水庫水位變動下庫岸滑坡穩定性分析

趙桂蘭

(赫章縣水務局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

滑坡災害一直是全球三大工程地質問題之一，也是防災減災關注的重點，滑坡導致的工程建設問題也給人民群眾造成了極大的生命財產損失。因此，目前已有大量學者對邊坡穩定性問題展開研究。馬崇武[1]等人通過有限元數值模擬方法，將水位變化下的坡體內部滲流場視為準靜態，發現其邊坡巖土體在飽和之后其抗剪強度大大降低，對應的邊坡安全系數同樣呈現降低的趨勢。劉建軍等人通過數值模擬分析方法，結合某區水電站工程概況，研究了該區域蓄水前后邊坡地下水滲流場的變化規律。劉新喜等人基于滑坡數學模型，建立二維滲流方程，考慮邊坡巖土體的飽和與非飽和因素，研究了水位變化下邊坡內部的滲流場變化，最后采用了簡布法分析邊坡滑塌時的安全系數[1-3]。劉紅巖等人利用Geo-Studio有限元分析軟件，采用滲流模塊對不同水位條件下的邊坡浸潤線位置進行研究，獲得了水位變化下滲流速率以及孔隙水壓力變化規律。張文杰等人對比飽和土理論，發現該理論應用于邊坡滲流和穩定研究中存在的諸多問題，進而采用飽和-非飽和分析方法進行水位變化下邊坡內滲流場變化規律的研究[4-5]。唐輝明以某庫區滑坡問題為研究對象，利用有限元數值模擬軟件，研究了不同水位變化下邊坡滲流場和應力場的變化規律。汪斌通過分析水位變化下邊坡失穩的成因機制，并建立某庫灣區滲流場和應力場的數值模型，獲得了水位變動對邊坡穩定性的影響。土澤能等人基于滲透系數法，通過有限元軟件進行二次開發，得到了穩定-非穩定滲流分析程序，進而對不同滲流狀態下的邊坡的滲流場進行了研究[6-8]。

綜上所述，本研究將結合某庫區工程項目，利用Geo-Studio有限元分析軟件，研究在不同水位變化工況下庫岸邊坡穩定性的變化規律，為現有邊坡穩定性設計提供參考依據。

1 工程概況

本研究是以我國江西省某水庫項目的邊坡為研究對象，該邊坡土層組成以風化巖、滑動體和壩基巖為主，簡化可得該庫岸邊坡幾何尺寸如圖1所示，其對應的巖土體物理力學參數如表1所示。

圖1 庫岸邊坡幾何尺寸圖

表1 庫岸邊坡巖土體物理力學參數

2 建立庫岸邊坡模型

本研究通過利用Geo-studio有限元分析軟件，建立庫岸邊坡模型，采用SWEEP/W模塊進行不同水位條件變化下的庫岸邊坡穩定性研究。該邊坡模型以5m水位作為穩定滲流的初始水位條件，邊坡右邊界25m以下部分定義為變水頭條件，其余邊界均為零流量邊界。本研究通過細化網格提高計算精度，對庫岸邊坡模型的網格劃分如圖2所示，其網格節點共2080個，單元共有1992個，相應的邊坡模型初始滲流狀態和坡體結構如圖3和圖4。

圖2 庫岸邊坡模型網格劃分圖

圖3 庫岸邊坡初始滲流場圖

圖4 庫岸邊坡初始條件滑坡圖

按照某庫區邊坡水位實際情況，將水位變化分為水位上升、水位穩定和水位下降階段，并制定如下有限元模擬試驗方案。

表2 有限元模擬試驗方案

3 計算結果及分析

本研究以(45,20)，(50,20)，(55,15)，(60,15)，(70,15)，(75,10)，(80,5)7個具有代表性的觀測點為研究對象，分別研究分析了在水位上升、水位穩定和水位下降階段邊坡內部孔隙水壓力的分布情況。

3.1 孔隙水壓力的變化規律

1)水位上升階段：

由圖5和圖6可獲得在水位上升階段，邊坡內部的孔隙水壓力分別在18d和30d里的變化云圖?？梢园l現，當水位上升時，庫岸邊坡的水位線也逐漸上升；隨著水位的不斷提升，坡表處的浸潤線率先響應，而距離坡表較遠的測點響應較慢，且距離越遠變化越小；隨著浸潤時間的持續，浸潤線由坡表至坡內深處不斷延拓。

圖5 水位上升階段第 18d 孔隙水壓力云圖

圖6 水位上升階段第 30d 孔隙水壓力云圖

隨著時間的增加，在水位上升階段坡表測點的孔隙水壓力變化規律如圖7所示，可以發現，坡表各個測點的孔隙水壓力隨著水位的不斷提升而漸漸增大，而坡頂與坡腳處的增幅不盡相同。其中，在水位不斷上升的過程中，坡頂處測點孔壓未出現明顯變化，直至水位達到坡頂測點后孔隙水壓力呈現出迅速增大后略有降低的現象，最終保持穩定。而坡腳處測點(80,5)則由一開始就呈現出線性增加的趨勢，當水位達到25m時，該測點的孔隙水壓力達到了175.412kPa。

