水動力型滑坡堆積體滲流穩(wěn)定性數(shù)值分析

王如賓 夏 瑞 祁 健 李學(xué)政

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,南京 210098;3.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計研究院有限公司,長沙 410014)

隨著我國眾多大型水電工程的竣工,高壩大庫的蓄水,每年汛期強(qiáng)降雨都會誘發(fā)大量的庫區(qū)滑坡災(zāi)害.尤其是新建水庫蓄水至高水位初期3～5年內(nèi),將集中產(chǎn)生新生滑坡、塌岸和部分老滑坡的復(fù)活并伴有相應(yīng)的入江涌浪災(zāi)害[1-2],究其原因,除了周期性的庫水位變化外,強(qiáng)降雨及其引起的地下水位變化是誘發(fā)庫區(qū)水動力型滑坡堆積體變形復(fù)活另一個主要因素[3-8].因此,必須重點關(guān)注汛期強(qiáng)降雨誘發(fā)庫區(qū)水動力型滑坡變形宏觀表現(xiàn)與前兆信息,進(jìn)而揭示庫區(qū)滑坡滲流穩(wěn)定的演化機(jī)制,以便及時掌握和判斷庫區(qū)滑坡體變形發(fā)展趨勢,提前做好庫區(qū)滑坡災(zāi)害防治.

水庫運行初期蓄水后,汛期強(qiáng)降雨逐漸變成誘發(fā)庫區(qū)滑坡災(zāi)害的最主要因素[2-3,5].童富果等[9]研究了大氣降雨時斜坡的飽和-非飽和降雨入滲問題,分析了降雨入滲規(guī)律;王建新、王恩志等[10]詳細(xì)分析了完整降雨入滲過程中坡體內(nèi)部滲流場的分布特征.但是上述研究只是分析了飽和-非飽和條件下降雨入滲規(guī)律和入滲模型,未涉及邊坡滲流穩(wěn)定性研究.周家文等[11]降雨入滲過程中考慮基質(zhì)吸力對滑動面抗剪強(qiáng)度影響,研究了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響;代貞偉等[12]揭示了持續(xù)降雨影響對大型反傾巖質(zhì)滑坡失穩(wěn)破壞機(jī)理;尚敏等[13]研究了降雨滲流場變化對庫區(qū)滑坡變形的影響機(jī)制;闞露和胡鵬[14]揭示了庫水位不變情況下不同降雨過程對滑坡穩(wěn)定性的影響.上述成果顯示,降雨入滲對于淺層滑坡、土體均質(zhì)滑坡、裂隙巖體滑坡的影響最為明顯,但是對于西南水電工程庫區(qū)廣泛分布的深厚堆積體邊坡,由于其滑面上覆堆積層深厚,一般降雨很難從滑坡體直接下滲到滑動面,因此,非常需要深入揭示汛期降雨對庫區(qū)深厚滑坡堆積體穩(wěn)定性的影響機(jī)理.

本文結(jié)合清水江三板溪水電站庫區(qū)東嶺信滑坡堆積體工程,通過分析水庫穩(wěn)定蓄水后深厚滑坡堆積體地下水分布特征,揭示降雨對深厚滑坡堆積體穩(wěn)定性影響機(jī)理;研究降雨和排水措施下滑坡堆積體地下水滲流場變化,揭示降雨入滲和排水措施對滑坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為重大水電工程庫區(qū)水動力型深厚堆積體滑坡災(zāi)害治理與防范提供參考.

1 研究區(qū)概況

本文選擇的研究區(qū)域為清水江三板溪水電站庫區(qū)東嶺信滑坡堆積體工程,如圖1所示.該滑坡工程為中低山峽谷區(qū),地形坡度25°左右.滑坡堆積體的滑體部分主要由含碎、塊石粉質(zhì)粘土夾層,塊石、碎石夾粉質(zhì)粘土層以及碎裂巖體層組成.滑坡堆積體前緣鉛直厚度35～69 m,中部鉛直厚度89～145 m,估計體積約1 800×104m3.

圖1 庫區(qū)典型滑坡堆積體前緣現(xiàn)場照片

三板溪水電站2006年1月下閘蓄水,2007年7月壩前蓄水位最高達(dá)到472 m,與正常蓄水位僅差3 m.東嶺信滑坡堆積體表面裂縫最早發(fā)現(xiàn)于2007年7月下旬,地面裂縫主要出現(xiàn)于滑坡體后緣高程665～700 m范圍內(nèi),如圖2所示.截止目前,水庫已正常蓄水12年,其中2010～2014年間在堆積體中后部施工完成兩條排水洞.根據(jù)最新現(xiàn)場勘察資料,堆積體整體變形速率減小,地表裂縫張開寬度無明顯變化,堆積體內(nèi)部地下水位一定程度降低,排水洞措施明顯,堆積體整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 滑坡堆積體后緣表面裂縫特征

2 庫區(qū)滑坡堆積體地下水分布特征分析

從水文地質(zhì)條件分析,東嶺信滑坡堆積體表部及中部存在有粉質(zhì)粘土加碎石層為相對含水層,故堆積體上部堆積物中的水主要為地表水和局部上層滯水,含水量豐水期和枯水期變化不大,主要接受大氣降水補(bǔ)給;堆積體下部孔隙水存在基本統(tǒng)一的潛水面,受堆積體上部水源補(bǔ)給影響較小,主要接受堆積體后部山體和兩側(cè)基巖裂隙水補(bǔ)給,無論是豐水期還是枯水期,潛水水位位于滑面以上10～26 m,水力坡降21°左右,水位變化較小.

