水位驟降條件下含砂層堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

陳 亮，巨能攀，趙建軍

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 引言

砂土等非粘性土，其強(qiáng)度(有效抗剪強(qiáng)度、變形強(qiáng)度)在遇水濕化后均出現(xiàn)不同幅度的降低現(xiàn)象［1-2］。同時，含砂層堆積體變形及穩(wěn)定性問題一直是地質(zhì)工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題之一，特別是在水利水電工程中，庫區(qū)含砂層堆積體邊坡的穩(wěn)定性往往成為工程建設(shè)和安全運(yùn)營的關(guān)鍵。在我國西南的金沙江及其主要支流(雅礱江、大渡河、岷江)蘊(yùn)含有豐富的水利水電資源［3-4］，然而，這些地區(qū)也是新構(gòu)造運(yùn)動活躍的地區(qū):河道抬升，河流下切。從而導(dǎo)致這些地區(qū)形成的堆積體下伏往往含有一層具有一定厚度、展布不均勻［5-6］的河流相砂層。

目前，已有許多學(xué)者對這種含砂層堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了卓有成效的研究工作。一般認(rèn)為:在河流水位穩(wěn)定不變，砂層處于天然含水量的情況下，該類堆積體邊坡的整體穩(wěn)定性狀態(tài)較好;但在河水位抬升及驟降的狀態(tài)下，砂層孔隙水壓力的變化對邊坡穩(wěn)定性將造成重大影響，這對河流沿岸將帶來重大工程地質(zhì)問題［7-11］，因此，對該類型邊坡穩(wěn)定性變化的研究具有重要意義。

本文以西南某水電站庫區(qū)堆積體邊坡為例，在工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特征調(diào)查的基礎(chǔ)上;采用有限元方法(FEM)和極限平衡法(LEM)相互結(jié)合的方式，分析了該堆積體在水位驟降條件下穩(wěn)定性變化趨勢;并采用含砂層(原始邊坡模型)和不含砂層(理想邊坡模型)兩個邊坡模型對比的方式，對砂層對該堆積體邊坡的穩(wěn)定性的影響做了較為深入的分析和探討。

1 工程概況

研究區(qū)地處青藏高原東南緣橫斷山脈東部地帶，“川滇菱形”斷塊內(nèi)部，地勢總體趨勢是北西高南東低，山頂高程為 3800～5800m，谷底高程 1650～2800m，屬高山深切割區(qū)。表現(xiàn)為典型的高山峽谷地貌景觀，河谷呈不對稱“V”型。

盡管區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，斷層、褶皺發(fā)育，但是，地處龍門山斷裂帶的最南端的該區(qū)域亦被認(rèn)為是構(gòu)造活動相對較穩(wěn)定［12］。在該研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)晚更新世以來的活動性斷裂，推測該區(qū)域發(fā)生6級以上強(qiáng)震的可能性較小。

該堆積體邊坡中地下水較為發(fā)育，主要為第四系覆蓋層中的孔隙水和砂板巖中的基巖裂隙水，根據(jù)鉆孔資料顯示，堆積體中有穩(wěn)定水位出露。該處地下水的補(bǔ)給途徑主要為大氣降水，排泄途徑主要為附近沖溝及前緣河流。

2 堆積體邊坡基本特征

2.1 空間形態(tài)特征

該堆積體邊坡在平面上呈不規(guī)則四邊形(圖1)，縱向上呈典型的“陡-緩-陡”地形地貌特征(圖2);中部為一緩坡平臺，坡度約19°;前緣、后緣坡度較陡，一般30°～45°，前緣臨河部位局部形成陡崖，具有較好的臨空面。邊坡堆積體分布高程:2167～2495m，順河寬約350m，橫河長約600m，體積約13.5×106m3。水庫蓄水后，前緣大部分堆積體位于正常蓄水位(高程2288.5m)以下，處于正常蓄水位以上的體積約8.7×106m3。

圖1 堆積體邊坡地貌特征Fig.1 Geomorphic features of the deposit slope

2.2 坡體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)物探及鉆探資料揭示，該堆積體邊坡下伏三疊系中統(tǒng)(T2)板巖、變質(zhì)砂巖互層，主要表現(xiàn)為灰色-灰黑色，巖性較單一，產(chǎn)狀:N25°～40°(W/SW∠75°～85°，表現(xiàn)為陡傾坡內(nèi);上覆第四系松散堆積物，厚度變化較大，大多30～90m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及對已有鉆孔資料的研究發(fā)現(xiàn)，該堆積體可明顯地劃分為3層(圖2):

第①層:分布于坡表，為一層厚20～60m的棕紅色、灰黃色塊碎石土，局部有一定的泥質(zhì)膠結(jié)，塊碎石粒徑一般2～10cm，偶夾大塊徑塊石(2～3m)，基本無磨圓，多為棱角～次棱角狀;第②層:為一層厚在14.7m左右的灰黃色碎石土，含砂較多，碎石粒徑較小，一般1～6cm，偶夾塊徑稍大塊石，磨圓較差;第③層:為一層厚10～30m的青灰色、灰白色粗砂、粉土夾碎石土層，碎石無磨圓、磨圓較差，粒徑一般0.5～3cm，含量較少，穩(wěn)定地下水位及發(fā)現(xiàn)在該層中。

