地下水位對霧江滑坡體穩(wěn)定性的影響

陳勛輝，黃耀英，李春光，張如強(qiáng)，左全裕，林 莉

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司大壩管理中心，西寧 810008；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071；4.湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州 425500)

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地下水位對霧江滑坡體穩(wěn)定性的影響

陳勛輝1,2，黃耀英1，李春光3，張如強(qiáng)4，左全裕4，林 莉2

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司大壩管理中心，西寧 810008；3.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所，武漢 430071；4.湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州 425500)

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)受多方面因素的影響，其中地下水位線的不同處理方式對邊坡穩(wěn)定的影響較大。由于實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，一般需要基于某種假定獲得新的地下水位線。基于極限平衡理論，結(jié)合霧江滑坡體工程，對比分析2種地下水位線處理方式對安全系數(shù)的影響，同時探討了不同水位下的的臨界地下水位。分析表明：假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，古滑帶安全系數(shù)隨著水位上升呈現(xiàn)先緩慢增加后逐漸減小的趨勢；而假定考慮滑坡體內(nèi)地下水位變化，古滑帶安全系數(shù)隨著蓄水位的上升呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，即考慮庫水位引起地下水位變化后，安全系數(shù)有一定的降低，安全系數(shù)偏于保守；并且不同庫水位都存在一個臨界地下水位比例系數(shù)，且比例系數(shù)位于0～1之間。

地下水位線；安全系數(shù)；滑坡體；穩(wěn)定性分析；臨界地下水位

1 研究背景

地下水對邊坡的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是導(dǎo)致邊坡巖土體重度增加；二是水的入滲導(dǎo)致巖土體的含水量增加，進(jìn)而導(dǎo)致巖土體強(qiáng)度下降[1-3]。特別是在水庫蓄水運(yùn)行后，由于庫水位的升高，庫岸的水文地質(zhì)條件發(fā)生了很大的改變，其巖土物理力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)惡化，表現(xiàn)為巖土體的抗剪強(qiáng)度降低，浮托力增大，原處于極限平衡狀態(tài)或接近極限平衡狀態(tài)的庫岸邊坡往往發(fā)生失穩(wěn)破壞[4-6]。地下水對邊坡的穩(wěn)定有著重要的影響，由于實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，水庫蓄水后的地下水位具有不確定性，蓄水后，基于不同假設(shè)獲得的地下水位對邊坡的安全影響很大。時衛(wèi)民等[7]根據(jù)布西涅斯克非穩(wěn)定滲流微分方程，假定蓄水后含水層的厚度不變，采用多項(xiàng)式擬合的方法得到了庫水位等速下降時坡體內(nèi)地下水位線的簡化計(jì)算公式。吳瓊等[8]假定穩(wěn)定滲流情況下的浸潤線為非穩(wěn)定滲流的初始值，推導(dǎo)出庫水位上升聯(lián)合降雨作用下該模型中浸潤線的近似解析解。但由于參數(shù)確定困難，上述方法在實(shí)際工程應(yīng)用上仍有一定困難。本文針對霧江滑坡體工程，基于極限平衡理論的邊坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-Slope，采用2種不同假設(shè)獲得的地下水位線，建立邊坡分析模型，并分析其安全系數(shù)，尋找各自的規(guī)律，依據(jù)此規(guī)律指導(dǎo)該邊坡的治理，以及為類似工程提供參考。

2 地下水位線計(jì)算原理

地下水作為地質(zhì)環(huán)境內(nèi)最活躍的成分，對巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響不可忽視。地下水位的變化導(dǎo)致土坡中潛在滑裂面上土的有效應(yīng)力分布變化，如在深基坑開挖井點(diǎn)降水過程中，隨著坑底水位的降低，地下水位線會形成漏斗狀，浸潤線的形狀決定滑坡體中有效應(yīng)力的分布。當(dāng)土的滲透性較好時，如在砂土中地下水位線相對平緩;在黏性土中，由于滲透性較差，地下水位線相對曲率較大[9]。這種確定方法具有一定的隨意性。由于實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，水庫蓄水后的地下水位具有不確定性。許多文獻(xiàn)里都基于不同假定提出了各自的地下水位公式，在這里不再贅述。以下主要介紹工程中2種地下水位近似處理方式的基本原理。

