庫(kù)水位緩變作用下高陡邊坡變形及穩(wěn)定性分析

余志剛，蔣博林，莫勇剛，陰 可

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶402260；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045；3.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045)

0 引 言

庫(kù)岸滑坡主要是由于水位升、降引起邊坡所受到的水力條件頻繁變化而產(chǎn)生的。水庫(kù)蓄水后，水位升、降對(duì)邊坡的失穩(wěn)有顯著影響。MORGENSTERN[1]報(bào)道了16起土壩迎水面由于水位驟降引發(fā)的滑坡；ROOSEVELT湖附近地區(qū)1941年～1953年發(fā)生的滑坡表明[2]，49%發(fā)生在1941年～1942年的蓄水初期，30%發(fā)生在水位驟降10～20 m期間，21%發(fā)生在其他時(shí)間(小型滑坡)；在日本，約40%的水庫(kù)滑坡發(fā)生在庫(kù)水位上升期間，包括初期蓄水，60%發(fā)生在水位驟降期間。對(duì)庫(kù)水位升、降引起的邊坡失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定安全系數(shù)變化特征的研究表明，庫(kù)水位升、降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大[3]，對(duì)水-巖循環(huán)作用的研究都反映出其對(duì)巖體有較大弱化作用[4]，水位的升、降對(duì)岸坡滲流場(chǎng)及浸潤(rùn)線分布變化有顯著的影響[5- 6]?，F(xiàn)雖以“庫(kù)水升、降作用”命名的相關(guān)文獻(xiàn)較多，但幾乎都是在假定降水前邊坡狀態(tài)一致的前提下計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)的，而涉及某一因素，如滲透系數(shù)[7]、土-水特征曲線[8]在升、降水全過(guò)程中對(duì)岸坡變形及穩(wěn)定性的影響的研究很少。

研究水位緩變時(shí)岸坡變形及穩(wěn)定性主要優(yōu)點(diǎn)在于充分考慮了時(shí)間效應(yīng)的影響。為此，本文選用Geo-Studio系列有限元軟件 SLOPE/W、SEEP/W及SIGMA/W 進(jìn)行耦合模擬，分析升、降水全過(guò)程條件下近似平行坡面裂隙及滲透系數(shù)對(duì)邊坡變形位移及穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，以及單獨(dú)升、降水條件下滲透系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 地下水位升、降函數(shù)的影響因素

根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定滲流運(yùn)動(dòng)的微分方程，可采用簡(jiǎn)化方法推導(dǎo)得到邊坡巖體距離庫(kù)岸水平位移x位置處在t時(shí)刻的地下水位升、降函數(shù)[9]，即

上述結(jié)論只有在升、降水前，岸坡浸潤(rùn)線及巖體力學(xué)狀態(tài)都一致的條件下才能成立。雖僅考慮浸潤(rùn)線的位置一致，不考慮岸坡巖體力學(xué)狀態(tài)是否一致不符合工程的實(shí)際情況，但從較宏觀角度，對(duì)庫(kù)水升、降作用相關(guān)研究仍有較大借鑒意義。分析可知，庫(kù)水位上升時(shí)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定有利可以改變以下條件：增大V或μ、減小k或H。庫(kù)水位下降時(shí)，對(duì)邊坡的穩(wěn)定有利可以改變以下條件：減小V或μ、增大k或H。

2 數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型

某水庫(kù)最大壩高約109 m。壩址處屬深切中山地貌，為左陡右緩不對(duì)稱的“U”形河谷，左壩肩陡崖絕，存在2條主要近似平行坡面的裂隙X1、X2，裂隙X1傾角75°～85°，張開達(dá)15～35 cm，局部粘土充填；裂隙X2最大寬度約45 cm，基本無(wú)充填。數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖1。巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 升、降水速度

庫(kù)水位升、降速度見表2。計(jì)算水位基面采用庫(kù)底位置處作為計(jì)算水位的零點(diǎn)，最高上升水位為98 m。雖然岸坡水位在53、98 m持續(xù)365 d內(nèi)因水位高度不變而提供的坡面應(yīng)力不變，但考慮岸坡巖體存在一定的滲流力的作用，故將此階段變形看成近似蠕變。

表2 庫(kù)水位升、降速度

2.3 模擬條件

數(shù)值模擬條件見表3。表中，Ci-S為緩變時(shí)第i種條件，i=1、2、3、4、5。統(tǒng)一取值指的是巖體滲透系數(shù)都取1×10-4cm/s；分區(qū)域取值指的是弱風(fēng)化線底界線以上的巖體滲透系數(shù)取1×10-2cm/s，弱風(fēng)化線底界線與弱透水層頂界線之間的巖體滲透系數(shù)取1×10-3cm/s，弱透水層頂界線以下的巖體滲透系數(shù)取1×10-4cm/s。

表3 數(shù)值模擬條件

2.4 觀測(cè)點(diǎn)

