庫水位間歇性下降對堆積體滑坡穩(wěn)定性的影響

肖志勇，鄧華鋒，李建林，胡安龍，李春波，常德龍

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌　443002)

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庫水位間歇性下降對堆積體滑坡穩(wěn)定性的影響

肖志勇，鄧華鋒，李建林，胡安龍，李春波，常德龍

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002)

針對庫水位快速下降不利于滑坡穩(wěn)定的現(xiàn)狀，提出庫水位以間歇性方式下降，即在傳統(tǒng)庫水位持續(xù)性下降分析的基礎(chǔ)上，以三峽庫區(qū)某一堆積體滑坡為例，利用Geo-Studio軟件詳細(xì)分析了在庫水位不同間歇時間和多階段間歇下降條件下堆積體滑坡穩(wěn)定情況。結(jié)果表明：庫水位實(shí)行間歇性下降，間歇時間有助于滑坡體內(nèi)孔隙水壓力消散，減小庫水快速下降引起的地下水回落的滯后性，有利于水力梯度降低；相比庫水位持續(xù)性下降，滑坡穩(wěn)定性得到提高，但穩(wěn)定系數(shù)與間歇時間并不呈正比例關(guān)系；在庫水位實(shí)行多階段間歇性下降后，提高的程度明顯增大，達(dá)到5%以上。為了使滑坡穩(wěn)定性提高的效果達(dá)到最佳，應(yīng)合理地安排庫水位下降和間歇時間。

庫水位間歇性下降；堆積體滑坡；孔隙水壓力；水力梯度；滑坡穩(wěn)定性;Geo-Studio；穩(wěn)定系數(shù)

1　研究背景

大量事實(shí)表明，90%以上邊坡失穩(wěn)與水作用有關(guān)[1]。在庫區(qū)滑坡中，庫水位變動是誘發(fā)滑坡變形的主要因素之一[2-3]。自2008年三峽水庫175 m試驗(yàn)性蓄水以來，全庫區(qū)發(fā)生新、老滑坡變形200余起，塌岸百余處，不穩(wěn)定庫岸沿線長達(dá)30 km，這與庫水位的變動有關(guān)[4]。目前，關(guān)于庫水位變動對邊坡穩(wěn)定性影響的研究有很多，并取得了大量的成果。

就庫水位下降對邊坡的影響而言，鄭穎人等[5]通過算例研究表明，隨下降速度的增加，坡體穩(wěn)定系數(shù)減小，陡降與緩降的穩(wěn)定系數(shù)相差20%左右。涂國祥等[6]通過對某一堆積體邊坡的研究表明，穩(wěn)定性系數(shù)最小值往往出現(xiàn)在水位下降至堆積體下部1/3～1/5 坡高處，并且下降速度越大，穩(wěn)定性系數(shù)最小值對應(yīng)的水位越低。原先凡等[7]通過考慮不同庫水位下降速率及滲透系數(shù)的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，隨庫水位的下降,邊坡安全系數(shù)減小。向玲等[8]通過對動水壓力型滑坡的研究得出，庫水位下降速率越大，地下水位線上凸現(xiàn)象越明顯，且穩(wěn)定性系數(shù)明顯減小。盧書強(qiáng)等[9]分析白水河滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為庫水位消落速度越快，滑坡變形速度也越大。黃康鑫等[10]通過堆積層滑坡物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水位驟降不利于滑坡穩(wěn)定。

通過以上學(xué)者的研究，可以看出，庫水位的下降對庫岸邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響。研究庫水位不同的下降形式對庫岸邊坡的穩(wěn)定性有重要意義，對庫水位的調(diào)度也有重要指導(dǎo)作用。鑒于此，本文基于庫水位下降速率對滑坡穩(wěn)定性的影響，在傳統(tǒng)持續(xù)性下降分析的基礎(chǔ)上，考慮孔隙水壓力的消散，提出分階段間歇性下降方式，即庫水位下降到一定水位，在間歇一定時間后再下降。以三峽庫區(qū)某一堆積體滑坡為例，通過Geo-Studio軟件進(jìn)行模擬分析，詳細(xì)分析了不同間歇時間和不同間歇階段情況下滑坡的穩(wěn)定情況。所研究的成果以期能為水庫的運(yùn)營提供參考。

