不同影響因素對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響研究

趙紅梅

(清河縣水務(wù)局,河北 邢臺(tái) 054800)

0 引 言

水庫工程作為水資源調(diào)控、洪水防治和發(fā)電的重要手段,已經(jīng)成為人類生存和發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。庫岸邊坡是水庫周圍地形地貌的重要組成部分,其穩(wěn)定性直接影響著庫區(qū)的安全性[2]。因此,深入研究不同因素對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)于提高水利工程的安全性、減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前,許多學(xué)者對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究并取得顯著進(jìn)展。周春梅等[3]研究發(fā)現(xiàn)滑帶土含水量變化敏感地影響其抗剪強(qiáng)度、變形模量和邊坡穩(wěn)定性,隨著含水量增加,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先增大后減少。簡(jiǎn)文彬等[4]提出了河水水位的升降對(duì)岸坡穩(wěn)定性有重要影響,在河水上漲時(shí)水流難以進(jìn)入,下降時(shí)孔隙水不易排出;頻繁的水位升降會(huì)導(dǎo)致岸坡排水困難,孔隙水增加,穩(wěn)定性降低。仉文崗等[5]通過數(shù)值計(jì)算與穩(wěn)定性分析,考慮了不同工況條件下滲流場(chǎng)中孔隙水壓力的變化。結(jié)果表明,庫區(qū)水位下降對(duì)邊坡穩(wěn)定性有顯著影響,坡度、坡體滲透系數(shù)和水位下降速率的變化都會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化。

本文基于某大型水庫河岸邊坡,通過室內(nèi)試驗(yàn),研究邊坡土體物理力學(xué)特性。同時(shí),采用數(shù)值手段分析細(xì)粒含量、庫水位變化、降雨等因素對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

本文以某大型水庫河岸邊坡為研究對(duì)象,該邊坡后緣高程約300m,前緣高程約140m,縱向長(zhǎng)度約5 500m,其中從邊坡前緣至后緣約500m長(zhǎng)期被地下水浸沒。邊坡附近有公路穿過,且有民房、水利設(shè)施等。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告可知,坡體土層主要有碎塊石土層、砂巖層和泥巖層。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫20℃,年均降雨量1 300mm左右,最高1 600mm,每年的6-8月份月降雨量較大,最高約295mm。水庫從2004年開始蓄水,水庫水位長(zhǎng)期在80～140m上下波動(dòng),自2010年至今,水庫水位升高并逐漸穩(wěn)定,最高水位180m,最低水位150m。由于庫岸邊坡長(zhǎng)期被庫水淹沒并受庫水的沖刷和侵蝕,坡體位移逐年增加,對(duì)附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全及水利設(shè)施的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。

2 有限元模型及材料參數(shù)

有限元軟件包含多個(gè)模塊,每個(gè)模塊針對(duì)不同的地質(zhì)工程問題提供特定的功能和工具。其中,SEEP/W是主要用于分析地下水、飽和及非飽和土壤中水的滲流問題,可以模擬不同條件下的滲透、地下水流、滲漏問題等;SLOPE/W模塊支持對(duì)不同幾何形狀和土壤特性的邊坡進(jìn)行建模,模擬土體的變形和應(yīng)力分布,以評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性,并預(yù)測(cè)滑坡或崩塌風(fēng)險(xiǎn)。本文采用軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊對(duì)水庫河岸邊坡在降雨入滲、水位升降、不同細(xì)粒含量滑帶土情況下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。

根據(jù)實(shí)地考察及測(cè)量數(shù)據(jù),借助CAD軟件繪制庫岸邊坡模型圖,將其導(dǎo)入Geo-Studio軟件中,將模型劃分為滑帶、滑體、滑床3個(gè)區(qū)域,并分別賦予材料參數(shù),河岸邊坡模型見圖1。選用三角形和四邊形組合對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中包括4 340單元、4 390節(jié)點(diǎn)。為了模擬水位升降,將模型左側(cè)240m定義為定水頭,模型右側(cè)180m設(shè)置為變水頭,降雨以降雨強(qiáng)度的形式施加在坡面上,模型底面視為不透水界面。

