三峽庫區(qū)西沱滑坡體穩(wěn)定性計算分析

王 敏，李 毅，尚 欽，鄭華康，周佳慶

(1.長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010；2.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410076)

0 引 言

在水庫運行期，庫水位隨著水庫的調節(jié)不斷地發(fā)生改變，引起水庫周圍地下水變化，使得庫岸巖土體的性質隨著水環(huán)境的變化而發(fā)生調整，進而影響到庫岸邊坡的穩(wěn)定性[1，2]。近幾年，隨著三峽水庫的運行，國內外對庫水作用下岸坡穩(wěn)定性分析開展了廣泛的研究工作[3，4]，在非穩(wěn)定滲流計算過程中，地下水浸潤面的確定與計算方法的選擇有著密切關系，在缺乏實測資料的條件下，準確地模擬庫水漲落條件下坡體內浸潤面的變動過程，才能對庫岸邊坡穩(wěn)定性的演化進行有效評價。

作為國際通用的三維巖土力學軟件之一，F(xiàn)LAC3D在求解流-固耦合問題有著明顯優(yōu)勢[5]，主要體現(xiàn)在兩個方面：一是可采用飽和-非飽和的方法，對非穩(wěn)定滲流自由面進行模擬，二是可以利用fish語言，對FLAC3D進行二次開發(fā)，實現(xiàn)流-固耦合的間接模擬?；谏鲜鰞?yōu)勢，本文以西沱變形體為工程背景，采用FLAC3D模擬庫水變動條件下岸坡變形體的非穩(wěn)定滲流場，應用強度系數(shù)折減法研究邊坡變形體的穩(wěn)定性演化過程。

1 變形體穩(wěn)定性分析

1.1 水庫運行對岸坡的影響

水庫在運行期水位的漲落對庫區(qū)岸坡的作用是一種典型的水-巖相互作用過程，如圖1所示，主要體現(xiàn)在巖土體力學參數(shù)以及所受荷載的變化上。

圖1 水-巖作用示意圖

以三峽水庫為例，其運行期水位變動的范圍在145.00～175.00 m之間，如圖2所示，在水庫蓄水和泄水過程中，庫岸地下水的抬升和降落一般是滯后庫水的變動，滯后效應一般由水庫水位消漲的速率、巖土體的滲透參數(shù)及山體地下水的補給等因素綜合決定，它們將直接影響到庫岸邊坡的滲透水壓力的變化，對岸坡的穩(wěn)定性可能造成不利的影響，導致邊坡失穩(wěn)。

1.2 強度折減法

在強度折減法計算過程中，把庫岸巖體的強度參數(shù)(抗剪強度值c和φ)除以一個折減系數(shù)Ft，得到新的強度參數(shù)c1和φ1，進行重新計算，并不斷增大折減系數(shù)，直到邊坡失穩(wěn)，此時的折減系數(shù)Ft便為岸坡對穩(wěn)定安全系數(shù)Fs[6]。于是有

(1)

本文巖土材料考慮理想彈塑性模型，采用摩爾-庫倫屈服準則，其形式如下：

-cosφ=0

(2)

式中：I1為應力張量的第1不變量；J2為應力偏張量的第2不變量；θ為羅德角。

圖2 水庫運行條件下岸坡水位變化示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 西沱變形體地質條件

重慶市石柱縣城北約47.00 km的西沱鎮(zhèn)位于三峽水庫右岸，在庫區(qū)145.00～175.00 m庫水消漲區(qū)間存在一松軟滑坡變形區(qū)，其工程地質平面圖如圖3所示，其中地質剖面3-3’如圖4所示。西沱變形體前緣高程為112.00～116.00 m，后緣高程180.00～219.83 m，直至坎崖，平均高差107.80 m，主滑方向318°，長215.00 m，寬305.00 m，一般厚度在2.40～12.00 m，具后緣厚、前緣薄之特點，面積約6.56×104m2，體積約39.3×104m3。變形體地表廣泛分布第四系堆積物，為松散土層，多為粘性土，通過現(xiàn)場壓水實驗測得該松散粘性土的透水性在10～50 Lu之間，約為1.32～4.12×10-4cm/s，不利于降水或庫水的快速入滲。

