庫水位變化和降雨條件下邊坡滲流特性及穩(wěn)定性分析

盧 博 郭永成 趙二平 龔章龍 汪 沖

(1. 三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

庫水位變化和降雨條件下邊坡滲流特性及穩(wěn)定性分析

盧 博1，2郭永成1，2趙二平1，2龔章龍1，2汪 沖1，2

(1. 三峽大學 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

我國西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，降雨充足，地下水對岸坡穩(wěn)定性的影響相對突出．以該地區(qū)某泄水建筑物進口邊坡為原型，根據(jù)飽和-非飽和滲流理論和極限平衡理論，利用有限元分析軟件Geo-Studio，對該邊坡在不同降雨及水庫水位升降條件下的滲流和穩(wěn)定性進行了模擬計算．結(jié)果表明：邊坡內(nèi)的地下水位隨庫水位變動而變動，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)在庫水位上升時先不斷減小后緩慢增大；在庫水位下降時先減小后逐漸增大，且下降速率越大，穩(wěn)定性系數(shù)越小；在降雨入滲條件下，邊坡的地下水位會有一定的抬升，同時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)減?。芯拷Y(jié)果，可為邊坡穩(wěn)定性分析和水庫安全運行提供可靠依據(jù)．

庫水位升降； 降雨入滲； 地下水位； 滲流特性； 穩(wěn)定性

我國可供開發(fā)的水能資源約為3.78×108kW，其中約68%分布在西南的青藏高原東緣地區(qū)[1]．近年來，我國的水電建設(shè)迎來了高潮，而水電站多修建在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地段，庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題越來越突出．

許多研究及統(tǒng)計資料[2-4]表明，影響庫岸邊坡穩(wěn)定及失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水．其中周期性的庫水升降和季節(jié)性降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響較為顯著，主要是其周期波動易引起邊坡內(nèi)的地下水位變化，引起邊坡內(nèi)的滲流場變化[2-3]，并通過影響邊坡中作為滲流骨架的巖體的力學性質(zhì)來影響岸坡的穩(wěn)定性[5]．為合理確定地下水位，眾多學者采用解析方法對其進行了研究[6-7]，為了更好地符合地下水的實際影響情況，目前多采用數(shù)值模擬[8-10]的方法進行工程計算．本文以西南某在建水電站的進口邊坡為例，結(jié)合前人的研究成果，運用飽和-非飽和滲流理論，對邊坡在降雨和庫水位變化條件下的滲流場采用有限元分析軟件Geo-Studio進行數(shù)值模擬，再結(jié)合極限平衡方法分析其在非穩(wěn)定滲流作用下的穩(wěn)定性．

1 工程概況

某水電站位于四川省雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，以發(fā)電為主，裝機容量為300×104kW，為一等大(Ⅰ)型工程，正常蓄水位為2 865.0 m，死水位為2 785.0 m．擬計算邊坡位于壩前左岸處，布置有泄洪洞、放空洞、導(dǎo)流洞等泄水建筑物進水口，巖性以粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)板巖及變質(zhì)砂巖與板巖互層為主，巖層總體產(chǎn)狀N55～90°W/SW∠55～85°；巖體由強風化層、弱風化強卸荷層、弱卸荷弱風化層及微-新基巖等組成，各巖層間多發(fā)育寬度不一的斷層，且斷裂、節(jié)理裂隙較發(fā)育[11]．該邊坡地下水空間形態(tài)表現(xiàn)為表部是孔隙和基巖裂隙水，下部為裂隙承壓水；大氣降水多補給潛水，且對地下水位的影響較顯著．

2 計算基礎(chǔ)

2.1 飽和-非飽和滲流理論

邊坡體中的地下水位隨著雨量及庫水位變化而發(fā)生改變，易使巖體的浸潤線不斷上下改變，而分別處于非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)．考慮降雨入滲時，常采用文獻[12-15]中的數(shù)學模型，選取流入流出單元的水量變化等于其水量隨時間的變化率[14]，對巖體的飽和非飽和滲流問題進行離散求解．在二維非穩(wěn)定流情況下，其飽和-非飽和滲流控制方程[16]為：