水位上升，滑坡體內(nèi)地下水位將隨之變化。蓄水前，可以通過測壓孔水位觀測獲得初始地下水位，蓄水后，由于尚沒有實(shí)測資料以及實(shí)際工程問題的復(fù)雜性，一般需要基于某種假定獲得新的地下水位線，目前一般采用如下2種近似處理方式：①假設(shè)庫水位水平延伸至滑坡體內(nèi)，與坡內(nèi)地下水位相交；②假設(shè)考慮滑坡體內(nèi)地下水位變化。2種處理方式的原理示意圖如圖1所示。

圖1 2種處理方式的原理示意圖

圖中A表示初始地下水位與坡面的交點(diǎn)，A′表示新水位與坡面的交點(diǎn)。一般情況下，當(dāng)庫水位上升或下降時，庫區(qū)遠(yuǎn)處的水位是相對穩(wěn)定的(即B≈B′)，再加上庫水位的高程是已知的，因此可以利用這一特性，通過線性插值的方法來得到不同庫水位的地下水水面線。曲線AB表示初始地下水位線，曲線A′B′表示插值后的地下水位線。

其坐標(biāo)變換規(guī)律是使得A′B′線與AB線相似，且A與A′對應(yīng)，B與B′對應(yīng)。已知坐標(biāo)A(xA,yA)，B(xB,yB)，A′(xA′,yA′)，B′(xB′,yB′)，其對應(yīng)于AB上的任一點(diǎn)坐標(biāo)為(x,y)，則A′B′上對應(yīng)點(diǎn)(x′,y′)處的坐標(biāo)為：

(1)

(2)

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

霧江滑坡體距水庫擴(kuò)建工程的推薦壩軸線約590 m，上游邊界距現(xiàn)壩體約1 000 m，是一個典型的古滑坡。滑坡區(qū)地形呈臺階狀，可見2級臺階，一級臺階高程300～310 m，寬50～70 m，長約350 m，前緣邊坡坡角26°～33°，局部達(dá)45°；二級臺階高程400～410 m，寬40～100 m，長約250 m。前緣山坡坡角22°～28°；滑坡后緣壁分布高程為510～700 m，地形坡角42°～53°，沿后緣壁崩塌現(xiàn)象顯著?；聟^(qū)基巖為寒武系(∈)的淺變質(zhì)巖和泥盆系(D)的碎屑巖，兩者呈角度不整合接觸；第四系松散堆積有滑坡堆積、崩塌堆積和殘坡積?；聟^(qū)發(fā)育3條沖溝，延伸較長，切割較深，其中①號沖溝位于滑坡體下游邊界；②號沖溝位于滑坡體中部；③號沖溝位于滑坡體上游邊界。根據(jù)地質(zhì)勘察及觀測資料，霧江滑坡體目前仍處于緩慢蠕滑狀態(tài)，其平面示意圖如圖2所示。

注：1—?dú)埰路e堆積物(碎石、塊石黏土)；2—第四系第一期地滑堆積物(含少量壤土的碎塊石及變形巖體，下同)；3—第四系第二期地滑堆積物；4—第四系第三期地滑堆積物；5—近期崩滑堆積體；6—崩積堆積碎塊石；7—沖溝編號，圖上含有3條沖溝；8—滑坡體邊界及滑坡體分期界限；9—鉆孔編號；10—取樣試坑及其編號；11—平硐編號；12—表部變形觀測點(diǎn)及其編號；13—巖層產(chǎn)狀。 圖2 霧江滑坡平面示意圖

水位上升，滑坡體內(nèi)地下水位將隨之變化，將會對邊坡的穩(wěn)定帶來影響。為此，以該滑坡體為例，對不同地下水位近似處理方式下的古滑帶整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2 計(jì)算模型及參數(shù)

