庫水位驟降邊坡滲透穩(wěn)定敏感性分析

李茜莎　譚雅文

摘要：為定量研究不同非飽和參數(shù)（進(jìn)氣值α、土水特征曲線斜率δ、殘余含水率ε、滲透系數(shù)k）對邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，利用Ceo-slope軟件，基于Fredlund&Xing非飽和理論，采用灰關(guān)聯(lián)度法對某土質(zhì)邊坡不同非飽和參數(shù)對邊坡滲透穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果表明：參數(shù)α、k與浸潤線高程成負(fù)相關(guān)，與位移及穩(wěn)定系數(shù)成正相關(guān);參數(shù)δ、ε與浸潤線高程成正相關(guān)，而與位移及穩(wěn)定系數(shù)成負(fù)相關(guān);位移與穩(wěn)定系數(shù)在庫水位下降前期變化較大，而在庫水位下降后期變化較小;邊坡上部監(jiān)測點的位移大于下部監(jiān)測點的位移：對邊坡穩(wěn)定影響較大的參數(shù)為α與k，而參數(shù)δ與ε對邊坡穩(wěn)定性影響相對較小;采用灰關(guān)聯(lián)度方法可直觀準(zhǔn)確地獲取主要因素和次要因素，為量化研究非飽和參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響提供了一種方法。

關(guān)鍵詞：灰關(guān)聯(lián)度理論：非飽和參數(shù);庫水位驟降;邊坡;滲透穩(wěn)定;敏感性分析

中圖分類號：TU432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.03.029

引起庫岸邊坡失穩(wěn)的原因主要有以下幾個方面：庫水位上升導(dǎo)致土體內(nèi)部浸水引起土體強(qiáng)度降低、有效應(yīng)力減?。簬焖惑E降導(dǎo)致邊坡水壓突然卸載，從而引發(fā)滑坡災(zāi)害：庫水位驟降導(dǎo)致邊坡內(nèi)部水位線出現(xiàn)“滯后”效應(yīng)[1-2]，指向邊坡體外部的滲流力加劇邊坡失穩(wěn)。

國內(nèi)外針對庫水位升降情況下的邊坡穩(wěn)定性研究較多，如：趙瑞欣等[3]以三峽庫區(qū)涼水井滑坡為例，對不同庫水位升降速率以及不同飽和滲透系數(shù)下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價：魯芃等[4]對白家包滑坡不同庫水位日降幅條件下滑坡滲流場及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了數(shù)值模擬：劉藝梁等[5]研究了譚家灣滑坡在不同庫水位下降速率下的滲流特性以及穩(wěn)定性：鐘啟明等[6]基于非飽和理論，計算了某黏土心墻壩在庫水位驟降情況下的上游壩坡穩(wěn)定系數(shù)。前人對于此類問題的研究主要集中在庫水位變動速率以及飽和滲透系數(shù)大小上，而對于邊坡土體本身的非飽和特性的研究較少，如劉博等[7]對某邊坡非飽和特性在庫水位驟降工況下的滲流特性以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，但是缺乏邊坡穩(wěn)定性對土體各項非飽和參數(shù)敏感性的定量研究。

邊坡穩(wěn)定性影響因素具有復(fù)雜性、不確定性和模糊性，通過敏感性分析，可以得到各因素影響程度排序。灰關(guān)聯(lián)度法是敏感性分析方法之一，因其原理成熟、計算過程簡便而被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性影響因素分析[8]。筆者基于Fredlund&Xing非飽和理論[9]，選取進(jìn)氣值α、土水特征曲線斜率6、殘余含水率ε、滲透系數(shù)k等4個土體非飽和參數(shù)，利用Geo - Slope軟件中的Seep/w和Slope/w模塊，采用灰關(guān)聯(lián)度法對某庫岸邊坡的滲流特性及穩(wěn)定性進(jìn)行敏感性分析，以期為類似工程邊坡穩(wěn)定性定量化研究提供參考。

1 計算理論

1.3 邊坡穩(wěn)定性理論

邊坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法。傳統(tǒng)的極限平衡法有瑞典圓弧法、Bishop法、剩余推力法以及Mor-genstern-Price法（簡稱M-P法）等。M-P法能夠很好地揭示土條之間的相互作用力而沒有作任何的簡化，因此本研究采用M-P法進(jìn)行滑坡體的穩(wěn)定性分析。