滑坡堆積體前緣受庫水位變化和汛期強(qiáng)降雨的影響較大.堆積體中粉質(zhì)粘土層基本隔斷了堆積體表面地表水、局部上層滯水與堆積體地下潛水間的水力聯(lián)系,使得深厚堆積體上部地下水具有分層性.

綜合以上分析,引起滑坡堆積體前緣內(nèi)瞬時孔隙水壓力變化的主要因素庫水位變化和汛期強(qiáng)降雨,而引起堆積體中后緣孔隙水壓力變化的主要因素是降雨引起的堆積體后部山體和兩側(cè)基巖裂隙水補(bǔ)給.因此,在堆積體前緣無法進(jìn)行有效治理情況下,通過堆積體中后部設(shè)置排水洞降低地下水位來提高堆積體整體穩(wěn)定性的治理措施是非常必要的.

3 滑坡堆積體滲流穩(wěn)定計算模型與工況

3.1 滲流穩(wěn)定計算模型

綜合對比目前滲流分析計算軟件,本文選用加拿大Geo-Studio仿真軟件對東嶺信滑坡堆積體進(jìn)行降雨入滲非飽和滲流模擬、排水滲流模擬和滑坡穩(wěn)定性計算.

選取典型工程地質(zhì)剖面如圖3所示,建立滲流及穩(wěn)定性計算模型如圖4所示.在高程500 m和580 m處設(shè)置兩條排水洞,用以降低堆積體中后部地下水位,提高滑坡堆積體整體穩(wěn)定性.

圖3 東嶺信滑坡堆積體典型工程地質(zhì)剖面圖

圖4 滑坡堆積體剖面滲流計算模型

滑坡堆積體在降雨入滲條件下的滲流規(guī)律滿足如下滲流連續(xù)性方程:

式(1)為非穩(wěn)定滲流微分方程一般形式;S s=ρg(α+nβ),稱為單位儲存量(尺度為1/L),即單位體積飽和土體在水頭下降1 m時由于土體壓縮(ρgα)和水體膨脹(ρgnβ)所釋放出的儲存水量.

3.2 計算邊界與工況

滑坡堆積體滲流計算邊界設(shè)置如下:

1)堆積體剖面上部表面為降雨入滲邊界,降雨強(qiáng)度為0.1333 m/d,降雨歷時為5 d,剖面底部按不透水層處理.

2)堆積體剖面左邊為定水頭邊界,水頭高度為正常庫水位475 m;

3)堆積體剖面右邊為定水頭邊界,水頭高度為邊界地下水位704 m;

4)排水洞為定流量邊界,根據(jù)排水洞實際監(jiān)測,確定1號排水洞單位寬度排水洞平均流量0.135 m3/d,2號排水洞單位寬度排水洞平均流量0.175 m3/d.

滑坡堆積體滲流穩(wěn)定性計算工況為:

工況1:正常庫水位(475 m)+排水洞排水,此工況不考慮降雨影響,保持正常庫水位不變;

工況2:正常庫水位(475 m)+強(qiáng)降雨(降雨強(qiáng)度0.133 3 m/d,降雨歷時5 d)+排水洞排水,此工況考慮降雨影響,保持正常庫水位不變.

3.3 計算參數(shù)

滑坡堆積體主要由表部為含碎、塊石粉質(zhì)粘土層、中部塊、碎石夾粉質(zhì)粘土層、碎裂巖體和下部滑帶含礫粉質(zhì)粘土層組成.考慮滲透條件下堆積體穩(wěn)定性計算時,首先要求解堆積體在不同時間下堆積體內(nèi)部的滲流場,其滲流計算參數(shù)見表1.堆積體物理力學(xué)參數(shù)見表2,其中位于初始水位以下的堆積體,在計算中采用飽水狀態(tài)下的參數(shù);位于初始水位以上的堆積體,在計算中采用天然狀態(tài)下的參數(shù).

表1 滑坡堆積體各層巖體滲透參數(shù)

表2 滑坡堆積體土層物理力學(xué)參數(shù)建議值

4 降雨與排水滲流穩(wěn)定計算結(jié)果分析

4.1 降雨與排水滲流模擬分析

利用Geo-Studio數(shù)值計算軟件進(jìn)行了正常蓄水位作用下,不考慮降雨作用的堆積體滲流場與排水過程數(shù)值計算模擬分析,計算結(jié)果如圖5所示.圖6為正常蓄水位作用下,考慮強(qiáng)降雨作用的堆積體滲流計算與排水過程模擬結(jié)果.

