不同影響因素對庫岸邊坡穩定性的影響研究

趙紅梅

(清河縣水務局,河北 邢臺 054800)

0 引 言

水庫工程作為水資源調控、洪水防治和發電的重要手段,已經成為人類生存和發展的重要基礎設施[1]。庫岸邊坡是水庫周圍地形地貌的重要組成部分,其穩定性直接影響著庫區的安全性[2]。因此,深入研究不同因素對庫岸邊坡穩定性的影響,對于提高水利工程的安全性、減少災害風險以及優化工程設計具有重要意義。

目前,許多學者對庫岸邊坡穩定性進行了相關研究并取得顯著進展。周春梅等[3]研究發現滑帶土含水量變化敏感地影響其抗剪強度、變形模量和邊坡穩定性,隨著含水量增加,邊坡穩定性系數先增大后減少。簡文彬等[4]提出了河水水位的升降對岸坡穩定性有重要影響,在河水上漲時水流難以進入,下降時孔隙水不易排出;頻繁的水位升降會導致岸坡排水困難,孔隙水增加,穩定性降低。仉文崗等[5]通過數值計算與穩定性分析,考慮了不同工況條件下滲流場中孔隙水壓力的變化。結果表明,庫區水位下降對邊坡穩定性有顯著影響,坡度、坡體滲透系數和水位下降速率的變化都會導致邊坡穩定系數的變化。

本文基于某大型水庫河岸邊坡,通過室內試驗,研究邊坡土體物理力學特性。同時,采用數值手段分析細粒含量、庫水位變化、降雨等因素對庫岸邊坡穩定性的影響。

1 工程概況

本文以某大型水庫河岸邊坡為研究對象,該邊坡后緣高程約300m,前緣高程約140m,縱向長度約5 500m,其中從邊坡前緣至后緣約500m長期被地下水浸沒。邊坡附近有公路穿過,且有民房、水利設施等。根據地質勘查報告可知,坡體土層主要有碎塊石土層、砂巖層和泥巖層。該地區屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫20℃,年均降雨量1 300mm左右,最高1 600mm,每年的6-8月份月降雨量較大,最高約295mm。水庫從2004年開始蓄水,水庫水位長期在80～140m上下波動,自2010年至今,水庫水位升高并逐漸穩定,最高水位180m,最低水位150m。由于庫岸邊坡長期被庫水淹沒并受庫水的沖刷和侵蝕,坡體位移逐年增加,對附近居民的生命財產安全及水利設施的正常運行造成嚴重威脅。

2 有限元模型及材料參數

有限元軟件包含多個模塊,每個模塊針對不同的地質工程問題提供特定的功能和工具。其中,SEEP/W是主要用于分析地下水、飽和及非飽和土壤中水的滲流問題,可以模擬不同條件下的滲透、地下水流、滲漏問題等;SLOPE/W模塊支持對不同幾何形狀和土壤特性的邊坡進行建模,模擬土體的變形和應力分布,以評估邊坡的穩定性,并預測滑坡或崩塌風險。本文采用軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊對水庫河岸邊坡在降雨入滲、水位升降、不同細粒含量滑帶土情況下的邊坡穩定性進行模擬。

根據實地考察及測量數據,借助CAD軟件繪制庫岸邊坡模型圖,將其導入Geo-Studio軟件中,將模型劃分為滑帶、滑體、滑床3個區域,并分別賦予材料參數,河岸邊坡模型見圖1。選用三角形和四邊形組合對模型進行網格劃分,其中包括4 340單元、4 390節點。為了模擬水位升降,將模型左側240m定義為定水頭,模型右側180m設置為變水頭,降雨以降雨強度的形式施加在坡面上,模型底面視為不透水界面。

圖1 河岸邊坡數值模型

土體的材料參數主要包括土水特征曲線、非飽和滲透系數以及土體的黏聚力及內摩擦角。其中,土水特征曲線及非飽和時滲透系數曲線通過室內試驗測得;土體飽和含水率及飽和時滲透系數通過Fredlund and Xing模型預測得到;土體抗剪強度參數借助GDS三軸儀對土樣進行固結不排水三軸試驗得到。土水特征曲線和滲透系數曲線分別見圖2和圖3。

圖2 體積含水量函數

圖3 滲透系數函數

將細粒含量為70%、80%、90%和100%的滑帶土編號為HD70、HD80、HD90、HD100,巖土物理力學參數見表1。隨著滑帶土細粒含量由70%增加至100%,其黏聚力呈逐漸增加趨勢,由33.22kPa增加至36.34kPa,而內摩擦角呈逐漸減小趨勢,由18.54°減小至12.76°。細粒含量的增加增強了土顆粒之間的膠結作用,但細顆粒充斥在大顆粒之間,使土顆粒間的摩擦力減小,導致土體的黏聚力增加,內摩擦角減小。

表1 巖土物理力學參數

此外,根據不同細粒含量土樣的土水特征試驗及滲透性試驗結果可知,隨著細粒含量的增加,土體滲透系數減小,且相同基質吸力下土體體積含水量增大。這是由于細粒含量增加,土體中細粒顆粒比例增加,孔隙直徑變小導致滲透系數減小,同時細粒含量增加導致土體孔隙結構變得更加復雜,形成更多的微觀孔隙,能夠吸附和保持更多的水分。

