劉中才

(西藏眾興工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，西藏 山南 856100)

當(dāng)前，已建和在建的水利工程數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，我國水庫數(shù)量逐漸增加[1]。水庫建成蓄水后水位逐漸上升，造成山體長期浸泡在水中，水位反復(fù)升降直接削弱了山巖土體的各類力學(xué)強(qiáng)度，非常容易造成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，這直接影響到水利樞紐工程的運(yùn)行安全[2-4]。

因此，評估不同水位時涉水岸坡巖體的各項(xiàng)非線性特征顯得尤為重要。極限平衡法包含瑞典圓弧法、費(fèi)倫紐斯(Fellenius)法和簡布(Janbu)法等[5-7]。而數(shù)值分析法包含了有限元法和離散元法等[8-9]。剛體極限平衡法由于僅能計(jì)算出穩(wěn)定安全系數(shù)和滑弧，難以分析邊坡內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變特征而受到一定的限制。而數(shù)值分析法，按相同比例折減巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力[10]，理論上存在缺陷。本文結(jié)合了數(shù)值有限元分析法，提出采用重度增加法計(jì)算分析某涉水岸坡的穩(wěn)定性，旨在為該邊坡工程的安全評估提供參考和借鑒。

1 研究方法

1.1 滲流計(jì)算原理

有限元法滲流計(jì)算基本機(jī)理：根據(jù)滲流作用力概念，將作用在滑動面上和劃分土塊表面的水壓力轉(zhuǎn)換為等價(jià)的體積力。把各節(jié)點(diǎn)水頭值換算成各單元滲透力，不需要考慮各單元體接觸面邊界上的孔隙水壓力和邊坡外水壓力。滑坡體中的地下水位隨水庫、河谷水位升降而變化，因而在滑坡體中就會形成飽和區(qū)和非飽和區(qū)。非飽和區(qū)土壤水與飽和區(qū)地下水運(yùn)動密切相關(guān)，因此，由于水流運(yùn)動導(dǎo)致邊坡巖土體狀態(tài)改變即為飽和與非飽和滲流問題，其滲透各向異性的飽和與非飽和滲流控制方程如式(1)、式(2)所示[11-13]：

(1)

(2)

式中：x、y表示位置坐標(biāo)；Kx、Ky分別為巖土體的水平和垂直方向的滲透系數(shù)；ρw為水的密度；mw為釋水系數(shù)；Q為邊界流量；θw為體積含水率，ua為孔隙氣壓力，uw為孔隙水壓力，h為壓力水頭，t為時間。

1.2 穩(wěn)定計(jì)算原理

計(jì)算工具采用巖土有限元軟件PLAXIS，對該涉水岸坡的應(yīng)力應(yīng)變和穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算和分析。該軟件包含豐富的巖土體本構(gòu)模型，可以應(yīng)用于各類計(jì)算工況[14]。

鑒于當(dāng)前邊坡穩(wěn)定性方法均存在一定的理論缺陷問題，本文中邊坡穩(wěn)定性分析時結(jié)合有限元數(shù)值分析法，采用有限元重度增加法[15-16]來分析邊坡的穩(wěn)定性。由于有限元重度增加法僅需要梯度增加重度大小數(shù)值，然后不斷循環(huán)迭代計(jì)算，直到有限元計(jì)算不收斂或者節(jié)點(diǎn)位移突變作為判別條件，此時重度數(shù)值增加的倍數(shù)即定義為邊坡的安全系數(shù)，相比于強(qiáng)度折減法更為可靠，重度增加法計(jì)算式如式(3)所示：

(3)

式中：Fs為重度增加法定義的安全系數(shù)，γ為自然條件下邊坡巖土體的重度，γ′為根據(jù)梯級倍數(shù)增加后達(dá)到臨界狀態(tài)時邊坡巖土體的重度。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算模型前處理

本次研究的邊坡對象位于西藏江達(dá)縣境內(nèi)，由于含泥量較高，屬于強(qiáng)風(fēng)化山體，山體的結(jié)構(gòu)主要包含土、碎石和塊石。該邊坡頂部高程約3650 m，坡腳高程約2930 m，邊坡坡度平均33°。岸坡山體表層為碎石土，最大厚度超過50 m，邊坡基礎(chǔ)部分為弱風(fēng)化巖體。該涉水邊坡剖面及網(wǎng)格劃分情況見圖1。參照巖土試驗(yàn)結(jié)果，獲得了該岸坡碎石土和弱風(fēng)化基巖的有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)，見下表1所示。

表1 涉水岸坡模型有限元計(jì)算力學(xué)參數(shù)

采用有限元重度增加法計(jì)算前，設(shè)置了不同水位的計(jì)算工況，分析了三種不同庫水位，高程分別為2950 m、2930 m、2910 m。本次計(jì)算主要考慮穩(wěn)定滲流工況，不計(jì)算非穩(wěn)定滲流，即認(rèn)為巖土體內(nèi)部水位隨著外面水位變化，與之保持一致，不存在滯后的現(xiàn)象。采用重度增加法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時同時涉及表層碎石土和弱風(fēng)化基巖的重度參數(shù)改變。巖土體材料模型選用摩爾庫倫模型，從而可以考慮涉水岸坡的非線性特征。