圖7 水位上升階段坡表測點孔隙水壓力變化曲線圖

由上圖孔隙水壓力變化曲線可知，在水位上升階段水不斷入滲坡體，形成了由坡表至坡體內部的滲流，引起了坡體內部浸潤線向坡表傾斜的變化規律。由于邊坡不同高度的土性不盡相同，從而使得坡體內部的各個部位的浸潤線變化速率并非保持一致，存在一定的差異或滯后，且滑動體處的土體滲透性較大，因此該處的浸潤線變化顯著。

2)水位穩定階段：

由圖8可知，在水位穩定階段坡體內部浸潤線變化緩慢，這是因為隨著入滲時間的增加，坡體內部滲流范圍增大，滲流路徑逐漸由滑動體入滲至風化巖，使得浸潤線緩慢抬升。由圖9可知在40d后，邊坡各測點處孔隙水壓力基本保持不變，這是因為在水位穩定階段邊坡內部土體幾乎始終保持著飽和狀態。

圖8 水位穩定階段第 200d 孔隙水壓力分布云圖

圖9 水位穩定階段坡表測點孔隙水壓力變化曲線

3)水位下降階段：

水位下降階段坡表測點的孔隙水壓力分布云圖如圖10所示，可以發現，當水位下降時，坡內的浸潤線隨之下降，但其坡內水位下降速率存在明顯的滯后現象，這是由于不同土層的土性不同，對應的滲透系數也不同，因此，滲透性較大的滑動體土層降速要遠大于風化巖土層。

圖10 庫水位下降階段第236d孔隙水壓力分布云圖

圖11反映了在水位下降階段坡表各個測點的孔隙水壓力的變化情況，可以發現，該工況下邊坡土體的孔隙水壓力隨著水位的降低呈現出先快速減小后趨于穩定的趨勢，其快速減小的原因系水位下降導致邊坡內外水壓差較大，形成了由坡內向坡外的滲流力，加速了孔隙水壓力的消散，當水位趨于穩定時，相應的孔隙水壓力也漸漸穩定下來。

圖11 水位下降階段坡面點的孔隙水壓力變化圖

3.2 水位變化過程的穩定性分析

將水位變化全過程中的滲流計算結果導入至穩定性分析模塊中，可得不同工況下不同時刻的穩定性變化圖(如圖12-16所示)。

圖12 水位在初始狀態的滑坡圖

圖13 水位上升階段第 36d 的滑坡圖

圖14 水位穩定階段第 200d 的滑坡圖

圖15 水位下降階段第 236d 的滑坡圖

圖16 庫水位升降過程安全系數隨時間的變化曲線圖

由圖可知，在水位上升階段，邊坡的呈現出略微減小而后逐漸增大的規律，其中當水位達到25m時，相應的邊坡安全系數達到最大值；在進入水位穩定階段后，隨著時間的持續增加，庫岸邊坡的安全系數逐漸減小，當時間積累至一定值后，邊坡安全系數保持穩定；當進入水位下降階段時，邊坡安全系數出現明顯的驟降，隨著水位的持續下降，其值達到最小值并逐漸趨于穩定[9-10]。

究其原因，在水位上升階段初期，滲流首先從邊坡坡腳開始，使得坡腳處土體孔隙水壓力逐漸增大，也意味著該處巖土體的抗剪強度逐漸減小。并且，由于坡腳處坡面內外形成水頭壓力差，對庫岸邊坡的穩定性造成影響，因此在水位上升階段初期出現短時間的安全系數減小現象；隨著水位持續上升并達到一定高度時，由于坡體側外水位線總是略高于坡內側，形成了由坡外指向坡內的壓力，在一定程度上提高了邊坡的穩定性；同時，坡體內部浸潤線隨著時間的持續增加而逐步提升，并漸漸滲入邊坡土體深處，坡體內外壓力差也逐漸減小，而坡體內孔隙水壓力隨之增大，這也表征著此時邊坡土體抗剪強度的減小，進而導致安全系數降低；在水位穩定階段，邊坡內外浸潤線高度保持一致，使得坡體內外壓力差減小為0，孔隙水壓力達到最大值并且穩定，因此邊坡安全系數穩定不變；在水位下降階段，由于水位的下降導致坡體內外平衡狀態改變，此時由于坡體內部水位線高于坡外且存在滯后現象，滲透力轉由邊坡內側指向外側，對其穩定性造成影響，直接導致邊坡安全系數的降低；當水位下降至5m時，坡體內外水位線基本達到一致，且坡內孔隙水壓力消散完全并達到一定的平衡，其安全系數表現為先有一定的提升而后趨于穩定[11]。

4 結 論

通過對水庫水位變動下庫岸滑坡穩定性的分析，得到的主要結論如下：

1)隨著水位的不斷提升，坡表處的浸潤線率先響應，而距離坡表較遠的測點響應較慢，且距離越遠變化越小，隨著浸潤時間的持續，浸潤線由坡表至坡內深處不斷延拓。

2)由于邊坡不同高度的土性不盡相同，從而使得坡體內部的各個部位的浸潤線變化速率并非保持一致，存在一定的差異或滯后，且滑動體處的土體滲透性較大，因此該處的浸潤線變化顯著[12]。

3)在水位下降階段，由于水位的下降導致坡體內外平衡狀態改變，坡體內部水位線高于坡外且存在滯后現象，滲透力轉由邊坡內側指向外側，直接導致邊坡安全系數的降低。

4)當水位下降至5m時，坡體內外水位線基本達到一致，且坡內孔隙水壓力消散完全并達到一定的平衡，其安全系數會表現為先有一定的提升而后趨于穩定。