3 模擬結果分析

3.1 不同細粒含量滑帶土對邊坡穩定性的影響

圖4為不同細粒含量滑帶土在水庫水位由180m降至150m工況下邊坡穩定系數的變化情況。由圖4可知,不同細粒含量的滑帶土邊坡穩定系數隨著水位驟降天數的增加均呈先減小后增加的趨勢。這是因為當水庫水位降低時,庫岸邊坡上方的水重力作用減少,水的重力作用可以增加邊坡上的有效應力,有效應力使土顆粒保持平衡狀態不發生運動。因此,水位下降前期,邊坡穩定性降低,當水位下降至一定深度時,原本淹沒在水中的土體暴露在空氣中,使其由飽和狀態轉變為非飽和狀態,孔隙水壓力減小,基質吸力增加,因此穩定系數增大。

圖4 不同細粒含量滑帶土邊坡穩定系數變化

此外,隨著滑帶土細粒含量的增加,邊坡穩定系數逐漸減小,當細粒含量為100%時,邊坡穩定系數最小值為0.91。這是由于細顆粒具有較大的表面積和較強的吸水能力,細粒含量越高,邊坡孔隙水壓力增加幅度越大,且隨著細粒含量增加,土體密實度增加,導致邊坡的總重量增加,使其穩定系數減小。

按照表2中穩定系數數值大小對邊坡穩定性狀況進行評估,HD70、HD80、HD90及HD100對應邊坡的穩定性狀況分別是穩定、基本穩定、欠穩定和失穩。

表2 穩定系數對應的邊坡穩定性狀況

3.2 不同水位升降速率下對邊坡穩定性的影響

圖5為在不同水位驟降速率下邊坡穩定系數隨水位下降時間的變化。由圖5可知,在水位下降速率為0.5、1.0和1.5m/d三種工況下,邊坡穩定系數均呈先下降后增加的趨勢,且水位下降速率越大,穩定系數減小速率越大,最小值越小;在穩定系數回升過程中,水位下降速率越快,穩定系數回升幅度越大。需要指出的是,在0.5、1.0和1.5m/d三種工況下,邊坡安全系數減小至最小值的天數分別是25、21和17天,均未出現在水位降至150m的天數。這是由于在水位下降過程中,邊坡土體體積含水率降低,孔隙水壓力減小,有效應力及抗剪強度增大,增強了邊坡的穩定性,而且這種增強作用大于由于水位下降導致的土體有效應力降低對邊坡穩定性的削弱作用。

圖5 不同水位驟降速率邊坡穩定系數變化

在第80天,水庫水位不再下降處于穩定狀態后,不同速率下的邊坡穩定系數均比水位下降前的大。其中,1.5m/d下降速率的邊坡穩定系數最大為1.15;1.0m/d次之為1.145;0.5m/d的最小為1.132。這是由于水位不再下降后,邊坡內部水分滲流狀態變為穩態滲流,水分從土體內排出,坡體土壤含水率降低,土體自重減小,抗滑力增大,邊坡穩定系數隨之增加;而水位下降速率越快,處于水位以上土體暴露在空氣中的時間越長,其體積含水率及孔隙水壓力減小幅度越大,因此邊坡穩定系數回升幅度相對較大。3種水位驟降速率工況下的最小穩定系數均在1.05～1.15之間,因此3種工況下邊坡均為基本穩定狀態。

3.3 降雨疊加水位驟降對邊坡穩定性的影響

圖6為降雨分別發生在水位驟降的0～10、10～20和20～30天的邊坡穩定系數變化。由圖6可知,在降雨發生的時間段內,邊坡穩定系數出現突降;在降雨停止后,邊坡穩定系數變化趨于平緩并逐漸回升。降雨發生時間越早,邊坡穩定系數出現最小值的時間越早,其中降雨發生在水位驟降10～20天,邊坡穩定系數最小值達到最低為1.052。這是由于在前期水位驟降的0～10天,邊坡土體有效應力減小,穩定性已經受到一定程度的影響,但尚未達到最小值,降雨使邊坡內部土體的體積含水率增加,導致土壤重量增加、抗剪強度降低;在水位驟降10～20天期間發生降雨,導致穩定系數繼續下降,達到最小值。

圖6 降雨發生在水位驟降不同時段的邊坡穩定系數變化

此外,對比降雨疊加水位驟降和僅水位驟降工況下邊坡穩定系數的變化可知,降雨疊加水位驟降工況下的邊坡穩定系數均小于僅水位驟降工況下的穩定系數。降雨出現在不同水位驟降時段的最小邊坡穩定系數均在1.05～1.15之間,因此邊坡穩定性狀態均為基本穩定狀態。

4 結 論

為了開展庫岸邊坡穩定性的敏感性分析,以某水庫邊坡為背景,通過室內試驗和數值模擬,探究了不同工況下河岸邊坡穩定系數的變化。結論如下:

1)不同細粒含量的滑帶土邊坡穩定系數隨著水位驟降天數的增加均呈先減小后增加的趨勢,隨著滑帶土細粒含量的增加,邊坡穩定系數逐漸減小,當細粒含量為100%時,邊坡穩定系數最小為0.91。

2)水位下降速率越大,穩定系數減小速率越大,且最小值越小;在穩定系數回升過程中,水位下降速率越快,穩定系數回升幅度越大;水庫水位處于穩定狀態后,不同速率下的邊坡穩定系數均比水位下降前的大。

3)降雨疊加水位驟降工況下的邊坡穩定系數均小于僅水位驟降工況下的穩定系數,在降雨發生的時間段內,邊坡穩定系數出現突降;降雨發生在水位驟降10～20d,邊坡穩定系數最小值達到最低為1.052;在降雨停止后,邊坡穩定系數變化趨于平緩,并逐漸回升。