某水利樞紐工程庫岸邊坡滲流特性數值模擬研究

文成祿

(連州市水務工程建設管理中心，廣東 連州 513400)

庫岸邊坡常因降雨入滲而導致失穩下滑，造成航道堵塞或者人員傷亡，對經濟發展及財產安全產生較大威脅[1- 2]。降雨入滲對邊坡的穩定性影響主要表現在以下方面：降雨會導致邊坡土體含水量增加，增大邊坡自重，從而提高下滑力；降雨會導致土體軟化，抗剪強度降低甚至喪失，降低邊坡抗滑力；當降雨在坡體內形成滲流時，會導致坡體內孔隙水壓增大，降低正應力，并產生一定的動水壓力，進一步導致邊坡穩定性下降[3]。因此，研究邊坡內部降雨導致的滲流變化規律，對于邊坡穩定性評價具有重要意義[4]。付偉等[5]采用巖土有限元軟件，研究庫水位升降過程中邊坡變形特征和穩定性，結果表明，庫水位上升會導致邊坡穩定系數先增大后減小；趙志陽等[6]以Scoops 3d數字模擬軟件計算降雨入滲過程，結果表明庫岸邊坡的穩定性受降雨影響明顯；曾潤忠等[7]以ABAQUS軟件為例，研究不同降雨強度下滲流場特征，結果表明，降雨強度越大或者水位變化速率越大，庫岸邊坡穩定性越差；張文雙[8]采用模型試驗方法，研究水位降速對邊坡穩定性的影響，結果表明，坡體由內向外的滲流是導致邊坡失穩破壞的主要因素。

以上研究均針對庫水位升降或降雨對邊坡穩定性的影響，較少涉及降雨滲流在邊坡內的演化規律。本文以某庫岸邊坡為例，通過數值模擬軟件，分析降雨在邊坡內滲流變化規律及影響因素，對于降雨作用下邊坡穩定性分析具有一定的研究意義，為相關工程設計提供了參考。

1 工程概況

某水利樞紐是綜合治理與開發長江的關鍵性工程，工程竣工后，將發揮防洪、發電、航運、養殖、旅游、保護生態、凈化環境、開發性移民、供水灌溉等效益。因河床開闊，兩岸花崗巖基堅硬、完整，工程選址在這里。根據現場勘察及室內巖土實驗結果，該邊坡為花崗巖殘積土邊坡，坡體主要為花崗巖殘積土，底部為基巖。邊坡土體物理力學參數見表1。

表1 邊坡土體物理力學參數

2 邊坡滲流數值模擬

強降雨工況下，滑坡形成機理及影響因素與土體中的降水入滲特性密切相關。為分析邊坡土體中降水入滲過程及分布特征，建立傾角分別為30°、40°和50°的3種邊坡滲流數值模型，進行降雨條件下飽和土體滲流分析。

2.1 計算原理

FLAC 3D中采用有限差分法進行數值求解。計算過程中，對每個質點狀態參數如速度、加速度、應力狀態參數進行記錄，從而模擬整個研究對象的力學特征。在對邊坡降雨入滲進行模擬的過程中，首先建立與邊坡實際尺寸一致的幾何模型及相應的邊界條件，然后選取與邊坡土體力學特性相一致的本構模型，并保證應力加載及降雨入滲條件相同，最后對邊坡力學參數進行求解。

2.2 邊坡計算模型建立

邊坡坡角的不同會對土體滲流的水力梯度產生影響，為分析邊坡坡角對降雨入滲的影響，分別設置傾角為30°、40°和50°的邊坡，并在坡面上、中、下3個監測點設置孔隙水壓力傳感器。在同一監測點，由上至下分別設置3個孔隙水壓力傳感器，相鄰傳感器間距為1m，共9個監測點，如圖1所示。

圖1 不同傾角降雨入滲模型(單位:m)

在降雨入滲過程中，分別對邊坡進行滲流計算和穩定性計算，記錄各監測點孔隙水壓力及邊坡穩定系數。

在進行數值計算前，對模型進行如下設置：模型的底部設置為隔水邊界，并將地下水水位設置為固定水頭。在力學計算過程中，首先約束模型左右邊界的水平位移，然后約束模型底部邊界的水平和垂直位移。最后，將模型的坡面和兩側地下水位以上的邊界分別設置為降雨入滲邊界和定流邊界，從而得到初始滲流場，如圖2所示。

圖2 邊坡初始滲流場

由圖2可以看出，邊坡內同一高度處初始地下水位處于同一高度，初始飽和度及孔隙水壓力均隨地下水位的變化而變化。邊坡地下水位以下區域處于飽和狀態，孔隙水壓力為正，地下水位以上區域處于非飽和狀態，孔隙水壓力為負[9- 10]。

