12點處總水頭總體變化趨勢為快速下降→緩慢下降，庫水位下降速率越大，曲線斜率變化越劇烈．分析原因，庫水升降速率越快，坡體內外形成的水頭差越大，導致坡體內外水力坡降加大，滲流速度加大，滲流場孔壓變化加快．

3)工況3

此工況庫水位升降速度設為1 m/d，坡體材料的滲透系數分別設為K×10、K、K×10-1．選取坡體靠近下游側的P12，可得3種滲透系數下該點總水頭隨時間的變化曲線如圖6所示．結果表明，庫水位上升時，P12點總水頭先緩慢增加再快速增加，庫水位下降時，P12點總水頭先快速下降再緩慢下降；且滲透系數越大總水頭變化速率越快．

圖6 不同滲透系數某點總水頭隨時間變化曲線

3.2 穩定性計算分析

1)工況2

不同庫水位上升速率條件下，溢洪道邊坡安全系數隨時間變化曲線如圖7所示．結果表明：①當庫水位上升時，3種速率對應的安全系數總體變化趨勢為相對穩定→快速降低→趨近穩定；庫水位上升速率大時，坡體安全系數快速下降起始時間越早，且在較短時間內趨于穩定；庫水位上升速率最小時，在計算時間內無穩定段．②庫水位下降時，安全系數總體呈現出快速下降→緩慢下降→趨于穩定的變化趨勢；庫水位下降速率越快，安全系數下降越快．

圖7 不同升降速率安全系數隨時間變化曲線

2)工況3

不同滲透系數條件下，庫水位按1 m/d速率升降考慮，溢洪道邊坡安全系數隨時間變化曲線如圖8所示．

圖8 不同滲透系數安全系數隨時間變化曲線

結果表明：①庫水位上升時，3種滲透系數對應的安全系數總體趨勢為相對穩定→快速降低→趨于穩定；坡體滲透系數增大時，安全系數下降的幅度增大，在計算時段內無穩定段．②庫水位下降時，坡體的安全系數大致呈下降趨勢，最后趨于穩定，且滲透系數大時，安全系數下降的幅度也大，曲線最陡．

4 結 論

1)在原地下水面線以上開挖邊坡，不會對地下水位線分布產生影響．2)總體來說，坡體內地下水位線隨著庫水位升降而升降，但坡體淺層對庫水位升降的變化更敏感．3)庫水位上升過程中，坡體安全系數呈現保持不變→快速降低→趨于穩定的變化趨勢，且上升速率越快，安全系數降低的速率越快；庫水位下降過程中，坡體安全系數隨水位的下降而降低最后趨于穩定，且下降速率越快，安全系數降低的速率越快．