武 濤
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)
水庫(kù)運(yùn)行后庫(kù)區(qū)水位的頻繁波動(dòng),將改變巖土體的有效重度,弱化巖土體力學(xué)強(qiáng)度,可能引起滑坡復(fù)活或促成新的不穩(wěn)定斜坡體[1]。
以恩施市雙龍洞水庫(kù)滑坡為研究對(duì)象,在充分考慮雙龍洞滑坡地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上,依據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行條件,利用ANSYS軟件的溫度模塊建立計(jì)算模型,并在考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用的情況下,利用APDL語言編譯求解程序,對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
該滑坡為中型巖質(zhì)滑坡,規(guī)模600×104m3。地處恩施市珠山鎮(zhèn)雙龍洞村6組龍洞水庫(kù)右岸?;缕矫娉拾雸A形,剖面呈階梯狀,主滑方向?yàn)镹E10°,滑坡體斜長(zhǎng)300 m,寬600 m,厚度1~22 m,平均厚度約20 m,見圖1。
滑坡體表覆蓋白堊紀(jì)(K)殘坡積紫紅色碎石土、黏性土等,深度約為0~8 m;下部為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)灰綠色碎石土,深度約為8~17 m;滑帶埋深:前緣18 m、中部22 m、后緣18 m,厚度約為10~20 cm,主要為灰綠色石塊及松散土體;滑床為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)紫紅色泥質(zhì)砂巖巖體完整性較好,RQD>90%,見圖2。
利用數(shù)值模擬的方法研究滑坡穩(wěn)定性,要建立合理的數(shù)值計(jì)算模型,同時(shí)還要掌握庫(kù)水位波動(dòng)的規(guī)律,以及各類巖土參數(shù)的合理選取。
根據(jù)地質(zhì)資料,選擇主滑面,建立二維計(jì)算模型。模型左邊界為已知流量邊界和水平約束,下邊界為“0”流量邊界和數(shù)值約束,計(jì)算模型見圖3。
圖2 雙龍洞滑坡Ⅱ-Ⅱ剖面
圖3 雙龍洞滑坡物理模型
根據(jù)水庫(kù)歷年逐日水位記錄表,為了研究水庫(kù)運(yùn)行后滑坡穩(wěn)定性分析,確定了以下模擬方法,見圖4。
圖4 水庫(kù)水位運(yùn)行圖
根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測(cè)試、核磁NMR測(cè)試反演結(jié)果,滑坡各部位參數(shù)見表1及圖5。
表1 滑坡物理、力學(xué)參數(shù)
圖5 雙龍洞滑坡土水特征曲線
為了揭示水位運(yùn)行對(duì)滑坡的影響,分別在滑體、滑帶、滑床的前緣、中前緣、中部、中后緣、后緣選取監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖6 泄水時(shí)水位線變動(dòng)
模擬結(jié)果分析:
①?gòu)膱D6中可以清晰的看出庫(kù)水波動(dòng)引起的地下水的變動(dòng)主要集中在滑坡的中前緣,而在滑坡后緣由于地下水的補(bǔ)給,變化幅值較小。
表2 兩個(gè)周期內(nèi)滑帶水頭變動(dòng)幅值
②在兩個(gè)波動(dòng)周期內(nèi),在相同位置,后一個(gè)周期較前一周期的水頭高;在不同的波動(dòng)周期,滑坡體相同位置,水位變化幅值不同,水頭變動(dòng)幅值最大出現(xiàn)第二個(gè)上升期內(nèi);由滑帶前緣、中部、后緣變化幅值表(表2)可知,地下水變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的中部附近。
③在不同的波動(dòng)周期,滑體、滑帶、滑床不同位置處的水位變動(dòng)幅值各不相同。在滑坡中部水位變動(dòng)幅值最大,底部次之,而在滑坡底部變動(dòng)幅值最小。如在第二個(gè)上升周期(118~168 d)時(shí),滑體、滑帶、滑床水位變動(dòng)幅值分別為4.0 m、3.6 m、2.0 m,其變化幅值逐漸減小。
