庫水位升降對邊坡內(nèi)滲流場的影響

(1. 重慶市勘測院， 重慶401121； 2. 大連理工大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心， 遼寧大連116024；3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶400074)

我國大型水利水電工程大多位于西南部高山深谷地區(qū)，所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，且長期受庫水位周期性漲落的影響，必然會(huì)導(dǎo)致邊坡內(nèi)滲流場發(fā)生復(fù)雜的變化， 進(jìn)而對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。研究[1]表明，水是引起邊坡失穩(wěn)破壞最活躍的因素，庫水位的升降迫使坡體內(nèi)的水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，從而對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，研究庫水位升降過程中邊坡內(nèi)滲流場和孔隙水壓力的變化規(guī)律具有重要的意義。

近年來， 國內(nèi)外學(xué)者對庫水位升降過程中巖質(zhì)邊坡內(nèi)滲流場的變化進(jìn)行了大量的研究。 Marko等[2]通過現(xiàn)場監(jiān)測方法， 研究了庫水位升降時(shí)庫岸滑坡的機(jī)理。 文獻(xiàn)[3-6]中分別采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊和SLOPE/W模塊對降雨、 庫水位升降過程中邊坡內(nèi)的滲透問題進(jìn)行了分析。 黃天成等[7]研究了地下水位、 流體模量、 滲透系數(shù)等因素對單滑面巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的影響， 并進(jìn)行了工程實(shí)例分析。 劉興宗等[8]計(jì)算四川雅安大崗山水庫蓄水期右岸邊坡在漸進(jìn)性微震損傷效應(yīng)時(shí)安全系數(shù)隨庫水位升高的變化過程， 結(jié)果表明邊坡安全系數(shù)隨庫水位升高而減小。 梁邊[9]、 吳泉澳[10]分別采用FLAC3D軟件研究了庫水位變化對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響。 向杰等[11]采用理論分析的方法， 進(jìn)行了三峽水庫蓄水誘發(fā)神女溪岸坡破壞機(jī)制研究。 宋丹青等[12]采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法， 分析了庫水位升降過程中邊坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。

本文中以四川雅安大崗山水電站右岸邊坡V-V橫剖面為對象，研究庫水位升降時(shí)，邊坡滲流場的變化規(guī)律，為大崗山右岸邊坡蓄水期穩(wěn)定評價(jià)提供參考。

1 模型的建立及邊界條件

地質(zhì)勘查結(jié)果表明， 大崗山右岸邊坡地貌復(fù)雜多變， 裂隙較發(fā)育。 本文中以大崗山右岸邊坡V-V橫剖面為模擬計(jì)算范圍， 研究區(qū)域內(nèi)主要結(jié)構(gòu)面可以歸結(jié)、概化為2條中等傾角的卸荷裂隙密集帶(XL316-1、 XL9-15)和1條斷層(f231)， 巖層從上向下可分為6層， 分別為黃色塊碎石夾土、V2巖體、V1巖體、 IV巖體、 III2巖體、 II巖體。 研究區(qū)最高海拔為1 461 m， 最低海拔為881 m， 模型寬度為600 m, 如圖1所示。

圖1 大崗山右岸邊坡V-V橫剖面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)簡化圖

根據(jù)大崗山右岸邊坡V-V橫剖面圖，建立模型尺寸分別為600 m×1 m×650 m(寬度×厚度×高度)的概化模型。該模型選取指向坡里為X軸，沿邊坡走向?yàn)閅軸，豎直向上為Z軸，如圖2所示。根據(jù)大渡河大崗山水電站右岸邊坡穩(wěn)定性分析報(bào)告，該研究區(qū)域可劃分為8種材料，包括6種巖層和2種結(jié)構(gòu)面。 參數(shù)是影響數(shù)值分析結(jié)果合理性的重要因素，特別是滲透系數(shù)。表1所示為大崗山水電站右岸邊坡V-V橫剖面內(nèi)各組塊的水力學(xué)參數(shù)[12]。

圖2 大崗山右岸邊坡V-V橫剖面網(wǎng)格模型

表1右岸邊坡各組塊的水力學(xué)參數(shù)[12]

塊組滲透系數(shù)/[m2·(Pa·s)-1]孔隙率體積模量×10-9/Pa碎石夾土3.029×10-90.203.2V2巖體1.000×10-100.142.4V1巖體9.700×10-100.142.6IV巖體9.700×10-100.112.6III2巖體8.400×10-110.902.3II巖體5.700×10-110.022.1巖脈1.100×10-90.152.8斷層9.900×10-100.123.0

假設(shè)模型沿邊坡走向和邊坡底面均為不透水邊界，對于邊坡坡表和坡里施加水頭的邊界為透水邊界，水頭高度以上至邊坡坡頂為不透水邊界。首先根據(jù)邊坡內(nèi)的初始水位線(坡表邊界水頭為88.3 m，坡里邊界水頭294.22 m)，采用各項(xiàng)同性滲流模型生成邊坡內(nèi)的初始滲流場，模擬的結(jié)果作為滲流計(jì)算的初始條件，然后進(jìn)行對庫水位升降條件下邊坡內(nèi)滲流場的模擬。大崗山水電站在庫水位變化過程中，假設(shè)邊坡坡里為定水頭，水頭高度為坡里初始水位面高度，根據(jù)邊坡坡表水頭的變化，把庫水位變化劃分為4個(gè)階段，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模擬階段邊坡坡表水頭變化情況

