動力作用下水利邊坡失穩形態研究

2023-08-23 07:43:34王婧

水利科技與經濟 2023年8期

王婧

(河北省唐山水文勘測研究中心,河北唐山 063000)

0 引言

近年來,隨著水利工程的建設與發展,水利邊坡在保障工程運行的同時也給周邊環境帶來安全隱患。水利邊坡的失穩事故不僅會造成重大人員傷亡和財產損失,還會對社會經濟和生態環境帶來巨大影響。因此,研究水利邊坡的失穩形態,對提高水利工程的安全性和可靠性具有重要意義。

目前,許多學者對動力作用下水利邊坡的失穩形態開展了相關研究。陳凱[1]以河道堤防工程邊坡為例,利用FLAC有限差分數值模擬軟件,分析了河道堤防工程邊坡在降雨作用下的變形破壞過程,結果表明其失穩機制是由超孔隙水壓導致的,且該邊坡處于不穩定狀態。孫文等[2]通過振動臺試驗和小波包變換分析方法,研究了不同坡度黃土邊坡地震失穩過程中PGA的變化特征,結果表明坡度差別會影響失穩形態,突發型失穩可劃分為3個階段,漸進型失穩可劃分為3個階段,地震波的低頻部分起主要作用,第一頻段的能量占比E1和第二頻段的能量占比E2的變化可作為判斷邊坡地震變形損傷情況的依據。趙蘭浩等[3]研究分析了地震荷載引起的孔隙水壓力變化對水庫堤壩邊坡動力穩定性的影響,結果表明考慮孔壓變化的耦合效應會對穩定性分析結果產生較大差異,孔壓的累積效應可能是造成邊坡動力失穩的關鍵因素。王建明等[4]基于斷裂力學理論,研究了爆破和降雨對邊坡失穩的影響,結果表明表面裂縫起裂的根本動力為降雨、爆破以及二者的共同作用,中部鎖固段長度為控制邊坡失穩的關鍵因素,可通過控制爆破藥量來控制邊坡失穩。劉洋等[5]利用三維數值模擬手段,研究了王家坡震裂山體在強震和暴雨等極端工況下的動力響應全過程,并比較了天然工況下的情況,結果表明坡體上部全強風化層可能出現局部失穩,可為紅石巖水電庫區建設及王家坡震裂山體邊坡治理提供參考。

為了研究地震擾動和降雨濕化在不同順序下對邊坡穩定性的影響,本文以唐山地區滑坡為例,基于綜合結構勢理論的原理和方法,采用GEOSTUDIO軟件,模擬土結構演變對邊坡穩定性的影響,包括降雨、地震和地震后降雨3種工況,為該地區滑坡危險研究提供技術參考。

1 地震對斜坡的影響

地震對邊坡的力學影響主要體現在疊加效應,導致邊坡土壤逐漸損傷和結構逐漸減少。在地震作用下,土壤處于循環拉伸-剪切狀態,拉伸和剪切效應削弱了土壤顆粒之間的排列和關聯,結構狀態的不斷變化導致土壤的力學性質發生改變。同時,在地震作用下,土壤單元中的超靜孔隙水壓力瞬時增加,孔隙水壓力在短時間內無法消散,從而破壞了土壤的黏聚力。因此,在地震作用下,結構性土壤表現出不同程度的排列和黏聚力變化。

大多數邊坡并不會整體瞬時崩塌,邊坡結構在地震前保持良好的結構性能。隨著地震對土壤產生不同程度的影響,土壤的結構力學性質發生變化,最初在擾動較強的位置形成局部損傷,隨著地震的進行逐漸擴大,生成滑動區,最終形成滑動面。當發生相對小幅度的地震時,地震加速度小且持續時間短,土壤的結構損傷面輕微,因此產生的弱面不會滑動。如果地震的持續時間長,土壤的結構破壞面也會逐漸增加,擾動敏感性強的土壤單元會被破壞,損傷范圍將會進一步增加,最終產生滑動區。見圖1。

圖1 水平地震波加速度時間曲線

經過一次完整的地震后,結構性土壤的力學性質將會向重塑土壤轉變。當地震強度較低時,只有一部分土壤的結構性質會在地震過程中被破壞,此時的土壤力學性質介于完整土壤和重塑土壤之間。根據地震對土壤結構可能產生的影響,本文假設在完全擾動后土壤的結構性能將會完全喪失,土壤的力學性質接近于重塑土壤。

在進行數值模擬之前,本文通過進行直剪試驗,得到邊坡上的原位黃土和重塑黃土在無側限試驗下的最大抗壓強度,并獲得不同含水率的原位黃土和重塑黃土的力學性質,見表1。原位黃土和重塑黃土在不同含水率下的土壤性質指標見圖2。

表1 原位黃土和重塑黃土的剪切強度變化

圖2 含水率對抗剪強度的影響

由表1可知,原位黃土的黏聚力隨含水率的增加而減小,而內摩擦角變化較小,含水率對黏聚力的影響更為顯著。由圖2可知,原位黃土的黏聚力均大于重塑黃土。

此外,根據表1,原位黃土在含水率增大過程中的折減因子以及原位黃土在地震擾動下過渡到重塑黃土的折減因子,可以應用于地震和降雨影響下黃土邊坡強度折減的數值模擬。

2 算例分析

2.1 算例概況

本文以唐山地區發生滑坡的邊坡為例,該坡坡寬約174m,長375m。滑坡的土壤類型屬于黃土,土壤的基本物理性質見表2。本文對該邊坡進行地震前降雨、地震和地震后降雨條件的模擬。

