降雨對(duì)庫(kù)岸區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王 緒

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

1 概 述

新安江水庫(kù)即千島湖是浙江省內(nèi)最大的水體，也是重要的森林生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)千島湖的開發(fā)必須圍繞著生態(tài)平衡而展開，庫(kù)岸區(qū)邊坡的穩(wěn)定性問題也是其中研究的重點(diǎn)。浙江是雨水充沛的省份，每年的雨季必然會(huì)有大量的強(qiáng)降雨，這會(huì)導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性變?nèi)?。前人?duì)庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性也有較多的研究。廖紅建[1]等以三峽水利工程為背景，研究了水位的周期性調(diào)節(jié)對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性影響，得出降水速度和滲透系數(shù)以及邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。雷小芹[2]等研究了降雨導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的機(jī)制。董金玉[3]等利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及巖土數(shù)值分析軟件分析了蓄水和降雨過程中邊坡變形破壞的特征，提出了邊坡變形特征的特點(diǎn)。李友林[4]則從地質(zhì)條件的角度來分析邊坡類型對(duì)降雨的敏感度。葉帥華[5-6]等進(jìn)行了黃土高邊坡遇到降雨條件下的穩(wěn)定性分析，得出相關(guān)規(guī)律。杜娟娟和黃亮等[7-10]主要研究降雨和水位下降對(duì)邊坡的影響，結(jié)果表明水位下降會(huì)導(dǎo)致安全系數(shù)先降后升。余兵與林渝[11-12]等發(fā)現(xiàn)邊坡的裂隙對(duì)安全系數(shù)也有較大影響。

上述研究多是立足在水位上升或者降雨等單一影響因素上進(jìn)行分析，實(shí)際情況下在雨季的時(shí)候庫(kù)區(qū)水位上漲的同時(shí)，降雨也會(huì)接踵而至，應(yīng)該充分考慮兩者同時(shí)的作用。本文以高速公路路堤臨湖邊坡為工程背景，充分考慮不同情況下降雨和水位升降對(duì)庫(kù)區(qū)臨湖路堤邊坡的穩(wěn)定性影響。

2 工程概述

新安江水庫(kù)作為千島湖被人們廣為熟知，是著名的旅游景點(diǎn)。千島湖位于浙江省淳安縣內(nèi)，是浙江省境內(nèi)最大的水庫(kù)。擬建高速公路穿過千島湖庫(kù)岸區(qū)，對(duì)千島湖的生態(tài)環(huán)境、庫(kù)區(qū)水質(zhì)、生物多樣性等都有影響。而且臨湖建設(shè)公路路堤邊坡，庫(kù)岸區(qū)復(fù)雜的水文環(huán)境對(duì)路堤邊坡的穩(wěn)定性有著很大的影響。高速公路經(jīng)過千島湖時(shí)，臨湖段路堤邊坡通過拋石填湖制造平臺(tái)，然后在上面堆填路基填料并壓實(shí)形成路堤邊坡，邊坡的一部分在水面以下。湖面水位漲落受季節(jié)性降雨影響較大。經(jīng)過調(diào)查可知，夏季水位高達(dá)108 m，冬季枯水期水位在98 m左右，水位漲落差達(dá)10 m。路堤邊坡填料是含有粗顆粒的粉質(zhì)砂土，坡度最高為1∶1.5，由于邊坡高度較大，在邊坡上設(shè)置平臺(tái)作為緩沖。

路堤邊坡填料經(jīng)過傾倒、壓實(shí)后，通過現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)和室內(nèi)測(cè)試得到的物理參數(shù)見表1。

