庫(kù)岸滑坡在蓄水過(guò)程中穩(wěn)定性變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究

雷雨露， 魯 博， 于前偉， 李同錄， 李 萍

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系，西安 710054； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

大量工程實(shí)踐及研究表明，地下水是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素［1-7］. 受水庫(kù)水位漲落影響，庫(kù)岸邊坡內(nèi)部水力因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響作用就更加明顯且復(fù)雜［8-11］. 正因如此，水庫(kù)蓄水常誘發(fā)庫(kù)岸邊坡發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)一步還可能引發(fā)涌浪等二次災(zāi)害［12-13］，影響水庫(kù)正常調(diào)蓄功能，甚至危及庫(kù)區(qū)及下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，故研究庫(kù)岸滑坡蓄水過(guò)程穩(wěn)定性變化規(guī)律有其重要的意義.

現(xiàn)有的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性研究方法主要有模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等. 模型試驗(yàn)方面，賈官偉等［14］通過(guò)大型模型試驗(yàn)研究水位驟降引致臨水邊坡滑坡的原因及失穩(wěn)模式，發(fā)現(xiàn)坡內(nèi)水位下降速率明顯滯后于坡外；張均鋒等［15］利用小型模型試驗(yàn)對(duì)比了不同水位下降速率下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，認(rèn)為水位下降速率快且孔隙水壓力梯度大時(shí)更易引發(fā)滑坡；肖先煊等［16］通過(guò)小型模型試驗(yàn)?zāi)M了庫(kù)水位反復(fù)變化下邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，認(rèn)為滑坡變形破壞具有突發(fā)性，變形速率先增大后減小. 數(shù)值模擬方面，蔣秀玲等［17］將庫(kù)水位對(duì)邊坡的影響概化為二維非穩(wěn)定流問(wèn)題，利用GTS軟件模擬地下水位變化，認(rèn)為水位變化對(duì)邊坡的影響主要體現(xiàn)在地下水位的漲落；汪斌等［18］以流固耦合作為理論基礎(chǔ)模擬庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性，認(rèn)為滑帶處的超靜孔壓是降低滑坡穩(wěn)定性的重要原因. 可以看出，水庫(kù)滑坡地下水的分布和運(yùn)動(dòng)過(guò)程極大地影響了滑坡穩(wěn)定性，而地下水與水庫(kù)蓄水條件相互關(guān)聯(lián)，故研究不同蓄水工況下滑坡內(nèi)地下水分布和變化情況是解決庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵. 本文以白鹿塬新建車(chē)村水庫(kù)左岸伯坊村滑坡為研究對(duì)象，使用數(shù)值模擬軟件GeoStudio中seep/w模塊和slope/w模塊，對(duì)該古滑坡在不同蓄水工況下坡體內(nèi)部水力分布及坡體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析.

1 研究區(qū)概況

1.1 庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件

車(chē)村水庫(kù)位于陜西省西安市東南市郊白鹿塬鯨魚(yú)溝內(nèi). 白鹿塬屬于秦嶺山前的黃土臺(tái)塬，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均降水573.4 mm. 工程區(qū)屬于渭河流域，渭河為黃河一級(jí)支流. 白鹿塬既是一個(gè)構(gòu)造地塊，也是一個(gè)獨(dú)立的臺(tái)塬地貌單元，形成了一套以新生代地層河湖相砂泥巖和風(fēng)積紅黏土、黃土為特征的獨(dú)特的地層系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 白鹿塬地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of Bailu plateau

1.2 擬建水庫(kù)概況

擬建車(chē)村水庫(kù)壩址位于鯨魚(yú)溝下游，距溝口處的紅旗水庫(kù)壩址約1.16 km. 水庫(kù)初擬最大壩高86 m，正常蓄水位550 m 時(shí)，回水至楊家溝水庫(kù)壩址下游，回水長(zhǎng)約6.6 km，水庫(kù)總面積165.6 hm2. 庫(kù)區(qū)總體呈SE～NW向展布，平面上呈向SW凸出的弧形，左岸侵蝕作用較強(qiáng)，古滑坡發(fā)育多.