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果

圖3所示為第3階段的邊坡內(nèi)的孔隙水壓力等值線分布。 由圖可知， 邊坡內(nèi)的最大孔隙水壓力產(chǎn)生于邊坡坡表底部，最大值為3.000～3.285 MPa，與施加在邊坡表面328.5 m的水頭相符，驗(yàn)證了用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)算的可靠性。

圖3 第3階段邊坡內(nèi)孔隙水壓力等值線分布

2.2 邊坡孔隙水壓力等值線圖

為了研究庫水位上升過程中邊坡內(nèi)孔隙水壓力的變化規(guī)律，分別模擬計(jì)算了不同升降過程、同一庫水位時(shí)邊坡內(nèi)的孔隙水壓力等值線分布，見圖4。圖4(a)、(b)所示分別為初始孔隙水壓力和庫水位由88.3 m上升到248.5 m時(shí)，邊坡內(nèi)孔隙水壓等值線分布圖。由圖可以看出，庫水位的上升使邊坡坡表的孔隙水壓力大幅度增加，而邊坡坡里的孔隙水壓力幾乎保持不變。圖4(c)、(d)所示為水位下降過程中邊坡內(nèi)孔隙水壓力的變化情況。由圖可以看出，庫水位下降使邊坡坡表的孔隙水壓力大幅度減小，而邊坡坡里的孔隙水壓力幾乎保持不變，由此可見，庫水位的上升對邊坡坡表孔隙水壓力有顯著影響，但是對邊坡坡里孔隙水壓力的影響不大。

經(jīng)過進(jìn)一步分析還可知，庫水位相同時(shí)，不同升降階段的邊坡內(nèi)孔隙水壓力是不同的。當(dāng)水位上升時(shí)(見圖4(a)、(b))，邊坡內(nèi)的孔隙水壓力等值線與邊坡坡底的孔隙水壓力等值線近似平行。當(dāng)水位下降時(shí)(見圖4(c)、(d))，坡體內(nèi)的孔隙水壓力等值有上凸趨勢，形成逆向滲流，此時(shí)壩坡的滲流方向由指向下游變?yōu)橹赶蛏嫌蔚姆较颍瑢?dǎo)致水位線前半部分向下彎曲的程度越來越明顯。由此說明，在庫水位相同的不同階段，坡體內(nèi)滲流場和浸潤線存在一定的差異。

(a)初始條件(b)第1階段(c)第3階段(d)第4階段圖4 不同升降過程、同一庫水位時(shí)邊坡孔隙水壓力等值線分布

2.3 近似定常流后邊坡內(nèi)滲流矢量圖

圖5為坡面邊界水頭248.5 m時(shí)坡內(nèi)滲流矢量圖。由圖可知，邊坡內(nèi)滲流場在形成近似定常流后，坡體內(nèi)滲流矢量的方向與庫水位的升降密切相關(guān)。當(dāng)水位下降時(shí)，邊坡內(nèi)滲流矢量的方向由坡里指向坡表，而在庫水位上升時(shí)，邊坡內(nèi)滲流矢量的方向大致是由坡表指向坡里，這與工程實(shí)際情況相符。另外，邊坡內(nèi)的大部分區(qū)域滲流速度較小，并且?guī)缀踹_(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。沿著不良結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面(卸荷裂隙帶、巖脈、斷層)附近，邊坡內(nèi)的滲流矢量依然較大。由此可知，巖脈等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面顯著影響邊坡內(nèi)的滲流場，降低邊坡的承載力和抗滑力，從而影響大壩的穩(wěn)定性。建議在巖脈等不良結(jié)構(gòu)面處建立與邊坡內(nèi)的排水系統(tǒng)相連通的排水通道，使水體順利排出坡體，確保大壩的正常運(yùn)行。

(a)第2階段(b)第3階段圖5 大崗山坡面邊界水頭248.5 m時(shí)坡內(nèi)滲流矢量圖

3 結(jié)論

本文中以大崗山水電站右岸邊坡V-V橫剖面為對象，研究在庫水位升降時(shí)，邊坡內(nèi)滲流場的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)根據(jù)邊坡內(nèi)的孔隙水壓力與施加在邊坡邊界上的水頭對比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可行性。

2)在庫水位升降過程中，邊坡坡表孔隙水壓力受庫水位變化的影響較為顯著，而邊坡坡里孔隙水壓力受庫水位變化的影響是有限的。

3)坡內(nèi)形成近似定常流后，除卸荷裂隙帶等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面附近滲流速度依然很大外，坡體內(nèi)大部分區(qū)域巖體的滲流場較穩(wěn)定。建議在巖脈等不良結(jié)構(gòu)面處建立與邊坡內(nèi)排水系統(tǒng)連通的排水通道，使水體順利排出坡體，確保大壩正常運(yùn)行。