④在不同的波動(dòng)周期滑坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時(shí)不同,隨著波動(dòng)次數(shù)的增加水位穩(wěn)定用時(shí)增加。水位在535~547 m范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),由于時(shí)間短水位未達(dá)到穩(wěn)定,而水位在555 m高程時(shí)水位達(dá)到穩(wěn)定,周期一用時(shí)為25 d,周期二用時(shí)為31 d,說明隨庫(kù)水的波動(dòng),地下水位達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)。
⑤隨著庫(kù)水位做周期性波動(dòng),滑坡體內(nèi)部浸潤(rùn)線的位置也不相同,水位波動(dòng)次數(shù)越多,地下水滲出點(diǎn)位置越高。
⑥由于周期性水位作用時(shí)間越長(zhǎng),滲出點(diǎn)位置越高,而相應(yīng)的非飽和區(qū)范圍縮小,非飽和區(qū)基質(zhì)吸力貢獻(xiàn)范圍縮小,不利于滑坡穩(wěn)定性。
⑦地下水是一條上凸的曲線,當(dāng)水庫(kù)泄水時(shí)滑坡底部水位線曲率增大,該區(qū)域下部水頭大于上部水頭,滲透力的方向向上;水位周期性波動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng),水位線的曲率越大。
圖7 周期1時(shí)250 d滲透壓力分布
模擬結(jié)果分析:
①水位相同,水位波動(dòng)周期不同時(shí),滲透力不同,波次數(shù)越多,滲透力越大;在兩個(gè)波動(dòng)周期內(nèi),相同位置處,后一個(gè)波動(dòng)周期的滲透力大于前一個(gè)波動(dòng)周期(表3);不同的波動(dòng)周期,滑坡體內(nèi)部相同位置,滲透力增加幅值也不相同。增幅值與水頭變化幅值最大值同樣出現(xiàn)第二個(gè)上升期;從表3可知,變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的前緣、中前緣,這是因?yàn)樵谠摬糠炙^變化幅值大,相應(yīng)的滲透壓力較大。
表3 滑帶滲透力變動(dòng)幅度
②在同一個(gè)水位波動(dòng)周期,庫(kù)水位下降時(shí),滲透力主要集中在滑坡的前緣。庫(kù)水下降幅值越大,滲透力也越大,滑坡不穩(wěn)定性也越大。由圖7、圖8可知,在滑坡體內(nèi)部,滲透力主要集中在滑坡體前緣,在滑坡體中后緣滲透力的相對(duì)較小,同時(shí)變幅也較小,且為負(fù)值;二者對(duì)比可以看出,在滑體部分的滲透力要相應(yīng)的大于滑帶部分的滲透力。在不同的波動(dòng)周期,滑體、滑帶、滑床不同位置處的滲透力的變幅也各不相同;如在第二個(gè)上升周期(118~168 d)時(shí),滑體、滑帶、滑床滲透力變動(dòng)幅值分別為0.8 kN、0.5 kN、0.3 kN,其變化幅值逐漸減小。
③下降過程中,滲透力最大值區(qū)域逐漸右移,并隨庫(kù)水下降高度的增加而增大,差別較大,滑坡前緣的滲透力要大于滑坡后緣。
④庫(kù)水波動(dòng)次數(shù)越多,地下水位也下降速度越慢,滲透壓力穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng),其消散時(shí)間上與坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時(shí)相同。
①滑帶:從圖9和圖10中可以知水位波動(dòng)時(shí)滑坡體內(nèi)部的剪應(yīng)力不斷發(fā)生變化,在水位初期穩(wěn)定期(1~30 d),滑帶中前部的剪應(yīng)力會(huì)略微減小,而在滑坡的中后部剪應(yīng)力會(huì)增加,并且隨著波動(dòng)次數(shù)的增加,其變動(dòng)幅度會(huì)逐步增大,且在滑坡中部變動(dòng)幅值最大;在水位波動(dòng)過程中,水位初期升降對(duì)滑坡中前緣影響較大,而在波動(dòng)后期對(duì)其影響較小,剪應(yīng)力基本維持不變,在滑坡中后緣,水位波動(dòng)對(duì)其影響一直比較顯著,且隨著波動(dòng)次數(shù)的增加,影響幅度也相應(yīng)的增大。
