動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

楊金林, 吳國(guó)宏, 周延國(guó)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

楊金林, 吳國(guó)宏, 周延國(guó)

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

水庫(kù)建成蓄水后,為滿足防洪和發(fā)電的要求,水位將在最低正常水位和最高正常水位之間反復(fù)升降,庫(kù)水位的變動(dòng)很可能誘導(dǎo)庫(kù)岸變化的失穩(wěn)。因此,有必要對(duì)動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用數(shù)值模擬方法,結(jié)合小浪底水庫(kù)運(yùn)營(yíng)方式,分析不同庫(kù)水位升降及不同升降速率下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律,研究成果為庫(kù)岸的穩(wěn)定分析及防護(hù)提供了有益的依據(jù)。

動(dòng)態(tài)水位;庫(kù)岸穩(wěn)定性;數(shù)值模擬

水庫(kù)建成蓄水后,庫(kù)區(qū)巖土體邊坡大面積受庫(kù)水的浸泡,逐漸出現(xiàn)變形、塌岸等地質(zhì)災(zāi)害,水是誘發(fā)庫(kù)區(qū)各種地質(zhì)災(zāi)害最主要的因素[1-3]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[4],庫(kù)水位上升期間庫(kù)岸發(fā)生失穩(wěn)約占40%～49%,消落期約占30%,其中,庫(kù)區(qū)較大的滑坡或岸坡多數(shù)發(fā)生在庫(kù)區(qū)最高水位消落期。為了研究水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期庫(kù)周岸坡的穩(wěn)定性問(wèn)題,一些學(xué)者從理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

朱冬林等人[5-6]研究發(fā)現(xiàn),隨著庫(kù)水位的上升和下降,庫(kù)區(qū)滑坡安全系數(shù)出現(xiàn)由大到小、再由小到大的變化規(guī)律;Griffiths等人[7]基于強(qiáng)度折減法分析了庫(kù)水位變化對(duì)庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)的影響,研究結(jié)果表明庫(kù)岸安全系數(shù)隨著庫(kù)水位的上升出現(xiàn)先變小后增大的規(guī)律;賈官偉等[8]、李紹軍等[9]、姜海西等人[10]利用模型試驗(yàn)研究了庫(kù)水位升降對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性及變形破壞特征;李會(huì)中等人[11]對(duì)千將坪滑坡與庫(kù)水位升降的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究,認(rèn)為滑坡復(fù)活的根本原因是庫(kù)水位的抬升和持續(xù)的強(qiáng)降雨;劉才華等人[12]研究了地下水對(duì)邊坡失穩(wěn)的影響,研究表明地下水作用下邊坡的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)降低,坡體內(nèi)滲透力和庫(kù)水浮托力是影響岸坡穩(wěn)定性的重要因素。

庫(kù)岸岸坡的失穩(wěn)是庫(kù)水反復(fù)升降造成的結(jié)果,但以上研究中,分析庫(kù)岸穩(wěn)定性和變形往往重點(diǎn)考慮單次水位上升和下降對(duì)邊坡的力學(xué)效應(yīng)影響及巖土體飽和狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)折減,在庫(kù)水位不同降速下庫(kù)岸巖土體質(zhì)量的累計(jì)損傷卻很少考慮到。因此,本文擬利用三維數(shù)值模擬軟件分析,結(jié)合小浪底水庫(kù)的運(yùn)營(yíng)方式,分析不同水位上升、下降及不同降速工況下庫(kù)岸岸坡安全系數(shù)的演化變化規(guī)律。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

圖1 數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model

1.2 計(jì)算參數(shù)

為查明工程區(qū)的巖土體物理力學(xué)性質(zhì),本次勘察在工程區(qū)進(jìn)行了巖土取樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo),提出以下巖土體物理力學(xué)指標(biāo),見(jiàn)表1。

表1 亳清河岸坡巖土體的物理力學(xué)建議值

1.3 計(jì)算工況

結(jié)合小浪底水庫(kù)運(yùn)營(yíng)方式,為全面模擬動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律,設(shè)置了工況A、工況B、工況C,工況信息詳見(jiàn)表2。為了研究庫(kù)水位降速對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響,分別設(shè)置庫(kù)水位降速為0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d等5種工況。

表2 水位升降時(shí)岸坡穩(wěn)定性分析計(jì)算工況

2 結(jié)果分析

2.1 不同水位升降工況下岸坡穩(wěn)定性分析

工況A為庫(kù)水位從235 m上升到275 m再下降到235過(guò)程中庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降演化規(guī)律圖。圖2表明:隨著庫(kù)水位的上升,庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨著庫(kù)水位的上升而增大;隨著庫(kù)水位的下降,安全系數(shù)總體呈減小趨勢(shì)且減小的速率高于增大的速率。庫(kù)水位由235 m上升到275 m,安全系數(shù)由235 m水位下的1.53增大到275 m水位下的1.832;庫(kù)水位由275 m下降到235 m,安全系數(shù)由1.832下降到1.345后增大到1.401。安全系數(shù)在庫(kù)水位由245 m下降到235 m過(guò)程中,安全系數(shù)略有增大。動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下,岸坡的安全系數(shù)整體上隨著庫(kù)水位的上升呈現(xiàn)增大的規(guī)律,隨著庫(kù)水位下降出現(xiàn)較小的規(guī)律且下降的速率高于上升的速率。