2　計算理論及方法

庫水位變化會引起滑坡體內(nèi)的滲流場動態(tài)變化[11]，在庫水位下降的過程中，滑坡體內(nèi)部分土體將由飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，非飽和土的滲流特性對庫岸邊坡穩(wěn)定性有很大的影響[12]?；诖?，可利用Geo-studio軟件來實(shí)現(xiàn)非飽和土的滲流計算。

在Geo-studio軟件中，非穩(wěn)定滲流的有限元方程為

(Δt[K]+[M]){H1}=Δt{Q1}+[M]{H0} 。

(1)

式中：Δt為時間增量；[K]為單元特征矩陣；[M]為單元特征矩陣；{H0}為在時間增量開始時的水頭列向量；{H1}為在時間增量結(jié)束時的水頭列向量；{Q1}為在時間增量結(jié)束時的節(jié)點(diǎn)流量列向量。

從上式中可以看出，由已知的初始水頭就可以求出經(jīng)過一定時間后的水頭。這樣，在庫水位停止降低的一段時間內(nèi)，坡體的滲流場在不斷發(fā)生變化，就可知道地下水水頭發(fā)生變化的位置。從此，可實(shí)現(xiàn)庫水位間歇性下降的滲流分析。

在邊坡穩(wěn)定性分析方法中，Morgenstern-Price法假定兩相鄰?fù)翖l的法向條間力和切向條間力之間存在一對水平方向坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)整個滑動土體的邊界條件進(jìn)行迭代求出問題的解[13]。這種假設(shè)是學(xué)術(shù)界及工程界普遍接受的合理性假定，并且該方法可考慮基質(zhì)吸力的影響。因此，本文先在Geo-studio的seep模塊中完成非穩(wěn)定滲流分析，然后將不同時間下滲流場的水頭值輸入到slope模塊中，采用Morgenstern-Price法計算邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。

3　堆積體滑坡數(shù)值模擬

3.1計算模型

該堆積體滑坡位于長江右岸，平面呈不規(guī)則“圈椅”狀，剖面呈后高前低、后陡前緩的折線狀，屬單斜順層斜坡?；潞缶壱粤芽p為界，前緣剪出口在長江庫水位145 m以下，滑坡南北長500 m，東西寬430 m，面積21.5×104m2，體積645×104m3，屬深層大型土質(zhì)滑坡?；w主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，平均厚度約30 m?；瑤б院槭蛘吆堑[粉質(zhì)黏土為主，平均厚度0.7 m。滑面為覆蓋層與基巖接觸面，滑床地層為侏羅系下統(tǒng)香溪組(J1x)深灰色薄至中厚層粉砂巖夾薄層狀泥巖、煤層，巖層傾向15°～20°，傾角32°～36°，呈單斜構(gòu)造，工程地質(zhì)剖面如圖1(a)所示，據(jù)此建立的模型如圖1(b)所示。模型分為滑體、滑帶、滑床3個區(qū)域，共剖分1 666個單元，1 729個節(jié)點(diǎn)。選取摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計算。

3.2計算參數(shù)及邊界條件

滑坡體巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。滲流計算模型邊界條件為：底部為不透水邊界；右邊界175 m以下為變水頭邊界，按擬定條件變化，175 m以上為零流量邊界；左邊界為定水頭邊界。初始地下水位的高度按水文勘測資料選取。

圖1　堆積體工程地質(zhì)剖面圖和數(shù)值計算模型

滑坡部位重度/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·d-1)滑體20.00.0250.332719.00.300滑帶18.60.0300.352516.50.040滑床25.06.8000.3030040.00.005

4　庫水位間歇性下降下滑坡穩(wěn)定性分析

按以往庫水位下降速率計算，庫水位以0.2,0.4,0.6,1 m/d的速率持續(xù)下降，滑坡體內(nèi)的水力梯度曲線(見圖2)隨庫水位下降速率增大而變陡，最大水力梯度在不斷增大。說明庫水位快速下降，坡體內(nèi)部孔隙水壓力不能及時消散，會引起滑坡體內(nèi)地下水滯后下落，導(dǎo)致水位差增加，水力梯度增大。再從庫水位以不同速率下降到最低水位145 m時的滑坡穩(wěn)定系數(shù)(見表2)來看，隨庫水位下降速率的增大，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)在不斷減小，以1 m/d的速度下降時，穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.016。根據(jù)規(guī)范[14]判斷，該滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，存在瀕臨失穩(wěn)的危險。說明水位緩降對坡體有利，陡降對坡體最不利[5]，這與以往的研究結(jié)論是一致的?；诖?，改變庫水位下降的方式，提出庫水位間歇性下降，再來分析滑坡的穩(wěn)定性。