表2 滑坡土壤的基本物理性質

2.2 模型建立及參數選擇

以該滑坡邊坡為原型,建立簡化的二維有限元幾何模型,其網格劃分見圖3。模型的水平長度、滑坡高度以及垂直高度的邊界尺寸分別為40、25及20m。

進行數值計算時,地震波的主震和余震的地震加速度大小分別為0.15g和0.05g。本文采用具有代表性的EI波進行模擬,選取前10s進行分析。降雨條件根據該地區的實際降雨情況進行確定,本次模擬中最大降雨強度選擇50mm/d。在本次數值模擬中,選擇的滲透方程如下:

(1)

式中:H為總水頭,m;kx、ky分別為X和Y方向的滲透系數,cm/s;Q為施加的邊界流量;mw為土水特征曲線的斜率;?w為水容量,N/m3;t為時間,s。

2.3 工況計算

2.3.1 地震前降雨條件

采用GEOSTUDIO軟件中的SEEP/W模塊,建立瞬態滲流分析步驟,在此之前需要考慮滑坡的初始孔隙水壓力分布。該地區2020年平均降水量588.4mm,在SEEP/W模塊的穩態分析中,在邊坡的3個側面設置單位流量1.89×10-8m/s作為滑坡的初始孔隙水壓力;將結果導入瞬態滲流分析步驟,其中在滑坡的3個側面設置降雨邊界條件,降雨強度50mm/d,持續3天;將結果導入SLOP/W模塊,基于極限平衡法和強度折減法進行穩定性分析。折減系數采用表1中的數據,用于滲流作用下原位黃土逐漸飽和的過程,見圖4。由圖4可知,隨著含水率的增加,黏聚力折減系數增加,而內摩擦角折減系數基本收斂到1。

圖4 震前降雨條件下折減系數

2.3.2 地震條件

采用GEOSTUDIO軟件中的QUAKE/W模塊,對地震條件進行模擬。首先,建立初始靜態地震模型,初始孔隙水壓力與穩態滲流結果相連。此外,設置初始地震邊界條件:底部邊緣固定X和Y方向位移,左右邊界固定X方向位移。然后,將分析類型更改為等效線性動態以進行動態地震分析。應力條件與初始靜態狀態相連,底部邊緣固定X和Y方向位移,左右邊界固定Y方向位移,并依次插入主震和余震地震波以模擬地震。最后,將地震模型導入SLOP/W模塊,并根據強度折減法和NEWMARK方法求解地震后安全系數的變化[6-7]。折減系數采用表1數據,用于在干擾作用下從完整黃土過渡到重塑黃土,在本次模擬中,使用15%含水率的折減系數(即黏聚力折減系數為2.3,內摩擦角折減系數為1.1)。

2.3.3 地震后降雨條件

采用GEOSTUDIO軟件的SEEP/W模塊,建立瞬態滲流分析步驟,并將初始孔隙水壓力和應力與地震后模型相連。在滑坡的3個側面設置降雨邊界條件,降雨強度為50mm/d,持續3天。然后,將地震后降雨結果導入SLOP/W模塊,使用極限平衡法和強度折減法進行穩定性分析,系數為表1中用于地震干擾和滲流作用下從飽和到重塑土壤的原位黃土過渡的折減系數,見圖5。由圖5可知,隨著含水率的增加,黏聚力折減系數顯著增加,而內摩擦角折減系數基本接近1。

圖5 震后降雨條件下折減系數

3 計算結果分析

邊坡在自然狀態下的安全系數為2.56,相對穩定,不會引發滑坡。邊坡在地震前降雨、地震和地震后降雨作用下的安全系數隨時間變化情況分別見圖6-圖8。

圖6 震前降雨對安全系數的影響

由圖6可知,安全系數隨著降雨持續時間的增加而減小,在72h結束時降至2.19,之后出現小幅增加,達到2.23。地震前降雨作用下安全系數減少12.9%,邊坡處于穩定狀態。

由圖7可知,在地震干擾作用下,原位土壤的安全系數隨著地震波動,整體呈下降趨勢。在主震作用下,邊坡的安全系數在2.8s時降至最小值1.33。地震干擾結束后,邊坡整體安全系數降至1.62,穩定性下降36.65%。土壤整體穩定性減弱,邊坡仍處于穩定狀態。在余震作用下,土壤穩定性繼續下降,在2.6s時安全系數最小值為1.25,在干擾結束時降至1.39,與主震相比穩定性顯著下降14.40%。這是因為土壤在主震干擾下變松散,原有結構被破壞,密實度降低,再次被余震干擾削弱了土壤穩定性。

圖7 地震對安全系數的影響

由圖8可知,安全系數在地震后降雨作用下顯著下降。下降趨勢與地震前降雨類似, 最終值降至1.12。穩定性在建成土壤的基礎上下降56.15%,在重塑土壤的基礎上下降19.19%。邊坡的安全系數在降雨72h后降至臨界容忍值1.10,之后略有增加,這是由于土壤的自愈功能。地震后降雨破壞了土壤的結構性質,土壤結構在沒有破壞性影響的情況下慢慢恢復,導致土壤穩定性增加,盡管效果微小。