從地質平面圖和剖面圖可以看出：變形體前緣部分潛在滑移面較緩，后緣較陡，在庫水的動、靜壓力作用下，容易造成變形體的荷載加重，受推移下滑力的影響，后緣的粉質粘土容易出現(xiàn)土體拉裂，可能導致變形體整體失穩(wěn)，造成岸坡發(fā)生大規(guī)?；?，危害庫區(qū)安全，需要對其進行穩(wěn)定性評價。

圖3 西沱變形體工程地質平面圖

圖4 3-3’地質剖面圖

2.2 有限元模型和計算條件

選擇3-3’地質剖面作為典型剖面，建立如圖5所示的數(shù)值模型，計算模型共劃分單元1 492個，節(jié)點3 176個。采用三峽水庫運行計劃，分四個階段模擬水庫水位的變化過程：(1)145.00 m穩(wěn)定水位；(2)145.00 m升至175.00 m水位，水位上升速度為1 m/d；(3)175.00 m穩(wěn)定水位；(4)175.00 m下降至145.00 m水位，水位下降速度為1 m/d。根據(jù)水文地質調查得到山體側的水位在庫水上升期和下降期分別為160.00 m和175.00 m，水庫蓄水前，長觀孔ZK401常年水位約為145.33 m。巖土體的物理力學參數(shù)取值結合現(xiàn)場勘察和室內實驗統(tǒng)計[7]綜合確定，非飽和滲透參數(shù)根據(jù)工程類比[8]得到，如表1所示。

圖5 計算模型圖

巖土體飽和滲透系數(shù)/(cm/s)給水度μ單位貯存量/(10-6m-1)重度/(kN/m3)天然強度參數(shù)飽和強度參數(shù)天然飽和c/kPaφ/(°)c′/kPaφ′/(°)變形體(Qcol4+ Qdl4)2×10-40.1803.020.720.915.512.511.49.3基巖(J2s)1×10-60.0201.026.527.0870.035.0870.035.0

2.3 非穩(wěn)定滲流場模擬

采用飽和-非飽和的方法計算岸坡的非穩(wěn)定滲流場。對FLAC3D進行二次開發(fā)，運用修改滲透系數(shù)法精確求解滲流的自由面和溢出位置，其具體方法和實現(xiàn)過程見李毅等[5]。首先計算145.00 m穩(wěn)定水位條件下的邊坡滲流場，得到長觀孔ZH401的水位為145.36 m，與實測值(145.33 m)相差較小，說明滲流參數(shù)取值及初始水文邊界合理。初始滲流場如圖6所示，在低水位條件下，山體側地下水位較高，自由面均勻的向坡面下降。在145.00 m水位穩(wěn)定滲流場模擬的基礎上進行蓄水過程模擬，通過編輯時間函數(shù)，改變邊界水位，并將自由面以上材料的滲透系數(shù)重新定義為飽和滲透系數(shù)，進行下一水位的計算，得到不同時間(對應不同水位)岸坡的滲流場。蓄水剛完成，水位上升到正常蓄水位175.00 m時，岸坡滲流場等水頭云圖如圖7所示，由圖可以看出，由于坡面水位的提升，岸坡周圍地下水來不及調整，形成坡面水向后延山體補給的趨勢。不同時刻岸坡自由面位置如圖8所示，當坡面水位高于山體側水位時，隨著庫水位不斷的抬升，由于滑坡變形體較基巖滲透性較大，變形體材料區(qū)域自由面下降較慢，水位較高，而基巖內自由面下降較快，滑坡體底面水位抬升較慢，滲透壓力方向指向坡內，有利于滑坡變形體的穩(wěn)定。