(1)

式中，hw為總水頭；kwx、kwy分別表示在x和y方向上的滲透系數(shù)；ρw為水的密度；g為重力加速度；mw為比水容量；t為時間．

2.2 穩(wěn)定性分析理論

根據(jù)庫水升降及降雨入滲條件下邊坡滲流場的計算結(jié)果，采用文獻[9-10]中的抗剪強度理論，考慮其引起的巖體抗剪強度等的降低，計算位于地下水位以上非飽和帶巖體的強度．對擬分析坡體的飽和帶區(qū)域進行穩(wěn)定性計算時，依照修正的Mohr-Coulomb強度準則，采用極限平衡理論及考慮非飽和強度變化的方法，計算邊坡在不同滲流狀況條件下的穩(wěn)定性．

3 計算模型及計算條件

3.1 計算模型

依據(jù)該邊坡的工程地質(zhì)特征，巖體節(jié)理裂隙普遍發(fā)育，所選的某計算剖面的工程地質(zhì)條件如圖1所示．

圖1 計算剖面工程地質(zhì)圖

采用彈塑性巖體材料模型及Mohr-Coulomb屈服準則，對模型進行適當簡化，并劃分為按一定尺寸生成的三角形和四邊形單元網(wǎng)格，滑動面處細化處理，單元數(shù)6 947個，節(jié)點數(shù)7 010個(如圖2所示)．

圖2 計算剖面劃分模型圖

邊坡模型以水平方向為X正軸，以垂直方向為Y軸，其范圍為0

蓄水時，右側(cè)水頭為正常蓄水位；庫水下降時，右側(cè)水位線以上為零流量邊界，水位線以下的邊坡前緣施加相應(yīng)的下降邊界條件．

3.2 計算參數(shù)選取

按照風化卸荷線將邊坡巖體分為：Ⅲ類、Ⅳ類及V類，并根據(jù)相關(guān)物理力學試驗的結(jié)果，結(jié)合地層分布、勘探面風化界限、構(gòu)造節(jié)理發(fā)育等情況，采用統(tǒng)計、綜合分析和工程地質(zhì)類比等方法，確定邊坡巖體的物理力學參數(shù)見表1．

表1 邊坡的物理力學參數(shù)

參照《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范DL/T5353-2006》，該邊坡的安全系數(shù)范圍按規(guī)范要求選取，持久狀況時為1.25～1.15，短暫狀況時為1.15～1.05．

3.3 確定邊界條件

考慮降雨邊界條件時，需考慮持續(xù)降雨時的最大一次持續(xù)降雨量，并將其轉(zhuǎn)化為軟件中所需的流量邊界，在邊坡坡頂及蓄水位以上的坡面上建立流量與時間關(guān)系的邊界條件，進行降雨入滲分析．

庫水上升時，將庫水位在2 785 m狀態(tài)下計算得到的浸潤線作為初始水位線，在模型上建立總水頭上升高度與時間關(guān)系的外邊界條件后，進行有限元計算；庫水下降時，將穩(wěn)定狀態(tài)2 865 m水位時的浸潤線作為初始水位線，建立總水頭下降高度與時間關(guān)系的外邊界條件，進行相關(guān)計算．

3.4 計算工況

由該地區(qū)的降雨統(tǒng)計資料[11]可知，雨季時多連續(xù)降雨，歷史上最大日降雨量為70.6 mm．從工程安全的角度考慮，假定降雨為等強型且持續(xù)，擬將其按照強度為70 mm/d來考慮．

根據(jù)四川省徑流特性、水電站群出力特點等，該水電站擬采用的調(diào)度方案為：每年6月初開始蓄水，8月初至9月底蓄至正常水位2 865.0 m；12月至次年5月末，壩前水位降至死水位2 785.0 m；6～7月的防洪限制水位為2 845.0 m[11]．

參照雅礱江干流上已建成水庫的運行方式，結(jié)合該水庫調(diào)度方案及邊坡的工程地質(zhì)特征，壩前水位上升速率擬取1 m/d、2 m/d等，下降速率擬取0.5 m/d、1 m/d等考慮，在邊坡模型中設(shè)置表2中的幾種工況的邊界條件，計算在不同條件下的滲流及穩(wěn)定性情況．

