水庫滑坡變形特征的數(shù)值分析

付傳林

(青海省海晏縣農(nóng)牧水利綜合服務(wù)中心，青海 海晏 812299)

1 概 述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對基礎(chǔ)建設(shè)的要求日益增高，其中對于水庫滑坡的相關(guān)要求也越來越高。水庫滑坡不同于普通山體滑坡，其極易受到水位波動的影響，但由于水庫滑坡的特殊性與廣泛性，水庫滑坡的變形特征成為亟待解決的難題。

為此，許多學(xué)者針對水庫滑坡變形特征進(jìn)行了研究。鄭莉等[1]通過實驗室模擬室外滑坡，研究水庫滑坡在沖擊力作用下的變化特征，揭示水庫滑坡壓力類型、作用特點及分布情況。朱致遠(yuǎn)等[2]以工程實踐為例，通過室內(nèi)模擬滑坡滲流場，對滑坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計算，并對其穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。丁志洋等[3]以實際水庫滑坡工程為例，對滑坡滲流場進(jìn)行模擬，分析不同條件下滑坡穩(wěn)定性的影響。張國榮等[4]根據(jù)資料計算和實地考察，分析高水位下反濾棱體出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象原因。黃宇云等[5]基于工程實例，通過數(shù)值模擬，分析水庫滑坡橫斷面形態(tài)和入水角度的影響。姚紀(jì)華等[6]以某水庫滑坡群為研究對象，利用遙感技術(shù)對水庫滑坡群進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)測和風(fēng)險評估。周桂云[7]基于數(shù)值模擬，建立滑坡涌浪數(shù)值模型，通過控制方程對模型進(jìn)行求解與驗證。范志強(qiáng)等[8]通過對黃土滑坡滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗，得出其基本力學(xué)特征，探討在不同工況下，臨滑強(qiáng)度不同的原因。

綜上可知，雖然我國對于水庫滑坡變形特征進(jìn)行了許多研究，但由于水位會發(fā)生波動，由此改變水力邊界條件，從而引起坡體內(nèi)滲流場的非穩(wěn)定滲流，使得傳統(tǒng)方法難以得出其變化規(guī)律。因此，本文基于有限元數(shù)值模擬，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性動態(tài)模擬分析、滑坡變形破壞特征定量研究分析和滲透系數(shù)影響分析，得出水庫邊坡變形破壞特征，為工程實踐提供參考。

2 計算理論與模型建立

本文通過數(shù)值模擬對水庫滑坡現(xiàn)象進(jìn)行建模，探究其穩(wěn)定性，并通過持續(xù)減低巖土強(qiáng)度，直到模型達(dá)到極限而發(fā)生破壞。巖土中采用的莫爾-庫侖材料，其強(qiáng)度折減安全系數(shù)公式如下：

(1)

當(dāng)滑坡出現(xiàn)破壞時，數(shù)值模擬程序會根據(jù)結(jié)果得到破壞面，由此得到強(qiáng)度貯備安全系數(shù)。

模型穩(wěn)定性計算之后，由于水庫滑坡穩(wěn)定和變形破壞特征需基于坡體內(nèi)滲流場特征，因此對其滲流場進(jìn)行分析。滑坡水力邊界條件會因為水位波動發(fā)生改變，需對每個時間段坡內(nèi)浸潤情況進(jìn)行研究。通過數(shù)值模擬，在水位變化、降雨和抽水等條件下，進(jìn)行飽和與非飽和土中水位非穩(wěn)定滲流計算。

在穩(wěn)定分析和滲流分析之后，對模型進(jìn)行變形計算。利用時間外推，可以有效預(yù)測出特征點隨時間變化情況，由此作出預(yù)判，滑坡變形過程存在蠕變特點，主要由于變形是隨時間不斷變化。因此計算過程中，通過使用數(shù)值模擬的軟土蠕變模型，輸入?yún)?shù)主要為土體重度γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，以及3個模型剛度參數(shù)分別為模型修正膨脹系數(shù)k*、模型修正壓縮系數(shù)λ*和模型修正蠕變指標(biāo)μ*。

本文以某水庫滑坡施工工程為例，通過數(shù)值模擬建立模型，該水庫邊坡區(qū)域的模型計算范圍為435 m×115 m。計算區(qū)域邊界利用水平約束，底部使用固定約束，根據(jù)平面應(yīng)變條件因素進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其物理力學(xué)和蠕變參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

為了形象觀測變形破壞特征，在坡面選取3個水平位移觀測點，分別為點A、點B和點C。其中，點A地勢較高，點B地勢適中，點C地勢最低。

3 模型分析

3.1 水位下降速度條件下邊坡穩(wěn)定動態(tài)分析

采用不同水位下降速度條件下，對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行動態(tài)分析，水位下降速度取值為0.5、1.0和2.0 m/d。水位降幅取值為30 m，并設(shè)置水位下降時間分別為60、30、15和10 d，從水位下降開始計算，整個計算時間為200 d。由此，得出不同水位下降速度安全系數(shù)與時間關(guān)系曲線，見圖1。

圖1 下降速度安全系數(shù)與時間關(guān)系曲線

從圖1可知，水位下降速度安全系數(shù)隨時間推移呈先減小后增大的變化趨勢。由圖1可知，時間在0～40 d時，所有水位下降速度的安全系數(shù)均達(dá)到最低值。安全系數(shù)最低值代表各水位下降速度最不利水位，最不利水位在邊坡工程中可以校核邊坡穩(wěn)定性。但由于時間間隔過大，因此以3 d為時間間隔，對0～42 d邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，其安全系數(shù)計算結(jié)果見圖2。