3.2.1 計(jì)算模型

對該滑坡體嚴(yán)格按照地質(zhì)材料分區(qū)，建立幾何模型，初始水位253 m時的邊坡滑動面如圖3所示。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

取滑帶土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，以縱2剖面為代表性計(jì)算剖面，采用滑面中剪試驗(yàn)屈服強(qiáng)度平均值：f水上=0.27，c水上=12.7 kPa；f水下=0.23，c水下=8.8 kPa。根據(jù)規(guī)程公式等Fs法計(jì)算的現(xiàn)狀(現(xiàn)庫水位253 m)穩(wěn)定系數(shù)僅為0.67，<0.95，表明滑坡處于整體滑動破壞階段，這與滑坡現(xiàn)狀處于緩慢的蠕滑變形狀態(tài)不吻合，同時也說明所選取的計(jì)算參數(shù)偏小。因此，按規(guī)程要求采用反分析計(jì)算，假定目前滑坡體處于極限平衡狀態(tài)，穩(wěn)定系數(shù)為1.0，選取平行于滑動方向的典型剖面為計(jì)算剖面，水下強(qiáng)度與水上強(qiáng)度的折減系數(shù)λ=0.84，采用現(xiàn)水庫水位(253 m)，通過等安全系數(shù)法進(jìn)行反算，反演獲得了霧江滑坡體的強(qiáng)度參數(shù)，如表1所示。

當(dāng)父母無法接納孩子的某個身體部位，或者某個特別的行為，甚至去強(qiáng)行掰正孩子時，孩子就會自動做起父母的幫兇：壓抑天性，排斥自己，龜縮到只有自己的世界里。

表1 霧江滑坡體物理力學(xué)參數(shù)

(1)工況設(shè)計(jì)。工況1：假設(shè)庫水位水平延伸至滑坡體內(nèi)，與坡內(nèi)地下水位相交；工況2：假設(shè)考慮滑坡體內(nèi)地下水位變化。庫水位上升時，不考慮孔隙水的滯后作用，即假定坡體中的水面與庫水位同步上升。

(2) 計(jì)算軟件。Geo-Studio是一套專業(yè)、高效而且功能強(qiáng)大的適用于巖土工程和巖土環(huán)境模擬計(jì)算的仿真軟件，它包含多個模塊。其中，Slope/w模塊作為分析計(jì)算巖土工程工程邊坡滑移面和安全系數(shù)的主流軟件，能對邊坡問題中的任意指定滑移面的巖土邊坡進(jìn)行分析計(jì)算。

3.3 蓄水后不同地下水位近似處理方式對比

3.3.1 不同工況下的安全系數(shù)對比

圖4 各工況不同庫水位下的地下水位示意圖

初始狀態(tài)時，水位為253 m，邊坡前部的水位每次抬高10 m進(jìn)行一次極限平衡分析，得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，即計(jì)算邊坡前部水位分別為253，263，273 ，283 ，293，303，313 m時的安全系數(shù)，2種不同地下水位近似處理方式如圖4所示。對于2種不同工況，用不同的極限平衡分析方法(瑞典條分法、M-P法)計(jì)算每個水位對應(yīng)下的安全系數(shù)，得到的安全系數(shù)變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 各工況不同庫水位下的安全系數(shù)

對圖5(a)和圖5(b)橫向比較可知：

(1) 假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，古滑帶安全系數(shù)隨著水位上升呈現(xiàn)先緩慢增加后逐漸減小的趨勢；考慮庫水位變化，古滑帶整體安全系數(shù)隨著蓄水位的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。以M-P法為例，對于工況1，初始水位253 m時，安全系數(shù)為1.012，隨著蓄水位的增加，在蓄水位為293 m時達(dá)到極大值，安全系數(shù)變?yōu)?.042，增加了2.9%，在蓄水位為293 m以后，安全系數(shù)又逐漸減?。粚τ诠r2，初始水位253m時，安全系數(shù)為1.012，隨著蓄水位的增加，在蓄水位為293 m時安全系數(shù)變?yōu)?.962，減少了4.9%。