表2 邊坡計算工況

注：工況2和工況5中，庫水先期上升速率為2.0 m/d，歷時20 d，后期上升速率為1.0 m/d，歷時40 d；工況8和工況11中，庫水先期下降速率為1.0 m/d，歷時20 d，后期下降速率為0.5 m/d，歷時40 d．

4 邊坡滲流及穩(wěn)定性分析

4.1 滲流計算分析

在邊坡模型中，分別選取庫水位為2 785 m、2 813 m、2 837 m、2 865 m時，對邊坡內(nèi)較有代表性的深部、中部及淺部部位的地下水位線進行分析，其在不同工況下的變化情況如圖3～8所示．

庫水上升條件下，以死水位2 785.0 m時的穩(wěn)定滲流場作為初始滲流場，圖3顯示了庫水上升時邊坡內(nèi)的地下水位變化情況．

從圖3～4可知，在庫水上升時，邊坡體內(nèi)的浸潤線呈下凹狀，地下水位也會隨之上升．庫水上升速度越快，其相應(yīng)的地下水位越低，其中，上升速度為2.0 m/d時的地下水位最低．

從圖5可知，邊坡淺部的地下水位變化明顯，與庫水位同步變化；中部其次，深部最小，均呈滯后性．

圖3 庫水上升時典型地下水位情況

圖4 庫水上升時的不同工況下地下水位變化情況

圖5 庫水上升時邊坡不同部位的地下水位線變化情況

注：庫水上升時，將庫水位為2 785 m時的地下水位線作為相對高程基準點，得出不同水位在不同工況下的相對高程值．

分析可知，當庫水位逐漸上升時，庫水會自外向坡體內(nèi)部入滲，抬高地下水水位．庫水上升速率越大，庫水來不及完全入滲到邊坡體內(nèi)，坡體內(nèi)的孔隙水壓力不能與庫水位完全同步抬升，使得坡內(nèi)的地下水位線變化不明顯．而越靠近岸坡的位置，其地下水位變化越明顯，形成較大的水力坡度；遠離岸坡位置的地下水位，則因滲透系數(shù)小及不能及時響應(yīng)而變化較小，呈明顯滯后性．

庫水下降條件下，以正常水位2 865.0 m時的穩(wěn)定滲流場作為初始滲流場，圖6顯示了庫水下降時邊坡內(nèi)的地下水位變化情況．

從圖6～7可知庫水下降時，邊坡體內(nèi)的浸潤線呈微上凸狀，地下水位亦會隨之下降．其中，工況8(下降速度為2.0 m/d與1.0 m/d結(jié)合)時的地下水位相對較低；而下降速度為2.0 m/d時的地下水位比下降速度為1.0 m/d時高．

圖6 庫水下降時典型地下水位情況

圖7 庫水下降時的不同工況下地下水位變化情況

從圖8可知，邊坡地下水浸潤線滯后于庫水位，其斜率呈增大趨勢；淺部的地下水位與庫水位變化同步且均比其他位置明顯，深部最不明顯．分析可知，由于邊坡外層是含有碎石土等風化嚴重的巖體，導(dǎo)致邊坡體內(nèi)的地下水快速地向外滲出．庫水下降速率越大，邊坡體內(nèi)的孔隙水因來不及排出，使其孔隙水壓力與庫水位不能完全同步降低，也使坡體內(nèi)的地下水位線較高，再逐漸下降．靠近岸坡的位置，由于能及時響應(yīng)庫水的變化及滲透系數(shù)大，其地下水位比遠離岸坡位置的地下水位變化明顯．