2.3 邊坡降雨方案

降雨條件下，邊坡滲流主要受2種因素影響：降雨特征因素，如降雨強度、歷時、梯度變化等；邊坡土體巖性、高度、坡度等。氣象部門根據24h降雨量，將降雨強度劃分為：小雨(24h降雨量<10mm)、中雨(24h降雨量10～24.9mm)、大雨(24h降雨量25～49.9mm)、暴雨(24h降雨量50～99.9mm)、大暴雨(24h降雨量100～249.9mm)、特大暴雨(24h降雨量≥250mm)。根據研究區降雨資料，并考慮到極端情況，選取不同降雨強度進行模擬，具體參數見表2。

表2 降雨條件參數

3 數值模擬結果

3.1 降雨強度對滲流場的影響

邊坡傾角為50°時，不同降雨方案各監測點孔隙水壓力隨降雨歷時的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同降雨方案孔隙水壓力隨降雨歷時變化曲線

由圖3(a)可以看出，在降雨方案1a1處，隨著降雨的開始，坡體底部孔隙水壓力從0逐漸增加，最終保持在約50kPa，達到飽和狀態，此過程歷時11h；降雨方案3中，a1處歷時17h孔隙水壓力從0增加到50kPa，達到飽和狀態。在圖3(b)降雨方案1中，a1處歷時10h孔隙水壓力從0增加到50kPa，而降雨方案3中，a1處歷時16.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa，達到飽和狀態。在圖3(c)中，降雨方案1a1處歷時9.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa，降雨方案3a1處歷時16h孔隙水壓力從0增加到50kPa。由于方案1降雨強度小于方案3，說明降雨強度對孔隙水壓力變化有直接影響，降雨強度越大，孔隙水壓力變化越快。同時，在圖3(a)中，降雨方案3中a2、a3處在降雨結束后，孔隙水壓力最大為35kPa，未達到飽和狀態，說明離坡面較遠處，孔隙水壓力受降雨強度影響較小，在降雨結束后仍未達到飽和狀態。

3.2 不同坡度對滲流場的影響

邊坡滲流分析不僅必須考慮外部降雨條件是如何設置的，還必須考慮邊坡本身的坡度。

降雨方案1條件下，降雨持續12和24h 3組邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況如圖4所示。

圖4 不同傾角下邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況

由圖4(a)中可以看出，邊坡傾角為30°時，斜坡上部孔隙水壓力在10～30kPa之間，隨著降雨持續時間的增加，孔隙水壓力由坡面向坡體內部逐漸增大，在坡腳處孔隙水壓力從10kPa增加到20kPa。斜坡水平面以下6～8m處孔隙水壓力為0，以此處為分界線，在該平面以上孔隙水壓力受降雨影響較明顯，分界線以下孔隙水壓力保持不變。圖4(b)中邊坡傾角為40°時，坡內孔隙水壓力在10～40kPa之間，最大孔隙水壓力大于30°傾角條件，說明傾角增大導致孔隙水壓力變化更大，入滲作用更強烈；同時，在斜坡水平線以下8～11m處孔隙水壓力變化不受降雨影響，說明隨著斜坡傾角增大，降雨入滲深度更大。圖4(c)中，邊坡傾角為50°時，坡頂處孔隙水壓力30kPa，大于傾角為30°和40°時的情況，說明傾角大有助于降雨入滲，從而導致坡面孔隙水壓力迅速增加。

對比圖4(a)、(b)、(c)3個圖中孔隙水壓力變化前后的結果，可以看出，對于不同傾角的邊坡，邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同，均在10～40kPa之間。邊坡中不同的位置對降雨量的變化反應不同，變化程度存在一定的滯后效應。孔隙水壓力增長的變化在坡頂處更為明顯，由初始值0變化為平均20～30kPa之間，變化幅度較大；其次是斜坡中部，孔隙水壓力變化值為10～20kPa；在斜坡坡腳處變化最不明顯，變化幅度在10kPa以內。分析是由于降雨運動速度隨著斜坡傾角的增加而增加，但在坡腳處，孔隙水入滲速率較坡頂處小，因此坡腳處孔隙水壓力變化幅度也更小。

4 結論

本文以某庫岸邊坡為例，采用數值模擬軟件，分析不同降雨強度和邊坡傾角條件下的降雨入滲規律，得到如下結論。

(1)降雨強度對邊坡土體孔隙水壓力變化有直接影響，在降雨強度分別為250mm/d和150mm/d時，邊坡坡頂處孔隙水壓力達到飽和狀態50kPa所用時間分別為10h和16.5h。

(2)邊坡傾角對土體孔隙水壓力有較大影響。在相同降雨條件下，不同傾角邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同，而邊坡頂部孔隙水壓力變化逐漸增大，傾角大有助于降雨入滲。

(3)降雨作用下邊坡穩定性分析具有一定的研究意義，但降雨在邊坡內滲流變化規律及影響因素較復雜，需進一步研究。