某水利樞紐工程庫岸邊坡滲流特性數(shù)值模擬研究

文成祿

(連州市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 連州 513400)

庫岸邊坡常因降雨入滲而導(dǎo)致失穩(wěn)下滑，造成航道堵塞或者人員傷亡，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展及財產(chǎn)安全產(chǎn)生較大威脅[1- 2]。降雨入滲對邊坡的穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在以下方面：降雨會導(dǎo)致邊坡土體含水量增加，增大邊坡自重，從而提高下滑力；降雨會導(dǎo)致土體軟化，抗剪強度降低甚至喪失，降低邊坡抗滑力；當(dāng)降雨在坡體內(nèi)形成滲流時，會導(dǎo)致坡體內(nèi)孔隙水壓增大，降低正應(yīng)力，并產(chǎn)生一定的動水壓力，進(jìn)一步導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降[3]。因此，研究邊坡內(nèi)部降雨導(dǎo)致的滲流變化規(guī)律，對于邊坡穩(wěn)定性評價具有重要意義[4]。付偉等[5]采用巖土有限元軟件，研究庫水位升降過程中邊坡變形特征和穩(wěn)定性，結(jié)果表明，庫水位上升會導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)先增大后減??；趙志陽等[6]以Scoops 3d數(shù)字模擬軟件計算降雨入滲過程，結(jié)果表明庫岸邊坡的穩(wěn)定性受降雨影響明顯；曾潤忠等[7]以ABAQUS軟件為例，研究不同降雨強度下滲流場特征，結(jié)果表明，降雨強度越大或者水位變化速率越大，庫岸邊坡穩(wěn)定性越差；張文雙[8]采用模型試驗方法，研究水位降速對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，坡體由內(nèi)向外的滲流是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的主要因素。

以上研究均針對庫水位升降或降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，較少涉及降雨滲流在邊坡內(nèi)的演化規(guī)律。本文以某庫岸邊坡為例，通過數(shù)值模擬軟件，分析降雨在邊坡內(nèi)滲流變化規(guī)律及影響因素，對于降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的研究意義，為相關(guān)工程設(shè)計提供了參考。

1 工程概況

某水利樞紐是綜合治理與開發(fā)長江的關(guān)鍵性工程，工程竣工后，將發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、旅游、保護(hù)生態(tài)、凈化環(huán)境、開發(fā)性移民、供水灌溉等效益。因河床開闊，兩岸花崗巖基堅硬、完整，工程選址在這里。根據(jù)現(xiàn)場勘察及室內(nèi)巖土實驗結(jié)果，該邊坡為花崗巖殘積土邊坡，坡體主要為花崗巖殘積土，底部為基巖。邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

2 邊坡滲流數(shù)值模擬

強降雨工況下，滑坡形成機(jī)理及影響因素與土體中的降水入滲特性密切相關(guān)。為分析邊坡土體中降水入滲過程及分布特征，建立傾角分別為30°、40°和50°的3種邊坡滲流數(shù)值模型，進(jìn)行降雨條件下飽和土體滲流分析。

2.1 計算原理

FLAC 3D中采用有限差分法進(jìn)行數(shù)值求解。計算過程中，對每個質(zhì)點狀態(tài)參數(shù)如速度、加速度、應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行記錄，從而模擬整個研究對象的力學(xué)特征。在對邊坡降雨入滲進(jìn)行模擬的過程中，首先建立與邊坡實際尺寸一致的幾何模型及相應(yīng)的邊界條件，然后選取與邊坡土體力學(xué)特性相一致的本構(gòu)模型，并保證應(yīng)力加載及降雨入滲條件相同，最后對邊坡力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求解。

2.2 邊坡計算模型建立

邊坡坡角的不同會對土體滲流的水力梯度產(chǎn)生影響，為分析邊坡坡角對降雨入滲的影響，分別設(shè)置傾角為30°、40°和50°的邊坡，并在坡面上、中、下3個監(jiān)測點設(shè)置孔隙水壓力傳感器。在同一監(jiān)測點，由上至下分別設(shè)置3個孔隙水壓力傳感器，相鄰傳感器間距為1m，共9個監(jiān)測點，如圖1所示。

圖1 不同傾角降雨入滲模型(單位:m)

在降雨入滲過程中，分別對邊坡進(jìn)行滲流計算和穩(wěn)定性計算，記錄各監(jiān)測點孔隙水壓力及邊坡穩(wěn)定系數(shù)。

在進(jìn)行數(shù)值計算前，對模型進(jìn)行如下設(shè)置：模型的底部設(shè)置為隔水邊界，并將地下水水位設(shè)置為固定水頭。在力學(xué)計算過程中，首先約束模型左右邊界的水平位移，然后約束模型底部邊界的水平和垂直位移。最后，將模型的坡面和兩側(cè)地下水位以上的邊界分別設(shè)置為降雨入滲邊界和定流邊界，從而得到初始滲流場，如圖2所示。

圖2 邊坡初始滲流場

由圖2可以看出，邊坡內(nèi)同一高度處初始地下水位處于同一高度，初始飽和度及孔隙水壓力均隨地下水位的變化而變化。邊坡地下水位以下區(qū)域處于飽和狀態(tài)，孔隙水壓力為正，地下水位以上區(qū)域處于非飽和狀態(tài)，孔隙水壓力為負(fù)[9- 10]。

