水位下降條件下水庫邊坡穩定性和變形分析

劉 偉

(九江市水利電力規劃設計院，江西 九江 332000)

拓林水庫位于我國江西省九江市永修縣和武寧縣之間，是在永修柘林鎮筑壩攔截修水而形成的以防洪、發電、灌溉、養殖為主要功能的大型水庫[1]，位于全國土壩水庫前列。拓林水庫多年平均年徑流量80.60億m3，水庫正常蓄水位 65.0 m，相應庫容50.17億m3。近年來，隨著需水量的急劇增加，水庫水位發生了急劇變化。因此，快速下降期間的穩定性分析是管理者需要考慮的重要因素。

研究者通常采用極限平衡法和有限元法來評估邊坡比的安全性(安全系數FS)[2-3]。在路堤材料緩慢排水(短期)的情況下，分析中使用的參數為總應力(總應力分析)[4]。在路堤材料快速排水(長期)的情況下，分析中使用的參數為有效應力(有效應力分析)[5]。對于水位下降條件下的邊坡穩定性分析，可以使用這兩個參數。通常情況下，由于孔隙水壓力的計算較為困難，因此總應力的應用更為廣泛。

本文利用有限元軟件PLAXIS 2D 2012(巖土工程通用有限元分析軟件)對拓林水庫進行邊坡穩定性分析。根據水位降深比、壓降速率和荷載條件等因素，在考慮路堤材料彈塑性特性的基礎上，采用強度折減法計算路堤安全系數。

1 橫截面測量和土壤特性試驗

1.1 土壤特性試驗

拓林水庫布局如圖1所示。為了了解土壤的性質和不同深度的土壤強度，本研究采用現場十字板剪切試驗進行了勘探鉆孔和土壤取樣。圖1中顯示了FV-01～FV-12共12個采樣點的位置，以及BH-01～BH-12深度約為30 m的12個勘探鉆孔測量位置。采用標準貫入試驗(SPT)，在靜態條件下(原狀土樣)采集軟黏土的土壤樣品，以及在轉換條件下(擾動土樣)采集硬黏土的土壤樣品時，使用鉆機進行勘探鉆孔來采集土壤樣品。本文利用鉆孔BH-01和BH-02的數據，以拓林水庫分支路堤邊坡為例(如圖1所示)，分析了路堤邊坡的穩定性和變形情況。

圖1 拓林水庫的布局

對于路堤邊坡來說，從頂部-2～0 m有一層復墾土壤。從-10～-2 m有一層從非常軟到中等硬度的黏土，土壤中水分含量高，可塑性高。從-19～-10 m有一層硬黏土，土壤水分低，可塑性低。從-30～-19 m有一層堅硬黏土，土壤中水分低，可塑性低。

無側限壓縮試驗結果表明(見圖2)，從深度-8～0 m，兩個鉆孔中土壤的抗剪強度相似。從深度-8 m向下，土壤的抗剪強度增加。標準貫入試驗結果表明(見圖3)，從-19～-12 m，土壤強度隨深度增加而增加。從-19 m開始，強度變得穩定。本文收集了用于分析邊坡穩定性的各種參數數據，如表1所示。

圖2 不同深度土壤的抗剪強度

圖3 不同深度的土壤強度

表1 分析中使用的參數

1.2 地下水位觀測

地下水位對邊坡的穩定性起著關鍵作用。因此，測量不同鉆孔的地下水位非常重要。值得注意的是，在所有用于測量水位的鉆孔中都要安裝水位探測計(立管壓力計)。測量水位的鉆孔直徑約為100 mm，深度約為5 m。將直徑為55 mm的PVC管插入4 m深處，該管用于定期檢查水位。

本研究分別在2014年10月31日、2014年11月21日和2015年3月19日對拓林水庫中的水位進行了立管壓力計測試。如圖4所示，從平均海平面到調查土壤中池塘表面測量的地下水位分別為1.75 m、1.71 m和1.36 m。據觀察，拓林水庫地下水位變化約為0.40 m。

圖4 地下水位

2 路堤邊坡變形和穩定性分析

本文對拓林水庫分支邊坡進行了變形和穩定性分析。根據水位下降率(R)，采用有限元法對兩種不同情況進行分析。在水位快速下降條件下，下降率為0.30 m/d，路堤邊坡的地下水位最初高于海平面，當池內水量減少時，超孔隙壓力導致水不能及時排出，應考慮短期不排水材料性能(不排水)。在水位緩慢下降條件下，下降率為0.10 m/d，應考慮長期排水材料性能(排水)。在這兩種情況下，設置水位相對于海平面從+2.00 m 降低至-2.00 m。當水位下降比(水位下降比=L/H，L為下降水位；H為初始水位)等于1.00、0.75、0.50和0.25時，通過計算安全系數以檢查路堤邊坡的穩定性和變形情況。在PLAXIS 2D 2012程序中，采用三角形單元在二維(平面-應變)中對路堤邊坡進行網格劃分，如圖5所示。孔隙壓力分析由主動孔隙壓力和超孔隙壓力兩部分組成，如圖6和圖7所示。兩者都會發生在路堤邊坡上，從而影響著邊坡的穩定性。

