周期性水位波動作用下庫岸滑坡穩(wěn)定性分析

武 濤

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

水庫運行后庫區(qū)水位的頻繁波動，將改變巖土體的有效重度，弱化巖土體力學強度，可能引起滑坡復活或促成新的不穩(wěn)定斜坡體［1］。

以恩施市雙龍洞水庫滑坡為研究對象，在充分考慮雙龍洞滑坡地質(zhì)模型的基礎上，依據(jù)水庫的運行條件，利用ANSYS軟件的溫度模塊建立計算模型，并在考慮滲流場與應力場耦合作用的情況下，利用APDL語言編譯求解程序，對滑坡進行穩(wěn)定性評價。

1 滑坡的工程地質(zhì)條件

該滑坡為中型巖質(zhì)滑坡，規(guī)模600×104m3。地處恩施市珠山鎮(zhèn)雙龍洞村6組龍洞水庫右岸?；缕矫娉拾雸A形，剖面呈階梯狀，主滑方向為NE10°，滑坡體斜長300 m，寬600 m，厚度1～22 m，平均厚度約20 m，見圖1。

滑坡體表覆蓋白堊紀(K)殘坡積紫紅色碎石土、黏性土等，深度約為0～8 m;下部為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)灰綠色碎石土，深度約為8～17 m;滑帶埋深:前緣18 m、中部22 m、后緣18 m，厚度約為10～20 cm，主要為灰綠色石塊及松散土體;滑床為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b3)紫紅色泥質(zhì)砂巖巖體完整性較好，RQD＞90%，見圖2。

圖1 雙龍洞滑坡全貌

2 數(shù)值模擬

利用數(shù)值模擬的方法研究滑坡穩(wěn)定性，要建立合理的數(shù)值計算模型，同時還要掌握庫水位波動的規(guī)律，以及各類巖土參數(shù)的合理選取。

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料，選擇主滑面，建立二維計算模型。模型左邊界為已知流量邊界和水平約束，下邊界為“0”流量邊界和數(shù)值約束，計算模型見圖3。

圖2 雙龍洞滑坡Ⅱ－Ⅱ剖面

圖3 雙龍洞滑坡物理模型

2.2 水位運營模型的建立

根據(jù)水庫歷年逐日水位記錄表，為了研究水庫運行后滑坡穩(wěn)定性分析，確定了以下模擬方法，見圖4。

圖4 水庫水位運行圖

2.3 模型參數(shù)的確定

根據(jù)室內(nèi)土工試驗、原位測試、核磁NMR測試反演結(jié)果，滑坡各部位參數(shù)見表1及圖5。

表1 滑坡物理、力學參數(shù)

圖5 雙龍洞滑坡土水特征曲線

3 數(shù)值成果分析

為了揭示水位運行對滑坡的影響，分別在滑體、滑帶、滑床的前緣、中前緣、中部、中后緣、后緣選取監(jiān)測點，進行監(jiān)測。

圖6 泄水時水位線變動

3.1 滲流場分析

模擬結(jié)果分析:

圖7 周期1時250 d滲透壓力分布

①從圖6中可以清晰的看出庫水波動引起的地下水的變動主要集中在滑坡的中前緣，而在滑坡后緣由于地下水的補給，變化幅值較小。

表2 兩個周期內(nèi)滑帶水頭變動幅值

②在兩個波動周期內(nèi)，在相同位置，后一個周期較前一周期的水頭高;在不同的波動周期，滑坡體相同位置，水位變化幅值不同，水頭變動幅值最大出現(xiàn)第二個上升期內(nèi);由滑帶前緣、中部、后緣變化幅值表(表2)可知，地下水變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的中部附近。

③在不同的波動周期，滑體、滑帶、滑床不同位置處的水位變動幅值各不相同。在滑坡中部水位變動幅值最大，底部次之，而在滑坡底部變動幅值最小。如在第二個上升周期(118～168 d)時，滑體、滑帶、滑床水位變動幅值分別為4.0 m、3.6 m、2.0 m，其變化幅值逐漸減小。

