考慮降雨和庫(kù)水位聯(lián)合作用的邊坡穩(wěn)定性分析

劉小毛

（吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西吉安343000）

我國(guó)地質(zhì)條件非常復(fù)雜，邊坡失穩(wěn)是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，其中庫(kù)區(qū)邊坡由于受到庫(kù)水位升降的影響，使巖土體材料發(fā)生劣化常產(chǎn)生垮塌，但降雨作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也是不可忽略的[1-3]。降雨和庫(kù)水位聯(lián)合作用使土體有效應(yīng)力減小，土體內(nèi)部基質(zhì)吸力也減小，同時(shí)土體相關(guān)強(qiáng)度參數(shù)也降低，從而使庫(kù)區(qū)邊坡垮塌問(wèn)題成為最具威脅的自然災(zāi)害之一[4-6]，因此有必要對(duì)兩者同時(shí)作用下的邊坡穩(wěn)定性規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)地研究，從而對(duì)庫(kù)區(qū)邊坡的防治提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算采用大型通用有限元軟件MidasGTS，該軟件是針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元軟件，不僅支持線(xiàn)性/非線(xiàn)性靜力分析、滲流和固結(jié)分析，也在邊坡穩(wěn)定性分析中常被用到。

所研究的庫(kù)岸邊坡正常蓄水位取115m，死水位取105m，該邊坡較為平緩，下部為基巖，上部依次為卵礫石、碎石夾黏土和黏土覆蓋層。網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分，在模型建立時(shí)對(duì)一些弧線(xiàn)進(jìn)行多段線(xiàn)簡(jiǎn)化處理，然后將簡(jiǎn)化線(xiàn)框?qū)隡idasGTS進(jìn)行模型建立。根據(jù)不同工況的水位情況賦予巖土體材料不同的參數(shù)，水位線(xiàn)上采用天然容重、天然黏聚力、天然內(nèi)摩擦角，水位線(xiàn)下采用浮容重、飽和黏聚力、飽和內(nèi)摩擦角。網(wǎng)格劃分時(shí)將基巖邊界尺寸控制在4～5m，而關(guān)鍵區(qū)域（覆蓋土層）的網(wǎng)格尺寸控制在1～2m。

1.2 邊界條件

對(duì)模型底部約束X，Y2個(gè)方向的位移，對(duì)模型左、右兩側(cè)約束X方向位移。模型底部為不透水邊界，水位在105～115m之間變動(dòng)，入滲強(qiáng)度的大小由降雨強(qiáng)度和滲透系數(shù)兩者大小關(guān)系決定：若滲透系數(shù)大于降雨強(qiáng)度，則入滲強(qiáng)度取降雨強(qiáng)度大小；若滲透系數(shù)小于降雨強(qiáng)度，則入滲強(qiáng)度取滲透系數(shù)。在計(jì)算時(shí)認(rèn)為邊坡表面無(wú)積水。

1.3 計(jì)算工況

計(jì)算工況主要考慮3種：1）僅考慮庫(kù)水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；2）庫(kù)水位固定僅考慮不同降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響；3）考慮不同降雨時(shí)長(zhǎng)的邊坡穩(wěn)定性影響，具體計(jì)算工況如表1所示。降雨類(lèi)型主要分為4種：平均型（a）、前鋒型（b）、中鋒型（c）和后鋒型（d）降雨[7]，降雨時(shí)程曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 不同降雨類(lèi)型時(shí)程曲線(xiàn)

表1 計(jì)算工況

2 結(jié)果分析

2.1 工況1

工況1僅考慮庫(kù)水位下降的影響，分別設(shè)置了3種下降速度，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的孔壓變化規(guī)律如圖2（a）所示。不同庫(kù)水位下降速度下的孔壓變化規(guī)律整體大致相同，均隨著時(shí)長(zhǎng)增加而緩慢降低，并最終趨于穩(wěn)定，均穩(wěn)定在-10kPa左右；但不同庫(kù)水位下降速率下的孔壓變化略有差異，庫(kù)水位下降速度越大，在初期孔壓下降速率越大，越早進(jìn)入孔壓穩(wěn)定階段。穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律如圖2（b）所示，不同庫(kù)水位下降速度下的穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，不同庫(kù)水位下降速度均存在一個(gè)最小穩(wěn)定性系數(shù)，且?guī)焖幌陆邓俣仍酱螅钚》€(wěn)定性系數(shù)越小。

2.2 工況2

圖2 工況1計(jì)算結(jié)果

孔壓變化規(guī)律如圖3（a）所示，不同降雨類(lèi)型下孔壓均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，平均型降雨下的孔壓相較于其他3種降雨類(lèi)型對(duì)應(yīng)的孔壓低一些，前鋒型降雨類(lèi)型對(duì)應(yīng)的孔壓相對(duì)最高。穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律如圖3（b）所示。4種降雨類(lèi)型影響下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)先急劇減小后緩慢增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在降雨條件下，邊坡在最初一段時(shí)間穩(wěn)定性會(huì)急劇降低并在停止降雨后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)會(huì)達(dá)到最不穩(wěn)定狀態(tài)，但隨后穩(wěn)定性又會(huì)逐漸增加。4種降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響順序依次為后鋒型降雨、平均型降雨、中鋒型降雨和前鋒型降雨。

2.3 工況3

對(duì)于工況3,僅計(jì)算了其穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律。如圖4所示，不同降雨時(shí)長(zhǎng)下穩(wěn)定系數(shù)隨著時(shí)間變化規(guī)律是相同的，均呈現(xiàn)先減小后增大最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，不同降雨時(shí)長(zhǎng)條件下均存在一個(gè)最小的穩(wěn)定性系數(shù)。原因是降雨初期隨著降雨入滲邊坡內(nèi)部坡體內(nèi)部水分來(lái)不及排出，孔隙水壓力增加有效應(yīng)力減小，但隨著時(shí)間增加，內(nèi)部水分逐漸入滲并排出邊坡內(nèi)部，所以穩(wěn)定性系數(shù)又逐漸增加。不同降雨時(shí)長(zhǎng)下的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律略有差異，明顯降雨時(shí)間越長(zhǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度越大。

圖3 工況2計(jì)算結(jié)果

圖4 穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）對(duì)于僅考慮庫(kù)水位驟降情況，不同庫(kù)水位下降速度下的孔壓變化規(guī)律整體大致相同，均隨著時(shí)長(zhǎng)增加而緩慢降低，并最終趨于穩(wěn)定，均穩(wěn)定在-10kPa左右；不同庫(kù)水位下降速度下的穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

2）不同降雨類(lèi)型下孔壓均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)，平均型降雨下的孔壓相較于其他3種降雨類(lèi)型對(duì)應(yīng)的孔壓低一些，前鋒型降雨類(lèi)型對(duì)應(yīng)的孔壓相對(duì)最高；4種降雨類(lèi)型對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響順序依次為后鋒型降雨、平均型降雨、中鋒型降雨和前鋒型降雨。

3）不同降雨時(shí)長(zhǎng)下穩(wěn)定系數(shù)隨著時(shí)間變化規(guī)律是相同的，均呈現(xiàn)先減小后增大最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，不同降雨時(shí)長(zhǎng)下的穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律略有差異，明顯降雨時(shí)間越長(zhǎng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度越大。