反傾巖質(zhì)庫岸邊坡滲流場數(shù)值分析

阿布都卡地爾·阿布都克拉木

0 引言

在我國有許多水庫庫區(qū)，水庫水位的變化通常會造成有些坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞，對航道造成很大的影響。

許多研究及統(tǒng)計資料表明，影響庫岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會影響邊坡內(nèi)的滲流場變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[1-3]。為了確定浸潤面位置，眾多學(xué)者采用解析方法[4]對其進(jìn)行了研究，目前多采用數(shù)值模擬方法[5]對其進(jìn)行工程計算。

庫水水位的變化對坡體穩(wěn)定性影響很大，水位的變化導(dǎo)致土體孔隙水壓力發(fā)生變化，而土體的滲透系數(shù)也嚴(yán)重影響著土體內(nèi)部水壓力的變化，研究庫水水位和土體滲透系數(shù)變化對坡體穩(wěn)定性研究十分重要[6-7]。

本文利用Phase2軟件，對反傾巖質(zhì)庫岸邊坡進(jìn)行滲流分析，研究庫水水位變化速率和滑體滲透系數(shù)對岸坡穩(wěn)定性的影響。

1 基本滲流理論

地下水的流動可以通過達(dá)西定律進(jìn)行描述[8]，在x-y平面上可以寫成：

其中，總水頭μ可以寫成下式：

式中：μ為總水頭值；y為豎直高度；p為孔隙水壓力；γw為水的重度。

除此之外，還定義了一個孔隙水壓力水頭μp：

當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)分析時，其連續(xù)性方程為：

式中：kx,ky分別為土體x,y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；t為試件參數(shù)。

上式中左端第三項中把水頭值的變化通過有效容量c和單元體內(nèi)含水率的變化聯(lián)系起來。和飽和土不同的是，非飽和土的有效容量c和非飽和土滲透系數(shù)的大小取決于土體中含水率和毛細(xì)力的大小。

有效容量c和滲透系數(shù)張量K的表達(dá)式為：

2 模型的建立及模型參數(shù)

某壩段庫岸在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開展該段庫岸的治理工作十分必要。圖1為滑坡全貌圖。

圖1 邊坡全貌圖

對研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取庫岸的某個典型斷面進(jìn)行分析，對坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化，圖2為坡體地質(zhì)剖面圖。

圖2 坡體地質(zhì)剖面圖

水庫蓄水后，庫水水位在145 m～175 m之間變化，庫岸邊坡每年都會經(jīng)歷一次升降水位變化過程，極大地影響了岸坡的水文地質(zhì)環(huán)境，消落帶長期遭受干濕循環(huán)作用，巖體強(qiáng)度不斷降低，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，消落帶巖體的軟化作用將會導(dǎo)致整個坡體的穩(wěn)定性發(fā)生變化。圖3為消落帶全貌圖。

圖3 消落帶全貌圖

消落帶以上的巖體由于長期的風(fēng)化作用，巖土體物理力學(xué)參數(shù)也出現(xiàn)了一定程度的降低，該庫岸邊坡的巖體結(jié)構(gòu)主要為灰?guī)r，基巖為弱風(fēng)化灰?guī)r，風(fēng)化層為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[8]，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，表1為壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

設(shè)計庫水位范圍為145 m～175 m，水位落差為30 m，對研究區(qū)岸坡某個典型斷面進(jìn)行分析，擬采用有限元軟件Phase2對岸坡滲流場進(jìn)行數(shù)值分析，研究庫水位升降速率和滑體滲透系數(shù)對岸坡穩(wěn)定性的影響，改變庫水位的升降速率和滑體滲透系數(shù)，在此將滑體設(shè)置為風(fēng)化層和消落帶，庫水位的升降速率分別為 v=0.2 m/d、v=0.4 m/d、v=0.6 m/d、v=1 m/d、v=2 m/d，滑體滲透系數(shù)分別為k=0.1、k=1、k=10。圖4為有限元計算模型。

圖4 有限元計算模型

改變庫水位的升降速率和滑體滲透系數(shù)，庫水位的升降速率分別為 0.2 m/d、0.4 m/d、0.6 m/d、1 m/d、2 m/d。

3 庫水位升降速率變化

3.1 庫水位上升時

圖5 庫水位上升時安全系數(shù)隨時間變化曲線

從圖5中可以看出；庫水位上升過程中，當(dāng)水位上升速度一定時，滑體滲透系數(shù)越小，岸坡的安全系數(shù)越大；岸坡的安全系數(shù)隨著庫水位的上升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最后趨于平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)大；庫水位上升速率一定時，滑體的滲透系數(shù)越小，岸坡安全系數(shù)的增加速率越大。

3.2 庫水位下降時

圖6 庫水位下降時安全系數(shù)隨時間變化

從圖6中可以看出；庫水位下降過程中，當(dāng)水位下降速度一定時，滑體滲透系數(shù)越大，岸坡的安全系數(shù)也越大；岸坡的安全系數(shù)隨著庫水位的上升呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最后趨于平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)?。换w的滲透系數(shù)越小，岸坡安全系數(shù)的減小速率越小。

4 滑體滲透系數(shù)變化

4.1 庫水位上升時

圖7 庫水位上升時安全系數(shù)隨時間變化

從圖7中可以得到，庫水位上升過程中，滑體滲透系數(shù)和庫水上升速率一定時，岸坡安全系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最后安全系數(shù)趨于平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)大；當(dāng)滑體滲透系數(shù)一定時，庫水位上升速率越大，岸坡安全系數(shù)變化越明顯。

4.2 庫水位下降時

圖8 庫水位下降時安全系數(shù)隨時間變化

從圖8中可以得到，庫水位下降過程中，滑體滲透系數(shù)和庫水上升速率一定時，岸坡安全系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最后安全系數(shù)趨于平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)?。划?dāng)滑體滲透系數(shù)一定時，庫水位下降速率越大，岸坡安全系數(shù)變化越明顯。

5 結(jié)論

利用有限元Phase2軟件，對反傾巖質(zhì)庫岸邊坡進(jìn)行滲流分析，研究庫水水位變化速率和滑體滲透系數(shù)對岸坡穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)滑體滲透系數(shù)和庫水上升速率一定時，庫水位上升時，岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最后安全系數(shù)區(qū)域平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)大，庫水位下降時，岸坡安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最后安全系數(shù)區(qū)域平穩(wěn)，但最終安全系數(shù)比最初安全系數(shù)小。

當(dāng)庫水位下降速率越大，滑體滲透系數(shù)越大時，岸坡最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

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