庫水位波動對石佛寺水庫滑坡體穩(wěn)定性的影響

韓東海

(桓仁縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

1 滑坡體發(fā)育特征

石佛寺水庫是遼河干流上的一座河道型水庫，壩址位于遼寧省沈陽市新城子區(qū)黃家鄉(xiāng)，設(shè)計庫容1.85億m3，防洪庫容1.60億m3，控制流域面積16.5萬km2[1]。2010年7月20日至21日，石佛寺水庫壩址上游地區(qū)遭遇特大暴雨襲擊，水庫庫區(qū)發(fā)生多出滑坡。其中，白沙滑坡位于水庫右岸白沙段，滑坡寬約190m，面積5萬m2，體積約80萬m3。受2016年7月25日暴雨沖刷，滑坡變形有進(jìn)一步加劇趨勢。

石佛寺水庫是一座典型的平原水庫，庫區(qū)邊坡的地基特性是第四系覆蓋[2]?；麦w物質(zhì)主要由第四系松散堆積物構(gòu)成，其成因主要為坡積、人工堆積以及洪積?；麦w按照組成成分可以分為上下兩層：上層主要是碎石土和含碎石粘性土；下層主要是碎石土和孤石塊體。滑坡體的地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于下部基巖中。對滑坡體滑帶土取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，獲得不同層位土體的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 方法選取

經(jīng)過多年的研究和理論實踐，目前形成了大量關(guān)于邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬軟件，這些軟件的理論基礎(chǔ)和側(cè)重點往往有所不同，用戶要根據(jù)實際工程特點進(jìn)行選擇[3]。鑒于本次研究中的水位波動以及降雨對滑坡的影響過程十分復(fù)雜，且主要通過改變滑坡體的水動力場和巖土體的物理力學(xué)特性進(jìn)而使

表1 采集樣品的物理力學(xué)參數(shù)試驗成果

滑坡體的穩(wěn)定性發(fā)生改變。因此，模擬計算的首要任務(wù)是對不同工況下的滑坡滲流場的響應(yīng)過程進(jìn)行模擬，所以本文選取GeoStudio2007中的SEEP/W和SLOPE/W模塊進(jìn)行模擬計算[4]。具體計算思路是：首先在SEEP/W模塊中設(shè)置計算邊界條件，實現(xiàn)對降雨強度和水位升降等條件的模擬，然后導(dǎo)入基于滲流場模擬獲得的孔隙水壓力分布結(jié)果，進(jìn)行兩者之間的耦合分析，最終實現(xiàn)滑坡穩(wěn)定性變化模擬結(jié)果[5]。

2.2 模型的概化

白沙滑坡地層自上而下可以分為碎石土、滑帶土、次級滑動帶和基巖，有限元概化模型如圖1所示。

圖1 有限元計算概化模型

3 滲流場模擬分析

3.1 計算原理

無論是庫水位波動還是降雨滲入，水對滑坡體的影響本質(zhì)上都屬于飽和與非飽和狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程[6]。SEEP/W模塊的理論基礎(chǔ)是基于非飽和土體滲流的達(dá)西定律，在此模塊中滲流系數(shù)隨含水量及孔隙水壓力的變化而變化，其二維滲流的控制方程為：

(1)

式中，Kx—水平方向飽和滲透系數(shù)；Ky—垂直方向飽和滲透系數(shù)；ρw—水的密度；mw—比水容量；g—重力加速度。

在計算之前首先要對概化后的滑坡連續(xù)體進(jìn)行網(wǎng)格化離散，剖分類型選取為非結(jié)構(gòu)化的四邊形或三角形網(wǎng)格，共得到13245個網(wǎng)格單元，46547個節(jié)點。

3.2 計算邊界

SEEP/W模型的邊界條件主要是流量和水頭邊界[7]。由于野外實際條件下滑坡體的滲流邊界十分復(fù)雜，在模型計算中需要對滲流邊界進(jìn)行必要的概化?；谏鲜鲈瓌t，本次模型計算采用的邊界條件為：假設(shè)滑坡體下部的基巖為不透水層，其與上部巖土體的接觸面為0流量邊界；滑坡體表面60m高程以下為石佛寺水庫水位波動邊界；滑坡體表面60m高程以上為降雨邊界；低水位階段的降雨和庫水位上升模擬以55m靜水位穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果為初始條件；庫水位下降模擬則以60m水位穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果為初始條件。

3.3 參數(shù)的選取與校正

雖然在研究開始前通過取樣試驗獲得了滑坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，但是該滑坡體處于河道兩側(cè)，物質(zhì)構(gòu)成異常復(fù)雜，不同屬性的巖土層空間分布極不均勻。因此，直接采用試驗獲取的數(shù)據(jù)，很難獲得理想的模擬結(jié)果[8]。因此，基于試驗數(shù)據(jù)，利用滑坡體地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校正十分必要，校正后的參數(shù)見表2。利用滑坡中下部滑帶部位孔隙水壓力長期監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對流場模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，使優(yōu)化后的模型模擬結(jié)果能較好符合滑坡體內(nèi)滲流場變化情況。

