三峽庫區(qū)蔡積邊坡復雜工況耦合作用的邊坡滲流穩(wěn)定性分析

李險峰

（淮北職業(yè)技術學院建筑工程系，安徽淮北235000）

降雨、庫水位是導致三峽庫區(qū)邊坡失穩(wěn)的重要誘因[1-2]，降雨與庫水位變動導致了邊坡土體的強度降低，因而導致滑坡災害的發(fā)生[3-5]。對于單獨降雨條件下或者單獨的庫水位作用下的邊坡滲流穩(wěn)定性規(guī)律，國內外學者進行了許多有益的研究。在單獨降雨情況下，葉帥華針對邊坡體不同深度處基質吸力隨雨水入滲的變化情況，建立了流固耦合計算模型，對降雨入滲條件下黃土高邊坡的穩(wěn)定性進行了分析研究[6]；王保林建立了含軟弱夾層的黏性土坡二維有限元計算模型，對降雨入滲下的邊坡滲透穩(wěn)定性進行了數值模擬研究[7]；郭友軍對降雨條件下的煤系土邊坡滲流特性及邊坡安全系數變化規(guī)律進行了研究[8]。在單獨庫水位作用條件下，張祖蓮研究了漢江孤山航電樞紐工程區(qū)近壩滑坡在不同庫水位驟降速率下的滲透穩(wěn)定性規(guī)律[9]；王力研究了庫水位驟降情況下的動水壓力型滑坡的穩(wěn)定特性[10]。但是，實際上，降雨發(fā)生的持續(xù)時間相對較短，而庫水位下降的時間相對較長，前人對降雨-庫水位聯合作用多集中在降雨發(fā)生過后庫水位下降，或者庫水位下降完成過后再進行降雨分析，但是對于降雨發(fā)生在庫水位驟降時刻的邊坡滲流穩(wěn)定性研究較少。

本文針對以往研究的不足，以三峽庫區(qū)蔡積邊坡為例，對三個典型工況的滲流穩(wěn)定性規(guī)律進行了系統深入的探討（三個工況是：1）單純庫水位驟降；2）單純降雨工況；3）庫水位降雨耦合工況），以期為三峽庫岸邊坡的穩(wěn)定性認識及災害防護提供一定的參考。

1 計算理論與模型

1.1 計算理論

（1）非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為[11]

式（1）中，kr是透水率，ksij是滲透張量，hc是水頭，Q是源匯，C（hc）是容水度，θ是水頭函數，n是孔隙率，Ss是單位貯水量。

（2）非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論

非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論如下式所示[11]：

其中，c′i為有效粘聚力，i為土條編號，Wi為質量，Pi為水壓力，βi為傾角，ua為孔隙氣壓力（一般取0），bi為土條寬度，φ′i為內摩擦角，uw為孔隙水壓力，φb為基質吸力貢獻所對應的摩擦角。

1.2 計算模型

某典型邊坡體位于三峽庫區(qū)，正常蓄水位為175 m，死水位為145 m，對滑坡體所在的網格進行加密處理，整個模型一共劃分成1 689個節(jié)點、1 632個單元。同時，在滑體內部設置3個監(jiān)測點（如圖1，圖2所示）以反映邊坡內部不同點的孔壓變化規(guī)律。

圖1 計算模型圖

圖2 計算模型圖網格剖分

2 邊界條件及計算參數

模型的初始條件設置如圖1所示，以ae為185 m定水位邊界，cd為175 m定水位邊界計算所得的滲流場作為其他各個庫水位聯合降雨工況下的初始滲流場。計算參數根據室內試驗的實測數據取值，材料力學參數及滲流參數如表1所示。

表1 材料物理力學參數

3 工況設置

以往研究多將降雨與庫水位作用分開，或者僅僅將降雨施加在庫水位驟降結束時刻進行相應的分析，然而事實上，庫水位驟降過程較降雨時長要長，降雨具有隨機性，降雨可能發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻，因此，根據三峽庫區(qū)多年收集的水文資料，確定3個等級的降雨，即大雨（降雨強度為0.05 m·d-1），暴雨（降雨強度為0.1 m·d-1）及特大暴雨（降雨強度為0.2 m·d-1），降雨的平均時長取2 d。根據三峽庫區(qū)多年運行情況，取庫水位驟降速率分別為0.5 m·d-1、1 m·d-1與1.5 m·d-1。具體工況如表2所示。

