碎石土庫岸邊坡穩(wěn)定性及影響因素分析

王代兵

(深圳市深水兆業(yè)工程顧問有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國用電量需求顯著增大。而水電站建造位置較為偏僻，多數(shù)位于山區(qū)。水電能源的獲取是通過水電站的蓄水與排水實(shí)現(xiàn)的，在蓄水與排水過程中，水位的變化位置與變化速度會影響水電站坡體的穩(wěn)定性，從而引發(fā)自然災(zāi)害。因此，針對水電站的坡體穩(wěn)定性展開研究，對我國水電能源的獲取及自然災(zāi)害的防治具有重要意義。

鄒德玉[1]分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，并利用軟件進(jìn)行建模，分析土體水利特性對邊坡穩(wěn)定性的影響。裴智超[2]利用軟件模擬水庫水位變化過程，分析了水位升降對邊坡穩(wěn)定性的影響。夏怡等[3]采用飽和-非飽和滲流分析法，對降雨條件下的邊坡進(jìn)行有限元模擬，分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。劉彥等[4]采用3種不同極限平衡方法，對比分析了不同工況下棄土場邊坡穩(wěn)定性。簡文彬等[5]以岸坡為研究對象，分析了水位對邊坡穩(wěn)定性影響。高詩欽等[6]以巖質(zhì)邊坡為研究對象，基于JRC-JMC模型，分析了各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。葉帥華等[7]根據(jù)基本假設(shè)和幾何關(guān)系，提出了分析邊坡穩(wěn)定性的方法。呂建航等[8]以加筋膨脹土邊坡為研究對象，開展模型試驗(yàn)，分析了內(nèi)土壓力、含水率等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

上述研究主要采用飽和滲流理論，但未考察基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。本文以國內(nèi)某地區(qū)水電站庫區(qū)邊坡為主要研究對象，以飽和-非飽和滲流分析法為理論基礎(chǔ)，通過剖析水位的變化速率、滲透性以及黏聚力等各種因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，為我國自然災(zāi)害的有效預(yù)防工作奠定理論基礎(chǔ)。

2 計(jì)算理論

由于庫區(qū)邊坡同時受非飽和及飽和區(qū)地下水相互作用，需同時考慮二者之間的統(tǒng)一性。滲流理論控制方程如下：

(1)

式中：kx為水平滲透系數(shù)；h為水頭高度；ky為豎向滲透系數(shù)；mw為比水容量；ρw為水密度；g為重力加速度。

邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，主要考慮條間剪力和法向應(yīng)力對邊坡的影響。利用Morgenstern-Price法，根據(jù)力的平衡條件，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Ff計(jì)算公式如下：

(2)

根據(jù)力矩平衡，穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

式中：c為黏聚力；φ為摩擦角；α為土體底部傾斜角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；D為線荷載；β、ω、R、x、f、d為幾何參數(shù)。

3 計(jì)算模型

以國內(nèi)某地區(qū)水電站庫區(qū)邊坡為研究對象，取其邊坡斷面特征進(jìn)行有限元分析，并對其土質(zhì)-水分特性曲線進(jìn)行擬合，見圖1。隨著基質(zhì)吸力的增加，碎石土和強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量逐步下降，而強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量則整體高于碎石土的體積含水量。

圖1 土-水特征曲線

采用Van-Genuchten模型，得到滲透系數(shù)曲線，見圖2。

圖2 滲透系數(shù)曲線

由圖2可知，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水率逐漸減少，強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的體積含水率整體大于碎石土的體積含水率。

采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型作為有限元計(jì)算模型。邊坡橫向長度為340 m，邊坡高度最低處為48 m，最高處為184 m。碎石土與強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖參數(shù)見表1。

本研究考慮庫水位升降速度、滲透系數(shù)、黏聚力對安全系數(shù)的影響，計(jì)算方案見表2。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算方案

3.1 水位升降對坡體穩(wěn)定性的影響

根據(jù)前人研究成果，確定不同水位升降速度，分別為0.5、1、2、2.5、3、5 m/d，研究其對安全系數(shù)的影響。水位升降速度與安全系數(shù)關(guān)系曲線見圖3、圖4。

圖3 蓄水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖3可知，隨著蓄水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)水庫蓄水時，水庫安全系數(shù)與其水位高程呈正相關(guān)關(guān)系，隨著高程的增大，安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)蓄水速度為0.5 m/d時，安全系數(shù)有最小值，為1.225；當(dāng)蓄水速度為5 m/d時，安全系數(shù)有最大值，為1.456。當(dāng)庫水位高程一致時，蓄水高度由0.5 m/d增長至5 m/d時，其最小安全系數(shù)增幅為2%。在水的滲流作用下，坡體自重應(yīng)力增大，且受到孔隙水壓力及孔隙水浮力的作用，使其摩擦力減小，土體易發(fā)生滑動，導(dǎo)致安全系數(shù)降低。在蓄水速度較小的情況下，水位上升速度較小，水在土體內(nèi)的滲流作用較為充分，導(dǎo)致坡體易發(fā)生損害。所以，當(dāng)蓄水速度較大時，其安全系數(shù)大于蓄水速度較小時的安全系數(shù)。