1.4 灰關(guān)聯(lián)度理論

灰關(guān)聯(lián)度[14]屬于灰色系統(tǒng)理論，在資料相對有限的情況下，可較為準(zhǔn)確地找到影響因素值與目標(biāo)影響值的聯(lián)系?；谊P(guān)聯(lián)度分析的具體步驟如下。

1.4.1 構(gòu)造比較矩陣與參考矩陣

對于邊坡穩(wěn)定性評價，可以選取Fredlund&Xing參數(shù)中的非飽和參數(shù)構(gòu)造比較矩陣：

關(guān)聯(lián)度D_i值變動區(qū)間為[0，1]。D_i值越大，表示影響因素的關(guān)聯(lián)度越大，即敏感性越強(qiáng)。

2 實例分析

2.1 計算模型及邊界條件

選擇文獻(xiàn)[7]中的計算模型進(jìn)行實例分析，如圖1所示，H= 14 m，h=7 m.坡比為1：2。模型初始條件為左邊界obcd以及右邊界gl均為13 m水頭下的穩(wěn)定滲流場。邊界條件如下：obcd為庫水位變動邊界，cb邊界上每一節(jié)點的水頭隨時間不斷變化，軟件每運行一步便判斷節(jié)點水頭是否小于節(jié)點高程，若條件成立則該節(jié)點的流量Q便被賦于0[14];ol、defg為不透水邊界;gl為13 m定水頭邊界。模型網(wǎng)格如圖2所示，計算全局網(wǎng)格尺寸約為Im，共剖分為470個節(jié)點、423個單元。

2.2 材料參數(shù)及計算工況

材料基礎(chǔ)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[7]取值：黏聚力c'=10kPa，內(nèi)摩擦角φ'=20°，土體密度p=2 t/m3，彈性模量E=0.1 GPa，泊松比μ=0.3，庫水位下降速率為1m/d，從正常蓄水位13 m下降到死水位7m，計算時間為20d，相應(yīng)工況見表1。

2.3 滲流場分析

為比較庫水位驟降情況下邊坡土體非飽和參數(shù)變動對邊坡內(nèi)部浸潤線的影響，圖3繪出了A、B、C、D四種計算工況下庫水位由13 m下降到7m時浸潤線的位置。

由圖3可知：不同非飽和參數(shù)對邊坡內(nèi)部浸潤線位置有較大影響：對浸潤線影響最大的參數(shù)是進(jìn)氣值αα值越大浸潤線位置越低：其次是土體的飽和滲透系數(shù)k，k值越大浸潤線位置越低，但是浸潤線下降的幅度較小;參數(shù)δ與參數(shù)ε對浸潤線位置影響較小，δ越大浸潤線位置越高，ε越大浸潤線位置也越高，但是變化幅度較小。

2.4 監(jiān)測點位移分析

為比較不同工況下邊坡上部與下部位移變化情況，選取圖1所示兩個監(jiān)測點進(jìn)行分析，不同工況下不同監(jiān)測點位移變化情況見圖4、圖5。

總體上來看，邊坡上部監(jiān)測點與下部監(jiān)測點的位移變化趨勢類似，在庫水位下降過程中位移變化較大，而在庫水位下降后仍然存在一定的位移，但是位移較小。在庫水位驟降情況下，參數(shù)α對邊坡位移的影響最大，α取不同值時上部監(jiān)測點的最大位移為3.11 -4.48 cm，下部監(jiān)測點的最大位移為2.67 -4.34 cm;參數(shù)δ、ε、k對邊坡位移影響相對較小，在工況B、C、D情況下上部監(jiān)測點的位移為3.01-3.63 cm.而下部監(jiān)測點的位移在2.63 -2.92 cm之間。可見參數(shù)α對邊坡穩(wěn)定性的影響大于參數(shù)δ、ε、k對邊坡穩(wěn)定性的影響。同時還可以看出，在庫水位驟降工況下，邊坡上部監(jiān)測點的位移大于下部監(jiān)測點的位移。