表2 計算工況

4 結果分析

4.1 不同速率庫水位驟降工況

工況1下不同監(jiān)測點的孔壓變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可見，庫水位驟降情況下邊坡內部水壓持續(xù)下降。位于邊坡上部的監(jiān)測點（如圖3（a）），不同庫水位驟降速率下不同工況的孔壓差異很小，而位于邊坡下部的監(jiān)測點（如圖3（c））不同工況的孔壓差異較邊坡上部的監(jiān)測點要大。庫水位的下降速率越大，孔壓的下降速率也越大。位于邊坡下部的孔壓整體上要大于上部監(jiān)測點的孔壓。

工況1 的安全系數變化如圖4 所示。庫水位驟降工況安全系數是先降后升，不同庫水位驟降速率0.5 m·d-1、1 m·d-1及1.5 m·d-1情況下的安全系數最大降幅分別為5.3%、6.4%與7.1%。

4.2 不同降雨強度工況

工況2不同監(jiān)測點的孔壓變化如圖5所示，安全系數變化規(guī)律如圖6所示。

圖3 工況1孔壓變化規(guī)律。

圖4 工況1安全系數變化

圖5 工況2孔壓變化規(guī)律。

圖6 工況2安全系數變化

對于不同降雨強度而言，其孔壓變幅要明顯大于庫水位驟降情況，可見降雨對邊坡內部含水率變化的影響要遠大于庫水位驟降的影響。降雨情況下邊坡內部孔壓經歷一個先增大、后穩(wěn)定的過程，且降雨強度越大，孔壓的升幅越大。與工況1 相同，位于下部點的孔壓整體上要高于上部點的孔壓。

降雨工況指在降雨時刻驟降而后維持穩(wěn)定。由圖6 可得，不同降雨強度情況下，降雨強度分別為0.05 m·d-1、0.1 m·d-1和0.2 m·d-1時，安全系數的最大降幅分別為6.3%、7.5%及8.8%，可見降雨對安全系數的變幅影響要大于庫水位驟降因素；庫水位驟降的最小安全系數也要大于降雨情況，但是，最小安全系數都處于1.25 以上，根據水利工程相應規(guī)范[12]可以認為邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻

工況3 的孔壓變化如圖7 所示。降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻情況，孔壓變化則是綜合了庫水位驟降及降雨的綜合特性，即孔壓整體上呈下降的規(guī)律。但是在降雨時刻，由于降雨的原因，孔壓在該時刻有個突升的過程，整個孔壓變化呈一個單鋒的規(guī)律。值得注意的是，位于邊坡上部的點，庫水位驟降導致的孔壓變幅小，降雨導致的孔壓變幅大；位于邊坡下部的點，庫水位驟降導致的孔壓變幅大，降雨導致的孔壓變幅則相對較小。

工況3 的安全系數變化如圖8 所示。降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻，規(guī)律則有所不同。降雨發(fā)生在0～2 d、6～8 d、12～14 d、18～20 d 和24～26 d 情況下，安全系數的最大降幅分別為13.8%、16.3%、14.2%、12.6%和10.7%，可見此工況下安全系數的最大降幅都要大于單純庫水位驟降或者是降雨情況；最小安全系數均小于1.25，根據水利工程相應規(guī)范[12]，此時邊坡安全穩(wěn)定具有較大的風險。由此可以看出，降雨聯合庫水位是滑坡產生失穩(wěn)的重要原因。值得注意的是，降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻下的最小安全系數也不一樣，降雨發(fā)生在第6～8 d時最小安全系數最小。與以往研究僅僅把降雨施加在庫水位驟降結束時刻待果不同，本研究發(fā)現，降雨發(fā)生在庫水位驟降過程中出現最小安全系數。

圖7 工況3孔壓變化規(guī)律。

圖8 工況3安全系數變化

5 結 論

綜上所述，（1）庫水位驟降速率與孔壓下降呈正相關，降雨強度與孔壓上升幅度呈正相關，單純降雨孔壓上升幅度要大于庫水位情況孔壓下降幅度，降雨發(fā)生在庫水位驟降時刻的孔壓變化特性綜合了降雨情況與庫水位情況，位于邊坡下部的孔壓值要大于上部的孔壓值。（2）在靜庫水位工況下，降雨強度越大，降雨時間歷時越長，滑坡體內部孔壓上升幅度越大；滑體下部孔壓值總體要大于滑體中上部，庫水位水平越高，降雨強度越大，降雨時長越長，安全系數越小。（3）在庫水位驟降與不同時刻降雨聯合作用下，滑體最危險情況并非出現在庫水位驟降開始聯合降雨、或者庫水位下降結束時聯合降雨的時候，而是出現在庫水位驟降過程中聯合降雨。因此，在三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究中必須考慮降雨-庫水位耦合情況，且需要對降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻進行密切監(jiān)測。