④在不同的波動周期滑坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時不同，隨著波動次數(shù)的增加水位穩(wěn)定用時增加。水位在535～547 m范圍內(nèi)波動時，由于時間短水位未達到穩(wěn)定，而水位在555 m高程時水位達到穩(wěn)定，周期一用時為25 d，周期二用時為31 d，說明隨庫水的波動，地下水位達到穩(wěn)定的時間越長。

⑤隨著庫水位做周期性波動，滑坡體內(nèi)部浸潤線的位置也不相同，水位波動次數(shù)越多，地下水滲出點位置越高。

⑥由于周期性水位作用時間越長，滲出點位置越高，而相應的非飽和區(qū)范圍縮小，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力貢獻范圍縮小，不利于滑坡穩(wěn)定性。

⑦地下水是一條上凸的曲線，當水庫泄水時滑坡底部水位線曲率增大，該區(qū)域下部水頭大于上部水頭，滲透力的方向向上;水位周期性波動時間越長，水位線的曲率越大。

圖8 周期2時250 d滲透壓力分布

3.2 坡體內(nèi)部滲透力分析

模擬結(jié)果分析:

①水位相同，水位波動周期不同時，滲透力不同，波次數(shù)越多，滲透力越大;在兩個波動周期內(nèi)，相同位置處，后一個波動周期的滲透力大于前一個波動周期(表3);不同的波動周期，滑坡體內(nèi)部相同位置，滲透力增加幅值也不相同。增幅值與水頭變化幅值最大值同樣出現(xiàn)第二個上升期;從表3可知，變化幅值最大值出現(xiàn)在滑坡的前緣、中前緣，這是因為在該部分水頭變化幅值大，相應的滲透壓力較大。

表3 滑帶滲透力變動幅度

②在同一個水位波動周期，庫水位下降時，滲透力主要集中在滑坡的前緣。庫水下降幅值越大，滲透力也越大，滑坡不穩(wěn)定性也越大。由圖7、圖8可知，在滑坡體內(nèi)部，滲透力主要集中在滑坡體前緣，在滑坡體中后緣滲透力的相對較小，同時變幅也較小，且為負值;二者對比可以看出，在滑體部分的滲透力要相應的大于滑帶部分的滲透力。在不同的波動周期，滑體、滑帶、滑床不同位置處的滲透力的變幅也各不相同;如在第二個上升周期(118～168 d)時，滑體、滑帶、滑床滲透力變動幅值分別為0.8 kN、0.5 kN、0.3 kN，其變化幅值逐漸減小。

③下降過程中，滲透力最大值區(qū)域逐漸右移，并隨庫水下降高度的增加而增大，差別較大，滑坡前緣的滲透力要大于滑坡后緣。

④庫水波動次數(shù)越多，地下水位也下降速度越慢，滲透壓力穩(wěn)定時間也越長，其消散時間上與坡體內(nèi)部水頭穩(wěn)定用時相同。

3.3 應力分析

①滑帶:從圖9和圖10中可以知水位波動時滑坡體內(nèi)部的剪應力不斷發(fā)生變化，在水位初期穩(wěn)定期(1～30 d)，滑帶中前部的剪應力會略微減小，而在滑坡的中后部剪應力會增加，并且隨著波動次數(shù)的增加，其變動幅度會逐步增大，且在滑坡中部變動幅值最大;在水位波動過程中，水位初期升降對滑坡中前緣影響較大，而在波動后期對其影響較小，剪應力基本維持不變，在滑坡中后緣，水位波動對其影響一直比較顯著，且隨著波動次數(shù)的增加，影響幅度也相應的增大。

圖9 滑床剪應力周期變幅值

圖10 滑帶剪應力周期變幅值

②滑體、滑床:相對于滑帶而言，滑體、滑床內(nèi)部的剪應力變化規(guī)律有所不同。在水位初始穩(wěn)定期(1～30 d)，各個部位其剪應力都會有所增大;在水位上升初期(30～40 d)剪應力變化最大;滑帶的剪應力主要為正值，而在滑體、滑床后部出現(xiàn)負值;波動過程中，滑體、滑帶剪應力的波動幅度相對于滑體而言要大。

