降雨條件下含裂縫岸坡滲流穩(wěn)定特性研究

宋欣玲,陳文蛟

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.河南省平頂山水文水資源勘測(cè)局，河南 平頂山 467000）

0 引言

許多科研工作者對(duì)水庫(kù)邊坡滲流穩(wěn)定性問(wèn)題開展了一系列的研究，并取得了豐碩的科研成果。庫(kù)岸邊坡滲流穩(wěn)定性問(wèn)題已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。

基于某水庫(kù)邊坡場(chǎng)景，利用有限元軟件建立邊坡模型，分析了降雨過(guò)程中庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性變化情況。系統(tǒng)研究降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響，深入探討了裂縫位置、裂縫角度的影響。

1 工程概況

某水庫(kù)位于株洲縣三門鎮(zhèn)的紅色盆地，研究區(qū)內(nèi)階地發(fā)育寬闊，階地寬度200～1 100 m，長(zhǎng)度3 500 m，高程36～41 m，高于庫(kù)水面8.00～12.50 m。水庫(kù)西面為丘崗阻隔，東面是湘江干流。水庫(kù)主要土層上部為粘土層，下部為砂礫石層。該研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降雨量140 cm。降雨主要集中在春夏兩季，4-6月雨多季節(jié)，湘江水位上漲較多，對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響顯著。

2 三維模型建立

選取水庫(kù)典型剖面，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告，建立水庫(kù)數(shù)值模型如圖1所示，土層參數(shù)如表1所示。在建模過(guò)程中，將裂縫兩邊設(shè)置邊界以模擬邊坡裂縫的存在。模型的邊界條件如下：模型底部和模型兩側(cè)設(shè)為不透水且固定邊界條件，模型表面設(shè)為透水及自由邊界條件。

表1 土層參數(shù)表

圖1 庫(kù)岸邊坡模型圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 降雨強(qiáng)度和降雨時(shí)長(zhǎng)的影響

圖2給出了不同降雨強(qiáng)度下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線，降雨時(shí)長(zhǎng)為48 h。①降雨初期邊坡穩(wěn)定性系數(shù)迅速減小，隨后減小幅度減緩，最終趨于穩(wěn)定。初始階段邊坡入滲能力好，自重變大，強(qiáng)度變小，導(dǎo)致穩(wěn)定性迅速變差。隨著土體內(nèi)部積水變多且逐漸飽和，以致穩(wěn)定性變化緩慢且逐漸趨于穩(wěn)定。②降雨強(qiáng)度越大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低速率更快。超過(guò)一定范圍，降雨強(qiáng)度會(huì)超過(guò)土體滲透能力，滲入土體的水量和速度相差不大。③相同降雨強(qiáng)度下，含裂縫邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降速率更快。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)圖

圖3給出了不同降雨歷時(shí)下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線，降雨強(qiáng)度為5.80×10-7m/s。①庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)前期迅速降低，后期出現(xiàn)回升。降雨初始階段，邊坡入滲能力強(qiáng)，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性迅速變差。當(dāng)降雨停止后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步減小，而沒(méi)有出現(xiàn)回升。這是因?yàn)榻涤晖Ｖ购笥晁岳^續(xù)深入邊坡土體，深部土層被軟化，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性持續(xù)變差。當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)減小到一定值后出現(xiàn)反彈，但是反彈速率很低。②含裂縫庫(kù)岸邊坡，降雨時(shí)長(zhǎng)分別為0.50 d、2.00 d和4.00 d時(shí)，降雨過(guò)程中最小穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.21、1.20和1.16，20天后的最終穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.17、1.22和1.24?？梢姡涤陼r(shí)長(zhǎng)的增大會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性越差，且穩(wěn)定性恢復(fù)更慢。③相同降雨強(qiáng)度下，含裂縫邊坡的穩(wěn)定性會(huì)更差。

圖3 不同降雨歷時(shí)下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)圖

3.2 裂縫位置的影響

圖4建立三種不同裂縫位置模型：坡頂、坡中和坡腳位置（裂縫深度均為2 m）。

圖4 不同裂縫位置邊坡穩(wěn)定性系數(shù)圖

①降雨過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)初期迅速降低，隨后緩慢并一直持續(xù)。②裂縫在坡中位置的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度最大，其次是坡腳位置，最后是坡頂位置，且均大于無(wú)裂縫邊坡。③當(dāng)降雨強(qiáng)度為2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s時(shí)，裂縫位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較降雨強(qiáng)度為1.16×10-7m/s工況更為顯著。降雨強(qiáng)度較小時(shí)，裂縫的存在對(duì)土體入滲能力影響有限，從而裂縫不同位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響更小。

3.3 裂縫角度的影響

圖5建立三種不同裂縫角度模型：內(nèi)斜、豎直和外斜，傾斜45°，坡中位置，深度均為2 m。①降雨初期，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低，隨后減小速率降低，并隨著降雨持續(xù)降低。②降雨強(qiáng)度為2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s時(shí)，同樣裂縫角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較降雨強(qiáng)度為1.16×10-7m/s工況更為顯著。③降雨對(duì)裂縫為外斜的邊坡穩(wěn)定性影響更為顯著。降雨初期階段，豎直裂縫邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化大，降雨一段時(shí)間后，內(nèi)斜裂縫邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化更大。豎直裂縫有利于雨水滲入，降雨初期豎直裂縫邊坡的穩(wěn)定性變化更大。降雨后期豎直裂縫邊坡土體率先飽和，邊坡穩(wěn)定性降低幅度減小。相反，內(nèi)斜裂縫邊坡因前期雨水滲入慢，后期穩(wěn)定性變化會(huì)更大。

圖5 不同裂縫角度邊坡穩(wěn)定性系數(shù)圖

4 結(jié)論

綜上可知，①降雨初期邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)迅速減小，隨后減小幅度減緩，最終趨于穩(wěn)定。降雨強(qiáng)度越大、降雨時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，邊坡穩(wěn)定性越差，且相同降雨條件下，裂縫存在影響邊坡的穩(wěn)定性。②不同降雨強(qiáng)度下，裂縫位置對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律相似，裂縫在坡中位置的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小幅度最大，其次是坡腳位置，最后是坡頂位置，且均大于無(wú)裂縫邊坡。③降雨條件下，裂縫角度對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響顯著。在降雨過(guò)程中，含外斜裂縫的邊坡的穩(wěn)定性更好，含內(nèi)斜裂縫的邊坡和豎直裂縫的邊坡穩(wěn)定性影響呈現(xiàn)交叉過(guò)程。降雨前期豎直裂縫的邊坡影響大，降雨后期內(nèi)斜裂縫的邊坡影響更大。