庫(kù)水位變動(dòng)條件下岸坡滲流特性及穩(wěn)定性研究

覃夢(mèng)卿 (中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司， 湖北 宜昌 443000)

儲(chǔ)成龍 (江蘇中南控股集團(tuán)有限公司，江蘇 海門 226124)

郭運(yùn)華 (武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

徐建雄 (湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江 433100)

庫(kù)水位變動(dòng)是影響庫(kù)岸邊坡滑移破壞的一個(gè)主導(dǎo)因素[1，2]，有統(tǒng)計(jì)顯示，三分之二的水庫(kù)在水位驟降時(shí)發(fā)生滑坡，三分之一的水庫(kù)水位上升階段發(fā)生滑坡[3]。塘巖光滑坡以及瓦依昂水庫(kù)滑坡[4]發(fā)生后，庫(kù)區(qū)水位變動(dòng)誘發(fā)水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性問題才引起科研人員的空前重視。在已有的研究中大多數(shù)采用穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)作為計(jì)算依據(jù)，對(duì)于庫(kù)水位變動(dòng)引起的滑坡研究以均勻的水位升降速度為主[5～7]。隨著對(duì)庫(kù)岸滑坡更深入地研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)滲流場(chǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響更加顯著，同時(shí)邊坡材料非均質(zhì)性的影響也得到廣泛關(guān)注。當(dāng)前，在庫(kù)水位升降作用條件下的邊坡破壞機(jī)制研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)，主要體現(xiàn)在庫(kù)岸邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)變化，對(duì)庫(kù)水位變動(dòng)條件下的邊坡穩(wěn)定性影響尚缺乏系統(tǒng)深入的研究[8]，也較少考慮瞬態(tài)飽和非飽和區(qū)對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響[9，10]。下面，筆者以大崗山右岸壩肩樞紐區(qū)邊坡作為研究對(duì)象，采用更符合庫(kù)區(qū)形態(tài)的正弦余弦函數(shù)作為水頭邊界函數(shù)，分析庫(kù)岸邊坡在水位變化過程中，滲流場(chǎng)影響范圍的邊坡局部穩(wěn)定性與邊坡全局穩(wěn)定性演化規(guī)律，并確定水庫(kù)水位升降的速度控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 庫(kù)水位變動(dòng)條件下的邊坡穩(wěn)定性分析原理

1.1 庫(kù)水位變動(dòng)條件下的水巖作用原理

水巖作用首先由前蘇聯(lián)A.M.O Bynhhnkob于20世紀(jì)50年代提出，庫(kù)水位變動(dòng)過程中水與巖土體的物理作用包括侵蝕作用和軟化作用，主要包括庫(kù)水位升降過程中水對(duì)巖體的靜、動(dòng)水滲透壓力作用，超孔隙水壓力效應(yīng)以及岸坡淹沒部分的浮力作用。當(dāng)庫(kù)水位上升和下降時(shí)，分別形成指向坡內(nèi)坡外的動(dòng)水滲透壓力。動(dòng)水滲透壓力越大，越容易導(dǎo)致岸坡失穩(wěn)破壞；較大的超孔隙水壓力，使壓密區(qū)抗剪強(qiáng)度急劇減小，岸坡失穩(wěn)概率提高；浮力會(huì)提高滑坡體的失穩(wěn)可能性。

1.2 飽和-非飽和滲流控制方程

二維滲流的一般控制微分方程如下：

(1)

式中，h為水頭；kx為x方向飽和滲透系數(shù)(x為水平方向)；ky為y方向飽和滲透系數(shù)(y為垂直方向)；Q為邊界上的流量；θ為單位體積含水量；t為滲流時(shí)間。

飽和-非飽和情況下的有限元控制方程為[11]：

(2)

式中，mw為儲(chǔ)水曲線的斜率；γw為水的容重；H為總水頭。

1.3 邊界條件

在瞬態(tài)分析中，邊界條件可以是時(shí)間的函數(shù)，也可以是存在于流動(dòng)區(qū)域或者進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域流量的函數(shù)。假定庫(kù)水位上升與下降互為逆過程，可選用正弦或余弦函數(shù)來描述庫(kù)水位升降條件下總水頭與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系[12～14]。當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)，邊坡邊界總水頭與時(shí)間的正弦函數(shù)表達(dá)式為：