③從圖11和圖12中可以看出，隨著水位做周期性的波動，在滑坡的中部、中后緣、后緣剪應力等值線的密度逐步增加，數(shù)值增大，并且向滑帶附近靠攏，說明雙龍洞滑坡的破壞模式為推移是破壞。

圖11 周期1滑坡剪應力等值線

圖12 周期2滑坡剪應力等值線

4 結(jié)論

本文主要研究目的是周期性庫水位波動下滑坡穩(wěn)定性。利用ANSYS軟件中的熱傳導的溫度模塊進行滲流分析，利用ANSYS的APDL語言編制將滲透力轉(zhuǎn)化成等效節(jié)點力的控制程序;結(jié)合雙龍洞滑坡工程實例，對該理論進行驗證，取得了一些研究成果及結(jié)論。

①分析了雙龍洞滑坡在水位周期性波動對邊坡穩(wěn)定性的影響。根據(jù)水位波動次數(shù)的不同水庫進行分析，水位分別模擬了波動1次、2次兩個周期，得到了滑坡體內(nèi)水頭分布、滲透壓力、位移等的變化分布情況，在此基礎上對其進行穩(wěn)定性評價。

②采用有限單元法求解，方法很直接，但是在求解過程中存在一些問題:首先，網(wǎng)格剖分問題，對網(wǎng)格剖分數(shù)量限制，模型的單元格尺寸很大導致計算精度不高而出現(xiàn)異常，不滿足工程要求，網(wǎng)格剖分過小過密，計算困難，計算時間長，對計算機硬件要求高，浪費時間;再次，在非穩(wěn)定滲流場中，飽和－非飽和介質(zhì)的容水度(儲水系數(shù))對滲流場的影響很大，容水度大浸潤線變化緩慢，容水度小浸潤線變化快，而該系數(shù)的試驗確定方法目前的研究很少。

③對于雙場耦合目前研究尚處于起步階段，各個理論還不成熟，目前數(shù)值計算主要以間接耦合為主，能夠直接耦合計算的軟件目前比較少;間接耦合過程中，計算時步長度的確定是間接耦合的關(guān)鍵。

④庫水周期性作用下的滑坡在時間上是一個由多期次的、空間上巖性漸變的復雜的復合地質(zhì)變形體［5］，作者為了能模擬庫水波動時坡體內(nèi)部耦合效應，作了一些地質(zhì)模型上的簡化，由于硬件的限制僅作了二維研究。在以后研究中，如何建立本質(zhì)上反映應力場－滲流場耦合三維模型，并進行數(shù)值分析，是一個值得深入研究的問題。

［1］胡新麗．三峽水庫運行條件下金樂滑坡穩(wěn)定性評價［J］．中國地質(zhì)大學學報，2007(32)

［2］武濤．周期性水位波動作用下庫岸滑坡穩(wěn)定性分析［D］．武漢:中國地質(zhì)大學，2009

［3］何忠澤．滑床滲透性對超覆性庫岸老滑坡穩(wěn)定性的影響［J］．地質(zhì)科技情報，2012(2)

［4］胡新麗，唐輝明，馬淑芝．基于NMR的庫區(qū)滑坡三維穩(wěn)定性數(shù)值模擬［J］．中國地質(zhì)大學學報，2006(2):279－285

［5］汪斌．庫水作用下滑坡流固耦合作用及變形研究［D］．武漢:中國地質(zhì)大學，2007

［6］張家發(fā)．三維飽和非飽和穩(wěn)定非穩(wěn)定滲流場的有限元模擬［J］．長江科學院院報，1997，14(3)

［7］張偉．滲流場及其與應力場的耦合分析和工程應用［D］．武漢:武漢大學，2004

［8］唐輝明，晏鄂川，胡新麗．工程地質(zhì)數(shù)值模擬的理論與方法［M］．武漢:中國地質(zhì)大學出版社，2000

［9］周彥杰．寶成鐵路巨亭滑坡穩(wěn)定性三維極限平衡分析［J］．鐵道勘察，2011，37(4)

［10］馬連強．三峽庫區(qū)張家院子滑坡發(fā)育特征及破壞機制研究［J］．鐵道勘察，2012，37(3)