水電工程水文地質(zhì)崩塌數(shù)值分析研究

杜華宇

摘 要：本研究建立水電工程崩塌地之地層滑動與水文地質(zhì)條件之關(guān)聯(lián)性，并了解水文地質(zhì)因素及特性對工程地滑動之影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水力-力學(xué)特性之異質(zhì)性與異向性，對于水電工程暴雨誘發(fā)之滑動扮演重要角色。

關(guān)鍵詞：水電工程 崩塌地 水文地質(zhì) 數(shù)值模型 研究

中圖分類號： TV221 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0048-01

1 研究方法

本研究根據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)查、鉆探巖心紀(jì)錄及巖心粒徑分析資料，以建立研究區(qū)地質(zhì)剖面之現(xiàn)況水文地質(zhì)概念模型，藉由現(xiàn)地水壓計(jì)監(jiān)測資料校正現(xiàn)況水文地質(zhì)概念模型與地層水力參數(shù)。并利用校正后之水文地質(zhì)數(shù)值模式與地層水力參數(shù)進(jìn)行崩塌前之滲流模擬及第一階滑動情形邊坡穩(wěn)定逆分析以校正地層強(qiáng)度參數(shù)。校正后之地層水力參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)，再經(jīng)由第二階邊坡滑動及第三階邊坡滑動水文地質(zhì)數(shù)值模式再行驗(yàn)證，以確保水文地質(zhì)概念模型與地層水力參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)之合理性。

2 數(shù)值程序簡介

Seep/W為有限元素程序可分析飽和與未飽和狀態(tài)下土壤滲流問題，其將土壤所具有水力傳導(dǎo)值、體積含水量值與孔隙水壓力之關(guān)系以聯(lián)續(xù)性函數(shù)呈現(xiàn)且藉此進(jìn)行分析運(yùn)算。于Seep/W運(yùn)算分析方式分為不考慮時間之穩(wěn)態(tài)分析和考慮時階之瞬時分析兩種。穩(wěn)態(tài)分析之結(jié)果，即為達(dá)到長期穩(wěn)定狀態(tài)之結(jié)果；瞬時分析之結(jié)果，則為依設(shè)定時階（TimeStep）運(yùn)算出特定時間之結(jié)果。

Seep/W滲流分析中需輸入土壤參數(shù)為水力傳導(dǎo)函數(shù)及體積含水量函數(shù)，此二參數(shù)彼此相互關(guān)聯(lián)影響；邊界條件之設(shè)定有：總水頭值、壓力水頭值、總通量值及單位通量值等四種，而邊界條件可以函數(shù)輸入如降雨條件之輸入或變水頭條件等，此函數(shù)稱之為邊界條件函數(shù)，分析結(jié)果呈現(xiàn)方式分別為水頭、總通量及單位通量與時間之關(guān)系式并可顯示水流路徑、流速大小及地下水水位面可依需求加以設(shè)定。

Slope/W為邊坡穩(wěn)定分析程式，可分析簡單或復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題，其分析原理系采二維極限平衡理論，主要以切片法進(jìn)行邊坡分析與安全系數(shù)計(jì)算。極限平衡法采用靜力方程式來求解安全系數(shù)，其中以力矩平衡或力平衡及適當(dāng)之假設(shè)可以推導(dǎo)出邊坡之安全系數(shù)。而切片法可視為此極限平衡法的特例，對于所選定的滑動面而言，安全系數(shù)即為一個用來折減土體剪力強(qiáng)度的系數(shù)，以便使土體進(jìn)入極限平衡狀態(tài)。

3 現(xiàn)況水文地質(zhì)概念模式的建立

3.1 研究剖面選定

地質(zhì)剖面為本研究之剖面邊坡，本剖面地形可分為三階非同時發(fā)生之不聯(lián)續(xù)崩滑體，依序由下而上可分為第一階滑動、第二階滑動與第三階滑動。針對某水電工程塌地之水文地質(zhì)進(jìn)行探討，考量地下水滲流方向、來源、現(xiàn)地地層滲流邊界及地形、地層特征，地質(zhì)剖面向北延伸至背斜位置形成L-L地質(zhì)剖面，以確保水文地質(zhì)及滲流之完整。本研究將以延伸后之L-L剖面為探討對象及分析之代表剖面。