圖2　不同速率降水下滑坡體內(nèi)水力梯度變化

下降速度/(m·d-1)穩(wěn)定系數(shù)下降速度/(m·d-1)穩(wěn)定系數(shù)0.21.0810.61.0360.41.0541.01.016

4.1庫水位下降在不同間歇期下對滑坡穩(wěn)定性的影響

在下降階段，庫水位以1 m/d的速度下降，考慮不同的間歇時間，庫水位維持5,10,15,20 d不變，庫水位變化如圖3(a)所示。在此情況下，分析庫水位隨時間的變動對滑坡穩(wěn)定性的影響。經(jīng)計算，滑坡體內(nèi)水力梯度變化如圖3(b)所示，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)變化如表3所示。

從圖3(b)可以看出：

(1)庫水位實(shí)行2個階段下降后，相比庫水位持續(xù)下降而言，水力梯度曲線在第1個庫水下降階段變化一致，在間歇期發(fā)生了轉(zhuǎn)折。在庫水位下降到第2個下降階段時，水力梯度曲線又開始上漲，這與水力梯度和水位差成正比有關(guān)。說明庫水位間歇性下降改變了地下水滲流特征。

(2)在間歇的時間里，水力梯度逐漸降低，但隨間歇時間的延長，降低的趨勢逐漸減緩。說明在庫水位下降的間歇期里，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力逐漸消散，地下水位進(jìn)一步下降。

(3)整體上，實(shí)行庫水位間歇性下降，滑坡體內(nèi)水力梯度發(fā)生了降低，減小了庫水位快速下降引起地下水位下降的滯后效應(yīng)，有助于保證滑坡穩(wěn)定。

從表3可以看出：

(1)在庫水位降到160,145 m時，庫水位間歇性下降時的滑坡穩(wěn)定系數(shù)比庫水位持續(xù)下降時的大。說明庫水位實(shí)行間歇性下降后，滑坡穩(wěn)定性得到了提高。

圖3　不同間歇期下庫水位變化和滑坡體內(nèi)水力梯度變化

間歇時間/d總時間T/d穩(wěn)定系數(shù)F庫水位160m庫水位145m穩(wěn)定系數(shù)變化程度/%穩(wěn)定系數(shù)變化速率/d-10301.0671.0165351.0791.0210.491.43×10-410401.0851.0240.792.00×10-415451.0901.0281.182.67×10-420501.0931.0311.483.00×10-4

(2)隨著庫水位間歇時間的延長，滑坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。相比庫水位持續(xù)下降工況，穩(wěn)定系數(shù)變化的程度和速率也在逐漸增大。說明滑坡穩(wěn)定性與庫水下降間歇的時間有關(guān)，但并不是呈正比例關(guān)系。這與上述滑坡體內(nèi)水力梯度的變化是一致的。

圖4　庫水位間歇為20 d內(nèi)滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨時間的變化Fig.4　Landslide stability coefficient vs.time with intermission of 20 days

(3)再根據(jù)滑坡穩(wěn)定系數(shù)在庫水位間歇20 d內(nèi)的變化情況來看，如圖4所示，前5 d內(nèi)，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線比后15 d陡，說明間歇時間的增加對滑坡穩(wěn)定性提高的效果存在臨界值，在這里前5 d內(nèi)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)增長的速率較快。

綜合上述的研究可以發(fā)現(xiàn)，庫水位實(shí)現(xiàn)間歇性下降，可使水力梯度降低，在一定程度上可以減弱因庫水位快速下降引起地下水位下降的滯后性，有助于地下水下降，有利于滑坡穩(wěn)定。但滑坡穩(wěn)定性并不是隨間歇時間的不斷增加而不斷提高。對此，有必要分析庫水位在一定間歇時間實(shí)行多階段的下降是否更有利于提高滑坡穩(wěn)定性。

