水位下降條件下水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性和變形分析

劉 偉

(九江市水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000)

拓林水庫(kù)位于我國(guó)江西省九江市永修縣和武寧縣之間，是在永修柘林鎮(zhèn)筑壩攔截修水而形成的以防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖為主要功能的大型水庫(kù)[1]，位于全國(guó)土壩水庫(kù)前列。拓林水庫(kù)多年平均年徑流量80.60億m3，水庫(kù)正常蓄水位 65.0 m，相應(yīng)庫(kù)容50.17億m3。近年來(lái)，隨著需水量的急劇增加，水庫(kù)水位發(fā)生了急劇變化。因此，快速下降期間的穩(wěn)定性分析是管理者需要考慮的重要因素。

研究者通常采用極限平衡法和有限元法來(lái)評(píng)估邊坡比的安全性(安全系數(shù)FS)[2-3]。在路堤材料緩慢排水(短期)的情況下，分析中使用的參數(shù)為總應(yīng)力(總應(yīng)力分析)[4]。在路堤材料快速排水(長(zhǎng)期)的情況下，分析中使用的參數(shù)為有效應(yīng)力(有效應(yīng)力分析)[5]。對(duì)于水位下降條件下的邊坡穩(wěn)定性分析，可以使用這兩個(gè)參數(shù)。通常情況下，由于孔隙水壓力的計(jì)算較為困難，因此總應(yīng)力的應(yīng)用更為廣泛。

本文利用有限元軟件PLAXIS 2D 2012(巖土工程通用有限元分析軟件)對(duì)拓林水庫(kù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。根據(jù)水位降深比、壓降速率和荷載條件等因素，在考慮路堤材料彈塑性特性的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算路堤安全系數(shù)。

1 橫截面測(cè)量和土壤特性試驗(yàn)

1.1 土壤特性試驗(yàn)

拓林水庫(kù)布局如圖1所示。為了了解土壤的性質(zhì)和不同深度的土壤強(qiáng)度，本研究采用現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)進(jìn)行了勘探鉆孔和土壤取樣。圖1中顯示了FV-01～FV-12共12個(gè)采樣點(diǎn)的位置，以及BH-01～BH-12深度約為30 m的12個(gè)勘探鉆孔測(cè)量位置。采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)，在靜態(tài)條件下(原狀土樣)采集軟黏土的土壤樣品，以及在轉(zhuǎn)換條件下(擾動(dòng)土樣)采集硬黏土的土壤樣品時(shí)，使用鉆機(jī)進(jìn)行勘探鉆孔來(lái)采集土壤樣品。本文利用鉆孔BH-01和BH-02的數(shù)據(jù)，以拓林水庫(kù)分支路堤邊坡為例(如圖1所示)，分析了路堤邊坡的穩(wěn)定性和變形情況。

圖1 拓林水庫(kù)的布局

對(duì)于路堤邊坡來(lái)說(shuō)，從頂部-2～0 m有一層復(fù)墾土壤。從-10～-2 m有一層從非常軟到中等硬度的黏土，土壤中水分含量高，可塑性高。從-19～-10 m有一層硬黏土，土壤水分低，可塑性低。從-30～-19 m有一層堅(jiān)硬黏土，土壤中水分低，可塑性低。

無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明(見(jiàn)圖2)，從深度-8～0 m，兩個(gè)鉆孔中土壤的抗剪強(qiáng)度相似。從深度-8 m向下，土壤的抗剪強(qiáng)度增加。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果表明(見(jiàn)圖3)，從-19～-12 m，土壤強(qiáng)度隨深度增加而增加。從-19 m開(kāi)始，強(qiáng)度變得穩(wěn)定。本文收集了用于分析邊坡穩(wěn)定性的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖2 不同深度土壤的抗剪強(qiáng)度

圖3 不同深度的土壤強(qiáng)度

表1 分析中使用的參數(shù)

1.2 地下水位觀測(cè)

地下水位對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。因此，測(cè)量不同鉆孔的地下水位非常重要。值得注意的是，在所有用于測(cè)量水位的鉆孔中都要安裝水位探測(cè)計(jì)(立管壓力計(jì))。測(cè)量水位的鉆孔直徑約為100 mm，深度約為5 m。將直徑為55 mm的PVC管插入4 m深處，該管用于定期檢查水位。

本研究分別在2014年10月31日、2014年11月21日和2015年3月19日對(duì)拓林水庫(kù)中的水位進(jìn)行了立管壓力計(jì)測(cè)試。如圖4所示，從平均海平面到調(diào)查土壤中池塘表面測(cè)量的地下水位分別為1.75 m、1.71 m和1.36 m。據(jù)觀察，拓林水庫(kù)地下水位變化約為0.40 m。

圖4 地下水位

2 路堤邊坡變形和穩(wěn)定性分析

本文對(duì)拓林水庫(kù)分支邊坡進(jìn)行了變形和穩(wěn)定性分析。根據(jù)水位下降率(R)，采用有限元法對(duì)兩種不同情況進(jìn)行分析。在水位快速下降條件下，下降率為0.30 m/d，路堤邊坡的地下水位最初高于海平面，當(dāng)池內(nèi)水量減少時(shí)，超孔隙壓力導(dǎo)致水不能及時(shí)排出，應(yīng)考慮短期不排水材料性能(不排水)。在水位緩慢下降條件下，下降率為0.10 m/d，應(yīng)考慮長(zhǎng)期排水材料性能(排水)。在這兩種情況下，設(shè)置水位相對(duì)于海平面從+2.00 m 降低至-2.00 m。當(dāng)水位下降比(水位下降比=L/H，L為下降水位；H為初始水位)等于1.00、0.75、0.50和0.25時(shí)，通過(guò)計(jì)算安全系數(shù)以檢查路堤邊坡的穩(wěn)定性和變形情況。在PLAXIS 2D 2012程序中，采用三角形單元在二維(平面-應(yīng)變)中對(duì)路堤邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示?？紫秹毫Ψ治鲇芍鲃?dòng)孔隙壓力和超孔隙壓力兩部分組成，如圖6和圖7所示。兩者都會(huì)發(fā)生在路堤邊坡上，從而影響著邊坡的穩(wěn)定性。