3.2 邊界條件

（1）三處邊界。

本分析之L-L剖面最右邊（L5-L6）已延伸至背斜位置，因背斜之地層特征及水文特性，假設(shè)背斜軸為滲流之最頂處，越過背斜軸無滲流流入剖面中來，即為無滲流行為其總滲流量皆為零之不透水邊界。底部邊界（L1-L5）設(shè)定于底部之砂巖SS4與厚層泥巖SM2交界面往下10 m之深度為底部邊界位置（L1-L6），主要考量厚層泥巖SM2其水力傳導(dǎo)系數(shù)甚?。╧=1×10-7 cm/sec），原假設(shè)為無滲流行為，但實(shí)際進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)厚層泥巖仍有少許滲流，因此本分析將厚層泥巖SM2加入本分析中，分析深度設(shè)定左側(cè)邊界往下10 m位置后（L1）水平延伸至L6位置。剖面最左邊為河道中央視為地下水流之分界線，亦視為一不透水邊界。

（2）邊坡坡面。

崩積層坡面則視為自由面或滲透面，主要考量為降雨落于紅土礫石層其滲透較快能迅速滲入坡面內(nèi)而影響滲流狀態(tài)，而落于崩積層時其滲透較慢，降雨部分轉(zhuǎn)為表面徑流再滲入坡面內(nèi)，相對而言速率較慢，為簡化分析乃假設(shè)崩積層坡面為自由面或滲透面。

4 地層初始水力參數(shù)

可采用有限元素Seep/W滲流分析程序之瞬時滲流分析進(jìn)行數(shù)值模擬輸入之地層水力參數(shù)除飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)，必需再輸入地層之水力傳導(dǎo)函數(shù)及體積含水量函數(shù)。此二函數(shù)皆可由地層之粒徑分析曲線求得，本研究采用Seep/W程序內(nèi)定之摸組由粒徑分析曲線推求出各地層之水力傳導(dǎo)函數(shù)及體積含水量函數(shù)，其方法如下。

（1）體積含水量函數(shù)（u）各地層之體積含水量函數(shù)（u）（或體積含水量特征曲線可利用材料之粒徑分布曲線推求而得，其中u為降雨期間材料之參流孔隙水壓。各地層之體積含水量函數(shù)及藉由各地層材料之粒徑分布曲線，再依據(jù)其飽和體積含水量假設(shè)值sat（=S×n=100%×n）；并假設(shè)土粒與流體皆為不可壓縮，則地層材料之體積壓縮系數(shù)mv可視為零（S=100%，mv=mw，mw=孔隙水體積壓縮系數(shù)）。此時，土體之體積含水量函數(shù)即可利用物理經(jīng)驗(yàn)評估模式推求而得。由此方法所推求之體積含水量函數(shù)較符合現(xiàn)地材料之特性。

各層次之粒徑分布曲線來源主要以補(bǔ)充鉆探之BH3鉆孔巖心取樣進(jìn)行篩分析而得，其中砂巖巖心取用BH3鉆孔8.15 m處砂巖段巖心，泥巖取用BH3鉆孔15.30 m處泥巖段巖心，砂泥巖互層取用BH3鉆孔38.95 m處砂泥巖互層段巖心進(jìn)行篩分析而得，崩積土則采砂巖、泥巖混合后再重做所得之結(jié)果。

（2）水力傳導(dǎo)函數(shù)K（u）地層在降雨期間臨時前，地下水水位之上方土壤可能呈現(xiàn)未飽和狀態(tài)，此時之水力傳導(dǎo)系數(shù)為未飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)，且其值將在降雨期間伴隨地層的飽和度而變化，因此，此時地層之水力傳導(dǎo)系數(shù)非為定值。可將水力傳導(dǎo)系數(shù)K表示為孔隙水壓u之函數(shù)K（u）。為配合降雨期間，雨水由地表入滲之情況，采用水力傳導(dǎo)函數(shù)進(jìn)行分析。

因此，各地層次地層材料之水力傳導(dǎo)函數(shù)K（u）～u可選用各層次各地層材料之飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)Ksat，再利用土壤含水特征曲線（u）～u評估調(diào)整求得。

5 結(jié)語

針對地質(zhì)區(qū)地滑活動，可經(jīng)由適當(dāng)假設(shè)得到對地滑現(xiàn)象影響甚巨之地下水壓值、地層水力參數(shù)及強(qiáng)度參數(shù)，可以利用滲流逆分析及邊坡穩(wěn)定逆分析簡單而有效的方式得到，可供整治工程設(shè)計(jì)參考，用以取代現(xiàn)有靠經(jīng)驗(yàn)之假設(shè)之地下水位。供一般工程設(shè)計(jì)時之分析使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 易立新.水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)與水庫誘發(fā)地震[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004（2）.

[2] 辜明清.大橋水庫主要工程地質(zhì)問題的分析與評價(jià)[J].四川水力發(fā)電，2003（2）.endprint