1.3 伯坊村滑坡概況

滑坡位于壩址上游庫(kù)區(qū)左岸，伯坊村村北的溝底，距離壩軸線約4.3 km，滑坡上部為一寬緩的平臺(tái)，為一個(gè)舊村莊所在地. 滑坡發(fā)育在平臺(tái)下方. 滑坡主滑方向NW344°，發(fā)育高程520～576 m. 滑坡寬約350 m，長(zhǎng)約210 m，推測(cè)厚度約10～20 m，方量約40萬(wàn)m3，滑坡全貌如圖2，滑坡地形圖見(jiàn)圖3，滑坡剖面圖見(jiàn)圖4. 滑坡兩翼及后緣有明顯錯(cuò)動(dòng)痕跡，但滑體與滑床物質(zhì)組成相同且無(wú)明顯分界面，均以黃土為主，成分為粉質(zhì)黏土.

2 水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性分析

為綜合評(píng)價(jià)滑坡穩(wěn)定情況，獲取不同蓄水過(guò)程中滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，本文提出3種工況進(jìn)行分析，針對(duì)不同工況使用GeoStudio中的slope/w模塊和seep/w模塊，對(duì)地下水分布狀態(tài)和對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行模擬和分析. 這3 種工況分別為：①保持某一蓄水位長(zhǎng)期不變；②蓄水位短時(shí)間上升一定水位高度；③蓄水位短時(shí)間下降一定水位高度.

圖2 伯坊村滑坡全貌Fig.2 Photograph of Bofang Village landslide

圖3 伯坊村滑坡平面圖Fig.3 Landslide plan of Bofang Village

圖4 滑坡主滑面剖面圖Fig.4 The main section of landslide

2.1 模型建立

依據(jù)伯坊村滑坡工程地質(zhì)剖面圖構(gòu)建數(shù)值模擬模型如圖5. 滑床及滑體組成均為黃土，黃土區(qū)域分為非飽和黃土和飽和黃土兩部分，其中非飽和黃土考慮其非飽和特性，含水率、非飽和滲透系數(shù)及吸力大小按Van-Genuchten［19］函數(shù)確定. 滑床之下為第三系砂泥巖. 模型中各部分材料強(qiáng)度均依據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度模型，水力特性依據(jù)Darcy定律且不考慮滲透系數(shù)的各向異性，穩(wěn)定性計(jì)算采用Morgenstern-Price［20-21］法. 各區(qū)域物理參數(shù)見(jiàn)表1.

圖5 伯坊村滑坡數(shù)值模擬模型Fig.5 Numerical simulation model of Bofang Village landslide

表1 伯坊村滑坡巖土參數(shù)Tab.1 Geotechnical parameters of Bofang Village landslide

2.2 穩(wěn)定性分析

庫(kù)水位對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定的影響主要體現(xiàn)在庫(kù)岸邊坡地下水位的漲落，且由于坡內(nèi)水力梯度小，因此可以不考慮地下水運(yùn)移過(guò)程中滲透力對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，僅獲取地下水分布情況即可計(jì)算當(dāng)前庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定情況.

水庫(kù)在正常使用階段，為確保其防洪、蓄水、供水功能正常，通常會(huì)將水位人為控制在某一穩(wěn)定高度，故需確保庫(kù)岸邊坡在長(zhǎng)期蓄水情況下保持穩(wěn)定，工況1即是對(duì)該場(chǎng)景的模擬. 由于該工況僅考慮地下水運(yùn)移穩(wěn)定后邊坡的穩(wěn)定性，故模型中地下水位分布為滲透達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài). 依據(jù)鯨魚(yú)溝左岸塬內(nèi)測(cè)井地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，其平均水位為海拔555 m，水位全年浮動(dòng)±5 m，由于測(cè)井距庫(kù)區(qū)足夠遠(yuǎn)，該水位可視作基本不受庫(kù)區(qū)水位影響，故將該水位作為模型邊界水位高度. 模型將蓄水過(guò)程按蓄水高度每隔5 m計(jì)算一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)，從起始水位520 m 至正常蓄水位550 m 共七種蓄水高度. 其中庫(kù)水位520 m 為該水庫(kù)現(xiàn)階段實(shí)際蓄水位，各蓄水高度對(duì)應(yīng)地下水位分布見(jiàn)圖6，穩(wěn)定系數(shù)與蓄水高度關(guān)系見(jiàn)圖7.