圖4 放水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖4可知，隨著放水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸減小。當(dāng)放水速度一定時，隨著水位高程的增大，其安全系數(shù)呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)放水速度為0.5 m/d時，坡體安全系數(shù)最大；當(dāng)放水速度為5 m/d時，坡體安全系數(shù)最小，降幅約為6%。當(dāng)水位下降時，土體內(nèi)孔隙水減少，所受的摩擦力增大，所受的孔隙水壓力與浮力減小，使其安全系數(shù)降低。當(dāng)放水速度越大時，土體中的孔隙水來不及排出，自重應(yīng)力增大，摩擦力減小，土體易發(fā)生滑動，導(dǎo)致安全系數(shù)降低。因此，當(dāng)放水速度較大時，其安全系數(shù)小于放水速度較小時的安全系數(shù)。

由上述分析可知，為保證坡體安全性，當(dāng)水庫蓄水時，蓄水速度宜較大；當(dāng)水庫放水時，放水速度宜較小。

3.2 碎石土滲透性對岸坡穩(wěn)定性的影響

不同滲透系數(shù)對坡體安全系數(shù)影響見圖5。

圖5 滲透系數(shù)對安全系數(shù)影響圖

由圖5可知，隨著時間的增大，坡體的安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)排水速度較小時，曲線整體較為平緩；當(dāng)排水速度較大時，曲線的安全系數(shù)差異較大。當(dāng)放水速度一致時，滲透系數(shù)越小，其安全系數(shù)越小。當(dāng)滲透系數(shù)越大時，坡體的滲透性越好，使得排水過程中坡體內(nèi)的水可以被及時排出。由于坡體內(nèi)孔隙水減少，孔隙水壓力減小，坡體所受力減少，使得安全系數(shù)提高，坡體穩(wěn)定性得以保證。當(dāng)滲透系數(shù)較小時，坡體內(nèi)的水不能被及時排出，在排水過程中受孔隙水壓力與浮力的影響，使其摩擦力減小，容易發(fā)生滑動，坡體穩(wěn)定性較差，其安全系數(shù)較小。

在3種不同排水速度下，同一時間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨排水速度的增大而增大，當(dāng)排水速度越大時，最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。

由上述分析可知，若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需采用滲透性較好的材料，或控制其排水速度，使其排水速度較小，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

3.3 抗剪強(qiáng)度對岸坡穩(wěn)定性的影響

為研究不同抗剪強(qiáng)度對坡體穩(wěn)定性的影響，抗剪強(qiáng)度取值分別為10.4、12.8、15.8、19.6和24.2 kPa。取c=15.8 kPa，φ=30.2°。根據(jù)式(4)、式(5)，計(jì)算黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(4)

式中：c為黏聚力；c′為折減黏聚力；Ks為折減系數(shù)。

(5)

式中：φ為內(nèi)摩擦角；φ′為折減內(nèi)摩擦角。

黏聚力與安全系數(shù)曲線見圖6。

圖6 黏聚力與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖6可知，當(dāng)排水速度一致時，安全系數(shù)隨著時間的變化趨勢呈先減小后增大的趨勢。對比不同黏聚力對安全系數(shù)的影響，當(dāng)排水速度不變時，在相同的時間下，安全系數(shù)隨著黏聚力的增大而增大。取時間為30 d、排水速度為1 m/d，當(dāng)黏聚力為10.4 kPa時，其安全系數(shù)為1.151；當(dāng)黏聚力為24.2 kPa時，其安全系數(shù)為1.251，兩種不同黏聚力的安全系數(shù)相差9%左右。黏聚力與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，黏聚力越大，其安全系數(shù)越高。當(dāng)黏聚力較大時，坡體內(nèi)各物質(zhì)之間的相互吸引力較大，顆粒間互相膠結(jié)，使土體間相互作用力較大，摩擦力增大，所以坡體安全系數(shù)較大，穩(wěn)定性較好。

取黏聚力為24.2 kPa，當(dāng)排水速度為5 m/d時，坡體最小安全系數(shù)為1.213；當(dāng)排水速度為1 m/d時，坡體最小安全系數(shù)為1.265。不同排水速度下，安全系數(shù)差值約為4.3%。

由上述分析可知，當(dāng)黏聚力較大時，坡體安全系數(shù)較大，穩(wěn)定性較強(qiáng)。因此，可以通過提高黏聚力，來增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。

內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)曲線見圖7。

圖7 內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖7可知，內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系趨勢較為平緩，總體呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)排水速度為1 m/d時，內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。隨著內(nèi)摩擦角的增大，坡體的安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)時間為30 d時，最小安全系數(shù)為0.813，最大安全系數(shù)為1.523，二者之間相差85.6%。表明內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)內(nèi)摩擦角相同時，取內(nèi)摩擦角為41.6°，取時間為10 d，當(dāng)排水速度為1 m/d時，坡體安全系數(shù)為1.8；當(dāng)排水速度為5 m/d時，坡體安全系數(shù)為1.55。坡體安全系數(shù)與排水速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著排水速度的增大，坡體的安全系數(shù)逐漸減小。

由上述分析可知，若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需提高土體的黏聚力，提高其內(nèi)摩擦角，降低排水速度，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1) 隨著放水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸減小。隨著蓄水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸增大。為確保坡體安全性，當(dāng)水庫蓄水時，蓄水速度宜較大；當(dāng)水庫放水時，放水速度宜較小。

2) 在3種不同排水速度下，同一時間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨著排水速度的增大而增大，當(dāng)排水速度越大時，最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需采用滲透性較好的材料，或控制其排水速度，使其排水速度較小，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

3) 內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系；內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定

性呈正相關(guān)關(guān)系。若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需提高土體的黏聚力，提高其內(nèi)摩擦角，降低排水速度，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。