降雨條件下水電站棄渣場邊坡滲流特性及其穩(wěn)定性分析

袁 木，秦光輝，張偉鋒

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司施工處，四川 成都 610072）

目前我國水電工程多位于西部深山峽谷地區(qū)，由于施工條件差、施工場地匱乏等原因，該區(qū)域的工程項目一般將開挖棄渣堆放于溝道內(nèi)，這種溝道型棄渣場一般具有棄渣量大、堆渣高度較高等特點(diǎn)，渣場一旦失事將對主體工程或環(huán)境造成較為嚴(yán)重的影響。因此，棄渣場邊坡穩(wěn)定性是工程設(shè)計人員關(guān)注的重點(diǎn)問題，特別是在降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性更是值得深入研究、分析。

國內(nèi)許多學(xué)者對降雨入滲條件下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并取得一定的成果。賈蒼琴、黃茂松等人[1]采用有限元強(qiáng)度折減法方法對水位下降邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了探討和分析；王賀、張潔等人[2]提出了考慮時變效應(yīng)的花崗巖殘積土邊坡系統(tǒng)可靠度分析方法；向章波、張家銘等人[3]利用Slide軟件對降雨條件下的某紅層路塹邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析；常金源、包含等人[4]建立了降雨入滲條件下淺層滑坡的概念模型，分別推導(dǎo)了降雨前有、無地下水位條件下的邊坡安全系數(shù)與降雨時間的關(guān)系表達(dá)式；陳新澤、唐輝明等人[5]利用有限差分軟件FLAC3D編制了滑坡體安全系數(shù)計算程序；唐棟、李典慶等人[6]對不同初始條件對不同土體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了考慮前期降雨過程對邊坡穩(wěn)定性的影響，并得到一些有益的結(jié)論。

以桐子林水電站頭道河渣場為研究對象，利用全球著名的加拿大巖土工程設(shè)計分析軟件GeoStudio，將其中的SEEP/W與SLOPE/W模塊進(jìn)行耦合計算，對水電站棄渣場在降雨條件下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，重點(diǎn)討論在持續(xù)降雨條件下棄渣場內(nèi)滲流場的變化及降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

1 非飽和土體邊坡穩(wěn)定性分析理論

1.1 土水特征曲線

土水特征曲線在非飽和土力學(xué)中具有重要意義，反映體積含水率與土體基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，可用來表征土體的吸水能力。土水特征曲線一般是通過試驗確定的，但試驗測量法難度較大。Fredlund等[7]對土體孔徑分布曲線進(jìn)行研究，并采用統(tǒng)計分析理論提出土-水特征曲線模型，如下所示：

式中：θ——非飽和土的體積含水量；θs——土體飽和含水量；ψ——土體基質(zhì)吸力；ψr——?dú)堄嗪克鶎?yīng)的基質(zhì)吸力；a，b，c——模型擬合參數(shù)。

1.2 飽和-非飽和滲流基本理論

基于達(dá)西定律，對二維飽和-非飽和滲流問題進(jìn)行分析時，可以假定土體滲流各向同性，即可以得到簡化后的飽和-非飽和滲流微分方程：

式中：kw——土體的滲透系數(shù)，是基質(zhì)吸力的函數(shù)；hw——總水頭；ρ——水的密度；g——重力加速度；θw——土體的體積含水率；(ua-uw)——土體的基質(zhì)吸力。

式中：c′——有效黏聚力；φ′——有效黏聚力；(σ -ua)——為凈法向應(yīng)力；(ua-uw)——為基質(zhì)吸力；φb——為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角，通常會隨著基質(zhì)吸力的增大而減小，變化范圍為15°～20°，在分析中對其進(jìn)行了簡化處理，假設(shè)其為常數(shù)[9]。

1.3 非飽和土抗剪強(qiáng)度公式

降雨入滲過程中，邊坡非飽和土體抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力的影響，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性。因此，本文采用了Fredlund等[8]提出的非飽和土體的抗剪強(qiáng)度公式：

2 工程實例

2.1 工程概況

桐子林水電站位于攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距雅礱江與金沙江交匯口15 km，是雅礱江流域梯級開發(fā)的最下游一個電站。頭道河渣場位于大壩右岸下游約1.5 km處的頭道河溝內(nèi)，屬于溝道型渣場，主要堆存來自引水渠、尾水渠、廠區(qū)、左右岸擋水壩、導(dǎo)流工程和交通設(shè)施的棄渣，估算堆放渣約為457.5萬m3（松方），根據(jù)GB 51018-2014《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》，頭道河棄渣場級別為3級。渣場典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 頭道河渣場典型斷面地質(zhì)剖面