表1 地基土參數(shù)表

3 數(shù)值模型的建立

3.1 模型參數(shù)取值及網(wǎng)格劃分

為了模擬土質(zhì)邊坡受到潮水漲落的影響，利用有限元軟件邁達(dá)斯建立邊坡模型。在本次計(jì)算過程中，將坡面邊界定義成為滲透邊界以分析水位作用。模型的邊界條件定義為左右約束其X方向的位移，底部固定。滲透邊界定義為左右邊緣為零流量邊界，底部為不透水層，模型的上緣(包括邊坡頂部、坡面和坡腳平臺(tái))為滲透層，其滲流量與土體滲透系數(shù)、降雨量等有關(guān)。為了模擬水位的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，計(jì)算開始前把湖面水位設(shè)置在坡腳處，而后緩慢上升至10m。在邁達(dá)斯中，水位變化的模擬通過水頭大小來實(shí)現(xiàn)。模型的示意圖、網(wǎng)格圖和水位圖見圖1。

圖1 邊坡示意圖與網(wǎng)格圖

潮水漲落及降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響是一個(gè)飽和-非飽和的滲透問題。既要考慮到土體飽和情況下的滲流問題，也要分析非飽和土體的特性，因此土體的水土特征曲線即SWCC和滲透性相關(guān)函數(shù)是必要的研究對(duì)象。圖2和圖3給出了基質(zhì)吸力與體積含水量的關(guān)系曲線(SWCC)以及基質(zhì)吸力與非飽和土滲透系數(shù)的關(guān)系。前者描述了含水率和土中吸力的關(guān)系。后者決定了非飽和土中的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系，土體的飽和滲透系數(shù)為0.25 m/d，結(jié)合水土特征曲線可推導(dǎo)出圖3所示關(guān)系曲線。通過這兩條曲線，就可以由土的含水率得出土的基質(zhì)吸力，這是進(jìn)行邊坡非飽和土分析的基礎(chǔ)。

圖2 邊坡土體水土特征曲線

圖3 邊坡土體基質(zhì)吸力與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

3.2 水位變化在模型中的實(shí)現(xiàn)

在庫(kù)岸區(qū)路堤邊坡的穩(wěn)定性分析中，水位漲落的速度有著重要的作用。通過當(dāng)?shù)厮馁Y料調(diào)查可知，夏季最高水位上升速度可達(dá)0.43 m/d。為此，本文選擇以下3種工況用于模擬不同水位上升速度對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性的影響。工況1、工況2和工況3庫(kù)岸區(qū)水位上升速度分別為0.4、0.2和0.1 m/d，分析時(shí)間分別為55、80和130 d。即以坡腳為水位零點(diǎn)，水位從坡腳開始上升至10 m處，并持續(xù)30 d。當(dāng)水位下降時(shí)，工況4、工況5以及工況6分別代表坡面水位以0.4、0.2和0.1 m/d的速率從10 m處下降至坡腳，分析總時(shí)間分別為58、110和160 d。水位的變化可以通過坡面孔隙水壓力的改變來實(shí)現(xiàn)。

邁達(dá)斯分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)可以采用強(qiáng)度折減法分析理論。通過邊坡強(qiáng)度系數(shù)的折減，可得到邊坡土體在極限情況下的應(yīng)力應(yīng)變最大值、滑動(dòng)面的剖面、塑性區(qū)的位置和發(fā)展以及邊坡整體的安全系數(shù)，并由此反映出客觀的邊坡破壞機(jī)理。見圖4和圖5。

圖4 水位上升工況

圖5 水位下降工況

3.3 降雨條件模擬

與其他有限元軟件一樣，邁達(dá)斯可以通過設(shè)置降雨邊界函數(shù)來模擬降雨條件。降雨強(qiáng)度可以設(shè)置單位時(shí)間流量來實(shí)現(xiàn)。但是只能夠模擬降雨全部入滲邊坡的情況，排除了坡面徑流和積水的可能。在現(xiàn)實(shí)降雨過程中，由于降雨強(qiáng)度和坡面滲透性的限制，可分為3種情況：①當(dāng)降雨強(qiáng)度小于邊坡的滲透性，降雨流量可以全部通過滲透進(jìn)入坡體里面；②當(dāng)降雨強(qiáng)度大于邊坡滲透性時(shí)，降雨流量的一部分滲透進(jìn)入邊坡，而另外一部分將會(huì)在邊坡表面形成小型積水，在積水達(dá)到一定程度之后會(huì)相互連接在一起形成坡面徑流，從而使坡面積水通過徑流排到湖中去；③當(dāng)邊坡的表面土層由于滲透已經(jīng)接近飽和，此時(shí)坡體的滲透性接近于零，雨水無法滲入坡體中，則會(huì)導(dǎo)致所有雨水會(huì)通過坡面徑流排走，并不會(huì)進(jìn)入邊坡內(nèi)部。