圖9 滑床剪應(yīng)力周期變幅值
圖10 滑帶剪應(yīng)力周期變幅值
②滑體、滑床:相對(duì)于滑帶而言,滑體、滑床內(nèi)部的剪應(yīng)力變化規(guī)律有所不同。在水位初始穩(wěn)定期(1~30 d),各個(gè)部位其剪應(yīng)力都會(huì)有所增大;在水位上升初期(30~40 d)剪應(yīng)力變化最大;滑帶的剪應(yīng)力主要為正值,而在滑體、滑床后部出現(xiàn)負(fù)值;波動(dòng)過程中,滑體、滑帶剪應(yīng)力的波動(dòng)幅度相對(duì)于滑體而言要大。
③從圖11和圖12中可以看出,隨著水位做周期性的波動(dòng),在滑坡的中部、中后緣、后緣剪應(yīng)力等值線的密度逐步增加,數(shù)值增大,并且向滑帶附近靠攏,說明雙龍洞滑坡的破壞模式為推移是破壞。
圖11 周期1滑坡剪應(yīng)力等值線
圖12 周期2滑坡剪應(yīng)力等值線
本文主要研究目的是周期性庫(kù)水位波動(dòng)下滑坡穩(wěn)定性。利用ANSYS軟件中的熱傳導(dǎo)的溫度模塊進(jìn)行滲流分析,利用ANSYS的APDL語言編制將滲透力轉(zhuǎn)化成等效節(jié)點(diǎn)力的控制程序;結(jié)合雙龍洞滑坡工程實(shí)例,對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證,取得了一些研究成果及結(jié)論。
①分析了雙龍洞滑坡在水位周期性波動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)水位波動(dòng)次數(shù)的不同水庫(kù)進(jìn)行分析,水位分別模擬了波動(dòng)1次、2次兩個(gè)周期,得到了滑坡體內(nèi)水頭分布、滲透壓力、位移等的變化分布情況,在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
②采用有限單元法求解,方法很直接,但是在求解過程中存在一些問題:首先,網(wǎng)格剖分問題,對(duì)網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)量限制,模型的單元格尺寸很大導(dǎo)致計(jì)算精度不高而出現(xiàn)異常,不滿足工程要求,網(wǎng)格剖分過小過密,計(jì)算困難,計(jì)算時(shí)間長(zhǎng),對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高,浪費(fèi)時(shí)間;再次,在非穩(wěn)定滲流場(chǎng)中,飽和-非飽和介質(zhì)的容水度(儲(chǔ)水系數(shù))對(duì)滲流場(chǎng)的影響很大,容水度大浸潤(rùn)線變化緩慢,容水度小浸潤(rùn)線變化快,而該系數(shù)的試驗(yàn)確定方法目前的研究很少。
③對(duì)于雙場(chǎng)耦合目前研究尚處于起步階段,各個(gè)理論還不成熟,目前數(shù)值計(jì)算主要以間接耦合為主,能夠直接耦合計(jì)算的軟件目前比較少;間接耦合過程中,計(jì)算時(shí)步長(zhǎng)度的確定是間接耦合的關(guān)鍵。
④庫(kù)水周期性作用下的滑坡在時(shí)間上是一個(gè)由多期次的、空間上巖性漸變的復(fù)雜的復(fù)合地質(zhì)變形體[5],作者為了能模擬庫(kù)水波動(dòng)時(shí)坡體內(nèi)部耦合效應(yīng),作了一些地質(zhì)模型上的簡(jiǎn)化,由于硬件的限制僅作了二維研究。在以后研究中,如何建立本質(zhì)上反映應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合三維模型,并進(jìn)行數(shù)值分析,是一個(gè)值得深入研究的問題。
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