(2) 假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，安全系數(shù)會有一定的提高；考慮庫水位引起地下水位變化后，安全系數(shù)有一定的降低。以M-P法為例，如考慮庫水位引起地下水位變化，相對于初始水位253 m，當(dāng)水位上升到313 m時，安全系數(shù)從1.013降低為0.949，降低了6.3%；而如假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，得到的安全系數(shù)為1.039，提高了2.6%，即隨著庫水位的上升，安全系數(shù)是提高的，得到的結(jié)果偏于危險。

對圖5(a)和圖5(b)縱向比較可知：

瑞典條分法、M-P法所得的安全系數(shù)雖然有些偏差，但整體變化趨勢一致，不同方法計(jì)算結(jié)果偏差的原因是由于不同計(jì)算方法的假定條件不一致導(dǎo)致的，如瑞典條分法由于在對土條受力分析時不考慮條間應(yīng)力，所以計(jì)算所得的穩(wěn)定系數(shù)K值偏小，M-P法計(jì)算的結(jié)果一般要大于瑞典條分法。

3.3.2 不同水位下的抗剪力合力、剪切力合力比較

為了進(jìn)一步分析安全系數(shù)的變化規(guī)律的原因，對不同蓄水位下的抗剪力合力與剪切力合力進(jìn)行對比。以M-P法為例，工況1與工況2條件下的抗剪力合力與剪切力合力值分別見表2、表3。

表2 工況1條件下的抗剪力合力與剪切力合力

表3 工況2條件下的抗剪力合力與剪切力合力

由表2、表3可知：

(1) 工況1條件下，不同水位下的抗剪力合力變化很小，保持在2.62×105kN左右，而剪切力合力隨著水位的上升先減小后增大。條分法的基本原理是極限平衡理論，計(jì)算時將滑動體分成一條一條的土塊，在計(jì)算安全系數(shù)K時，用抗剪力合力比上滑動面剪切力合力作為K的值。因此，抗剪力合力不變，剪切力合力先減小后增大，安全系數(shù)會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2) 工況2條件下，不同水位下的抗剪力合力、剪切力合力均隨著水位的上升呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。但抗滑力下降對邊坡抗滑力的影響程度大于其下滑力下降對邊坡下滑力的影響程度，從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定系數(shù)下降。如:當(dāng)水位為253 m時，抗剪力合力為2.629×105kN，剪切力合力為2.598×105kN，當(dāng)水位為273 m時抗剪力合力變?yōu)?.453×105kN，剪切力合力變?yōu)?.467×105kN，抗剪力合力減少了3.9%，剪切力合力減少了2.3%，安全系數(shù)從原來的1.012下降到0.994。

3.4 不同庫水位對應(yīng)的臨界地下水位

根據(jù)上述結(jié)論可知，與初始水位下的安全系數(shù)相比較，假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，安全系數(shù)會有一定的提高；考慮庫水位引起地下水位變化后，安全系數(shù)有一定的降低?？梢赃M(jìn)一步設(shè)想，當(dāng)水位升高到某一水位，是否存在某一介于以上兩者之間的地下水位線，使得此時計(jì)算的安全系數(shù)與初始水位時的安全系數(shù)一樣？

為此，嘗試對線性插值方法做一點(diǎn)改變，其具體做法為：公式(1)不變，對于公式(2)采取分段函數(shù)法，即

(3)

式中:x″，y″為新插值函數(shù)的橫、縱坐標(biāo);x0，y0為假定庫水位與原始地下水位水平直接相連時的交點(diǎn)橫、縱坐標(biāo);y為線性插值函數(shù)的縱坐標(biāo);α為比例系數(shù)。

多次改變系數(shù)α，直到計(jì)算的安全系數(shù)與初始水位時的安全系數(shù)一樣，系數(shù)為α?xí)r對應(yīng)的地下水位規(guī)定為臨界地下水位。 新插值函數(shù)下的地下水位線如圖6所示。

