水庫(kù)水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

沈 陽(yáng)

(赫章縣水務(wù)局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

水庫(kù)水位升降對(duì)水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性存在影響。一方面，水庫(kù)邊坡滲流進(jìn)入邊坡土體會(huì)對(duì)土體顆粒產(chǎn)生滲流力的作用，這將使土顆粒重新排列，甚至?xí)a(chǎn)生細(xì)顆粒流失。另一方面，土中水的增加會(huì)使邊坡非飽和土體的滲透性發(fā)生改變，降低邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，使非飽和土體中的負(fù)孔壓減小甚至消失。對(duì)非飽和土邊坡及其滲流規(guī)律的研究已有不少。林鴻州等[1-2]通過(guò)試驗(yàn)、軟件模擬和理論推導(dǎo)等方法研究了非飽和土體的水土特征，發(fā)現(xiàn)土體的滲透性受到土體的飽和度影響，并給出影響規(guī)律。林鴻州等[3-5]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了土中水的含量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土中水越多土體的抗剪強(qiáng)度會(huì)下降。付宏淵等[6-7]考慮了土中水的滲流和滲流對(duì)巖石的軟化作用對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的降雨過(guò)程不同的穩(wěn)定性變化。姚海林等[8-9]研究了在降雨過(guò)程中裂縫對(duì)非飽和土邊坡穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)裂縫的存在會(huì)影響土體的滲流場(chǎng)。張社榮等[10-11]采用數(shù)值模擬法研究了降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，表明降雨強(qiáng)度越大邊坡滑坡出現(xiàn)的變形就越大，并且非滑移區(qū)的穩(wěn)定系數(shù)也越低。廖紅建等[12]考慮了水庫(kù)水位下降對(duì)水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性影響，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到水位下降對(duì)邊坡土體滲透系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)的影響規(guī)律。

本文基于前人的研究成果，結(jié)合工程實(shí)例，研究水庫(kù)水位升降對(duì)水庫(kù)邊坡的孔壓及穩(wěn)定性影響。采用大型有限元軟件ABAQUS，分析6種不同水位升降工況下邊坡的孔壓變化和穩(wěn)定性，以期為實(shí)際工程提供參考和建議。

1 工程概況

該邊坡防護(hù)工程位于湖北省武漢市某水庫(kù)東岸，所在地區(qū)為侵蝕構(gòu)造的低山區(qū)。該護(hù)坡工程?hào)|側(cè)約200 m處有公路穿過(guò)，交通方便。該邊坡的縱向存在多級(jí)平臺(tái)，在一些區(qū)域形成階梯狀的地形，前部緩，后緣較陡，高度30～40 m不等，坡度約為30°，在坡面上發(fā)現(xiàn)大小不一的卵石和碎塊石。

該邊坡主要由粉質(zhì)黏土構(gòu)成，坡體巖層性質(zhì)主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣和室內(nèi)試驗(yàn)分析得到。室內(nèi)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 基于有限元數(shù)值模型的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型的建立及計(jì)算工況

基于實(shí)際工程的水庫(kù)邊坡建立有限元數(shù)值模型，模型對(duì)邊坡的地形地質(zhì)條件作了一定簡(jiǎn)化處理，以方便計(jì)算。該邊坡由均質(zhì)的粉質(zhì)黏土構(gòu)成，基于ABAQUS建立二維邊坡模型，邊坡的示意圖見(jiàn)圖1，網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2。

圖1 邊坡示意圖(單位：m)

圖2 邊坡網(wǎng)格圖

邊坡的本構(gòu)關(guān)系采用M-C屈服準(zhǔn)則。模型的幾何參數(shù)如下：邊坡寬52 m，高30 m，坡度約為30°，在邊坡頂部和底部分別設(shè)置寬度為25和10 m的平地。模型的邊界條件如下：模型的底部約束X和Y方向的位移，模型的左右邊緣約束X方向的位移，模型頂面包括坡面和兩個(gè)平地面為自由邊界。網(wǎng)格類型為雙線性位移和孔壓下的四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元(CEP4P)，共有752個(gè)單元，812個(gè)結(jié)點(diǎn)。

