降雨條件下含裂縫岸坡滲流穩定特性研究

宋欣玲,陳文蛟

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.河南省平頂山水文水資源勘測局，河南 平頂山 467000）

0 引言

許多科研工作者對水庫邊坡滲流穩定性問題開展了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果。庫岸邊坡滲流穩定性問題已成為當前研究熱點之一。

基于某水庫邊坡場景，利用有限元軟件建立邊坡模型，分析了降雨過程中庫岸邊坡穩定性變化情況。系統研究降雨強度、降雨時長對庫岸邊坡的影響，深入探討了裂縫位置、裂縫角度的影響。

1 工程概況

某水庫位于株洲縣三門鎮的紅色盆地，研究區內階地發育寬闊，階地寬度200～1 100 m，長度3 500 m，高程36～41 m，高于庫水面8.00～12.50 m。水庫西面為丘崗阻隔，東面是湘江干流。水庫主要土層上部為粘土層，下部為砂礫石層。該研究區屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均降雨量140 cm。降雨主要集中在春夏兩季，4-6月雨多季節，湘江水位上漲較多，對庫岸邊坡穩定性影響顯著。

2 三維模型建立

選取水庫典型剖面，根據現場地勘報告，建立水庫數值模型如圖1所示，土層參數如表1所示。在建模過程中，將裂縫兩邊設置邊界以模擬邊坡裂縫的存在。模型的邊界條件如下：模型底部和模型兩側設為不透水且固定邊界條件，模型表面設為透水及自由邊界條件。

表1 土層參數表

圖1 庫岸邊坡模型圖

3 計算結果分析

3.1 降雨強度和降雨時長的影響

圖2給出了不同降雨強度下庫岸邊坡穩定性系數變化曲線，降雨時長為48 h。①降雨初期邊坡穩定性系數迅速減小，隨后減小幅度減緩，最終趨于穩定。初始階段邊坡入滲能力好，自重變大，強度變小，導致穩定性迅速變差。隨著土體內部積水變多且逐漸飽和，以致穩定性變化緩慢且逐漸趨于穩定。②降雨強度越大，邊坡穩定性系數降低速率更快。超過一定范圍，降雨強度會超過土體滲透能力，滲入土體的水量和速度相差不大。③相同降雨強度下，含裂縫邊坡穩定性系數下降速率更快。

圖2 不同降雨強度下邊坡穩定性系數圖

圖3給出了不同降雨歷時下庫岸邊坡的穩定性系數變化曲線，降雨強度為5.80×10-7m/s。①庫岸邊坡的穩定性系數前期迅速降低，后期出現回升。降雨初始階段，邊坡入滲能力強，導致邊坡穩定性迅速變差。當降雨停止后，邊坡穩定性系數進一步減小，而沒有出現回升。這是因為降雨停止后雨水仍繼續深入邊坡土體，深部土層被軟化，從而導致邊坡穩定性持續變差。當穩定性系數減小到一定值后出現反彈，但是反彈速率很低。②含裂縫庫岸邊坡，降雨時長分別為0.50 d、2.00 d和4.00 d時，降雨過程中最小穩定性系數分別為1.21、1.20和1.16，20天后的最終穩定性系數分別為1.17、1.22和1.24。可見，降雨時長的增大會導致邊坡穩定性越差，且穩定性恢復更慢。③相同降雨強度下，含裂縫邊坡的穩定性會更差。

圖3 不同降雨歷時下邊坡穩定性系數圖

3.2 裂縫位置的影響

圖4建立三種不同裂縫位置模型：坡頂、坡中和坡腳位置（裂縫深度均為2 m）。

圖4 不同裂縫位置邊坡穩定性系數圖

①降雨過程中，邊坡穩定性系數初期迅速降低，隨后緩慢并一直持續。②裂縫在坡中位置的邊坡穩定性系數減小幅度最大，其次是坡腳位置，最后是坡頂位置，且均大于無裂縫邊坡。③當降雨強度為2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s時，裂縫位置對邊坡穩定性的影響較降雨強度為1.16×10-7m/s工況更為顯著。降雨強度較小時，裂縫的存在對土體入滲能力影響有限，從而裂縫不同位置對邊坡穩定性的影響更小。

3.3 裂縫角度的影響

圖5建立三種不同裂縫角度模型：內斜、豎直和外斜，傾斜45°，坡中位置，深度均為2 m。①降雨初期，邊坡穩定性系數迅速降低，隨后減小速率降低，并隨著降雨持續降低。②降雨強度為2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s時，同樣裂縫角度對邊坡穩定性的影響較降雨強度為1.16×10-7m/s工況更為顯著。③降雨對裂縫為外斜的邊坡穩定性影響更為顯著。降雨初期階段，豎直裂縫邊坡的穩定性系數變化大，降雨一段時間后，內斜裂縫邊坡的穩定性系數變化更大。豎直裂縫有利于雨水滲入，降雨初期豎直裂縫邊坡的穩定性變化更大。降雨后期豎直裂縫邊坡土體率先飽和，邊坡穩定性降低幅度減小。相反，內斜裂縫邊坡因前期雨水滲入慢，后期穩定性變化會更大。

圖5 不同裂縫角度邊坡穩定性系數圖

4 結論

綜上可知，①降雨初期邊坡的穩定性系數迅速減小，隨后減小幅度減緩，最終趨于穩定。降雨強度越大、降雨時長越長，邊坡穩定性越差，且相同降雨條件下，裂縫存在影響邊坡的穩定性。②不同降雨強度下，裂縫位置對庫岸邊坡穩定性的影響規律相似，裂縫在坡中位置的邊坡穩定性系數減小幅度最大，其次是坡腳位置，最后是坡頂位置，且均大于無裂縫邊坡。③降雨條件下，裂縫角度對邊坡穩定性影響顯著。在降雨過程中，含外斜裂縫的邊坡的穩定性更好，含內斜裂縫的邊坡和豎直裂縫的邊坡穩定性影響呈現交叉過程。降雨前期豎直裂縫的邊坡影響大，降雨后期內斜裂縫的邊坡影響更大。