趙 飛

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 概 述

庫(kù)水水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定具有重要的影響，水庫(kù)蓄水改變了水庫(kù)邊坡的內(nèi)部環(huán)境，而水位的升降會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙水的流動(dòng)，進(jìn)而影響庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性能。

許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的研究成果。劉磊等[1]建立了降雨滲透模型，分析了不同降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)長(zhǎng)下坡體的穩(wěn)定性；江強(qiáng)強(qiáng)等[2]結(jié)合模型試驗(yàn)分析了降雨與水位升降耦合作用下，對(duì)三峽水庫(kù)庫(kù)岸邊坡的滑動(dòng)特性進(jìn)行研究；董金玉等[3]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的分析方法得到水電站庫(kù)區(qū)的邊坡力學(xué)參數(shù)，結(jié)合FLAC 3D數(shù)值分析模型分析了水庫(kù)水位升降對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞的影響機(jī)理；吳瓊等[4]利用理論分析的研究方法，分析了在降雨與水位升降作用下，庫(kù)岸邊坡坡體的浸潤(rùn)線(xiàn)的變化范圍；王騰飛等[5]利用理論分析與三軸壓縮試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，分析了土體在水的作用下抗剪強(qiáng)度的變化特征；梁學(xué)戰(zhàn)等[6]通過(guò)構(gòu)建模型試驗(yàn)的研究方法，研究了水庫(kù)邊坡在蓄水作用下，坡體裂隙的時(shí)空變化特征；羅紅明等[7]將土水特征曲線(xiàn)的多項(xiàng)式約束優(yōu)化模型與飽和-非飽和滲流數(shù)值模型相結(jié)合，分析了庫(kù)水位漲落對(duì)水庫(kù)邊坡地下滲流場(chǎng)的影響；莫偉偉等[8]基于水巖相互作用機(jī)理,分析了庫(kù)水漲落對(duì)滑坡巖土體的影響。

基于以上的研究成果，本文擬對(duì)平頂水庫(kù)庫(kù)岸邊坡建立三維數(shù)值分析模型，分析邊坡坡度、滲透系數(shù)、水位下降速率對(duì)坡體孔隙水壓力的影響以及庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。

2 模型建立

本研究以貴州省赫章縣安樂(lè)溪鄉(xiāng)平頂村境內(nèi)的平頂水庫(kù)為研究對(duì)象，該水庫(kù)一年中水位升降幅度為30 m。針對(duì)研究對(duì)象建立FLAC數(shù)值分析模型，根據(jù)相關(guān)資料，設(shè)坡高為h時(shí)，當(dāng)坡腳與左邊邊界的距離為1.5 h、坡頂與右邊邊界的距離為2.5 h、上邊界與下邊界的距離大于2 h時(shí)，建立的模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較高。建立網(wǎng)絡(luò)模型，見(jiàn)圖1，模型邊界的選取為：坡頂位置、水位以上位置為滲流邊界，其余邊界為自由水頭邊界，初始狀況下的水頭高度為60 m，模擬水位下降過(guò)程采用水位均勻下降的方式。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格單元

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，該庫(kù)岸邊破的滲透系數(shù)變化范圍為8.64×10-2～8.64 m/d，庫(kù)水水位下降的速率變化范圍為1～2 m/d。本研究以該庫(kù)岸邊坡的實(shí)際狀況為例，分析在不同參數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性，主要參數(shù)為：滲透系數(shù)分別取8.64×10-2、8.64×10-1、8.64 m/d，庫(kù)水水位下降的速率分別取1、1.5、2 m/d，庫(kù)岸邊坡坡度分別取15°、20°、30°，庫(kù)岸邊坡巖土結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角為23°，黏聚力為24 kPa。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 相流對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的影響

邊坡坡體的相關(guān)參數(shù)取值為：滲透系數(shù)8.64 m/d，庫(kù)水水位下降速率2 m/d，庫(kù)岸邊坡坡度30°，分析兩相流與單向流作用下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水位下降量高度的結(jié)果，見(jiàn)圖2。

分析圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)庫(kù)水水位下降高度相同時(shí)，兩相流的計(jì)算結(jié)果比單向流計(jì)算結(jié)果稍大。這主要是由于兩相流計(jì)算模式下基質(zhì)吸力不同所引起的，兩相流計(jì)算模式下，邊坡坡體內(nèi)部的滲流場(chǎng)與孔壓場(chǎng)發(fā)生了變化，進(jìn)而引起在上部坡體內(nèi)部出現(xiàn)較大范圍的非飽和狀態(tài)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，基質(zhì)吸力增大，從而該區(qū)域內(nèi)抗破壞能力增強(qiáng)，穩(wěn)定性提高，兩相流的基質(zhì)吸力作用與實(shí)際更加符合。因而，本研究采用兩相流計(jì)算模式對(duì)平頂水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2 不同工況下滲流分析

在庫(kù)水水位下降過(guò)程中，為了分析不同影響因素對(duì)平頂水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性的作用效果，將孔隙水壓力作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)以下3種工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。3種工況下的參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 不同工況下對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值

工況一的3種不同庫(kù)水水位下降速率條件下的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。在水位下降過(guò)程中，坡體外部的水壓力值降低，引起坡體內(nèi)部的水壓力值大于坡體外部，水在坡體內(nèi)部流動(dòng)，從而改變坡體內(nèi)部的孔隙水壓力。同時(shí)，由于水壓力的作用下，坡體內(nèi)部逐漸由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，導(dǎo)致坡體內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力，對(duì)于不同庫(kù)水水位下降速率的模擬結(jié)果，在邊坡相同位置處孔隙水壓力之相差不大。因而，在合理的庫(kù)水水位下降速率調(diào)配下，對(duì)滲流作用的土體孔隙水壓力影響不大。