圖5 模型的網格(單位：m)

圖6 主動孔隙壓力分析

圖7 超孔隙壓力分析

2.1 變形分析

使用PLAXIS 2D 2012程序進行不排水特性分析，用于分析的基本理論來自連續介質力學[6]。假設土壤包含孔隙和孔隙水壓力，以有效應力為參數，計算應力和實際水壓。材料以非線性彈塑性行為建模，采用莫爾-庫侖法模型求解問題。

圖8顯示了兩種情況下路堤邊坡沿等高線的變形模式，即水位緩慢下降和水位快速下降。快速下降條件下由于水位降低引起的路堤邊坡變形大于緩慢降水條件下的路堤邊坡變形，變形分別為0.42 cm和0.34 cm。

圖8 路堤邊坡的變形

變形高度比和水位下降比(L/H)之間的關系如圖9所示。在水位緩慢下降條件下，當降深比等于0.25、0.50、0.75和1.00時，在路堤邊坡水平方向上的變形高度比分別為1.150%、2.250%、4.255%和6.250%，在垂直方向上的變形高度比分別為-1.630%、-2.500%、-5.000%和-6.505%。在快速下降條件下，對應于0.25%、0.50%、0.75%和1.00%的下降率，路堤邊坡水平方向上的變形高度比分別為1.50%、4.15%、6.00%和7.50%，且垂直方向上的變形高度比分別為-1.75%、-4.00%、-5.75%和-6.50%。可以看出，路堤邊坡的變形隨著降深比的增大而增大。無論是在水平方向還是垂直方向上，水位快速下降條件下的路堤邊坡變形均大于水位緩慢下降條件下的路堤邊坡變形。

圖9 變形高度比和水位下降比(L/H)之間的關系

2.2 穩定性分析

本文采用PLAXIS 2D 2012軟件對路堤邊坡穩定性進行了分析。為了根據位移和固結分析結果確定應力，采用了φ-c強度折減法計算安全系數，即計算過程中將土的強度參數(內摩擦角和黏聚力)逐步降低，使結構達到極限狀態，土所具有的強度參數值之比，該方法減小了摩擦角的內聚力和切線。

滑坡風險下的邊坡穩定性由安全系數表示。采用φ-c強度折減法檢驗水庫分支路堤邊坡的穩定性。安全系數(FS)與水位快速下降和水位緩慢下降條件下的降深比(L/H)之間的關系如圖10所示。在水位緩慢下降條件下，當降深比分別為0.25、0.50、0.75和1.00時，FS等于1。在水位快速下降條件下，當降深比分別為1.52、1.44、1.32 和 1.26時，FS等于1。研究表明，隨著降深比的增大，水位快速下降條件下路堤邊坡穩定性的下降幅度比水位緩慢下降條件下路堤邊坡穩定性的下降幅度更大。

圖10 安全系數FS與水位下降比(L/H)之間的關系

3 結 論

拓林水庫路堤邊坡地基為軟黏土層，厚度約10～12 m，流動性指數(LI)較高，值為0.9～1.0，測得的最大深度為21.41 m。本文通過使用PLAXIS 2D 2012軟件，對拓林水庫分支路堤邊坡的穩定性進行了檢查。發現土壤總應力隨著水位變化而變化，隨后導致土壤液化，從而降低路堤邊坡的穩定性，這可能導致潛在的災害發生。本文研究成果對水位下降條件下水庫水位調節和邊坡安全控制具有指導意義。

(1)快速下降條件下由水位降低引起的路堤邊坡變形(0.42 cm)大于緩慢降水條件下的路堤邊坡變形(0.34 cm)。

(2)在水位下降率為0.75的快速下降條件下，安全系數為1.16，小于允許安全值的比率1.3。

(3)在水位下降率為1.00的緩慢下降條件下，安全系數為1.26，也小于允許安全值比率1.3。

這意味著，當需要對拓林水庫抽取水時，應嚴格控制水位下降速率。如果水位下降過快，路堤邊坡會經常發生位移和變形，嚴重影響著路堤的安全。