4.2庫水位多階段間歇性下降對滑坡穩(wěn)定的影響

結(jié)合前面的分析，研究庫水位實(shí)行多階段間歇性下降對滑坡穩(wěn)定性的影響。庫水位隨時間變動的情況如圖5(a)所示，庫水位停止下降的區(qū)間(圖中階梯狀的平臺)均為5 d，在下降階段，水位均以1 m/d的速度下降。計算結(jié)果如圖5(b)和表4所示。

圖5　多階段間歇性下降下庫水位變化和滑坡體內(nèi)水力梯度變化Fig.5　Changes of reservoir water level and hydraulic gradient of landslide under multistage intermittent drawdown

從圖5(b)可以看出：

(1)庫水位實(shí)行多階段間歇性下降后，滑坡體內(nèi)的水力梯度曲線呈階梯狀，在每一間歇階段處都發(fā)生一次轉(zhuǎn)折，水力梯度得到一次降低。說明增加間歇性下降次數(shù)可以及時消散滑坡體內(nèi)孔隙水壓力，有利于地下水位下降。

表4　多階段間歇性下降下滑坡穩(wěn)定系數(shù)

(2)隨下降階段次數(shù)的增加，水力梯度曲線不斷變緩，最大水力梯度發(fā)生明顯降低。說明庫水位實(shí)行多階段間歇性下降后，可明顯改善地下水的滲流條件，更加有利于減小地下水下降的滯后性，使地下水位大幅下降。

從表4可以看出：

(1)在相同的間歇時間下，庫水位降到160，145 m時，隨著下降階段次數(shù)的增加，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)在不斷增大，穩(wěn)定系數(shù)提高可達(dá)5%以上。根據(jù)規(guī)范[14]判斷，滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)由欠穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展成基本穩(wěn)定狀態(tài)，說明庫水位實(shí)行多階段間歇性下降，可明顯提高滑坡的穩(wěn)定性。隨著下降階段次數(shù)的增加，上述滑坡體內(nèi)的水力梯度不斷減小，孔隙水壓力能得到及時消散。

(2)庫水位間歇時間為5 d，在下降階段的次數(shù)增加到30次時，滑坡穩(wěn)定性提高的速率發(fā)生了降低，但間歇的時間縮短為3 d后，提高的速率又得到一定程度的增大，說明要想達(dá)到提高滑坡穩(wěn)定性的最佳效果，應(yīng)合理安排庫水位下降時間和間歇的時間。

4.3庫水位間歇性下降對滑坡穩(wěn)定影響的機(jī)理

在庫水位下降的過程中，土體的持水性使得地下水下降具有一定的滯后效應(yīng)，這種效應(yīng)會隨庫水位下降速率的增加而表現(xiàn)得更加明顯。這將導(dǎo)致坡體內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，減小土體有效應(yīng)力。另外，在水位差的作用下，孔隙水經(jīng)歷有壓滲透，在坡體產(chǎn)生向臨空面的滲透壓力，進(jìn)一步增大了滑體的下滑力，從而降低了滑坡的穩(wěn)定性。

邊坡在瞬時不穩(wěn)定滲流狀態(tài)下孔隙水壓力的消散較為緩慢，使得土體有效應(yīng)力相對減小，從而抗剪強(qiáng)度減小，加之滲透壓力的變化，邊坡在兩者共同作用下而趨于不穩(wěn)定狀態(tài)[15]。實(shí)行庫水位間歇性下降，可使滑坡體內(nèi)因快速下降引起的超孔隙水壓力得到消散，相當(dāng)于提供了土體固結(jié)的條件。增加間歇期的作用，就是在增加土體固結(jié)的時間，有助于有效應(yīng)力增加。在實(shí)行多階段間歇性降水后，庫水位每下降到一定高度，再進(jìn)行一定時間的停滯，可及時消散滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力。這樣就大量減小了由地下水滯后效應(yīng)產(chǎn)生的水位差，使水力梯度更進(jìn)一步降低，滲透壓力進(jìn)一步減小。

另外，由于土體的抗剪強(qiáng)度與飽和度有關(guān)，從關(guān)于非飽和土的抗剪強(qiáng)度的式(2)可以看出，飽和度隨含水量的增加而增加，導(dǎo)致基質(zhì)吸力減小，抗剪強(qiáng)度降低[15]。在孔隙水壓力消散的同時，地下水位發(fā)生降低，土體將由飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，土體含水量在不斷減小，導(dǎo)致基質(zhì)吸力增大，抗剪強(qiáng)度提高，最終使邊坡的穩(wěn)定性得到提高。

