庫水水位下降對平頂水庫邊坡穩(wěn)定性的影響

趙 飛

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563000)

1 概 述

庫水水位下降對邊坡穩(wěn)定具有重要的影響，水庫蓄水改變了水庫邊坡的內(nèi)部環(huán)境，而水位的升降會導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙水的流動，進而影響庫岸邊坡的穩(wěn)定性能。

許多專家學(xué)者對于庫岸邊坡穩(wěn)定性進行了研究，并取得了豐碩的研究成果。劉磊等[1]建立了降雨滲透模型，分析了不同降雨強度及降雨時長下坡體的穩(wěn)定性；江強強等[2]結(jié)合模型試驗分析了降雨與水位升降耦合作用下，對三峽水庫庫岸邊坡的滑動特性進行研究；董金玉等[3]采用現(xiàn)場試驗的分析方法得到水電站庫區(qū)的邊坡力學(xué)參數(shù)，結(jié)合FLAC 3D數(shù)值分析模型分析了水庫水位升降對邊坡失穩(wěn)破壞的影響機理；吳瓊等[4]利用理論分析的研究方法，分析了在降雨與水位升降作用下，庫岸邊坡坡體的浸潤線的變化范圍；王騰飛等[5]利用理論分析與三軸壓縮試驗相結(jié)合的研究方法，分析了土體在水的作用下抗剪強度的變化特征；梁學(xué)戰(zhàn)等[6]通過構(gòu)建模型試驗的研究方法，研究了水庫邊坡在蓄水作用下，坡體裂隙的時空變化特征；羅紅明等[7]將土水特征曲線的多項式約束優(yōu)化模型與飽和-非飽和滲流數(shù)值模型相結(jié)合，分析了庫水位漲落對水庫邊坡地下滲流場的影響；莫偉偉等[8]基于水巖相互作用機理,分析了庫水漲落對滑坡巖土體的影響。

基于以上的研究成果，本文擬對平頂水庫庫岸邊坡建立三維數(shù)值分析模型，分析邊坡坡度、滲透系數(shù)、水位下降速率對坡體孔隙水壓力的影響以及庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響。

2 模型建立

本研究以貴州省赫章縣安樂溪鄉(xiāng)平頂村境內(nèi)的平頂水庫為研究對象，該水庫一年中水位升降幅度為30 m。針對研究對象建立FLAC數(shù)值分析模型，根據(jù)相關(guān)資料，設(shè)坡高為h時，當(dāng)坡腳與左邊邊界的距離為1.5 h、坡頂與右邊邊界的距離為2.5 h、上邊界與下邊界的距離大于2 h時，建立的模型計算結(jié)果準(zhǔn)確度較高。建立網(wǎng)絡(luò)模型，見圖1，模型邊界的選取為：坡頂位置、水位以上位置為滲流邊界，其余邊界為自由水頭邊界，初始狀況下的水頭高度為60 m，模擬水位下降過程采用水位均勻下降的方式。

圖1 計算網(wǎng)格單元

根據(jù)現(xiàn)場測量，該庫岸邊破的滲透系數(shù)變化范圍為8.64×10-2～8.64 m/d，庫水水位下降的速率變化范圍為1～2 m/d。本研究以該庫岸邊坡的實際狀況為例，分析在不同參數(shù)條件下的邊坡穩(wěn)定性，主要參數(shù)為：滲透系數(shù)分別取8.64×10-2、8.64×10-1、8.64 m/d，庫水水位下降的速率分別取1、1.5、2 m/d，庫岸邊坡坡度分別取15°、20°、30°，庫岸邊坡巖土結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角為23°，黏聚力為24 kPa。

3 計算結(jié)果分析

3.1 相流對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果的影響

邊坡坡體的相關(guān)參數(shù)取值為：滲透系數(shù)8.64 m/d，庫水水位下降速率2 m/d，庫岸邊坡坡度30°，分析兩相流與單向流作用下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與水位下降量高度的結(jié)果，見圖2。

分析圖2中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)庫水水位下降高度相同時，兩相流的計算結(jié)果比單向流計算結(jié)果稍大。這主要是由于兩相流計算模式下基質(zhì)吸力不同所引起的，兩相流計算模式下，邊坡坡體內(nèi)部的滲流場與孔壓場發(fā)生了變化，進而引起在上部坡體內(nèi)部出現(xiàn)較大范圍的非飽和狀態(tài)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，基質(zhì)吸力增大，從而該區(qū)域內(nèi)抗破壞能力增強，穩(wěn)定性提高，兩相流的基質(zhì)吸力作用與實際更加符合。因而，本研究采用兩相流計算模式對平頂水庫邊坡穩(wěn)定性進行分析。

3.2 不同工況下滲流分析

在庫水水位下降過程中，為了分析不同影響因素對平頂水庫邊坡穩(wěn)定性的作用效果，將孔隙水壓力作為研究對象，設(shè)計以下3種工況進行數(shù)值模擬計算。3種工況下的參數(shù)取值見表1。

表1 不同工況下對應(yīng)的參數(shù)取值

工況一的3種不同庫水水位下降速率條件下的模擬結(jié)果見圖3。在水位下降過程中，坡體外部的水壓力值降低，引起坡體內(nèi)部的水壓力值大于坡體外部，水在坡體內(nèi)部流動，從而改變坡體內(nèi)部的孔隙水壓力。同時，由于水壓力的作用下，坡體內(nèi)部逐漸由飽和狀態(tài)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，導(dǎo)致坡體內(nèi)部出現(xiàn)負孔隙水壓力，對于不同庫水水位下降速率的模擬結(jié)果，在邊坡相同位置處孔隙水壓力之相差不大。因而，在合理的庫水水位下降速率調(diào)配下，對滲流作用的土體孔隙水壓力影響不大。