本次計(jì)算模擬降雨強(qiáng)度分為3個(gè)不同的等級(jí)，分別為0.004、0.008和0.016 m/d。邊坡降雨條件在有限元中也可以通過流量邊界條件進(jìn)行設(shè)置，在坡頂和坡面進(jìn)行滲流量邊界條件的設(shè)置以模擬降雨條件。工況7、工況8和工況9是當(dāng)水位以0.4 m/d的速率上升時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。工況10、工況11和工況12則是模擬水位下降時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。見表2。

表2 模擬工況總匯表

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

圖6為工況1-工況3安全系數(shù)與分析時(shí)間的關(guān)系。從圖6中可以看出，隨著水位逐漸上升，不同工況下的安全系數(shù)都呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢(shì)。其中，工況1安全系數(shù)上升得最快，頂點(diǎn)也最高。這種現(xiàn)象表明水位上升越快，安全系數(shù)上升更快更高。導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是當(dāng)水位上升時(shí)，湖面的水緩慢滲透進(jìn)入坡體內(nèi)部，對(duì)邊坡土體產(chǎn)生了一個(gè)指向邊坡內(nèi)部的動(dòng)水壓力，邊坡土體從非飽和過度到飽和，從而使土顆粒更加密實(shí)，邊坡趨于穩(wěn)定。水頭上升的快慢直接影響動(dòng)水壓力的大小，所以導(dǎo)致水位上升越快，安全系數(shù)越高的現(xiàn)象。隨著水位越高，安全系數(shù)上升得更快。這是因?yàn)樗惠^低時(shí)，動(dòng)水壓力的方向幾乎是水平的，對(duì)土體顆粒之間的作用較低。而當(dāng)水位較高時(shí)，動(dòng)水壓力的方向近似垂直于坡面，所以對(duì)邊坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)更高。

圖6 水位上升對(duì)安全系數(shù)的影響

當(dāng)水位達(dá)到最高點(diǎn)而后趨于穩(wěn)定時(shí)，邊坡整體的安全系數(shù)不再上升，反而隨著分析時(shí)間的增加漸漸下降，最終趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)水頭穩(wěn)定后，土體含水量漸漸飽和，動(dòng)水壓力也就隨之消失。而后由于土中的孔隙充滿了水，導(dǎo)致土體強(qiáng)度的衰減，安全系數(shù)慢慢下降，直到穩(wěn)定在1.4左右。

4.2 水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

經(jīng)過計(jì)算分析，得出水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見圖7。由圖7中可以看出，當(dāng)邊坡湖面水位下降時(shí)，邊坡整體的安全系數(shù)先是下降，而且下降的趨勢(shì)逐漸趨于緩慢。當(dāng)下降到最低點(diǎn)時(shí)反彈，最終上升至1.5左右穩(wěn)定。這種現(xiàn)象的內(nèi)在原因是動(dòng)水壓力方向的改變。當(dāng)水位下降時(shí)，土體內(nèi)部水位的下降滯后于湖面，此時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力由土體內(nèi)部指向外部，所以導(dǎo)致土體的不穩(wěn)定性增加。開始時(shí)邊坡土體的穩(wěn)定性下降得比較快，而后安全系數(shù)下降的頻率越來越慢。這是由于水位較高時(shí)，動(dòng)水壓力的方向幾乎垂直于坡面向外，而且坡體的下部分由于飽和所以強(qiáng)度下降。當(dāng)水位較低時(shí)，動(dòng)水壓力的方向變成幾乎水平。動(dòng)水壓力的大小與水位下降速率直接相關(guān)，這與前文所得結(jié)論是一致的。

