水庫(kù)水位上升條件下滲透系數(shù)對(duì)順層滑坡的穩(wěn)定性分析

王 幸 林

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶　400016)

1　概述

順層邊坡在自然界十分常見(jiàn)，當(dāng)順層邊坡處于水庫(kù)庫(kù)岸時(shí)，就形成了順層庫(kù)岸邊坡。順層庫(kù)岸邊坡在水庫(kù)水位變化時(shí)非常容易發(fā)生滑坡，是工程上最為關(guān)注的巖質(zhì)邊坡類型，其穩(wěn)定問(wèn)題復(fù)雜而突出。國(guó)內(nèi)外對(duì)滑坡的調(diào)查結(jié)果表明：水庫(kù)水位變化時(shí)滑坡體內(nèi)瞬態(tài)孔隙水壓力的時(shí)空分布對(duì)滑坡體的變形及穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，水庫(kù)水位的上升導(dǎo)致部分滑帶飽水后強(qiáng)度降低，滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力降低[1，2]。由于庫(kù)岸順層滑坡在水庫(kù)水位變化時(shí)的失穩(wěn)機(jī)制較復(fù)雜，破壞后的危害性較大，因此其穩(wěn)定性的研究對(duì)水庫(kù)庫(kù)岸地區(qū)的工程建設(shè)具有重大工程意義[1，2]。

因此，為了分析水庫(kù)水位上升對(duì)順層庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響，本文以某典型順層庫(kù)岸巖質(zhì)滑坡為工程背景，采用GEO-SLOPE有限元計(jì)算軟件，通過(guò)研究不同滲透系數(shù)下的邊坡巖土體在水庫(kù)水位上升條件下邊坡體內(nèi)滲流場(chǎng)的變化，并在此滲流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)順層滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了順層滑坡在水庫(kù)水位變化條件下的安全系數(shù)和邊坡巖土體的滲透系數(shù)之間的關(guān)系，為順層庫(kù)岸滑坡的邊坡穩(wěn)定性分析提供了可靠依據(jù)。

2　計(jì)算分析理論與方法

2.1　滲流計(jì)算理論

非飽和土的滲流系數(shù)K不是常量，而是飽和度的函數(shù)[3]。在多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)中應(yīng)用質(zhì)量守恒原理，可得到其連續(xù)方程。結(jié)合連續(xù)方程和達(dá)西定律可推導(dǎo)出水分在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的基本方程。

2.2　穩(wěn)定性計(jì)算理論及方法

本文采用GEO/SLOPE/W有限元分析軟件，計(jì)算順層滑坡在水庫(kù)庫(kù)水位上升時(shí)的邊坡穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)選用的方法理論為極限平衡法中同時(shí)考慮力和力矩平衡的較完備的摩根斯坦—普萊斯法[3]。

3　計(jì)算模型及參數(shù)確定

3.1　順層邊坡計(jì)算模型的簡(jiǎn)化

根據(jù)順向?qū)訝顜r質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)值模擬采用了如圖1所示的簡(jiǎn)化邊坡模型。假定邊坡內(nèi)部存在如圖1所示的層間錯(cuò)動(dòng)帶。其中α為巖層傾角，α=31°，邊坡傾角θ=40°。計(jì)算模型共3 325個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 211個(gè)四邊形單元，其計(jì)算網(wǎng)格圖如圖2所示。

3.2　計(jì)算參數(shù)的確定

本文根據(jù)《實(shí)用土木工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中的滲透等級(jí)分類[4]，選取滲透性為中等、弱、微、極微4種情況，選擇了滲透系數(shù)從5e-4 m/s～1e-7 m/s的4個(gè)數(shù)量等級(jí)，8種不同的滲透系數(shù)分別為：1)5.0e-4和1.0e-4；2)5.0e-5和1.0e-5；3)5.0e-6和1.0e-6；4)5.0e-7和1.0e-7。其他各層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　順層滑坡的物理力學(xué)參數(shù)表

本文分析所采用土—水特征曲線見(jiàn)圖3。在此基礎(chǔ)上，采用工程類比法[5-8]，根據(jù)滲透系數(shù)推導(dǎo)出的滲透性函數(shù)如圖4所示。

3.3　計(jì)算工況和邊界條件

本文按照水庫(kù)運(yùn)營(yíng)時(shí)的水位調(diào)節(jié)方案，選擇庫(kù)水位從145 m以2 m/d的上升速率上升至175 m的工況作為計(jì)算工況[9-12]。

計(jì)算模型的邊界條件為：選取底面為不透水邊界，左邊界初始地下水位線以下為定水頭邊界，右邊界從底部至175 m水位線之間為水位隨時(shí)間變化的變水頭邊界。

4　數(shù)值計(jì)算與分析

4.1　初始地下水位線的確定

本文采用穩(wěn)定滲流模型來(lái)獲得初始滲流場(chǎng)條件。在庫(kù)水位由145 m上升到175 m過(guò)程中，假設(shè)邊坡左邊界高程H=145 m以下為固定水位邊界，計(jì)算其滲流場(chǎng)作為的初始條件。