圖6 恒定水位下地下水及地表水分布Fig.6 Distributions of groundwater and surface water in constant water level

圖7 恒定水位下穩(wěn)定系數(shù)與庫(kù)水位高度的關(guān)系Fig.7 The relationship between stability coefficients and reservoir water levels under constant water level

水庫(kù)蓄水前該滑坡穩(wěn)定系數(shù)為2.056，穩(wěn)定水位由520 m上升過(guò)程中，滑坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，當(dāng)水位升至535 m，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.921，之后穩(wěn)定系數(shù)隨水位上升而增大，在水位530 m至540 m中每隔1 m計(jì)算一穩(wěn)定系數(shù)，算得在536 m處有最小穩(wěn)定系數(shù)1.920. 通常認(rèn)為水庫(kù)滑坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)因水位升降而減小，但實(shí)際需要考慮每個(gè)滑坡的自身特征. 對(duì)此滑坡而言，滑坡下段為阻滑段，該部分滑面傾向與滑動(dòng)方向相反；滑坡上段為下滑段，該部分下滑力大于抗滑力. 水位上升過(guò)程中，下部滑體水位升高，受浮力影響，有效重量減小，導(dǎo)致其反向推力減小，因此穩(wěn)定系數(shù)減?。划?dāng)水位繼續(xù)上升，下部滑體基本被水浸沒(méi)，水位的變化已不會(huì)影響下部滑體對(duì)整體穩(wěn)定性的影響，此時(shí)上部滑體下滑力與抗滑力同時(shí)減小，下滑力減小程度較抗滑力減小更多，故穩(wěn)定系數(shù)增大.

總之，在穩(wěn)定水位下，按最不利情況評(píng)價(jià)該滑坡穩(wěn)定性，即穩(wěn)定水位536 m時(shí)的最小穩(wěn)定系數(shù)1.920滿足穩(wěn)定要求，可以認(rèn)為在工況1，即水位穩(wěn)定的條件下該滑坡始終處于穩(wěn)定狀態(tài).

工況2和工況3適用于水庫(kù)水位變化劇烈的特殊情況，如水庫(kù)潰壩、突遇暴雨、上游泄洪等，庫(kù)岸邊坡必須確保在此類(lèi)特殊情況下的穩(wěn)定性. 由于庫(kù)水位變化劇烈，地下水運(yùn)移情況在短期內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)非穩(wěn)定滲流，地下水分布將隨時(shí)間發(fā)生改變，每次穩(wěn)定性計(jì)算前都需計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻地下水分布情況. 針對(duì)車(chē)村水庫(kù)案例，模型中每10 m設(shè)置一穩(wěn)定蓄水位，由該水位變化至另一穩(wěn)定水位，即由穩(wěn)定水位520、530、540、550 m改變至與該水位不同的另3個(gè)水位，共有水位上升、下降各6種水位變化. 為體現(xiàn)水庫(kù)水位變化劇烈的特殊情況，模型中不考慮水庫(kù)水位變化時(shí)間，即在計(jì)算開(kāi)始時(shí)地下水位分布設(shè)為初始穩(wěn)定狀態(tài)，而庫(kù)區(qū)蓄水位設(shè)為變化后的目標(biāo)水位，地下水分布和滑坡穩(wěn)定性計(jì)算在1 d至10 d內(nèi)，每1 d計(jì)算一次，10 d后每一量級(jí)計(jì)算一次，各穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖8和圖9.

在水位劇烈上升的初始階段，6種水位上升情況下庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定系數(shù)均有較大提升，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)在第一天達(dá)到最大值，水位上升高度與穩(wěn)定系數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，之后穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間推移不斷減小，按曲線變化趨勢(shì)可以判斷，在時(shí)間無(wú)窮大時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為工況1中該水位所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù). 水位的劇烈上升短期內(nèi)對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響也需要考慮滑坡的具體特征，對(duì)于此滑坡，以水位由520 m上升至550 m為例，坡體內(nèi)部水力分布變化情況見(jiàn)圖10，在水位上漲后第一天，被水浸沒(méi)的坡面以下約10 m 厚土體達(dá)到飽和，而距浸沒(méi)坡面較遠(yuǎn)土體的孔壓分布卻幾乎未變，這是由于黃土滲透系數(shù)小，土體內(nèi)部水力變化有滯后性. 此時(shí)滑面處孔壓基本未變，而上升的水體給坡面施加了一個(gè)垂直于坡面的水壓力. 將水壓力分解為垂直和水平向壓力，此壓力在增大下部坡體有效重量的同時(shí)也給滑坡提供額外的抗滑力，進(jìn)一步提升了滑坡整體的穩(wěn)定性. 之后土體中孔壓分布隨時(shí)間推移逐漸達(dá)到平衡，地下水位由滑坡前緣向后緣逐漸上升，滑坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸趨近于穩(wěn)定水位下對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù).