2.2 巖土層參數(shù)

在飽和-非飽和滲流分析中，基于土體飽和含水率、飽和滲透系數(shù)等特征參數(shù)，采用SEEP/W模塊中自帶的Fredlund&Xing土-水特征曲線模型擬合推導(dǎo)得到渣體的土水特征曲線，繪制的曲線如圖2，3所示。各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 渣體滲透系數(shù)曲線

圖3 渣體土水特征曲線

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬

在降雨入滲條件下，非飽和土層中孔隙水壓力隨之升高、土體重度隨之增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)則會隨之降低。本文首先對渣體進(jìn)行飽和-非飽和滲流分析，確定降雨入滲條件下的渣體內(nèi)部孔隙水壓力場，然后進(jìn)行渣體邊坡穩(wěn)定性分析確定安全系數(shù)。

數(shù)值計算模型：根據(jù)頭道河渣場現(xiàn)狀建立數(shù)值計算模型，非飽和滲流計算時采用三角形單元和四邊形單元對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，共剖分為997個單元，1 057個節(jié)點(diǎn)，并在模型表面設(shè)置A、B、C3個監(jiān)測點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 頭道河渣場數(shù)值計算模型

降雨過程模擬：根據(jù)四川省一般降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，大雨強(qiáng)度日降雨量為25～50 mm，暴雨強(qiáng)度日降雨量為50～100 mm。本文模擬桐子林水電站頭道河渣場遭遇一次暴雨降雨過程，降雨歷時7 d，最大日降雨量為60 mm，雨停之后再計算8 d，總共歷時15 d，降雨過程如圖5所示。

圖5 降雨過程模擬

邊界條件處理：渣體表面入滲邊界取為降雨流量邊界；對于模型兩側(cè)，地下水位以上取為零流量邊界，地下水位以下取為水頭邊界；模型底面取為零流量邊界。

3 計算結(jié)果分析

3.1 天然狀態(tài)分析

天然狀態(tài)下渣體邊坡的孔隙水壓力分布情況如圖6所示?？梢钥闯觯谔烊粻顟B(tài)下，渣體邊坡中的孔隙水壓力分布較為均勻，在地下水位線處，孔隙水壓力為0，地下水位線以上，孔隙水壓力為負(fù)值，即處于非飽和狀態(tài)。正常工況下采用簡化Bishop法計算搜索得到棄渣場邊坡最危險滑面如圖7所示，對應(yīng)最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.422，滿足GB 51018-2014《水土保持工程工程設(shè)計規(guī)范》關(guān)于棄渣場抗滑穩(wěn)定計算值不小于1.25的要求，即渣體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 天然狀態(tài)孔隙水壓力分布

圖7 正常工況下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 降雨條件下滲流特性分析

渣體邊坡孔隙水壓力分布云圖隨時間的變化如圖8所示。降雨發(fā)生時，雨水慢慢滲入渣體內(nèi)部，渣體內(nèi)部含水率逐漸增大，并在渣體內(nèi)部形成新的孔隙水壓力等值線，渣體表面附近處孔隙水壓力逐漸增大，隨著降雨的持續(xù)，坡體表面附近孔隙水壓力曲線進(jìn)一步向渣體內(nèi)部調(diào)整，說明雨水慢慢向內(nèi)部入滲；隨著降雨的進(jìn)一步持續(xù)，部分區(qū)域孔隙水壓力越來越接近于0，直至出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)，在坡體表面形成正的暫態(tài)水壓力，孔隙水壓力變?yōu)檎怠＝涤晖Ｖ购?，渣體表面孔隙水壓力逐漸消散，渣體內(nèi)部由于有上部滲水的補(bǔ)充孔隙水壓力仍在緩慢增大。

坡體表面A，B，C監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨時間的變化曲線如圖9所示，從圖中可以看出：

圖8 孔隙水壓力隨時間變化情況（單位：kPa）

1）在降雨發(fā)生的7 d時間內(nèi)，A，B，C監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨降雨持續(xù)而不斷增大，A點(diǎn)孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到-0.97 kPa，B點(diǎn)的孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到2.17 kPa，C點(diǎn)的孔隙水壓力由-49.03 kPa增大到1.10 kPa，在降雨中期，孔隙水壓力增長速率較大，后期趨于平緩；