4.2　計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，可獲得水庫(kù)水位以2 m/d的速率從145 m上升到175 m時(shí)各時(shí)間內(nèi)滑坡體內(nèi)的滲流場(chǎng)，為了便于觀看，僅給出第0天、第1天、第5天、第10天和第15天時(shí)的地下水位線。為了使模擬結(jié)果得到更清晰的顯示，在圖中對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行放大顯示。

圖5,圖6分別為水庫(kù)水位上升速率為2 m/d條件下，K=5e-4 m/s和K=5e-7 m/s兩種不同滲透系數(shù)的邊坡巖土體的滲流場(chǎng)的變化。不同地下水位線上的數(shù)字表示水庫(kù)水位上升后對(duì)應(yīng)的時(shí)間(按天計(jì))，0為初始地下水位線。

從圖5，圖6可以看出，滲透系數(shù)對(duì)順層庫(kù)岸滑坡的滲流場(chǎng)有明顯的影響，滲透系數(shù)越大，滑坡前部地下水位線整體形態(tài)上升變化幅度越大，變化越明顯。

對(duì)于滲透系數(shù)為K=5e-4 m/s的邊坡巖土體，當(dāng)庫(kù)水位從145 m上升到175 m完成時(shí)，邊坡的前部地下水位線上升幅度非常大，變化非常明顯，地下水位線能夠迅速的同庫(kù)水位快速上升，其變化過(guò)程與庫(kù)水位變化過(guò)程具有同步特點(diǎn)。而隨著滲透系數(shù)的減小，前部地下水位線上升變化越來(lái)越緩慢，地下水位上升幅度也變得越來(lái)越小，當(dāng)滲透系數(shù)減小到K=5e-7 m/s時(shí)，在庫(kù)水位從145 m上升到175 m完成時(shí)，前部地下水位線上升變化非常小，地下水位上升幅度也變得非常不明顯，說(shuō)明地下水位變化具有明顯的滯后特點(diǎn)。

滲透系數(shù)對(duì)邊坡巖土體的滲流場(chǎng)有明顯的影響，同時(shí)也對(duì)庫(kù)岸邊坡的安全系數(shù)有重要的影響。結(jié)合SEEP/W的計(jì)算水位，應(yīng)用SLOOPE/W算出邊坡在庫(kù)水位上升至175 m時(shí)，不同滲透系數(shù)條件下的邊坡安全系數(shù)如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出滲透系數(shù)—安全系數(shù)曲線見(jiàn)圖7。

表2　水位上升至175 m時(shí)不同滲透系數(shù)的邊坡安全系數(shù)表

從圖7可知：在庫(kù)水位上升時(shí)，隨著滲透系數(shù)的逐漸增大，邊坡的安全系數(shù)逐漸的減小。這是由于隨著滲透系數(shù)的逐漸增大，邊坡的前部地下水位線也在逐漸的抬高，導(dǎo)致邊坡巖土體的浸水面積增加，滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力降低，部分順層滑坡的上層巖土體飽水后強(qiáng)度降低，不利于穩(wěn)定，從而導(dǎo)致邊坡巖土體內(nèi)的安全系數(shù)逐漸的減小。

5　結(jié)論

1)滲透系數(shù)對(duì)邊坡巖土體的滲流場(chǎng)有明顯的影響，滲透系數(shù)越大，邊坡巖土體的滲透性越來(lái)越好，邊坡的前部地下水位線整體形態(tài)上升變化幅度越大，變化越明顯。當(dāng)滲透系數(shù)較大時(shí)，邊坡的前部地下水位線變化非常明顯，地下水位上升幅度非常大，地下水位線能夠迅速的同庫(kù)水位快速上升，其變化過(guò)程與庫(kù)水位變化過(guò)程具有同步特點(diǎn)。而隨著滲透系數(shù)的減小，前部地下水位線上升變化越緩慢，地下水位上升幅度也變得越來(lái)越小，具有明顯的滯后現(xiàn)象。

2)滲透系數(shù)同時(shí)也對(duì)庫(kù)岸邊坡的安全系數(shù)有重要的影響?；麦w穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)與其滲透系數(shù)密切相關(guān)，對(duì)于不同滲透系數(shù)的庫(kù)岸邊坡巖土體，在庫(kù)水位上升到相同的位置時(shí)，滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越高。即滲透系數(shù)對(duì)于庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性影響，并不是簡(jiǎn)單的認(rèn)為滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越低，而應(yīng)該結(jié)合庫(kù)岸邊坡的水位變化情況來(lái)定。因此，巖土體的滲透性差對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性影響并不總是不利的，這與傳統(tǒng)的認(rèn)為滲透系數(shù)越小，則安全系數(shù)越低的論斷是不同的。