總之，在水位激增的過(guò)程中，該邊坡穩(wěn)定系數(shù)始終不會(huì)低于變化始末的水位高度所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，邊坡最不利情況為水位變化始末的穩(wěn)定情況. 依據(jù)工況1計(jì)算結(jié)果，該案例中的滑坡在水位劇烈上升的工況下依然處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖11）.

圖8 水位激增后穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.8 Transformations of stability coefficients with times after the water level surge

圖9 水位驟降后穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.9 Transformations of stability coefficients with times after a sudden drop in water level

圖10 水位激增前后坡內(nèi)孔隙水壓力對(duì)比Fig.10 Comparison of pore water pressures in the slope before and after the water level surge

圖11 水位驟降前后坡內(nèi)孔隙水壓力對(duì)比Fig.11 Comparison of pore water pressures in the slope before and after the sudden drop in water level

在水位急劇下降的初始階段，滑坡穩(wěn)定系數(shù)在6種變化中均瞬間減小，在第一天結(jié)束時(shí)達(dá)到最小值，穩(wěn)定系數(shù)下降程度與水位下降程度成正相關(guān)，之后穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間推移不斷增大，按曲線趨勢(shì)可以推測(cè)在時(shí)間取無(wú)窮大時(shí)滑坡穩(wěn)定系數(shù)為穩(wěn)定地下水位分布所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù).

對(duì)于該案例中滑坡，以水位550 m降至520 m為例. 水位下降第一天，原高水位浸沒(méi)下的坡面水分開(kāi)始滲出，此時(shí)滑面所處位置的孔壓變化滯后于坡面，其大小維持在初始狀態(tài). 由于庫(kù)內(nèi)水位下降且部分地下水排出，導(dǎo)致滑面處總應(yīng)力減小，在孔壓維持不變的情況下，有效應(yīng)力減小，使得該部分滑體下滑力及抗滑力均減小. 案例中滑坡下部為阻滑段，且由于滑面傾向與滑動(dòng)方向相反，該部分下滑力與抗滑力方向均與滑向相反，故下滑力與抗滑力的減小均會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)的減小. 之后滑體內(nèi)水位線下降，滑面處超孔壓隨時(shí)間消散，滑面孔壓變化始終滯后于滑體表面孔壓變化，最終滑坡穩(wěn)定系數(shù)趨近于穩(wěn)定水位下的穩(wěn)定系數(shù). 綜上，對(duì)于水位驟降的工況，庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定系數(shù)在第一天達(dá)到最小值，按最不利情況考慮，即水位由550 m 降至520 m，其第一天穩(wěn)定系數(shù)為1.451，則可以認(rèn)為案例中的滑坡在水位驟降的情況下依然處于穩(wěn)定狀態(tài).

3 結(jié)論

本文從水庫(kù)滑坡地下水分布及運(yùn)移情況入手，分析了水庫(kù)不同蓄水條件下庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律.研究結(jié)果如下：

1）為滿足正常調(diào)蓄功能的同時(shí)確保下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)滑坡在水庫(kù)蓄水過(guò)程中穩(wěn)定性的研究論證十分必要，其中地表水對(duì)地下水的影響和變化是滑坡穩(wěn)定性的研究重點(diǎn).

2）在穩(wěn)定蓄水水位下，不同蓄水高度有不同穩(wěn)定系數(shù)，穩(wěn)定系數(shù)與蓄水高度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與滑坡自身特征有關(guān). 伯坊村滑坡穩(wěn)定蓄水水位上升過(guò)程中，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)先減小后增大，穩(wěn)定系數(shù)最小值1.920.

3）在蓄水水位變化后的一段時(shí)間內(nèi)，滑坡內(nèi)孔隙水分布會(huì)隨之變化，地下水變化有明顯滯后性且需較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平衡狀態(tài).

4）在庫(kù)水位激增的工況下，滑坡穩(wěn)定性在水位上升后瞬間增大，于第一天達(dá)到最大值，隨后穩(wěn)定系數(shù)減小，并隨時(shí)間推移逐漸趨近于穩(wěn)定水位下的穩(wěn)定系數(shù)；在庫(kù)水位驟減的工況下，滑坡穩(wěn)定性在水位下降后瞬間減小，于第一天達(dá)到最小值，隨后穩(wěn)定系數(shù)增大并隨時(shí)間推移逐漸趨近于穩(wěn)定水位下的穩(wěn)定系數(shù).