表2 校正后的巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.4 模擬工況的設(shè)定

石佛寺水庫屬于遼河干流上的調(diào)節(jié)性水庫，在每個水文年中水庫的水位在55～60m內(nèi)漲落?？紤]到沈陽地區(qū)汛期多短時強降雨，石佛寺水庫庫區(qū)水位升降速度較快，在模擬中設(shè)計穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩種工況，兩種工況的具體參數(shù)如表3所示。

表3 穩(wěn)定性模擬工況

4 庫水位升降對滑坡穩(wěn)定性的影響

眾所周知，庫水位升降速率是庫區(qū)滑坡體變形的主要影響因素。汛期庫水位升降變化速率較大的情況下，其對滑坡體內(nèi)部滲流場的變化影響十分顯著，從而對滑坡體的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。對庫水位升降速率進(jìn)行模擬，探求庫區(qū)不同水位、不同升降速率與滑坡體穩(wěn)定性之間的響應(yīng)關(guān)系，對研究水庫型滑坡的成災(zāi)機理，預(yù)防和預(yù)測水庫滑坡災(zāi)害具有重要意義。因此，基于上述模型，對表3中的兩種不同工況下水位變化速率與滑坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如圖2、圖3和表4所示。

圖3 工況2條件下不同速率下降過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化

水位變化速率穩(wěn)定性達(dá)到極值的時間達(dá)到穩(wěn)定裝態(tài)所需的時間穩(wěn)定性系數(shù)變化值升降升降升降0.5m/d606060590.0440.0461m/d313151590.0140.0262m/d161636590.0140.0265m/d7729590.0120.02110m/d3323560.0150.024

圖2是工況1條件下庫水位以不同速率上升過程中滑坡體穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果。計算結(jié)果顯示，如果庫水位上升速率大于1m/d，滑坡的穩(wěn)定性先迅速增大，再緩慢減小，最后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；如果水位的上升速率小于1m/d，滑坡體的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先減小再持續(xù)增大的變化趨勢。由表4可知，工況1條件下當(dāng)庫水位上升速率大于1m/d時，滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)的增大值為0.014左右，如果上升速率為0.5m/d時，這一數(shù)值為0.044。究其原因，在工況1條件下，如果庫水以較大速率上升，則庫水的靜水壓力有利于滑坡體保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定性會持續(xù)增大；當(dāng)水位穩(wěn)定于60m后，庫水會不斷滲入滑坡體內(nèi)部，并造成滑帶部位的巖土體物理力學(xué)參數(shù)值減小，滑坡體的穩(wěn)定性會逐步降低，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果水位以較小速率上升，滑坡體會受到動、靜水壓力、浮托力以及巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化的共同影響，因此滑坡處于穩(wěn)定階段。

圖3是工況2條件下，庫水位以不同速率下降過程中滑坡體穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果。計算結(jié)果顯示，當(dāng)庫水位下降速率大于1m/d時，滑坡體的穩(wěn)定性變化趨勢為先迅速減小，然后緩慢增大，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)庫水位下降速率小于1m/d時，滑坡體穩(wěn)定性的變化趨勢為先逐漸減小，然后緩慢增大，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由表4的數(shù)據(jù)可知，庫水位的下降速度越快，滑坡體穩(wěn)定性達(dá)到最差的時間也就越短，而增大至穩(wěn)定狀態(tài)的時間變化并不明顯。如果庫水位下降速率大于1m/d時，當(dāng)滑坡體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的穩(wěn)定性系數(shù)減小0.026，而庫水位下降速率為0.5m/d時，這一數(shù)值為0.046。究其原因，當(dāng)庫水位下降速率較大時，對滑坡體的穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用的是靜水壓力，而隨著庫水位的不斷降低，動水壓力增大而靜水壓力減小，滑坡體的穩(wěn)定性也將不斷減??；當(dāng)庫水位降低到55m后，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)開始對滑坡體的穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用，所以滑坡體的穩(wěn)定性會隨著巖土體的物理力學(xué)參數(shù)的增大而逐漸升高，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果庫水位下降速率較小，在水位下降的初始階段起主導(dǎo)作用的是靜水壓力，所以滑坡體的穩(wěn)定性緩慢降低到極值，而隨著靜水壓力的不斷減小，巖土體參數(shù)逐漸增大并開始起主導(dǎo)作用，所以滑坡的穩(wěn)定性逐漸增大，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因而在整個庫水位下降過程中，滑坡體均處于穩(wěn)定階段。

5 結(jié)語

本文以石佛寺水庫庫區(qū)白沙滑坡穩(wěn)定性為研究對象，利用有限元分析軟件，結(jié)合長期的地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)，對庫水位波動過程中滑坡體內(nèi)部的滲流場變化規(guī)律進(jìn)行了分析。研究結(jié)論顯示白沙滑坡處于蠕滑狀態(tài)，滑坡變形主要集中于石佛寺水庫水位下降階段，短期內(nèi)并不會誘發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和次生災(zāi)害。但是，白沙滑坡體的變形會對附近的明沈公路以及部分建筑產(chǎn)生潛在影響，建議水庫管理部門和當(dāng)?shù)貒敛块T在水庫水位下降期要加大監(jiān)測密度，及時掌握滑坡體的變形動態(tài)，及時對其變形趨勢進(jìn)行合理判別和處置。

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