圖5 工況1下排水歷時100d堆積體滲流場分布規(guī)律

圖6 工況2下排水歷時100d滑坡堆積體滲流場分布規(guī)律

由圖5可知,所施加的兩條排水洞明顯地降低了堆積體邊坡中后緣部分的地下水位;滑坡堆積體前緣,由于受庫水位變化影響較大,工況1作用下,排水洞排水過程對于滑坡堆積體前緣滲流規(guī)律影響較小.從圖6中可看出,堆積體上部堆積物中的水主要為地表水和局部上層滯水,降雨入滲過程相對緩慢,基本隔斷了堆積體表面地表水、局部上層滯水與堆積體地下潛水之間的水力聯(lián)系,使得深厚堆積體上部地下水具有分層性.但是,降雨入滲對堆積體前緣出露的碎裂巖體邊坡孔隙水壓力分布影響較大,主要是因為碎裂巖體滲透性較大,且相對堆積厚度不深;加上滑坡堆積體前緣受庫水位影響也較大,所以,在工況2作用下,滑坡堆積體前緣部分滲流規(guī)律受到庫水位和降雨入滲的雙重作用影響.

4.2 滑坡堆積體滲流穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖7是滑坡堆積體局部穩(wěn)定性計算結(jié)果,圖8為滑坡堆積體整體穩(wěn)定性計算結(jié)果.從圖7和圖8中可以看出,剖面局部最危險滑面出現(xiàn)在堆積體前緣,滑面高程約580 m;剖面整體最危險滑面位于堆積體中上部,滑坡高程為640 m.排水洞施工排水之前,滑坡堆積體局部和整體安全系數(shù)見表3;分布在高程500 m和580 m設(shè)置兩條排水洞,用以降低堆積體中后部地下水位.滑坡堆積體局部和整體穩(wěn)定性隨排水歷時的變化規(guī)律如圖9～10所示.

圖7 滑坡堆積體局部穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖8 滑坡堆積體整體穩(wěn)定性計算結(jié)果

表3 不排水條件下的滑坡堆積體剖面穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖9 滑坡堆積體局部穩(wěn)定性隨排水歷時的變化規(guī)律

圖10 滑坡堆積體整體穩(wěn)定性隨排水歷時的變化規(guī)律

4.3 降雨和排水對滑坡堆積體穩(wěn)定性的影響分析

從表3不排水條件下的滑坡堆積體剖面穩(wěn)定性安全系數(shù)中可以看出,由于強(qiáng)降雨作用,使得滑坡堆積體的穩(wěn)定性明顯降低,堆積體局部穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.046,堆積體整體穩(wěn)定性降低了0.065,由此可以看出,強(qiáng)降雨入滲作用對滑坡堆積體整體穩(wěn)定性的影響更為明顯,從而驗證了水文地質(zhì)特征分析的結(jié)果.

由圖9～10所示的堆積體穩(wěn)定性隨排水歷時的變化規(guī)律可知,隨著排水時間的持續(xù),堆積體局部和整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均逐漸升高.不考慮強(qiáng)降雨條件下,排水100 d后,局部穩(wěn)定性安全系數(shù)增加了0.082,整體穩(wěn)定性安全系數(shù)增加了0.086;考慮強(qiáng)降雨作用,排水100 d后,局部穩(wěn)定性安全系數(shù)增加了0.026,整體穩(wěn)定性安全系數(shù)增加了0.036.由此看出,降雨入滲對滑坡堆積體整體穩(wěn)定性的影響大于庫水位變化對堆積體整體穩(wěn)定性的影響;尤其是當(dāng)汛期降雨和庫水位變化聯(lián)合作用時,汛期降雨對滑坡堆積體穩(wěn)定狀態(tài)起關(guān)鍵作用.

5 結(jié) 論

1)東嶺信滑坡深厚堆積體中后緣孔隙水壓力變化主要是降雨入滲引起堆積體后部山體和兩側(cè)基巖裂隙水補(bǔ)給;堆積體前緣部分孔隙水壓力變化主要受到庫水位和降雨入滲的聯(lián)合作用.

2)設(shè)置排水洞措施對提高滑坡堆積體整體穩(wěn)定性影響明顯.不排水條件下,強(qiáng)降雨作用使滑坡堆積體局部和整體穩(wěn)定性都明顯降低,且強(qiáng)降雨入滲作用對滑坡堆積體整體穩(wěn)定性降低影響明顯;排水條件下,不考慮降雨入滲的堆積體穩(wěn)定性明顯高于考慮降雨入滲的堆積體穩(wěn)定性,且隨著排水時間增加,堆積體局部和整體穩(wěn)定性安全系數(shù)均逐漸升高.

3)降雨入滲對東嶺信滑坡堆積體整體穩(wěn)定性的影響大于庫水位變化對堆積體整體穩(wěn)定性的影響;尤其是當(dāng)汛期降雨和庫水位變化聯(lián)合作用時,汛期降雨對滑坡堆積體整體穩(wěn)定狀態(tài)起關(guān)鍵作用.