圖2 不同水位下降速度條件下42 d安全系數(shù)的計算結(jié)果

由圖2可知，水位下降速度越快，其安全系數(shù)越低，但安全系數(shù)均未低于1.0。其中，當(dāng)水位下降速度為0.5 m/d時，最低安全系數(shù)需要經(jīng)過30 d后才能達(dá)到最低安全系數(shù)；而水位下降速度為1和2 m/d時，兩種條件下的最低安全系數(shù)大致相似，說明水位下降系數(shù)不超過1 m/d時，其最低安全系數(shù)均相對較高。其對應(yīng)不同時間滑坡滑面，開始階段滑坡破壞主要是邊坡坡體中后部沿滑帶局部失穩(wěn)。隨著水位持續(xù)下降，破壞特征從沿滑帶局部失穩(wěn)到沿滑帶的整體失穩(wěn)。

3.2 滑坡變形破壞特征定量分析

對滑坡變形破壞特征進(jìn)行定量分析，研究在0.5、1.0和2.0 m/d共3個水位下降速度下，3個水平位移觀測點隨時間變化規(guī)律，見圖3。

圖3 水平位移隨時間變化曲線

由圖3可知，各點水平位移在開始階段，其水平位移迅速上升，出現(xiàn)陡升的現(xiàn)象。隨著時間推移，水位下降速度越快，水平位移增長距離越大。而水平位移在增長過程中逐漸趨于穩(wěn)定，各點水平位移隨隨時間變化，水平位移幾乎沒有較大波動。結(jié)合圖2不同水位下降速度條件下42 d安全系數(shù)的計算結(jié)果，由于水位下降導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性受到影響，安全系數(shù)低于1.01主要出現(xiàn)在0～12 d之間，對應(yīng)圖3陡升現(xiàn)象，圖2中安全系數(shù)隨時間先降低后增大階段對應(yīng)圖3無波動段。這說明安全系數(shù)越低，水平位移越大；反之，安全系數(shù)越高，水平位移越小。并且點C水平位移明顯大于點A和點B，主要由于在水位下降階段，滑坡破壞主要是坡體中后部，而點C位于滑體上，使其水平位移明顯高于點A和點B。由于該點水平位移最大，其水平位移變化規(guī)律可以準(zhǔn)確反映邊坡變形破壞特征，因此點C可以作為特征點。

綜上所述，對于水庫滑坡破壞變形特征，可通過特征點水平位移隨時間變化規(guī)律得出水庫滑坡變形破壞特征，將數(shù)值模擬所得結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測，為工程實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3.3 滲透系數(shù)的影響

水庫滑坡滲透系數(shù)也對邊坡變形破壞有著重要影響。分別對0.5、1.0 和2.0 m/d共3個水位下降速度采用不同的滲透系數(shù)1×10-4、1×10-5和5×10-6m/s，分析滲透系數(shù)大小對邊坡變形破壞特性影響。見表2。

表2 不同滲透系數(shù)條件下安全系數(shù)的計算結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知，在不同水位下降速度條件下，安全系數(shù)隨時間增加呈先減小后增大的變化規(guī)律，且安全系數(shù)降低速度隨滲透系數(shù)減小而減小。由表2還可知，安全系數(shù)只有當(dāng)2.0 m/d水位下降速度情況下，安全系數(shù)才可能低于1.0，說明水位下降速度對邊坡安全系數(shù)有較為明顯影響。由表2中數(shù)據(jù)可知，滲透系數(shù)越大，安全系數(shù)越大。由此，水庫滑坡滲透系數(shù)越大，對邊坡變形破壞影響越小。

4 結(jié) 論

基于數(shù)值模擬對水庫滑坡變形破壞特征進(jìn)行研究，通過對模型水位下降速度條件下的邊坡穩(wěn)定動態(tài)分析、滑坡變形破壞特征定量研究以及滲透系數(shù)的影響分析，結(jié)論如下：

1) 水位下降速度安全系數(shù)隨時間推移呈先減小后增大的變化趨勢。時間在0～40 d時，所有水位下降速度的安全系數(shù)均達(dá)到最低值，并且水位下降速度越快，其安全系數(shù)越低，但安全系數(shù)均未低于1.0。

2) 水平位移在初始階段迅速上升，出現(xiàn)陡升的現(xiàn)象；隨著時間推移，水位下降速度越快，水平位移增長距離越大。而水平位移在增長過程中逐漸趨于穩(wěn)定，各點水平位移隨隨時間變化，水平位移幾乎沒有較大波動。并且安全系數(shù)越低，水平位移越大；反之，安全系數(shù)越高，水平位移越小。

3) 水位下降階段，由于滑坡破壞主要是坡體中后部，測點位于滑點上水平位移易達(dá)到最大，可以準(zhǔn)確反映邊坡變形破壞特征。將數(shù)值模擬所得結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測，可為工程實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

4) 不同水位下降速度條件下，安全系數(shù)隨時間增加呈先減小后增大的變化規(guī)律，且安全系數(shù)降低速度隨滲透系數(shù)減小而減小。水位下降速度對邊坡安全系數(shù)有較為明顯影響，并且水庫滑坡滲透系數(shù)越大，對邊坡變形破壞影響越小。