(3)

式中，h(t)為總水頭，是時(shí)間t的函數(shù)；Δh為正常蓄水位與枯水位的差值；T為庫(kù)水位上升的總時(shí)間；t為庫(kù)水位上升時(shí)的各時(shí)間節(jié)點(diǎn)；h0為枯水位高度。

當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，定義的巖坡體邊界總水頭與時(shí)間的余弦函數(shù)關(guān)系式為：

(4)

1.4 裂隙巖體非飽和滲流特性及等效化

對(duì)于裂隙飽和滲流規(guī)律可用立方定理描述，對(duì)于裂隙網(wǎng)絡(luò)中的非飽和滲流，一般認(rèn)為節(jié)理的幾何特征、裂隙中水的飽和度、流體性質(zhì)等均對(duì)裂隙的非飽和滲透性質(zhì)有影響。胡云進(jìn)等[15]通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為巖石裂隙非飽和排水及吸濕過程具有非飽和土類似的特征，因此，將裂隙的非飽和滲流過程等效為連續(xù)多孔介質(zhì)具有可行性，其中關(guān)鍵在于其REV(表征單元體體積)尺度的確定[16]。M.Wang et al[17]研究了4組節(jié)理跡長(zhǎng)0.88～2m的隨機(jī)節(jié)理巖體的三維滲流特征，其REV尺度為12m，這與張莉麗[18]的研究結(jié)果基本一致。陳亮[19]通過隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)計(jì)算了大崗山邊坡滲透系數(shù)張量，認(rèn)為REV尺度為8m×4m。筆者研究對(duì)象滿足連續(xù)介質(zhì)的等效條件，因此采用Van Genuchten模型擬合非飽和滲透系數(shù)曲線[20，21]:

(4)

1.5 穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)滲流分析

在進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析之前，首先確定各類巖體的非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，然后定義滲流巖質(zhì)邊坡邊界上所有結(jié)點(diǎn)的初始總水頭。當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)，以初始地下水位線作為初始條件，作穩(wěn)態(tài)滲流分析，在此基礎(chǔ)上再作瞬態(tài)滲流分析；當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，以正常蓄水位時(shí)穩(wěn)態(tài)情況下的浸潤(rùn)線作為初始水位線，進(jìn)而分析瞬態(tài)滲流情況。

1.6 邊坡穩(wěn)定性分析

由于大崗山水電站西部高山峽谷邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，由坡頂自然邊坡殘、坡積層逐步過渡到峽谷底部人工邊坡的Ⅲ、Ⅳ類強(qiáng)卸荷巖體。同時(shí)順坡面走向的卸荷裂隙發(fā)育帶構(gòu)成的潛在底滑面，使得邊坡穩(wěn)定性分析不僅要考慮水位變化影響強(qiáng)烈的局部穩(wěn)定性，也需要分析邊坡全局的穩(wěn)定性演化，以全面評(píng)估水位變動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，穩(wěn)定性分析采用極限平衡的Morgenstern-Price方法計(jì)算。

2 水位變動(dòng)條件下大崗山水電站右岸邊坡滲流特性

2.1 工程概況

大崗山水電站位于大渡河中游，是四川近期開發(fā)的大型水電工程之一，壩址處控制流域面積達(dá)6.27×104km2，占全流域的五分之四。右岸邊坡約1200～1300m高程以上為塊碎石土，基巖巖性為灰白色、微紅色中粒黑云二長(zhǎng)花崗巖(γ24-1)，局部出露輝綠巖脈(β)、花崗細(xì)晶巖脈(γL)等。據(jù)勘探揭示，右岸發(fā)育78條輝綠巖脈，8條主要花崗細(xì)晶巖脈，主要有β4、β97(f93)、β146、β168(f154)、β170(f244)、β202(f191)、β203(f194)等巖脈破碎帶，巖脈破碎帶呈塊裂-碎裂結(jié)構(gòu)。大崗山右岸邊坡地形及地質(zhì)剖面如圖1所示，節(jié)理、裂隙統(tǒng)計(jì)規(guī)律如表1所示。