圖1 河岸邊坡數(shù)值模型

土體的材料參數(shù)主要包括土水特征曲線、非飽和滲透系數(shù)以及土體的黏聚力及內(nèi)摩擦角。其中,土水特征曲線及非飽和時(shí)滲透系數(shù)曲線通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得;土體飽和含水率及飽和時(shí)滲透系數(shù)通過Fredlund and Xing模型預(yù)測(cè)得到;土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)借助GDS三軸儀對(duì)土樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)得到。土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線分別見圖2和圖3。

圖2 體積含水量函數(shù)

圖3 滲透系數(shù)函數(shù)

將細(xì)粒含量為70%、80%、90%和100%的滑帶土編號(hào)為HD70、HD80、HD90、HD100,巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。隨著滑帶土細(xì)粒含量由70%增加至100%,其黏聚力呈逐漸增加趨勢(shì),由33.22kPa增加至36.34kPa,而內(nèi)摩擦角呈逐漸減小趨勢(shì),由18.54°減小至12.76°。細(xì)粒含量的增加增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)作用,但細(xì)顆粒充斥在大顆粒之間,使土顆粒間的摩擦力減小,導(dǎo)致土體的黏聚力增加,內(nèi)摩擦角減小。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

此外,根據(jù)不同細(xì)粒含量土樣的土水特征試驗(yàn)及滲透性試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著細(xì)粒含量的增加,土體滲透系數(shù)減小,且相同基質(zhì)吸力下土體體積含水量增大。這是由于細(xì)粒含量增加,土體中細(xì)粒顆粒比例增加,孔隙直徑變小導(dǎo)致滲透系數(shù)減小,同時(shí)細(xì)粒含量增加導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜,形成更多的微觀孔隙,能夠吸附和保持更多的水分。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同細(xì)粒含量滑帶土對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖4為不同細(xì)粒含量滑帶土在水庫水位由180m降至150m工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化情況。由圖4可知,不同細(xì)粒含量的滑帶土邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位驟降天數(shù)的增加均呈先減小后增加的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)水庫水位降低時(shí),庫岸邊坡上方的水重力作用減少,水的重力作用可以增加邊坡上的有效應(yīng)力,有效應(yīng)力使土顆粒保持平衡狀態(tài)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。因此,水位下降前期,邊坡穩(wěn)定性降低,當(dāng)水位下降至一定深度時(shí),原本淹沒在水中的土體暴露在空氣中,使其由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài),孔隙水壓力減小,基質(zhì)吸力增加,因此穩(wěn)定系數(shù)增大。

圖4 不同細(xì)粒含量滑帶土邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化

此外,隨著滑帶土細(xì)粒含量的增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小,當(dāng)細(xì)粒含量為100%時(shí),邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值為0.91。這是由于細(xì)顆粒具有較大的表面積和較強(qiáng)的吸水能力,細(xì)粒含量越高,邊坡孔隙水壓力增加幅度越大,且隨著細(xì)粒含量增加,土體密實(shí)度增加,導(dǎo)致邊坡的總重量增加,使其穩(wěn)定系數(shù)減小。

按照表2中穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值大小對(duì)邊坡穩(wěn)定性狀況進(jìn)行評(píng)估,HD70、HD80、HD90及HD100對(duì)應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性狀況分別是穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和失穩(wěn)。