2.3 邊坡降雨方案

降雨條件下，邊坡滲流主要受2種因素影響：降雨特征因素，如降雨強度、歷時、梯度變化等；邊坡土體巖性、高度、坡度等。氣象部門根據(jù)24h降雨量，將降雨強度劃分為：小雨(24h降雨量<10mm)、中雨(24h降雨量10～24.9mm)、大雨(24h降雨量25～49.9mm)、暴雨(24h降雨量50～99.9mm)、大暴雨(24h降雨量100～249.9mm)、特大暴雨(24h降雨量≥250mm)。根據(jù)研究區(qū)降雨資料，并考慮到極端情況，選取不同降雨強度進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表2。

表2 降雨條件參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 降雨強度對滲流場的影響

邊坡傾角為50°時，不同降雨方案各監(jiān)測點孔隙水壓力隨降雨歷時的變化曲線如圖3所示。

圖3 不同降雨方案孔隙水壓力隨降雨歷時變化曲線

由圖3(a)可以看出，在降雨方案1a1處，隨著降雨的開始，坡體底部孔隙水壓力從0逐漸增加，最終保持在約50kPa，達(dá)到飽和狀態(tài)，此過程歷時11h；降雨方案3中，a1處歷時17h孔隙水壓力從0增加到50kPa，達(dá)到飽和狀態(tài)。在圖3(b)降雨方案1中，a1處歷時10h孔隙水壓力從0增加到50kPa，而降雨方案3中，a1處歷時16.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa，達(dá)到飽和狀態(tài)。在圖3(c)中，降雨方案1a1處歷時9.5h孔隙水壓力從0增加到50kPa，降雨方案3a1處歷時16h孔隙水壓力從0增加到50kPa。由于方案1降雨強度小于方案3，說明降雨強度對孔隙水壓力變化有直接影響，降雨強度越大，孔隙水壓力變化越快。同時，在圖3(a)中，降雨方案3中a2、a3處在降雨結(jié)束后，孔隙水壓力最大為35kPa，未達(dá)到飽和狀態(tài)，說明離坡面較遠(yuǎn)處，孔隙水壓力受降雨強度影響較小，在降雨結(jié)束后仍未達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.2 不同坡度對滲流場的影響

邊坡滲流分析不僅必須考慮外部降雨條件是如何設(shè)置的，還必須考慮邊坡本身的坡度。

降雨方案1條件下，降雨持續(xù)12和24h 3組邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況如圖4所示。

圖4 不同傾角下邊坡孔隙水壓力場和飽和度變化情況

由圖4(a)中可以看出，邊坡傾角為30°時，斜坡上部孔隙水壓力在10～30kPa之間，隨著降雨持續(xù)時間的增加，孔隙水壓力由坡面向坡體內(nèi)部逐漸增大，在坡腳處孔隙水壓力從10kPa增加到20kPa。斜坡水平面以下6～8m處孔隙水壓力為0，以此處為分界線，在該平面以上孔隙水壓力受降雨影響較明顯，分界線以下孔隙水壓力保持不變。圖4(b)中邊坡傾角為40°時，坡內(nèi)孔隙水壓力在10～40kPa之間，最大孔隙水壓力大于30°傾角條件，說明傾角增大導(dǎo)致孔隙水壓力變化更大，入滲作用更強烈；同時，在斜坡水平線以下8～11m處孔隙水壓力變化不受降雨影響，說明隨著斜坡傾角增大，降雨入滲深度更大。圖4(c)中，邊坡傾角為50°時，坡頂處孔隙水壓力30kPa，大于傾角為30°和40°時的情況，說明傾角大有助于降雨入滲，從而導(dǎo)致坡面孔隙水壓力迅速增加。

對比圖4(a)、(b)、(c)3個圖中孔隙水壓力變化前后的結(jié)果，可以看出，對于不同傾角的邊坡，邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同，均在10～40kPa之間。邊坡中不同的位置對降雨量的變化反應(yīng)不同，變化程度存在一定的滯后效應(yīng)?？紫端畨毫υ鲩L的變化在坡頂處更為明顯，由初始值0變化為平均20～30kPa之間，變化幅度較大；其次是斜坡中部，孔隙水壓力變化值為10～20kPa；在斜坡坡腳處變化最不明顯，變化幅度在10kPa以內(nèi)。分析是由于降雨運動速度隨著斜坡傾角的增加而增加，但在坡腳處，孔隙水入滲速率較坡頂處小，因此坡腳處孔隙水壓力變化幅度也更小。

4 結(jié)論

本文以某庫岸邊坡為例，采用數(shù)值模擬軟件，分析不同降雨強度和邊坡傾角條件下的降雨入滲規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)降雨強度對邊坡土體孔隙水壓力變化有直接影響，在降雨強度分別為250mm/d和150mm/d時，邊坡坡頂處孔隙水壓力達(dá)到飽和狀態(tài)50kPa所用時間分別為10h和16.5h。

(2)邊坡傾角對土體孔隙水壓力有較大影響。在相同降雨條件下，不同傾角邊坡中部和底部的孔隙水壓力變化基本相同，而邊坡頂部孔隙水壓力變化逐漸增大，傾角大有助于降雨入滲。

(3)降雨作用下邊坡穩(wěn)定性分析具有一定的研究意義，但降雨在邊坡內(nèi)滲流變化規(guī)律及影響因素較復(fù)雜，需進(jìn)一步研究。