在整個(gè)邊坡坡面，按高度劃分坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度3個(gè)部分進(jìn)行位移觀測(cè)，每個(gè)部分從高到低依次選取14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)：第1～14觀測(cè)點(diǎn)，相鄰觀測(cè)點(diǎn)高差約4～5 m，裂隙X2左側(cè)及右側(cè)從高到低依次取8、7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，相鄰觀測(cè)點(diǎn)高差約8～9 m。坡面中部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 坡面中部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)布置

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移分析

選取坡面中部1/3高度內(nèi)第1、12、14觀測(cè)點(diǎn)的位移為例進(jìn)行分析，其水平位移-時(shí)間關(guān)系見圖3，觀測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間關(guān)系極值見表4。

圖3 位移-時(shí)間關(guān)系

表4 觀測(cè)點(diǎn)的位移-時(shí)間關(guān)系極值

注：U為最高位置的曲線，如U∶14表示最高位置是第14號(hào)曲線，L為最低位置的曲線，如L∶1表示最低位置是第1號(hào)曲線。

從圖3和表4分析可知，有裂隙X1、X2時(shí)的影響，對(duì)坡面上部1/3高度及裂隙X2左側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)X、Y向位移影響較小，對(duì)中部1/3高度、下部1/3高度及裂隙X2右側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)X、Y向位移影響都較大，下部1/3高度、裂隙X2左側(cè)及右側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)整體都表現(xiàn)越高越敏感，上部1/3高度及中部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)整體都表現(xiàn)越低越敏感，下部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)整體位移表現(xiàn)最敏感。各測(cè)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)近似蠕變規(guī)律雖稍有差異，但有裂隙時(shí)對(duì)其影響規(guī)律類似各測(cè)區(qū)整體位移變化規(guī)律。增大滲透系數(shù)時(shí)對(duì)所有觀測(cè)點(diǎn)的X、Y向位移影響都較小，觀測(cè)點(diǎn)的敏感性及近似蠕變規(guī)律與有裂隙時(shí)幾乎一致。

3.2 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析

采用極限平衡分析法中的摩根斯頓-普賴斯法(Morgenstern-Price)[10]進(jìn)行岸坡穩(wěn)定計(jì)算，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)-時(shí)間關(guān)系見圖4。

圖4 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)-時(shí)間關(guān)系

從圖4可知，有裂隙X1、X2時(shí)，與C1-S時(shí)對(duì)比，C2-S時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎一致，其值普遍大于1.60。增大滲透系數(shù)時(shí)，與C2-S時(shí)對(duì)比，C3-S時(shí)其值整體表現(xiàn)都有下降趨勢(shì)，單獨(dú)升水時(shí)，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小，裂隙的存在不影響此規(guī)律。全過(guò)程升、降水時(shí)，在水位下降階段滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小。單獨(dú)降水時(shí)，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越大。

C2-S、C3-S時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)雖然都普遍大于1.60，但觀測(cè)點(diǎn)位移值卻較大，如C3-S時(shí)坡面下部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)X、Y向位移最大值達(dá)58.6、43.7 mm。本文傾向認(rèn)為，距離庫(kù)底28～72 m高度內(nèi)坡面巖體位移較大，穩(wěn)定性較差；而剩余坡面附近巖體及坡體內(nèi)部巖體整體穩(wěn)定性都較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Geoslope軟件，分析升、降水全過(guò)程條件下近似平行坡面裂隙及滲透系數(shù)對(duì)邊坡變形位移及穩(wěn)定性的影響效應(yīng)，以及單獨(dú)升、降水條件下滲透系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)有近似平行坡面裂隙時(shí)，對(duì)坡面上部1/3高度及裂隙X2左側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)X、Y向位移影響較小，對(duì)坡面中部1/3高度、下部1/3高度及裂隙X2右側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)X、Y向位移影響都較大，對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)幾乎無(wú)影響。

(2)增大滲透系數(shù)時(shí)，對(duì)所有觀測(cè)點(diǎn)的X、Y向位移影響都較?。辉谏?、降水全過(guò)程時(shí)，巖體滲透系數(shù)越大，各階段穩(wěn)定安全系數(shù)越小；在單獨(dú)升水時(shí)，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越小，近似平行坡面裂隙的存在對(duì)此規(guī)律無(wú)影響；在單獨(dú)降水時(shí)，滲透系數(shù)越大，穩(wěn)定安全系數(shù)越大。今后應(yīng)重視庫(kù)水位升、降全過(guò)程中影響因素對(duì)邊坡的全動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響。

(3)有近似平行坡面裂隙或增大滲透系數(shù)時(shí)，下部1/3高度、裂隙X2左側(cè)及右側(cè)內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)整體都表現(xiàn)為越高越敏感，上部1/3高度及中部1/3高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)整體都表現(xiàn)越低越敏感，各測(cè)區(qū)觀測(cè)點(diǎn)近似蠕變規(guī)律類似各測(cè)區(qū)整體位移變化規(guī)律。

(4)對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析不能完全依賴于穩(wěn)定安全系數(shù)的求解，應(yīng)結(jié)合觀測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，才能得出比較可靠的結(jié)論。