表2 穩(wěn)定系數(shù)對(duì)應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性狀況

3.2 不同水位升降速率下對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖5為在不同水位驟降速率下邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨水位下降時(shí)間的變化。由圖5可知,在水位下降速率為0.5、1.0和1.5m/d三種工況下,邊坡穩(wěn)定系數(shù)均呈先下降后增加的趨勢(shì),且水位下降速率越大,穩(wěn)定系數(shù)減小速率越大,最小值越小;在穩(wěn)定系數(shù)回升過程中,水位下降速率越快,穩(wěn)定系數(shù)回升幅度越大。需要指出的是,在0.5、1.0和1.5m/d三種工況下,邊坡安全系數(shù)減小至最小值的天數(shù)分別是25、21和17天,均未出現(xiàn)在水位降至150m的天數(shù)。這是由于在水位下降過程中,邊坡土體體積含水率降低,孔隙水壓力減小,有效應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度增大,增強(qiáng)了邊坡的穩(wěn)定性,而且這種增強(qiáng)作用大于由于水位下降導(dǎo)致的土體有效應(yīng)力降低對(duì)邊坡穩(wěn)定性的削弱作用。

圖5 不同水位驟降速率邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化

在第80天,水庫水位不再下降處于穩(wěn)定狀態(tài)后,不同速率下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均比水位下降前的大。其中,1.5m/d下降速率的邊坡穩(wěn)定系數(shù)最大為1.15;1.0m/d次之為1.145;0.5m/d的最小為1.132。這是由于水位不再下降后,邊坡內(nèi)部水分滲流狀態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)滲流,水分從土體內(nèi)排出,坡體土壤含水率降低,土體自重減小,抗滑力增大,邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨之增加;而水位下降速率越快,處于水位以上土體暴露在空氣中的時(shí)間越長(zhǎng),其體積含水率及孔隙水壓力減小幅度越大,因此邊坡穩(wěn)定系數(shù)回升幅度相對(duì)較大。3種水位驟降速率工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)均在1.05～1.15之間,因此3種工況下邊坡均為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 降雨疊加水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

圖6為降雨分別發(fā)生在水位驟降的0～10、10～20和20～30天的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化。由圖6可知,在降雨發(fā)生的時(shí)間段內(nèi),邊坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)突降;在降雨停止后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化趨于平緩并逐漸回升。降雨發(fā)生時(shí)間越早,邊坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)最小值的時(shí)間越早,其中降雨發(fā)生在水位驟降10～20天,邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值達(dá)到最低為1.052。這是由于在前期水位驟降的0～10天,邊坡土體有效應(yīng)力減小,穩(wěn)定性已經(jīng)受到一定程度的影響,但尚未達(dá)到最小值,降雨使邊坡內(nèi)部土體的體積含水率增加,導(dǎo)致土壤重量增加、抗剪強(qiáng)度降低;在水位驟降10～20天期間發(fā)生降雨,導(dǎo)致穩(wěn)定系數(shù)繼續(xù)下降,達(dá)到最小值。

圖6 降雨發(fā)生在水位驟降不同時(shí)段的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化

此外,對(duì)比降雨疊加水位驟降和僅水位驟降工況下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化可知,降雨疊加水位驟降工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于僅水位驟降工況下的穩(wěn)定系數(shù)。降雨出現(xiàn)在不同水位驟降時(shí)段的最小邊坡穩(wěn)定系數(shù)均在1.05～1.15之間,因此邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)均為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

為了開展庫岸邊坡穩(wěn)定性的敏感性分析,以某水庫邊坡為背景,通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,探究了不同工況下河岸邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化。結(jié)論如下:

1)不同細(xì)粒含量的滑帶土邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著水位驟降天數(shù)的增加均呈先減小后增加的趨勢(shì),隨著滑帶土細(xì)粒含量的增加,邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小,當(dāng)細(xì)粒含量為100%時(shí),邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小為0.91。

2)水位下降速率越大,穩(wěn)定系數(shù)減小速率越大,且最小值越小;在穩(wěn)定系數(shù)回升過程中,水位下降速率越快,穩(wěn)定系數(shù)回升幅度越大;水庫水位處于穩(wěn)定狀態(tài)后,不同速率下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均比水位下降前的大。

3)降雨疊加水位驟降工況下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)均小于僅水位驟降工況下的穩(wěn)定系數(shù),在降雨發(fā)生的時(shí)間段內(nèi),邊坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)突降;降雨發(fā)生在水位驟降10～20d,邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值達(dá)到最低為1.052;在降雨停止后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化趨于平緩,并逐漸回升。