圖5 模型的網(wǎng)格(單位：m)

圖6 主動(dòng)孔隙壓力分析

圖7 超孔隙壓力分析

2.1 變形分析

使用PLAXIS 2D 2012程序進(jìn)行不排水特性分析，用于分析的基本理論來(lái)自連續(xù)介質(zhì)力學(xué)[6]。假設(shè)土壤包含孔隙和孔隙水壓力，以有效應(yīng)力為參數(shù)，計(jì)算應(yīng)力和實(shí)際水壓。材料以非線性彈塑性行為建模，采用莫爾-庫(kù)侖法模型求解問(wèn)題。

圖8顯示了兩種情況下路堤邊坡沿等高線的變形模式，即水位緩慢下降和水位快速下降?？焖傧陆禇l件下由于水位降低引起的路堤邊坡變形大于緩慢降水條件下的路堤邊坡變形，變形分別為0.42 cm和0.34 cm。

圖8 路堤邊坡的變形

變形高度比和水位下降比(L/H)之間的關(guān)系如圖9所示。在水位緩慢下降條件下，當(dāng)降深比等于0.25、0.50、0.75和1.00時(shí)，在路堤邊坡水平方向上的變形高度比分別為1.150%、2.250%、4.255%和6.250%，在垂直方向上的變形高度比分別為-1.630%、-2.500%、-5.000%和-6.505%。在快速下降條件下，對(duì)應(yīng)于0.25%、0.50%、0.75%和1.00%的下降率，路堤邊坡水平方向上的變形高度比分別為1.50%、4.15%、6.00%和7.50%，且垂直方向上的變形高度比分別為-1.75%、-4.00%、-5.75%和-6.50%?？梢钥闯觯返踢吰碌淖冃坞S著降深比的增大而增大。無(wú)論是在水平方向還是垂直方向上，水位快速下降條件下的路堤邊坡變形均大于水位緩慢下降條件下的路堤邊坡變形。

圖9 變形高度比和水位下降比(L/H)之間的關(guān)系

2.2 穩(wěn)定性分析

本文采用PLAXIS 2D 2012軟件對(duì)路堤邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。為了根據(jù)位移和固結(jié)分析結(jié)果確定應(yīng)力，采用了φ-c強(qiáng)度折減法計(jì)算安全系數(shù)，即計(jì)算過(guò)程中將土的強(qiáng)度參數(shù)(內(nèi)摩擦角和黏聚力)逐步降低，使結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，土所具有的強(qiáng)度參數(shù)值之比，該方法減小了摩擦角的內(nèi)聚力和切線。

滑坡風(fēng)險(xiǎn)下的邊坡穩(wěn)定性由安全系數(shù)表示。采用φ-c強(qiáng)度折減法檢驗(yàn)水庫(kù)分支路堤邊坡的穩(wěn)定性。安全系數(shù)(FS)與水位快速下降和水位緩慢下降條件下的降深比(L/H)之間的關(guān)系如圖10所示。在水位緩慢下降條件下，當(dāng)降深比分別為0.25、0.50、0.75和1.00時(shí)，F(xiàn)S等于1。在水位快速下降條件下，當(dāng)降深比分別為1.52、1.44、1.32 和 1.26時(shí)，F(xiàn)S等于1。研究表明，隨著降深比的增大，水位快速下降條件下路堤邊坡穩(wěn)定性的下降幅度比水位緩慢下降條件下路堤邊坡穩(wěn)定性的下降幅度更大。

圖10 安全系數(shù)FS與水位下降比(L/H)之間的關(guān)系

3 結(jié) 論

拓林水庫(kù)路堤邊坡地基為軟黏土層，厚度約10～12 m，流動(dòng)性指數(shù)(LI)較高，值為0.9～1.0，測(cè)得的最大深度為21.41 m。本文通過(guò)使用PLAXIS 2D 2012軟件，對(duì)拓林水庫(kù)分支路堤邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了檢查。發(fā)現(xiàn)土壤總應(yīng)力隨著水位變化而變化，隨后導(dǎo)致土壤液化，從而降低路堤邊坡的穩(wěn)定性，這可能導(dǎo)致潛在的災(zāi)害發(fā)生。本文研究成果對(duì)水位下降條件下水庫(kù)水位調(diào)節(jié)和邊坡安全控制具有指導(dǎo)意義。

(1)快速下降條件下由水位降低引起的路堤邊坡變形(0.42 cm)大于緩慢降水條件下的路堤邊坡變形(0.34 cm)。

(2)在水位下降率為0.75的快速下降條件下，安全系數(shù)為1.16，小于允許安全值的比率1.3。

(3)在水位下降率為1.00的緩慢下降條件下，安全系數(shù)為1.26，也小于允許安全值比率1.3。

這意味著，當(dāng)需要對(duì)拓林水庫(kù)抽取水時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制水位下降速率。如果水位下降過(guò)快，路堤邊坡會(huì)經(jīng)常發(fā)生位移和變形，嚴(yán)重影響著路堤的安全。