強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性影響模擬分析

汪生寶

(貴溪市水利局，江西 貴溪 335400)

0 引言

隨著我國(guó)水利工程事業(yè)的高速發(fā)展，水庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目數(shù)量不斷增多，對(duì)水庫(kù)建設(shè)質(zhì)量與安全要求日益提高。高邊坡工程作為水庫(kù)建設(shè)工程重要組成部分，其質(zhì)量對(duì)整個(gè)水庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行質(zhì)量存在直接影響。因此，加強(qiáng)水庫(kù)高邊坡研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。多數(shù)研究表示，邊坡失穩(wěn)是水庫(kù)高邊坡常見(jiàn)問(wèn)題，也是水庫(kù)滑坡、水庫(kù)邊坡泥石流、地裂縫、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害重要誘因。導(dǎo)致水庫(kù)邊坡失穩(wěn)的因素眾多，強(qiáng)降雨則是典型代表。研究發(fā)現(xiàn)，降雨過(guò)程中，基于雨水滲流作用，邊坡內(nèi)部土體發(fā)生性質(zhì)發(fā)生改變，如孔隙水壓力增加、巖土體滑動(dòng)距離增大、抗剪強(qiáng)度減低等，從而降低高邊坡穩(wěn)定性。本研究聯(lián)系某水庫(kù)高邊坡工程，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件探究了強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性存在的影響，旨在加強(qiáng)對(duì)降雨因素的認(rèn)知，并為水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性研究提供指導(dǎo)。

1 水庫(kù)高邊坡工程概述

某水庫(kù)邊坡高陡，坡頂高程達(dá)到70 m以上，坡面高程范圍55～80 m，坡腳范圍30°～50°，坡寬范圍115～180 m，臺(tái)階坡面角度范圍40°～65°。該水庫(kù)高邊坡工程做出地區(qū)地貌屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，巖石結(jié)構(gòu)分布情況主要為“3～30 m第四系+900～1350 m沙溪廟組”。擬建現(xiàn)場(chǎng)擁有較為豐富的地下水，多為孔隙水。邊坡表層以結(jié)構(gòu)松散的松填土、碎石土棄渣為主，底層以砂質(zhì)與泥質(zhì)砂巖為主。本工程所在地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫(17±2)℃，年平均降水量(1 200±200) mm。對(duì)近些年地方水文氣象資料進(jìn)行調(diào)查分析，可知項(xiàng)目所在地區(qū)70%以上降水集中在每年5-9月，日最大降水量可達(dá)到266 mm以上。

2 水庫(kù)高邊坡有限元模型建立

2.1 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)水庫(kù)高邊坡工程項(xiàng)目實(shí)際情況聯(lián)系以往工作經(jīng)驗(yàn)與已有科學(xué)研究成果，可利用FLAC3D軟件、Midas GTS NX軟件構(gòu)建水庫(kù)高邊坡有限元模型。就FLAC3D軟件而言，有限元模型構(gòu)建過(guò)程中，可按照“網(wǎng)格建?！緲?gòu)模型→參數(shù)賦值→邊界條件設(shè)置→重力場(chǎng)施加→模型求解”流程操作。根據(jù)數(shù)值類(lèi)型合理選擇單元模擬，如邊坡土體采用Zone單元模擬。為提高模型計(jì)算精確度，可利用尺寸控制法處理水庫(kù)高邊坡坡面單元，形成如圖1所示水庫(kù)高邊坡模型。

圖1 水庫(kù)高邊坡模型

2.2 模型參數(shù)選取

為提高模型分析結(jié)果準(zhǔn)確性，需要保證所構(gòu)建模型與工程項(xiàng)目實(shí)際情況相符。對(duì)此，在模型構(gòu)建過(guò)程中，結(jié)合工程項(xiàng)目地質(zhì)水文特征，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行水庫(kù)高邊坡彈塑性特征模擬，模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。由于本次研究的目的是探究強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)此需要對(duì)降雨工況進(jìn)行模擬。參照項(xiàng)目所在地區(qū)氣候氣象特征，將降雨強(qiáng)度劃分“小雨(10 mm/day)、中雨(25 mm/day)、大雨(50 mm/day)、暴雨(100 mm/day)、特大暴雨(>250 m/day)”五個(gè)個(gè)等級(jí)。其中大雨、暴雨、特大暴雨屬于強(qiáng)降雨[1]。考慮到降雨時(shí)間對(duì)水庫(kù)邊坡模型存在的影響，模擬了降雨0 d、降雨1 d、降雨2 d、降雨4 d、降雨6 d、降雨8 d邊坡的穩(wěn)定性。此外，在邊坡為穩(wěn)定性分析中，考慮到雨水滲入對(duì)土體含水率的影響以及非飽和土特征，需要明確滲透系數(shù)、含水率與水頭存在的關(guān)系。對(duì)此，設(shè)計(jì)采用van Genuchten模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3 邊坡本構(gòu)模型

邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題屬于巖土工程問(wèn)題，適采用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行探究。因此，在對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行探究時(shí)，利用摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型構(gòu)建水庫(kù)高邊坡土體材料本構(gòu)模型，得到如圖2所示關(guān)系。涉及到的公式主要為土的抗剪強(qiáng)度公式(τf=σtanφ+c)與有效應(yīng)力公式(σ=σ+m[(x-1)Pa-xP])，式中：Pa表示大氣壓；P表示孔隙水壓力；τ表示土抗剪強(qiáng)度；φ表示摩擦角；X表示有效應(yīng)力系數(shù)，當(dāng)土體處于飽和狀態(tài)時(shí)X取1，當(dāng)土體處于完全干燥狀態(tài)時(shí)X取0；m表示二階單位張量；σ表示有效應(yīng)力，σ表示總應(yīng)力[2]。

表1 模型主要參數(shù)

圖2 摩爾—庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系

2.4 耦合分析實(shí)現(xiàn)

依據(jù)流固耦合理論構(gòu)建降雨工況模型，根據(jù)垂直滲入理論、土水勢(shì)理論、比奧固結(jié)理論、質(zhì)量守恒定律、裘布依-福希海默公式等，可得到流固耦合控制方程：

(1)

式中：k表示滲透張量；α表示比奧系數(shù)；p表示孔隙內(nèi)流體壓力；G表示剪切模量；λ表示拉梅常數(shù)；t表示試件；K表示飽和多孔介質(zhì)體積模量；φ表示孔隙率；μf表示粘滯系數(shù)；ρ表示流涕不可壓縮密度；z=(0，0，1)[3]。通常情況下，在數(shù)值分析過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn) 流固耦合分析，可根據(jù)工況情況進(jìn)行滲流—應(yīng)力—邊坡分析與完全滲流—應(yīng)力耦合分析，前者適用于施工階段邊坡穩(wěn)定新探究，后者適用于水庫(kù)建成后邊坡穩(wěn)定性探究。值得注意的是，兩種分析均需要對(duì)邊界條件具有明確掌握。

3 強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的影響

3.1 降雨歷時(shí)影響

在降雨強(qiáng)度一定條件下(300 mm/day)，利用有限元模型探究降雨歷時(shí)(降雨0 d、1 d、2 d、4 d、6 d、8 d)對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性存在的影響。結(jié)果顯示：降雨后，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，水庫(kù)高邊坡土體含水量逐漸增多。由于水庫(kù)高邊坡上層土負(fù)空隙水壓力較大，因此隨著含水量增多其數(shù)值將發(fā)生較大改變，本工程中持續(xù)降雨8d后，邊坡上層土體內(nèi)孔隙水壓力值的改變幅度達(dá)到20～50 kN/m2，水庫(kù)高邊坡上層土最大負(fù)孔隙水壓力超過(guò)-2 700 kN/m2。統(tǒng)計(jì)分析不同降雨歷時(shí)邊坡飽和區(qū)發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)未降雨時(shí)，水庫(kù)高邊坡飽和區(qū)占整體邊坡的10%左右，降雨1 d后水庫(kù)高邊坡飽和區(qū)占比達(dá)到14%左右，降雨4 d后水庫(kù)高邊坡飽和區(qū)占比超過(guò)20%，降雨8 d后水庫(kù)高邊坡飽和區(qū)占超過(guò)28%，可見(jiàn)降雨時(shí)間越長(zhǎng)，邊坡土體的飽和度越高，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響越大。統(tǒng)計(jì)分析邊坡坡腳水平位移情況，發(fā)現(xiàn)邊坡坡腳水平位移量隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，計(jì)算邊坡安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)降雨時(shí)間越長(zhǎng)邊坡安全系數(shù)越低，當(dāng)降雨時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6 d時(shí)，邊坡安全系數(shù)已經(jīng)低于1.25，處于不穩(wěn)定狀態(tài)(見(jiàn)表2)。

表2 邊坡安全系數(shù)與降雨歷時(shí)關(guān)系，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)與安全系數(shù)關(guān)系