圖2 堆積體邊坡典型剖面圖Fig.2 Typical profile of deposits slope

2.3 邊坡變形特征

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該堆積體邊坡并未發(fā)現(xiàn)整體變形破壞的跡象，僅在前緣較陡的局部地區(qū)出現(xiàn)小規(guī)模的垮塌。另外，從當(dāng)?shù)卮迕裉幜私獾?，在暴雨季?jié)，緩坡平臺—邊坡前緣過渡地段，地形較陡處曾出現(xiàn)寬10cm左右地表裂縫，裂縫深3～7m。截至現(xiàn)場調(diào)查時，該裂縫已自行閉合。

3 計算模型及物理力學(xué)參數(shù)

3.1 計算模型

根據(jù)前面對邊坡工程地質(zhì)條件的深入研究，邊坡計算模型可概化為兩種類型的材料(堆積體、基巖)。并且，采用含砂層堆積體邊坡模型(第①層、第②層、第③層堆積體)和不含砂層堆積體邊坡模型(第①層堆積體)對比計算的方法，來分析砂層對堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響。兩個計算模型尺寸均為:垂直河流方向長1010m(X軸方向)，高630m(Y軸方向，高程范圍2060～2690m)。本次二維有限元計算過程中，共劃分1158個單元，1195個節(jié)點(diǎn)(圖3)。

圖3 計算模型Fig.3 Model used in calculationa—含砂層邊坡;b—不含砂層邊坡

3.2 邊界條件

初始穩(wěn)定流狀態(tài):即水庫正常蓄水位條件，邊坡左右兩側(cè)施加定水頭邊界條件，其中左側(cè)為根據(jù)鉆孔監(jiān)測水位所推測的水頭高度，右側(cè)為正常蓄水位水頭高度(高程2 288.5m);

非穩(wěn)定流狀態(tài):即水位驟降條件，在初始穩(wěn)定流狀態(tài)的基礎(chǔ)上，在邊坡前緣蓄水范圍內(nèi)施加以2m/d下降的水位驟降邊界條件。

3.3 材料模型及物理力學(xué)參數(shù)

(1)材料模型的選取

首先:在Seep/W模擬計算時，邊坡堆積體(①、②、③ 層)均 采 用 飽 和/非 飽 和 (Saturated/Unsaturated)［13-15］材料模型，基巖采用飽和(Saturated Only)材料模型。其中，三層堆積體的土水特征曲線采用GEO-Studio軟件所提供的土水特征曲線模型進(jìn)行擬合。其中:第①層堆積體，采用進(jìn)氣值(AEV)［16］相對較大的粉質(zhì)粘土模型對土水特征曲線進(jìn)行擬合;第②層堆積體，采用進(jìn)氣值(AEV)相對稍小的粉砂模型對土水特征曲線進(jìn)行擬合;第③層堆積體，采用進(jìn)氣值(AEV)相對較小的砂模型對土水特征曲線圖進(jìn)行擬合。

其次:在Slope/W模擬計算中，基巖和邊坡堆積體(①、②、③層)材料本構(gòu)模型均選為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則均采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度準(zhǔn)則。并且，利用各土層擬合的土水特征曲線圖，考慮基質(zhì)吸力對該堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響。

(2)計算參數(shù)的選取

參數(shù)的正確選取是模型計算的基礎(chǔ)，本次模型計算中各層巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取，是在室內(nèi)、原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合工程類比［17］及相關(guān)手冊［18］，對參數(shù)進(jìn)行綜合取值(表1)。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 The physical and mechanical parameters table

4 計算結(jié)果分析

堆積體邊坡前緣河流天然水位高程2163.5m，水庫設(shè)計正常蓄水位高程2288.5m，蓄水深度125m。根據(jù)泄洪設(shè)定的水位驟降速率(2m/d)，從正常蓄水位降至死水位需要62.5d。因此，在模型計算時，設(shè)定63d泄洪完成，穩(wěn)定性計算持續(xù)至第83天，屆時，Seep/W模擬的地下水位線基本保持不變，認(rèn)為地下水位趨于穩(wěn)定。

從Slope/W模擬計算的結(jié)果(圖4 a)可以看出，該邊坡最危險滑面出現(xiàn)在斜坡前緣較陡處。潛在滑面入口處位于邊坡中部緩坡平臺前端，這與暴雨季節(jié)出現(xiàn)的地表裂縫位置基本一致;該滑面穿過邊坡堆積體中的第②、③層砂層，最后從坡腳部位剪出。