圖1 大崗山右岸邊坡地形及地質(zhì)剖面圖

跡長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)跡長(zhǎng)/m百分比/%產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀密度/%間距統(tǒng)計(jì)平均間距/m所占比例/%0.4～1.037194°∠3°4～5<0.115.11.0～3.058177°∠81°3～40.1～0.216.63.0～5.03288°∠63°3～40.2～0.435.4>5.02254°∠65°2.5～3.50.4～0.616.4--77°∠35°2～30.6～0.88.4---->0.88.2

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)單位推薦的各分區(qū)巖體力學(xué)參數(shù)取值如表2～表4所示。

表3 主要結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)表

表3 壩址區(qū)各類巖體和結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)建議值

2.3 水位變動(dòng)條件下滲流場(chǎng)演化規(guī)律

根據(jù)大崗山水電站的水文地質(zhì)資料，從枯水位蓄水至正常蓄水位時(shí)間長(zhǎng)短分為4個(gè)方案進(jìn)行研究，分別為30d蓄滿、90d蓄滿、150d蓄滿、270d蓄滿；放空方案依據(jù)從正常蓄水位降至枯水位分為4個(gè)方案進(jìn)行研究，分別為30d放空、90d放空、150d放空、270d放空，不同水位變動(dòng)速率條件下坡內(nèi)滲流場(chǎng)演化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同水位變動(dòng)速率條件下坡內(nèi)滲流場(chǎng)演化規(guī)律

由圖2(a)～(d)可知，浸潤(rùn)線從初始地下水位線逐漸上移，浸潤(rùn)線在庫(kù)岸邊坡的較深部區(qū)域的變動(dòng)幅度較弱，在邊坡較淺層區(qū)域的變動(dòng)幅度更加明顯。30d快速蓄滿方案中，隨著庫(kù)水位的不斷上升，滑坡體內(nèi)逐漸形成“倒流”現(xiàn)象，坡體浸潤(rùn)線上升滯后于庫(kù)水位上升，形成庫(kù)區(qū)水體向坡內(nèi)的補(bǔ)給。當(dāng)蓄水速度降低到90d蓄滿時(shí)，浸潤(rùn)線的形成基本為庫(kù)水位抬高坡內(nèi)地下水位。對(duì)比4個(gè)方案可知，蓄水速度越快，地下水位變化滯后越明顯，曲線下凹程度越嚴(yán)重；反之，水庫(kù)蓄水時(shí)間越長(zhǎng)，浸潤(rùn)線向下凹的程度越小，庫(kù)水位變化的滯后效應(yīng)越低，且地下水滲流場(chǎng)的影響范圍更廣。

由圖2(f)～(i)可知，最下部分的浸潤(rùn)線是庫(kù)水位從正常蓄水位下降至枯水位時(shí)的浸潤(rùn)線。浸潤(rùn)線在庫(kù)岸邊坡較深區(qū)域變動(dòng)幅度更弱，較淺層區(qū)域變化幅度更加明顯。從4個(gè)方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以判斷，浸潤(rùn)線在庫(kù)水位下降時(shí)呈現(xiàn)上凸?fàn)?，?kù)水位下降時(shí)，坡體中的浸潤(rùn)線總是滯后于庫(kù)水位邊界水頭的下降速度，坡內(nèi)水體向庫(kù)區(qū)補(bǔ)給；當(dāng)庫(kù)水位下降速度較快時(shí)，邊坡內(nèi)水位線下降滯后于庫(kù)水位下降。降水速度越快滯后效應(yīng)越明顯，曲線上凸程度則越嚴(yán)重；由于斷層滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于周圍巖體，快速放空時(shí)，出現(xiàn)了斷層部位，浸潤(rùn)線產(chǎn)生突變。

3 水位變動(dòng)條件的下邊坡穩(wěn)定性

3.1 局部穩(wěn)定性分析

水位變動(dòng)條件下的巖質(zhì)邊坡局部分析，也就是分析水位變化影響區(qū)在水位變動(dòng)過程中的穩(wěn)定性演化規(guī)律，分析方法是利用剪入剪出法在該特定區(qū)域搜索滑移面，分析庫(kù)水位變動(dòng)條件下庫(kù)岸巖質(zhì)邊坡的滲流特性及其穩(wěn)定性。局部邊坡的滑移面的位置關(guān)系如圖3、圖4所示。