圖8 庫水下降時邊坡不同部位的地下水位線變化情況

注：庫水下降時，將庫水位為2 865 m時的地下水位線作為相對高程基準點，得出不同水位在不同工況下的相對高程值．

從圖4～5、7～8可知，在庫水升降與降雨聯(lián)合作用條件下，降雨均會抬高坡體內(nèi)的地下水位，尤其在庫水下降時；并且此時邊坡體內(nèi)的總水頭等值線與庫水升降單獨作用(即工況1～3及工況7～9)時的相似，總水頭等值線沒有發(fā)生較大的變化．這主要是由于此邊坡巖體的滲透系數(shù)及降雨范圍不大，導(dǎo)致降雨對邊坡滲流場的影響及地下水位線的抬升不太明顯．在降雨施加后的一段時間，邊坡的地下水位會有一定幅度的變化．在遠離岸坡位置的坡體內(nèi)，其地下水位明顯滯后于庫水位，但降雨對地下水位的抬高作用比主要受庫水影響的淺部更為明顯．

4.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果與分析

在庫水升降過程中，采用基于Mohr-Coulomb準則等的極限平衡法，對邊坡相應(yīng)滑體進行安全系數(shù)計算，并從其中找到安全系數(shù)最小的滑動面后，對其進行穩(wěn)定性分析，其穩(wěn)定性系數(shù)的變化情況如圖9～10所示．

圖9 庫水位上升時穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線圖

從圖9可知，在庫水上升時，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)先持續(xù)減小，且起始在一定高程內(nèi)快速減小，之后緩慢減??；當庫水上升到一定高度(即穩(wěn)定性系數(shù)最小)后，穩(wěn)定性系數(shù)開始小幅度地上升而后趨于穩(wěn)定．庫水上升速率越大，到達同一庫水位時所對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)越大，且減小的速率越慢，最終的穩(wěn)定性系數(shù)也越大．

圖10 庫水位下降時穩(wěn)定性系數(shù)的變化曲線圖

分析可知，庫水逐漸上漲時，會自外向坡內(nèi)滲透，抬高的地下水位對邊坡巖體產(chǎn)生浮托力，降低了坡體的有效壓力及最危險底滑面上的抗滑力等；從而使邊坡滑面的穩(wěn)定性系數(shù)在開始時降低．之后，邊坡內(nèi)外的水力坡降和指向坡內(nèi)的滲透壓力在不斷增大，當指向坡內(nèi)的動水滲透壓力恰好抵消有效壓力減小時，邊坡滑面的穩(wěn)定性系數(shù)達到最小值；而后穩(wěn)定性均開始提高，待形成新穩(wěn)定滲流場后穩(wěn)定性系數(shù)也趨于穩(wěn)定．庫水上升速率越大，向坡體內(nèi)部的滲透就相對越慢，產(chǎn)生的浮托力越大，使邊坡穩(wěn)定性減小得越快；在穩(wěn)定性系數(shù)達到最小值后，指向坡內(nèi)的動水滲透壓力增大越快，邊坡穩(wěn)定性上升越快．故在庫水上升速度為2.0 m/d時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小較快；工況3時的最終穩(wěn)定性系數(shù)上升最快．

從圖10可知，在庫水下降過程中，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)先快速減小；待庫水下降到一定高度(即穩(wěn)定系數(shù)達到最小值)，穩(wěn)定性系數(shù)開始逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定．庫水下降速率越大，邊坡在相同庫水位時所對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)就越小，且減小速率越快；之后增大的速率越慢，最終的穩(wěn)定性系數(shù)也越?。渲?，庫水下降速度為0.5 m/d時的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大．

分析可知，當庫水不斷下降時，地下水響應(yīng)的滯后，使坡內(nèi)外的水位差不斷增大，會產(chǎn)生向下的拖拽作用；坡內(nèi)的地下水向外滲流，會增大坡體的重力和下滑力，導(dǎo)致邊坡滑面的穩(wěn)定性減小．在邊坡穩(wěn)定性達到最小后，坡體內(nèi)的地下水仍在滲出，對巖體力學性質(zhì)的軟化作用不斷減小，增大坡體最危險底滑面的抗滑力，使邊坡的穩(wěn)定性不斷增大．庫水下降速度越快，邊坡的穩(wěn)定性因孔隙水來不及排出而減小得越快．相反，在穩(wěn)定性系數(shù)達到最小值后，坡體內(nèi)的地下水能更充分地向坡外滲出，使坡體抗滑力及穩(wěn)定性的上升速率越快．故在庫水下降速度為0.5 m/d時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)最大，工況7時的最終穩(wěn)定性系數(shù)最大．