圖6 145.00 m初始水位時等水壓云圖

圖7 水位上升至175.00 m時等水頭云圖

圖8 水位上升過程中不同時期的邊坡的自由面

與蓄水期工況類似，編輯時間函數(shù)，計算水庫水位消落工況，得到不同時間岸坡的非穩(wěn)定滲流場。水位下降過程中各水位狀態(tài)下的岸坡浸潤面如圖9所示，隨著庫水位的下降，地下水不斷由山體側向河道補給，并隨著降落時間的增加，滑坡變形體坡底和坡面水位差不斷增大，從而形成較大動水壓力，將不利于滑坡變形體的穩(wěn)定性。

圖9 水位下降過程中不同時期的邊坡自由面

2.4 穩(wěn)定性演化

通過計算得到非穩(wěn)定條件下水庫蓄水和降水的滲流場，考慮孔隙水壓力變化對變形體的影響，對FLAC3D進行二次開發(fā)，采用強度折減法求解滑坡變形體的安全系數(shù)。表2和表3分別給出了庫水上漲和消落過程中滑坡變形體的安全系數(shù)計算結果。值得說明的是，在初始穩(wěn)定水位狀態(tài)下，該安全系數(shù)代表滑坡變形體初始條件下的穩(wěn)定性，為穩(wěn)定滲流場條件下的計算結果，其余水位對應的安全系數(shù)則為非穩(wěn)定滲流條件下的結果。

水位上漲過程中，初始低水位(145.00 m)條件下滑坡變形體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，安全系數(shù)為1.269，隨著庫水不斷上漲，滑坡變形體的安全系數(shù)逐漸增大，當達到正常蓄水位175.00 m時，安全系數(shù)也增至最大值為1.313，表明滑坡變形體一直處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。從非穩(wěn)定滲流場分析可以得到，在水位上升過程中，滑坡底面水位抬升較慢，變形體內的動水壓力主要指向坡內，增加了滑坡變形體的抗滑力，從而增加了其穩(wěn)定性。但總體而言，安全系數(shù)增加不大。

水位消落過程中，初始高水位(175.00 m)條件下，滑坡變形體的安全系數(shù)較大為1.297，表明變形體比較穩(wěn)定，隨著庫水的消落，滑坡變形體的安全系數(shù)也逐漸下降，當庫水位降至150.00 m時，滑坡變形體開始出現(xiàn)了局部位移快速增大，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，失穩(wěn)時滑坡變形的剪應變率云圖如圖10所示。眾多的實驗研究和工程實踐表明[9]，當邊坡失穩(wěn)時，會產生明顯的局部化剪切變形，這種局部化現(xiàn)象一旦發(fā)生，表明邊坡已經發(fā)生了明顯的失穩(wěn)破壞。由非穩(wěn)定滲流分析可以得到，水位下降過程中，滑坡變形體內動水壓力方向指向坡面，不利變形體的穩(wěn)定安全，且水位下降越大，動水壓力越大，滑坡變形體穩(wěn)定性越差。

表2 庫水上漲過程中變形體安全系數(shù)

表3 庫水消落過程中變形體安全系數(shù)

圖10 滑坡變形體失穩(wěn)時剪應變率云圖

3 結 論

本文以西沱滑坡變形體為分析對象，采用數(shù)值模擬方法分析變形體的穩(wěn)定性，得到的主要結論如下：

(1)數(shù)值計算結果表明，變形體的穩(wěn)定性隨庫水上升而增強，隨庫水下降而降低；

(2)水庫水位的周期性漲落帶來水環(huán)境的改變，影響庫岸巖土體的水巖相互作用，可能導致巖土體因不能繼續(xù)保持與周圍環(huán)境的平衡而發(fā)生失穩(wěn)等災變；

(3)建議加強對變形體潛在滑裂區(qū)的位移監(jiān)測，并在滑裂面出口新建擋土墻或抗滑樁；

(4)本次計算未考慮庫水對巖土參數(shù)的弱化作用，對于遇水軟化的巖土材料，需要進一步考慮這一特性。