圖2 工況 A穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖Fig.2 Change curve of stability coefficient of condition A

圖3 工況B穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖Fig.3 Change curve of stability coefficient of condition B

圖4 工況C穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖Fig.4 Change curve of stability coefficient of condition C

工況B是為庫(kù)水位從255 m上升到275 m再下降到235過(guò)程中,庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降演化規(guī)律圖。圖3表明:隨著庫(kù)水位的上升,庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨著庫(kù)水位的上升而增大,隨著庫(kù)水位的下降,安全系數(shù)總體呈減小趨勢(shì)且減小的速率高于增大的速率。庫(kù)水位由255 m上升到275 m，安全系數(shù)由255 m水位下的1.417增大到275 m水位下的1.696;庫(kù)水位由275 m下降到235 m,安全系數(shù)由1.696下降到1.336后增大到1.357。安全系數(shù)在庫(kù)水位由245 m下降到235 m過(guò)程中,安全系數(shù)略有增大。動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下,岸坡的安全系數(shù)整體上隨著庫(kù)水位的上升呈現(xiàn)增大的規(guī)律,隨著庫(kù)水位下降出現(xiàn)較小的規(guī)律且下降的速率高于上升的速率。

工況C是庫(kù)水位從275 m下降到235 m過(guò)程中，庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降演化規(guī)律圖。圖4表明:隨著庫(kù)水位的下降,庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)逐漸變小,庫(kù)水位由275 m下降到235 m時(shí),安全系數(shù)由1.622下降到1.339后增大到1.364。安全系數(shù)在庫(kù)水位由245 m下降到235 m過(guò)程中,安全系數(shù)略有增大。

圖5 水位升降時(shí)各工況穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖Fig.5 Change curve of stability coefficient of each condition in water level variation

圖5是工況A、B、C庫(kù)岸岸坡的安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降演化規(guī)律圖。圖5表明:在動(dòng)態(tài)水位升降誘導(dǎo)下,三種工況條件下岸坡安全系數(shù)的演化規(guī)律是一致的。

2.2 不同降速工況下岸坡穩(wěn)定性分析

圖6 不同降速時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線圖Fig.6 Change curve of stability coefficient in different deceleration

圖6是不同庫(kù)水位降速(0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d)條件下庫(kù)水位由275 m下降到235 m岸坡安全系數(shù)變化規(guī)律圖。由圖可知,庫(kù)水位降速越大,岸坡的安全系數(shù)減小越快,代表岸坡失穩(wěn)的時(shí)間越短。

3 結(jié)論

本文利用三維數(shù)值模擬軟件,結(jié)合小浪底水庫(kù)運(yùn)營(yíng)方式,分別模擬了動(dòng)態(tài)水位誘導(dǎo)下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性演化規(guī)律。模擬結(jié)果表明:

(1) 庫(kù)岸岸坡安全系數(shù)整體上與庫(kù)水位升降成線性關(guān)系,當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí),安全系數(shù)增大;庫(kù)水位下降時(shí),安全系數(shù)減小。

(2) 同水位高程下,庫(kù)水位降速越大,岸坡的安全系數(shù)減小越快,岸坡失穩(wěn)的時(shí)間越短。

[1] 王士天,劉漢超,張倬元,等.大型水域水巖相互作用及其環(huán)境效應(yīng)研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),1997,8(1):69-88.

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(責(zé)任編輯：陳文寶)

Stability Analysis on the Bank Landslide Induced by Dynamic Water Level

YANG Jinlin, WU Guohong, ZHOU Yanguo

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

After impoundment,the reservoir water level will fluctuate in normal lower and higher water level in order to meet the requirements of flood control and power generation,which will induce stable bank slope develop to instable probably.Therefore,it’s necessary to make systematic research on the stability of landslide because of dynamic water level.In this paper,evolution of bank landslide stability rules in different water level fluctuation and different lifting rate are analyzed by numerical simulation combining with the Xiaolangdi Dam reservoir operation.The research results can provide useful basis for the stability analysis and protection of bank landslide.

dynamic water level; reservoir bank stability; numerical simulation

2016-04-17;改回日期:2016-05-11

楊金林(1984-),男,工程師,碩士,巖土工程專(zhuān)業(yè),從事工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail:yangjl@yrec.cn

TV697.2+3

A

1671-1211(2016)03-0468-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.051

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.004.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24