圖3 不同庫水水位下降速率的孔隙水壓力等值線

工況二的3種不同滲透系數(shù)條件下的模擬結(jié)果見圖4。不同滲透系數(shù)對孔隙水壓力的影響較大，當(dāng)滲透系數(shù)值k=8.64 m/d時，隨著水位的下降，由于滲透系數(shù)值較大，孔隙水壓力消散較快，因而坡體內(nèi)外部的孔隙水壓力值保持平均水平，孔隙水壓力值均值線未出現(xiàn)較大幅度的上下波動，且在坡體上部出現(xiàn)較大范圍的負孔隙水壓力區(qū)；當(dāng)滲透系數(shù)值k=0.086 4 m/d時，隨著水位的下降，由于滲透系數(shù)值較小，坡體內(nèi)的水不能及時排出，孔隙水壓力消散較慢，土體內(nèi)存在較大范圍飽和區(qū)，且坡體上部負孔隙水壓力區(qū)較小。

圖4 不同滲透系數(shù)的孔隙水壓力等值線

工況三的3種不同庫岸邊坡坡度條件下的模擬結(jié)果見圖5。隨著邊坡坡度增大，庫岸邊坡底部孔隙水壓力等值線分布更加集中，同等高度水壓力差逐漸越大，因而邊坡坡度越大越有利于坡體內(nèi)應(yīng)力的消散。

圖5 不同邊坡坡度的孔隙水壓力等值線

4 正交試驗下不同邊坡穩(wěn)定影響因素的分析

庫水水位下降會引起邊坡坡體內(nèi)部滲流場出現(xiàn)負的孔隙水壓力，同時庫水水位下降過程中孔隙水壓力消散較慢，進而導(dǎo)致庫水邊坡的失穩(wěn)破壞。對于常規(guī)3種影響因素的分析會產(chǎn)生27種組合，對于正交試驗可以有效減小組合試驗的次數(shù)，只需要進行9組試驗即可，對3種因素分為3個水平等級。見表2。

表2 因素水平分級表

將3個等級的因素進行組合得到9種組合結(jié)果，見表3。在不同種組合狀況下，平頂水庫庫岸邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨水位下降高度變化見圖6。

表3 正交試驗方案組合

圖6 不同組合因素下的穩(wěn)定系數(shù)

分析圖6，主要得到以下結(jié)果：

1) 9種因素組合下的庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位高度下降均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(組合3除外，由于當(dāng)下降高度逐漸增大時，該因素組合下邊坡坡體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞)，隨著庫水水位下降，邊坡坡體穩(wěn)定性系數(shù)總體上是下降的，在H=20 m左右時存在最小值。

2) 分析3種因素對庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，影響效果最大的是庫水水位下降的速率v。當(dāng)該研究邊坡的滲透系數(shù)k和庫岸邊坡坡度β均保持不變時，隨著庫水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同時，庫岸邊坡穩(wěn)定性最差。

3) 庫岸邊坡坡度β的變化直接影響著庫岸邊坡坡體的初始應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)坡度β由15°增大至30°時，庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)由2.68降低至1.63，初始應(yīng)力狀態(tài)的改變直接影響著滑坡體內(nèi)部的穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 當(dāng)初始應(yīng)力狀態(tài)相同時即庫岸邊坡坡度β相同的情況下，在其他條件相同的情況下，庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著滲透系數(shù)k的減小逐漸降低，當(dāng)滲透系數(shù)k=0.086 4 m/d時，庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小。這主要是由于滲透系數(shù)小于庫水水位下降的速率v時，坡體內(nèi)水壓力產(chǎn)生滯后反應(yīng)，坡體內(nèi)部水壓力上升，基質(zhì)吸力增加幅度較小，因而邊坡穩(wěn)定系數(shù)也明顯降低。對于組合1、6、8，該組合下滲透系數(shù)k大于庫水水位下降的速率v，該庫岸邊坡坡體穩(wěn)定系數(shù)明顯較其它組合下的庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)大。

5 結(jié) 論

本文以平頂水庫作為研究對象，對該水庫庫岸邊坡建立FLAC數(shù)值分析模型，分析了相流對邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果的影響、不同工況下的孔隙水壓力變化以及采用正交試驗對影響邊坡穩(wěn)定的因素進行分析。主要結(jié)論如下：

1) 基質(zhì)吸力是影響岸坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，采用兩相流的分析方法，基質(zhì)吸力作用與實際更加符合。

2) 在合理的庫水水位下降速率調(diào)配下，對滲流作用的土體孔隙水壓力影響不大，滲透系數(shù)對孔隙水壓力的影響較大，邊坡坡度越大越有利于坡體內(nèi)應(yīng)力的消散。

3) 庫岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位高度下降呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，最小值位于H=20 m左右。隨著庫水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同時，庫岸邊坡穩(wěn)定性最差；庫岸邊坡坡度β是庫岸邊坡坡體初始應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵影響因素；滲透系數(shù)k與水位下降速率v的相對值是邊坡穩(wěn)定系數(shù)的重要影響因素。