(2)

式中：c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；σ為總應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；Sr為飽和度。

綜合上述內(nèi)容可知：庫水位緩降要比陡降有利于滑坡穩(wěn)定；庫水位間歇性下降要比持續(xù)下降有利，滑坡穩(wěn)定程度可得到提高；實(shí)行多階段間歇下降，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)得到明顯提高，可達(dá)5%以上，這將更加有利于滑坡穩(wěn)定。因而筆者建議，大壩的庫水調(diào)度可考慮實(shí)行分階段間歇性下降。即在庫水位下降的過程中，控制庫水位下降與間歇時間，分期按擬定的速率下降若干天后，再以一定的時間間隔停止下降，即可實(shí)現(xiàn)庫水位間歇性下降。這樣在強(qiáng)降雨或汛期時水位快速下降過程中，通過一定時間的間歇等措施，可減小水位驟降對滑坡穩(wěn)定的影響。

5　結(jié)論及建議

(1)庫水位以0.2,0.4,0.6,1 m/d的速度持續(xù)下降，會引起滑坡體內(nèi)地下水滯后下落，導(dǎo)致水位差增加，水力梯度增大，穩(wěn)定系數(shù)減小，庫水下降速度越大，滑坡越不穩(wěn)定。

(2)庫水位實(shí)行2個階段的間歇性下降后，在庫水位保持不變的一段時間里，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力逐漸消散，水力梯度逐漸降低，滑坡的穩(wěn)定性從而得到了提高，這要比持續(xù)性下降更有利于滑坡穩(wěn)定。

(3)庫水位實(shí)行多階段間歇性下降后，滑坡體內(nèi)的水力梯度曲線呈階梯狀，隨下降階段次數(shù)的增加，水力梯度曲線變緩，最大水力梯度值發(fā)生明顯降低，可達(dá)到5%以上，滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)由欠穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展成基本穩(wěn)定狀態(tài)。合理安排庫水位下降時間和間歇時間，可使滑坡穩(wěn)定性提高的效果達(dá)到最佳。

(4)基于本文的分析成果，建議在庫水位運(yùn)行調(diào)度過程中，應(yīng)合理制定分階段間歇降水的方案，這樣能在一定程度上減小庫水位下降對庫岸邊坡穩(wěn)定性不利的影響，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。

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(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Intermittent Drawdown of Reservoir Water Level onthe Stability of Accumulation Landslide

XIAO Zhi-yong,DENG Hua-feng,LI Jian-lin,HU An-long,LI Chun-bo,CHANG De-long

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area (China Three Gorges University), Ministry of Education，Yichang443002，China)

Rapid drawdown of reservoir water level is adverse to landslide stability.In view of this,we propose that the reservoir water level declines intermittently.On the basis of traditional analysis of persistent drawdown of water level,we analyzed the influences of intermission and intermittent drawdown of water level on the stability of landslide by using Geo-Studio software.An accumulation landslide in Three Gorges reservoir area was taken as an example.Research results show that intermission is in favor of the dissipation of pore water pressure in the landslide; meanwhile,lag effect of groundwater level’s decrease caused by rapid drawdown of reservoir weakens and hydraulic gradient decreases; when we compare reservoir intermittent drawdown with reservoir persistent drawdown,landslide stability factor of the former is bigger,but stability factor is not in proportion with intermission; under the multistage intermittent drawdown of reservoir,stability factor has obviously improved，which is greater than 5%.Finally,in order to optimize the landslide’s stability,we should reasonably arrange reservoir drawdown and intermittent time.

intermittent drawdown of reservoir water level; accumulation landslide; pore water pressure; hydraulic gradient; landslide stability; Geo-Studio；stability factor

2015-06-09;

2015-07-16

國家自然科學(xué)基金項目(51309141);水利部公益性行業(yè)科研專項(201401029)；三峽大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項目(2014CX016)

肖志勇(1989-)，男，湖北襄陽人，碩士研究生，主要研究地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理分析與防護(hù)設(shè)計,(電話)15871610016(電子信箱)i_bound@163.com。

鄧華鋒(1979-)，男，湖北宜昌人，副教授，博士，主要從事巖土工程方面的教學(xué)與研究工作,(電話)13872585190(電子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.201504862016,33(08):114-119

P642.2

A

1001-5485(2016)08-0114-06