4.1 邊坡穩(wěn)定性變化趨勢

根據(jù)計算結(jié)果(圖4、圖5)分析可知，該堆積體邊坡潛在最危險滑面出現(xiàn)在坡體前緣較陡部位。在泄洪條件下，隨著水位驟降的進(jìn)行，其穩(wěn)定性系數(shù)呈降低、回升、穩(wěn)定的變化趨勢。其中，最低值出現(xiàn)在第24d(含砂層)、第10d(不含砂層)，其值分別為0.988(含砂層)、1.112(不含砂層);經(jīng)過穩(wěn)定性系數(shù)最低值后，其穩(wěn)定性系數(shù)開始逐漸回升，至泄洪完成后(63d以后)，穩(wěn)定性系數(shù)分別穩(wěn)定在1.064～1.080(含砂層)、1.255～1.260(不含砂層)。

圖4 潛在滑面及孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)位置圖Fig.4 The potential slip surface＆PWP monitoring point locationa—含砂層邊坡;b—不含砂層邊坡

4.2 砂層對邊坡穩(wěn)定性的影響

在泄洪條件下，為了準(zhǔn)確地分析出下伏砂層對堆積體邊坡穩(wěn)定性的影響，本次主要通過兩個計算模型(含砂層、不含砂層)的對比，并輔以孔隙水壓力監(jiān)測值的對比來進(jìn)行分析。其中，主要在潛在最危險滑面后半段，第②層、第③層含砂堆積體的位置布置孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)(圖5)。

圖5 穩(wěn)定性變化曲線圖Fig.5 The Stability variation curvea—含砂層邊坡;b—不含砂層邊坡

在水位驟降條件下，雖然，兩邊坡模型穩(wěn)定性變化趨勢存在一定的相似性，但是，他們的區(qū)別也是顯而易見的:

首先，含砂層堆積體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(1.012～1.080，最低0.988)始終表現(xiàn)為小于不含砂層邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)(1.144～1.260，最低1.112)。通過分析得出，這主要是由于砂層具有較低的抗剪強(qiáng)度造成的［19］;

其次，泄洪完成后，不含砂層堆積體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)將恢復(fù)至一個更高的值，表現(xiàn)為從1.112恢復(fù)至1.260;而含砂層邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)僅從0.988恢復(fù)至1.080。結(jié)合各土層土水特征曲線模型對比可以推測得出:在泄洪條件下(排水過程)，含砂層堆積體擁有更小的進(jìn)氣值和殘余含水量;并且，在達(dá)到殘余含水量的時候，含砂層堆積體的基質(zhì)吸力增量較不含砂層堆積體的基質(zhì)吸力增量小。這一現(xiàn)象通過孔隙水壓力的監(jiān)測曲線(圖6)也能清晰地反映出來:含砂層堆積體孔隙水壓力變化范圍為259～-158kPa(圖6 a);不含砂層堆積體孔隙水壓力變化范圍為260～-321kPa(圖6 b)，其中負(fù)的孔隙水壓力表現(xiàn)為基質(zhì)吸力。

最后，含砂層堆積體邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最小值出現(xiàn)的時間稍顯滯后，在泄洪開始后第24d，而不含砂層堆積體邊坡表現(xiàn)為第10d。通過分析得出，其主要原因是砂層在排水過程中，所提供的基質(zhì)吸力(負(fù)孔隙水壓力)較小(圖6)，所以含砂層堆積體邊坡在水位驟降的過程中，其穩(wěn)定性系數(shù)降低的現(xiàn)象會持續(xù)較長的時間(第24d)。

另外，根據(jù)含砂層堆積體邊坡孔隙水壓力監(jiān)測曲線可以看出(圖6 a)，在水位驟降第24d左右，孔隙水壓力監(jiān)測曲線出現(xiàn)一突兀的拐點(diǎn)，根據(jù)Kai Germer＆ Juergen Braun 的研究可知［20］，在該拐點(diǎn)處即是邊坡穩(wěn)定性最差的時刻，其發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性極大。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線圖Fig.6 PWP variation monitoring grapha—含砂層邊坡;b—不含砂層邊坡

5 結(jié)論

在泄洪條件下，該堆積體邊坡的穩(wěn)定性變化趨勢總體表現(xiàn)為先降低、再增加、最后穩(wěn)定的一個過程。砂層對邊坡穩(wěn)定性的影響是多方面因素共同作用的結(jié)果，包括強(qiáng)度和基質(zhì)吸力等因素:

(1)砂層具有相對較低的抗剪強(qiáng)度，與不含砂層堆積體邊坡相比，含砂層邊坡堆積體整體上穩(wěn)定性表現(xiàn)稍差;

(2)砂層在排水的過程中基質(zhì)吸力增量較小，與不含砂層堆積體邊坡相比，含砂層堆積體邊坡在泄洪完成后，其穩(wěn)定性系數(shù)增量相對較小。而且，含砂層堆積體邊坡在泄洪過程中，其穩(wěn)定性系數(shù)減小至最低值所需的時間更長(如該模型的24d)，即含砂層堆積體邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)開始恢復(fù)增加的時間更靠后;

(3)在水位驟降持續(xù)24d左右，含砂層堆積體邊坡的孔隙水壓力監(jiān)測曲線出現(xiàn)一拐點(diǎn)，該時刻該邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降至最低(0.988)，其發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性極大。

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