圖3 不同庫(kù)水水位下降速率的孔隙水壓力等值線(xiàn)

工況二的3種不同滲透系數(shù)條件下的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。不同滲透系數(shù)對(duì)孔隙水壓力的影響較大，當(dāng)滲透系數(shù)值k=8.64 m/d時(shí)，隨著水位的下降，由于滲透系數(shù)值較大，孔隙水壓力消散較快，因而坡體內(nèi)外部的孔隙水壓力值保持平均水平，孔隙水壓力值均值線(xiàn)未出現(xiàn)較大幅度的上下波動(dòng)，且在坡體上部出現(xiàn)較大范圍的負(fù)孔隙水壓力區(qū)；當(dāng)滲透系數(shù)值k=0.086 4 m/d時(shí)，隨著水位的下降，由于滲透系數(shù)值較小，坡體內(nèi)的水不能及時(shí)排出，孔隙水壓力消散較慢，土體內(nèi)存在較大范圍飽和區(qū)，且坡體上部負(fù)孔隙水壓力區(qū)較小。

圖4 不同滲透系數(shù)的孔隙水壓力等值線(xiàn)

工況三的3種不同庫(kù)岸邊坡坡度條件下的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。隨著邊坡坡度增大，庫(kù)岸邊坡底部孔隙水壓力等值線(xiàn)分布更加集中，同等高度水壓力差逐漸越大，因而邊坡坡度越大越有利于坡體內(nèi)應(yīng)力的消散。

圖5 不同邊坡坡度的孔隙水壓力等值線(xiàn)

4 正交試驗(yàn)下不同邊坡穩(wěn)定影響因素的分析

庫(kù)水水位下降會(huì)引起邊坡坡體內(nèi)部滲流場(chǎng)出現(xiàn)負(fù)的孔隙水壓力，同時(shí)庫(kù)水水位下降過(guò)程中孔隙水壓力消散較慢，進(jìn)而導(dǎo)致庫(kù)水邊坡的失穩(wěn)破壞。對(duì)于常規(guī)3種影響因素的分析會(huì)產(chǎn)生27種組合，對(duì)于正交試驗(yàn)可以有效減小組合試驗(yàn)的次數(shù)，只需要進(jìn)行9組試驗(yàn)即可，對(duì)3種因素分為3個(gè)水平等級(jí)。見(jiàn)表2。

表2 因素水平分級(jí)表

將3個(gè)等級(jí)的因素進(jìn)行組合得到9種組合結(jié)果，見(jiàn)表3。在不同種組合狀況下，平頂水庫(kù)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨水位下降高度變化見(jiàn)圖6。

表3 正交試驗(yàn)方案組合

圖6 不同組合因素下的穩(wěn)定系數(shù)

分析圖6，主要得到以下結(jié)果：

1) 9種因素組合下的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位高度下降均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)(組合3除外，由于當(dāng)下降高度逐漸增大時(shí)，該因素組合下邊坡坡體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞)，隨著庫(kù)水水位下降，邊坡坡體穩(wěn)定性系數(shù)總體上是下降的，在H=20 m左右時(shí)存在最小值。

2) 分析3種因素對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，影響效果最大的是庫(kù)水水位下降的速率v。當(dāng)該研究邊坡的滲透系數(shù)k和庫(kù)岸邊坡坡度β均保持不變時(shí)，隨著庫(kù)水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同時(shí)，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性最差。

3) 庫(kù)岸邊坡坡度β的變化直接影響著庫(kù)岸邊坡坡體的初始應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)坡度β由15°增大至30°時(shí)，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)由2.68降低至1.63，初始應(yīng)力狀態(tài)的改變直接影響著滑坡體內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 當(dāng)初始應(yīng)力狀態(tài)相同時(shí)即庫(kù)岸邊坡坡度β相同的情況下，在其他條件相同的情況下，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著滲透系數(shù)k的減小逐漸降低，當(dāng)滲透系數(shù)k=0.086 4 m/d時(shí)，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小。這主要是由于滲透系數(shù)小于庫(kù)水水位下降的速率v時(shí)，坡體內(nèi)水壓力產(chǎn)生滯后反應(yīng)，坡體內(nèi)部水壓力上升，基質(zhì)吸力增加幅度較小，因而邊坡穩(wěn)定系數(shù)也明顯降低。對(duì)于組合1、6、8，該組合下滲透系數(shù)k大于庫(kù)水水位下降的速率v，該庫(kù)岸邊坡坡體穩(wěn)定系數(shù)明顯較其它組合下的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)大。

5 結(jié) 論

本文以平頂水庫(kù)作為研究對(duì)象，對(duì)該水庫(kù)庫(kù)岸邊坡建立FLAC數(shù)值分析模型，分析了相流對(duì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的影響、不同工況下的孔隙水壓力變化以及采用正交試驗(yàn)對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的因素進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

1) 基質(zhì)吸力是影響岸坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，采用兩相流的分析方法，基質(zhì)吸力作用與實(shí)際更加符合。

2) 在合理的庫(kù)水水位下降速率調(diào)配下，對(duì)滲流作用的土體孔隙水壓力影響不大，滲透系數(shù)對(duì)孔隙水壓力的影響較大，邊坡坡度越大越有利于坡體內(nèi)應(yīng)力的消散。

3) 庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位高度下降呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，最小值位于H=20 m左右。隨著庫(kù)水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同時(shí)，庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性最差；庫(kù)岸邊坡坡度β是庫(kù)岸邊坡坡體初始應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵影響因素；滲透系數(shù)k與水位下降速率v的相對(duì)值是邊坡穩(wěn)定系數(shù)的重要影響因素。