圖6 新插值函數(shù)下的地下水位線

與前面步驟類似，邊坡前部的水位每次抬高10 m時進(jìn)行一次極限平衡分析，在每次線性差值時，多次改變系數(shù)α直到得到的安全系數(shù)與初始水位下的安全系數(shù)相同。水位分別為253，263，273，283 ，293，303和313 m時不同比例系數(shù)下的安全系數(shù)如圖7所示。由圖7可知：①不同水位都存在一個臨界地下水位比例系數(shù)α，且α位于0～1之間；例如，當(dāng)水位為263 m時的臨界地下水位比例系數(shù)為0.97；②對于某一水位來說，用新插值函數(shù)得到的地下水位線計(jì)算出的安全系數(shù)位于工況1、工況2得出的安全系數(shù)之間，且安全系數(shù)隨著α的增大而減小。

圖7 不同庫水位比例系數(shù)與安全系數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationshipbetweensafetyfactorandpropor-tionalityfactorunderdifferentreservoirwaterlevels

4 結(jié) 論

(1) 假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，擴(kuò)建后古滑帶上的抗剪力合力變化很小，而剪切力合力隨著水位的上升先減小后增大，故安全系數(shù)隨著水位上升呈現(xiàn)先緩慢增加后逐漸減小的趨勢。

(2) 考慮庫水位變化，古滑帶的抗剪力合力、剪切力合力均隨著水位的上升呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但抗滑力下降對邊坡抗滑力的影響程度大于其下滑力下降對邊坡下滑力的影響程度，故安全系數(shù)隨著蓄水位的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

(3) 假定庫水位與原始地下水位水平直接相連，安全系數(shù)會有一定的提高；考慮庫水位引起地下水位變化后，安全系數(shù)有一定的降低，安全系數(shù)偏于保守。

(4) 不同水位都存在一個臨界地下水位比例系數(shù)，且比例系數(shù)α位于0～1之間，對于某一水位來說，安全系數(shù)隨著α的增大而減小。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Influence of Groundwater Level on Landslide Stability at Wujiang

CHEN Xun-hui1,2, HUANG Yao-ying1, LI Chun-guang3, ZHANG Ru-qiang4, ZUO Quan-yu4,LIN Li2

(1.College of Hydraulic & Environmental Engineering, Three Gorges University, Yichang 443002, China;2.Dam Management Center of Yellow River Upstream Hydropower Development Co. Ltd., Xining 810008,China; 3.Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;4.Construction Investment Limited Liability Company for Hunan Centianhe Project, Yongzhou 425500, China)

The factor of slope’s stability safety is influenced by various factors, among which groundwater level processed by different methods has great influence on the stability of slope. Due to the complexity of actual engineering problems, we generally need to obtain new groundwater level based on some assumptions. According to limit equilibrium theory, we compared and analyzed the influences of two different methods of processing groundwater line on the safety factor, and discussed the critical groundwater level corresponding to different reservoir water levels. An ancient landslide at Wujiang was taken as a case study. Result shows that 1) under the assumption that the reservoir water level is directly connected with the original groundwater level, the safety factor of landslide increases slowly and then decreases gradually with water level rising; 2) in consideration of groundwater level fluctuation, the safety factor of landslide tends to decrease with the increase of storage water level, indicating that the safety factor is conservative; 3) the factor of proportionality of critical groundwater level in the presence of different reservoir water level is between 0 and 1.

groundwater level; safety factor; landslide body; stability analysis; critical groundwater level

2015-11-02；

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209124)

陳勛輝(1989-)，男，湖北丹江口人，碩士研究生，主要從事大壩安全監(jiān)控方面的研究，(電話)18697290067(電子信箱)xunhuichen@sina.com。

黃耀英(1977-)，男，湖南郴州人，教授，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控及數(shù)值計(jì)算方面的研究，(電話)13997662901(電子信箱)huangyaoying@sohu.com。

10.11988/ckyyb.20150929

2017,34(1):104-108

P642.2

A

1001-5485(2017)01-0104-05