圖7 水位下降對(duì)安全系數(shù)的影響

經(jīng)過最低點(diǎn)后，由于動(dòng)水壓力的逐漸消失和坡體內(nèi)部水的排出，導(dǎo)致土體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，最終比水位下降前更高。這就說明相對(duì)于飽和土，非飽和土的穩(wěn)定性更高。這是非飽和土基質(zhì)吸力的存在使土顆粒之間的連接更加緊密的緣故。

4.3 降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

圖8顯示的是當(dāng)水位上升時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。由圖8可以看出，跟水位漲落相比，降雨的作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大。降雨對(duì)邊坡具有一定的削弱作用，使邊坡表面土體吸水，基質(zhì)吸力降低，導(dǎo)致邊坡土體強(qiáng)度的下降，從而安全系數(shù)減小。在這個(gè)過程中，由于降雨量是有限的，以及土體滲透系數(shù)等影響，導(dǎo)致降雨只能使邊坡表層的土體基質(zhì)吸力降低甚至飽和。降雨強(qiáng)度的大小與土體基質(zhì)吸力降低的快慢有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，基質(zhì)吸力減小得越快?？梢灾溃涤晔褂晁疂B透進(jìn)入土體內(nèi)部，會(huì)產(chǎn)生水頭壓力，使邊坡更穩(wěn)定。但是這個(gè)作用非常微弱，并沒有達(dá)到很大的影響。所以，降雨對(duì)邊坡的主要作用是降低邊坡表層的基質(zhì)吸力，削弱穩(wěn)定性。

圖8 水位上升時(shí)降雨強(qiáng)度對(duì)安全系數(shù)的影響

圖9是邊坡水位下降時(shí)，不同降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。由圖9可以看出，無論水位上升還是水位下降，降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響都是小于水位漲落的，而且降雨對(duì)邊坡的主要作用就是降低邊坡的穩(wěn)定性。

圖9 水位下降時(shí)降雨強(qiáng)度對(duì)安全系數(shù)的影響

5 結(jié) 論

本文利用邁達(dá)斯有限元分析軟件，結(jié)合工程路堤邊坡案例以及當(dāng)?shù)厮募敖涤陾l件，計(jì)算分析了在比較理想的情況下庫(kù)岸區(qū)水位上升以及降雨條件對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。數(shù)值模擬采用飽和-非飽和模型進(jìn)行研究。因?yàn)榉秋柡团c飽和土相比，具有基質(zhì)吸力的作用，使邊坡土體顆粒相互之間連接更加緊密，有利于穩(wěn)定性。而水位的變化和降雨條件可以降低甚至消除這種負(fù)孔壓的作用，這是庫(kù)岸區(qū)邊坡分析的特點(diǎn)。經(jīng)過計(jì)算分析研究，主要的結(jié)論如下：

1) 邊坡水位的升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重要的作用。當(dāng)水位上升時(shí)，動(dòng)水壓力的作用使安全系數(shù)增加。當(dāng)水位穩(wěn)定，土體接近飽和時(shí)，動(dòng)水壓力消失，邊坡安全系數(shù)降低，最終由于基質(zhì)吸力的消失而變得更加不穩(wěn)定。

2) 當(dāng)水位下降時(shí)，情況基本與上升時(shí)相反，安全系數(shù)先降低后升高，最終比水位下降前更高。只是在同樣的水位升降下，邊坡土體的排水時(shí)間比進(jìn)水時(shí)間更長(zhǎng)。水位上升和下降的速度也有一定的影響，變化更快導(dǎo)致動(dòng)水壓力更大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)更有利或不利。

3) 對(duì)于庫(kù)岸區(qū)邊坡，影響邊坡穩(wěn)定性因素主要是邊坡的水位，坡面的降雨由于產(chǎn)生的動(dòng)水壓力較小，所以對(duì)邊坡的作用是削弱了邊坡的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)無論水位上升還是下降的情況下都是一樣的。