3.2 降雨強(qiáng)度影響

降雨歷時(shí)(降雨4 d)一定情況下，探究不同降雨強(qiáng)度(0 m/day、0.01 m/day、0.025 m/day、0.05 m/day、0.10 m/day、0.25 m/day、0.35 m/day)對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示降雨強(qiáng)度不同對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的影響也不同，邊坡入滲量隨著降雨強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，而邊坡入滲量越大，邊坡土體空隙內(nèi)含水率越大，導(dǎo)致孔隙水壓力發(fā)生改變。統(tǒng)計(jì)分析降雨4 d，降雨強(qiáng)度為0.35 m/day時(shí)，高邊坡安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)高邊坡安全系數(shù)由降雨前的2.35降低至1.24，與降雨強(qiáng)度300 mm/day持續(xù)降雨6 d結(jié)果相同，高邊坡處于不穩(wěn)定性狀態(tài)。

表3 降雨強(qiáng)度與滲入深度負(fù)孔隙水壓力關(guān)系

3.3 降雨后的影響

強(qiáng)降雨后，滲入到邊坡內(nèi)部的雨水仍會(huì)對(duì)邊坡產(chǎn)生影響。因此，在分析強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性影響時(shí)，不僅需要對(duì)降雨時(shí)的情況進(jìn)行探究，也需要對(duì)降雨后的情況進(jìn)行分析。在邊界條件一定情況下，構(gòu)建雨停后一個(gè)月高邊坡滲流穩(wěn)定性模型，結(jié)果顯示雨停之后邊坡安全系數(shù)逐漸發(fā)生改變，隨著雨停時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，強(qiáng)降雨停止10～12天時(shí)，水庫(kù)高邊坡安全系數(shù)逐漸穩(wěn)定，約為1.37，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但相對(duì)于降雨前的2.35，降雨后水庫(kù)高邊坡安全系數(shù)降低。

3.4 地下水位影響

研究表示降雨可在一定程度上影響邊坡地下水位，而地下水位的改變可在一定程度上影響高邊坡穩(wěn)定性。這就需要對(duì)不同低下水平對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的影響情況進(jìn)行探究?；跀?shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)地下水位越高，邊坡安全系數(shù)越低，在降雨條件一定情況下，地下水位達(dá)到20 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)降低至1.76，此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定

狀態(tài)。相對(duì)于降雨本身的影響，地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

3.5 其他因素影響

本工程項(xiàng)目高邊坡因上層為土體，下層為基巖，故當(dāng)下層基巖傾角發(fā)生改變時(shí)，將對(duì)上層土體產(chǎn)生影響，從而降低邊坡整體穩(wěn)定性[4]。故在分析強(qiáng)降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性存在的影響時(shí)，需要考慮強(qiáng)降雨條件下，基巖傾角變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。以0.3 m/day強(qiáng)度持續(xù)降雨8 d后，分析不同基巖傾角孔隙水壓力，發(fā)現(xiàn)基巖傾角≤20°時(shí)，豎直方向邊坡孔隙水壓力分布基本一致，并呈從上至下逐漸減少變化態(tài)勢(shì)；基巖傾角達(dá)到30°時(shí)，水庫(kù)高邊坡部分土體孔隙水壓力為正。觀察5°～30°基巖傾角，邊坡最大剪應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力隨著基巖傾角加大而增加(見(jiàn)表4)，且最大剪應(yīng)力多出現(xiàn)在邊坡坡腳。當(dāng)基巖傾角增大到一定程度后，邊坡上層土體最大位移將逐漸由坡腳向坡面轉(zhuǎn)變，開(kāi)始對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，增加邊坡崩塌劑量。

表4 基巖傾角與邊坡最大剪應(yīng)力關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是水庫(kù)工程建設(shè)與管理關(guān)注重點(diǎn)問(wèn)題，影響水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性的因素較多，這就需要相關(guān)企業(yè)以及工作人員能夠?qū)λ畮?kù)高邊坡穩(wěn)定性影響因素及其影響情況具有全面、正確認(rèn)知，以便做好相關(guān)防控措施。本研究通過(guò)模擬分析強(qiáng)降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性影響，降雨強(qiáng)度等級(jí)越高，水庫(kù)高邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)越高；降雨強(qiáng)度一定條件下，短時(shí)間降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性影響較小，而長(zhǎng)時(shí)間降雨對(duì)水庫(kù)高邊坡穩(wěn)定性影響較大；降雨強(qiáng)度一定條件下，高邊坡穩(wěn)定性也會(huì)受到地下水位、基巖傾角等因素影響。針對(duì)降雨影響，建議加強(qiáng)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)，改善施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水平條件，做好雨季水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與管理工作。