水庫(kù)水位的變化會(huì)對(duì)水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性有一定影響。當(dāng)水位上升時(shí)，水庫(kù)中的水會(huì)通過(guò)滲流進(jìn)入到邊坡土體中；當(dāng)水位下降時(shí)，邊坡土體中的水在重力的作用下會(huì)回流到水庫(kù)中。無(wú)論水位上升還是下降，水流在土體中的滲流都會(huì)帶動(dòng)邊坡土體中的細(xì)顆粒，使邊坡土顆粒重新排列，甚至產(chǎn)生土體細(xì)顆粒流失，從而影響邊坡土體的穩(wěn)定性。根據(jù)當(dāng)?shù)厮恼{(diào)查可知，邊坡水位的變化為10～20 m，邊坡頂部的初始地下水位在坡頂以下10 m處。為分析水庫(kù)水位的升降對(duì)水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)置了6種不同的水位升降工況，見(jiàn)表2。在不同的工況中設(shè)置了不同的水位升降速度，以分析邊坡在不同水位升降下的穩(wěn)定性。在邊坡模型中選取了靠近坡面的3個(gè)不同位置的觀察點(diǎn)，以觀察這3個(gè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化，并利用強(qiáng)度折減法計(jì)算不同工況下的邊坡安全系數(shù)，以量化水庫(kù)水位升降對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響。

表2 數(shù)值計(jì)算水位升降工況

要分析水位變化對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響，需要將邊坡土體考慮為非飽和土，即需要考慮土體的含水率與基質(zhì)吸力及土體含水率與滲透系數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可得該邊坡粉質(zhì)黏土的水土特征曲線，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系函數(shù)

圖4 體積含水量與基質(zhì)吸力關(guān)系函數(shù)

2.2 水位下降對(duì)邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的影響

圖5-圖8為當(dāng)水位從20 m下降至10 m時(shí)選取的邊坡上中下3個(gè)觀察點(diǎn)的孔壓和安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 頂部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位下降)

圖6 中部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位下降)

圖7 底部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位下降)

從圖5可以看出，當(dāng)邊坡的水位下降時(shí)，坡頂附近觀察點(diǎn)的孔隙水壓力先緩慢下降，隨后孔隙水壓力的下降速度越來(lái)越快，當(dāng)分析時(shí)間達(dá)到10 d左右時(shí)下降速度達(dá)到最大，之后曲線隨時(shí)間的發(fā)展越來(lái)越緩，不同水位下降速度對(duì)頂部觀察點(diǎn)的影響幾乎可以忽略。

從圖6和圖7可以看出，中部觀察點(diǎn)和底部觀察點(diǎn)則受水位下降速度影響更大，當(dāng)水位下降更快時(shí)，中部觀察點(diǎn)和底部觀察點(diǎn)的孔隙水壓力明顯下降得更快。

對(duì)比圖5-圖7可知，頂部觀察點(diǎn)一直都是負(fù)孔壓，中部觀察點(diǎn)的孔壓則由正變負(fù)，底部孔壓由大變小，這是由于邊坡內(nèi)的地下水位下降導(dǎo)致的。根據(jù)圖6可以推測(cè)地下水位在第3 d時(shí)經(jīng)過(guò)中部觀察點(diǎn)。