水位變化影響區(qū)的坡體滲流場(chǎng)浸潤(rùn)線與局部滑移面大部分情況都有交集，在庫(kù)水位上升的后半段，由于坡體的形態(tài)滑移面浸沒在水體中，浸潤(rùn)線隨著庫(kù)水位的上升而位于滑移面的上段。局部邊坡的分析能夠更直接將瞬態(tài)滲流場(chǎng)與邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)合考慮，在分析庫(kù)水位變動(dòng)與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系具有針對(duì)性。以庫(kù)區(qū)水位調(diào)控周期30d為例，得出庫(kù)水位變動(dòng)與邊坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系，如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可知，庫(kù)水位上升時(shí)，局部安全系數(shù)先減小至最小值隨后不斷增大，高水位時(shí)略有減??；庫(kù)水位下降時(shí)，安全系數(shù)起初有波動(dòng)，隨后不斷減小至最小值后略有抬升。從安全系數(shù)的波動(dòng)曲線可以確定水變化影響區(qū)的最危險(xiǎn)水位，該水位在高程980.7m位置處。

3.2 全局穩(wěn)定性分析

大崗山右岸邊坡全局穩(wěn)定性分析基于2點(diǎn)考慮：①壩頂以上邊坡巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈， V類強(qiáng)風(fēng)化巖體內(nèi)可能形成均質(zhì)材料的潛在圓弧滑動(dòng)破壞；②由斷層f218、f231(見圖1)形成另一種可能的深部滑動(dòng)面。邊坡全局穩(wěn)定性控制區(qū)域如圖7所示，庫(kù)水位變動(dòng)期邊坡全局穩(wěn)定性演化如圖8所示。由圖7和圖8可知，蓄水前，f218、f231已完成預(yù)應(yīng)力錨索與抗剪錨固洞結(jié)合的加固施工，計(jì)算結(jié)果表明，加固后的第2種破壞模式安全系數(shù)已達(dá)到1.4，第1種破壞模式安全系數(shù)更小。同時(shí)，在庫(kù)水位變動(dòng)條件下，無論第1種還是第2種破壞模式，庫(kù)水位變動(dòng)后坡體內(nèi)的滲流場(chǎng)對(duì)邊坡總體安全系數(shù)沒有影響，原因是水位變動(dòng)影響范圍的邊坡具有足夠的穩(wěn)定性，沒有影響到上部坡體的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)庫(kù)水位上升時(shí)，浸潤(rùn)線呈下凹狀，升速越大下凹程度越顯著，滲流場(chǎng)影響范圍越?。粠?kù)水位下降時(shí)，浸潤(rùn)線呈上凸?fàn)睿邓僭酱笊贤钩潭仍斤@著，滲流場(chǎng)影響范圍越小。

2)無論是庫(kù)區(qū)水位升高還是降低，水位變動(dòng)影響區(qū)的局部庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性都會(huì)產(chǎn)生變化。庫(kù)水位上升時(shí)，安全系數(shù)先小幅減小隨后不斷增大，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值；庫(kù)水位下降時(shí)，安全系數(shù)先大幅減小到最小值，隨后小幅抬升。如果水位變動(dòng)影響區(qū)局部邊坡穩(wěn)定性足夠，則邊坡全局安全性可能不受水位變動(dòng)的影響，因此水位變動(dòng)條件下的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性需要綜合評(píng)價(jià)，否則可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

圖7 邊坡全局穩(wěn)定性控制區(qū)域 圖8 庫(kù)水位變動(dòng)期邊坡全局穩(wěn)定性演化

3)庫(kù)區(qū)蓄水速度不是越慢就越安全，而是存在一個(gè)明顯危險(xiǎn)水位高程；水庫(kù)放空過程中，邊坡穩(wěn)定性對(duì)降水速率更加敏感，需要嚴(yán)格控制水位下降速率。

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