從圖9～10可知，在庫水升降與降雨聯(lián)合作用條件下，雨水入滲使得降雨區(qū)巖體部分飽和，導(dǎo)致該區(qū)域坡體的抗剪強度等力學性質(zhì)及有效應(yīng)力均相應(yīng)加快減小，最危險底滑面上的抗滑力下降，使邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均要比庫水位升降單一作用(即工況1～3及工況7～9)時小，也會出現(xiàn)更小值．由于本邊坡巖體類別的原因，地下水位變化滯后于庫水位升降，而降雨范圍不廣，且坡內(nèi)入滲較慢，因此降雨影響相對有限．這說明降雨不利于邊坡穩(wěn)定，但對邊坡的穩(wěn)定影響不如庫水位變動明顯．在降雨條件下，適當?shù)膸焖档乃俾剩瑢⒂兄谔岣哌吰伦罱K的穩(wěn)定性．

5 結(jié) 論

1)庫水位的升降速度及降雨入滲，均會對庫岸邊坡的滲流場及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響．本文依據(jù)飽和-非飽和滲流和極限平衡理論，利用有限元分析軟件，對某泄水建筑物進口邊坡在庫水位升降和降雨條件下的滲流及穩(wěn)定性進行了模擬與分析．

2)在單一的庫水升降過程中，邊坡的滲流場相似，且壓力水頭值變化趨勢也相似．降雨對邊坡滲流場的影響不太明顯，但仍會抬升邊坡的地下水位，尤其是深部邊坡．在降雨與庫水升降聯(lián)合作用時，滲流場的水頭等值線發(fā)生了改變，并改變了單一庫水升降下的滲流場．

3)庫水位變動及雨水入滲對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，其中庫水下降時比庫水上升時的影響大，尤其是庫水驟降．在持續(xù)降雨情況下，為確保該邊坡的穩(wěn)定，蓄水時先期速率可盡量大，到一定程度后，即邊坡安全系數(shù)達到最小值后，蓄水的速率應(yīng)盡量放慢，以使邊坡的穩(wěn)定性降低幅度最??；除控制庫水位的升降速度及加強監(jiān)測外，還應(yīng)盡量避免發(fā)生庫水驟降．

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[責任編輯 周文凱]

Analysis of Seepage Characteristics and Stability of a Slope under Conditions of Reservoir Water Level Fluctuation and Rainfall

Lu Bo1,2Guo Yongcheng1,2Zhao Erping1,2Gong Zhanglong1,2Wang Chong1,2

(1. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In Southwest of China, the geological structure is complex and the rainfall is abundant; so the influence of groundwater on the stability of reservoir slopes is relatively prominent. Taking an inlet slope of the discharge structure in that area as the prototype, the seepage and stability of the slope under different conditions of rainfall and the reservoir water level fluctuation are simulatively calculated based on saturated-unsaturated seepage theory, limit equilibrium theory and the finite element analysis software (Geo-Studio). The calculation results show that the groundwater level of the slope changes exactly in accordance with the reservoir water level, slope stability safety factor firstly decreases with the rise of reservoir water level, and then increases slowly. When the reservoir water level drops, the slope stability safely factor coefficient firstly decreases and then increases; and the lower the rate of decline is, the smaller the stability safety factor will be. Under the condition of rainfall infiltration, the groundwater level of the slope will rise to a certain extent; and the stability safety factor of the slope accordingly decreases at the same time. The research results can provide a reliable basis for slope stability analysis and the safe operation of the reservoir.

reservoir water level fluctuation; rainfall infiltration; groundwater levels; seepage characteristics; stability

2016-10-28

國家自然科學基金重點項目(51439003)；湖北省自然科學基金項目(2014CFC1139，2015CFC831)；三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室(三峽大學)開放研究基金項目(2015KDZ17)；三峽大學科學基金(KJ2013B004)

郭永成(1980-)，男，副教授，博士，主要研究方向為巖土工程、風險管理等．E-mail：ych_guo@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.012

TV139.14： P642

A

1672-948X(2017)02-0054-06