2）B，C兩監(jiān)測點(diǎn)相對A監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)了正孔隙水壓力，這是因為B監(jiān)測點(diǎn)位于馬道附近，C監(jiān)測點(diǎn)位于渣腳附近，在降雨過程中該部位容易出現(xiàn)積水，從而形成暫態(tài)飽和區(qū)，導(dǎo)致正孔隙水壓力的出現(xiàn)；

3）降雨停止后，由于渣體表面先失去水分，C監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力均隨時間而逐漸減小。

圖9 孔隙水壓力隨時間變化曲線

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

在滲流計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SLOPE/W模塊進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，采用簡化Bishop法得到邊坡安全系數(shù)隨降雨持時的變化如圖10所示，第15 d時簡化Bishop法計算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)如圖11所示。從圖中可以看出，棄渣場邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨時間的增加而逐漸降低，降雨中期安全系數(shù)降低較快，雨停之后，邊坡穩(wěn)定系數(shù)仍在緩慢降低直至穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)從1.422降低至1.394，降低1.97%。

由此可見：

1）降雨發(fā)生時，雨水逐漸從渣體表面滲入內(nèi)部，使得孔隙水壓力增大，渣體內(nèi)含水率增加，基質(zhì)吸力減小，渣體邊坡淺層部位達(dá)到飽和狀態(tài)，使得渣體抗剪強(qiáng)度參數(shù)不斷降低，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)不斷減小，降雨停止之后邊坡內(nèi)孔隙水壓力逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)，邊坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定。

2）由于渣體滲透系數(shù)一般較大，滲透性較好，雨水可以較快的下滲，降雨期間棄渣場邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)降低相對不大。

圖10 安全穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

圖11 第15 d邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

在實際工程計算時，對于暴雨工況下的棄渣場邊坡穩(wěn)定計算往往采用參數(shù)折減法進(jìn)行簡單計算，本文對兩種計算方法進(jìn)行對比分析，暴雨工況下渣體的物理力學(xué)參數(shù)作如下折減：重度采用濕重度，內(nèi)摩擦角由26.5°降低至25°，粘聚力由10 kPa降低至5 kPa，其余參數(shù)不變。采用瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法分別計算，結(jié)果對比如表2所示。從表2中可看出，瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu法采用參數(shù)折減計算出棄渣場邊坡安全系數(shù)均比采用滲流穩(wěn)定耦合計算的結(jié)果要小，二者差值在9%～10%左右；參數(shù)折減條件下采用簡化Bishop法計算得到的安全系數(shù)為1.256，初始狀態(tài)下安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.422，安全系數(shù)降低了11.7%。由此可見，參數(shù)折減法計算結(jié)果相對偏于保守，滲流穩(wěn)定計算結(jié)果更加貼近于實際。

表2 渣體邊坡安全穩(wěn)定性系數(shù)計暴雨工況算結(jié)果對比

4 結(jié)論

基于桐子林水電站頭道河渣場，利用SEEP/W與SLOPE/W模塊進(jìn)行耦合計算，對水電站棄渣場在降雨條件下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析，得到以下結(jié)論：

1）降雨發(fā)生時，渣體內(nèi)部含水率增加，孔隙水壓力逐漸增大，隨著降雨的持續(xù)，渣體表面部分區(qū)域會形成暫態(tài)飽和區(qū)，在坡體表面形成正的暫態(tài)水壓力，孔隙水壓力變?yōu)檎担?/p>

2）降雨停止后，渣體表面孔隙水壓力逐漸消散，孔隙水壓力緩慢減小，渣體內(nèi)部由于有上部滲水的補(bǔ)充孔隙水壓力仍在緩慢增大；

3）降雨入滲導(dǎo)致渣體內(nèi)部基質(zhì)吸力減小，渣體抗剪強(qiáng)度參數(shù)不斷降低，渣體邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，邊坡穩(wěn)定性下降，雨停之后邊坡安全系數(shù)趨于穩(wěn)定；

4）相對于采用滲流穩(wěn)定計算，采用參數(shù)折減法計算暴雨工況得到的渣體邊坡穩(wěn)定系數(shù)偏小，結(jié)果相對偏于保守。