2.2 岸坡應(yīng)力應(yīng)變分析

分析計(jì)算了庫水位2950 m、2930 m、2910 m時該涉水邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征。其中，應(yīng)力為剪切應(yīng)力，應(yīng)變?yōu)榧羟锌倯?yīng)變。由于坡體強(qiáng)度主要由抗剪強(qiáng)度進(jìn)行反應(yīng)和體現(xiàn)，因此，邊坡應(yīng)力應(yīng)變分析以剪應(yīng)力和總應(yīng)變?yōu)橹?。圖2為不同水位時邊坡的剪應(yīng)力分布情況，分析可知，三種情況下山體巖體內(nèi)部的剪應(yīng)力分布情況比較一致，表層碎石土整體出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，剪應(yīng)力非常小，介于200～-200 kPa之間，正值受拉，負(fù)值受壓。當(dāng)水位為2950 m和2930 m時，在高程3430 m附近出現(xiàn)了較大的正值剪應(yīng)力，大約1900 kPa，此處巖層分界坡度較陡，極易出現(xiàn)斷層錯位。當(dāng)水位為2910 m時，在高程3430 m處的剪應(yīng)力相對減小，僅為1800 kPa。三種水位下剪應(yīng)力的最大值均位于模型底部居中位置，越往山體內(nèi)部走剪應(yīng)力數(shù)值越小，這對該岸坡的表層滑動影響很小，基本可以忽略不計(jì)。以上分析說明，在不同蓄水位時涉水岸坡的應(yīng)力狀態(tài)差別很小，且表層碎石土應(yīng)力松弛現(xiàn)象較為明顯，當(dāng)在外界自然條件作用下，在坡度較陡的位置容易發(fā)生局部垮塌，應(yīng)引起關(guān)注。

圖2 不同水位時涉水岸坡剪應(yīng)力分布

圖3為不同水位時邊坡的總應(yīng)變分布情況，陰影部位范圍大小反映了總應(yīng)變大小。分析可知，三種水位情況下山體巖體內(nèi)部的總應(yīng)變分布情況差別較大。庫水位為2950 m時總應(yīng)變分布范圍最大，主要分布在巖層分界線兩側(cè)，剪應(yīng)變集中高程在3380～3480 m，3380 m以下往坡腳位置總應(yīng)變范圍逐漸減小。當(dāng)庫水位為2930 m時此處的總應(yīng)變分布量相比2950 m時大大減小，但坡體中部基本沒有發(fā)生應(yīng)變。當(dāng)庫水位為2910 m時，在高程3380～3480 m的總應(yīng)變分布量與2930 m時相差不大，但坡腳位置附近的剪應(yīng)變基本消失，中部同樣也沒有發(fā)生剪切應(yīng)變。分析說明，在不同蓄水位時涉水坡體內(nèi)部的剪應(yīng)變分布范圍區(qū)別相差較大，主要體現(xiàn)在涉水邊坡的中上部位、巖層分界線坡度較陡的位置。

圖3 不同水位時涉水岸坡總應(yīng)變分布

2.3 岸坡穩(wěn)定性分析

基于數(shù)值有限元分析基本原理，采用重度增加法計(jì)算了不同水位時該岸坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，見表2。庫水位在2950 m時，岸坡的安全系數(shù)僅為1.145，穩(wěn)定性較差。庫水位2930 m時，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.248，庫水位為2910 m時，邊坡的安全系數(shù)最大，為1.259。在穩(wěn)定滲流條件下，蓄水位越高，涉水邊坡的穩(wěn)定性反而越差，因?yàn)樾钏辉礁?，水體浸泡的邊坡巖體也越多，導(dǎo)致巖體抗剪強(qiáng)度降低。同時，根據(jù)重度增加法的計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)出了三種水位時涉水岸坡的最不利滑裂面，發(fā)現(xiàn)不同水位時的邊坡滑裂面完全相同，滑裂面起于邊坡臨空面頂部，內(nèi)部與巖層分界線相切，剪出口位于坡面中下部。圖4僅給出了蓄水水位2930 m時該涉水岸坡的最不利滑裂面。

表2 涉水岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖4 岸坡水位2930 m時最不利滑裂面

3 結(jié) 論

本文針對西藏某涉水岸坡的穩(wěn)定性問題，以有限元軟件PLAXIS為計(jì)算平臺，結(jié)合數(shù)值有限元分析法，提出采用有限元重度增加法分析邊坡在不同蓄水位時的巖土體應(yīng)力應(yīng)變特征，并且定量計(jì)算不同水位工況時的岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)，得到以下結(jié)論。

(1)不同蓄水位時涉水岸坡的剪應(yīng)力狀態(tài)差別很小，僅在巖層分界線處存在局部差異。

(2)不同蓄水位時坡體內(nèi)部剪應(yīng)變分布區(qū)別相差較大，蓄水位越高，剪應(yīng)變分布量越大，在最高水位2950 m時剪應(yīng)變集中在高程3380～3480 m的巖層分界線處。

(3)當(dāng)山體內(nèi)部處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)時，蓄水位越高，邊坡的穩(wěn)定性越差，最高水位和最低水位安全系數(shù)相差可達(dá)10%。

(4)三種水位時的邊坡滑裂面完全相同，起于邊坡臨空面頂部，內(nèi)部與巖層分界線相切，剪出口位于坡面中下部。

證明了該岸坡在高水位時穩(wěn)定性欠佳，遇到暴雨地震等特殊工況時存在滑動的可能，且滑動模式屬于高位滑坡，因此該涉水岸坡的治理應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注坡體中上部位。