從圖8可以看出，當(dāng)邊坡水位下降時(shí)，邊坡安全系數(shù)先下降然后升高；當(dāng)分析時(shí)間達(dá)到20 d時(shí)，不同水位下降速度的安全系數(shù)落到不同的地方。當(dāng)水位下降速度為4 m/d時(shí)，最終的邊坡安全系數(shù)為1.55左右，這與水位下降前的邊坡安全系數(shù)相當(dāng)；當(dāng)水位下降速度為1和2 m/d時(shí)，邊坡的安全系數(shù)則更小。然而邊坡安全系數(shù)的上升趨勢(shì)并沒(méi)有趨于平緩，可以推測(cè)當(dāng)分析時(shí)間增加時(shí)，邊坡的安全系數(shù)將繼續(xù)增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是土中水滲流對(duì)土體會(huì)產(chǎn)生滲流力的作用，而滲流力會(huì)將土體中的細(xì)顆粒帶動(dòng)起來(lái)，使土體產(chǎn)生微小的滑移，導(dǎo)致安全系數(shù)下降。而后當(dāng)土中水通過(guò)滲流流走之后，土的抗剪強(qiáng)度也隨之提升，所以后期邊坡的安全系數(shù)會(huì)上升。

2.3 水位上升對(duì)邊坡孔隙水壓力和安全系數(shù)的影響

圖9-圖12為當(dāng)水位從10 m上升至20 m時(shí)3個(gè)不同的觀察點(diǎn)孔壓與安全系數(shù)隨時(shí)間的變化。

圖9 頂部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位上升)

圖10 中部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位上升)

圖11 底部觀察點(diǎn)孔壓變化曲線(水位上升)

圖12 安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線(水位上升)

由圖9-圖12可知，當(dāng)水位上升時(shí)，3個(gè)觀察點(diǎn)的孔壓都有一定的上升。隨著水庫(kù)水位上升速度增加，頂部觀察點(diǎn)孔壓的上升速度并沒(méi)有太大的變化，所以可認(rèn)為頂部觀察點(diǎn)附近土體的孔壓變化與水位上升速度大小關(guān)系較小。這是因?yàn)轫敳坑^察點(diǎn)附近土體一直處于地下水位線以上，該點(diǎn)處的孔壓變化主要來(lái)自于土顆粒的毛細(xì)作用產(chǎn)生的負(fù)孔壓。與之相對(duì)的是，中部觀察點(diǎn)和底部觀察點(diǎn)的孔壓受到水庫(kù)水位上升的速度影響更大，水位上升越快孔壓變化也就越快，這是由于中部觀察點(diǎn)和底部觀察點(diǎn)處于地下水位以下，所以影響也更大。

邊坡安全系數(shù)的變化與水位下降時(shí)正好相反，先上升后下降。當(dāng)水位上升時(shí)，土中水的滲流方向是指向邊坡內(nèi)部的，所以這樣的滲流力在前期會(huì)增強(qiáng)土顆粒之間的連接，使邊坡土體更加密實(shí)。對(duì)比工況4-工況6的安全系數(shù)變化可知，當(dāng)水位上升越快，前期安全系數(shù)也就上升得越快。

3 結(jié) 論

基于ABAQUS有限元軟件模擬了水位變化對(duì)水庫(kù)邊坡的穩(wěn)定性影響，可以得到以下結(jié)論：

1) 孔隙水壓力會(huì)隨著水庫(kù)水位的下降而下降。對(duì)于頂部觀察點(diǎn)來(lái)說(shuō)，水位下降的速度對(duì)孔壓變化的影響差別不大；對(duì)于中部觀察點(diǎn)和底部觀察點(diǎn)來(lái)說(shuō)，水位下降得越快，孔壓也就下降得越快。反之，當(dāng)水位上升時(shí)3個(gè)觀察點(diǎn)的孔壓會(huì)持續(xù)升高，頂部觀察點(diǎn)受水位上升速度影響較低。

2) 水位下降時(shí)，水庫(kù)邊坡的安全系數(shù)會(huì)隨時(shí)間先降低后升高，水位下降的速度越大，安全系數(shù)下降的越快。反之，當(dāng)水位上升時(shí)，邊坡的安全系數(shù)會(huì)先升高后降低，水位上升的速度越大，安全系數(shù)上升得越快。

3) 水庫(kù)水位升降對(duì)水位線以下土體孔隙水壓力的影響較大，對(duì)水位線以上的孔壓影響較小，水位升降對(duì)水庫(kù)邊坡孔壓和安全系數(shù)的影響規(guī)律是正好相反的。