水位升降與降雨耦合作用下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

曾潤(rùn)忠，謝 典,2，?？∪A，羅 偉，趙秀紹

(1. 華東交通大學(xué) 江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330000； 2. 江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

水是邊坡失穩(wěn)的主要誘因之一。降雨、坡外水位變化及地下水位波動(dòng)均會(huì)引起邊坡穩(wěn)定性與滲流場(chǎng)的變化。庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性受到許多因素的影響，如坡體介質(zhì)的物理性質(zhì)、強(qiáng)度參數(shù)，坡前水位的高低、漲落，及降雨閾值等。因此，如何評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性一直是巖土工程科研人員的研究熱點(diǎn)。吳宏偉等[1]對(duì)降雨強(qiáng)度與持時(shí)對(duì)邊坡坡內(nèi)滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究；劉海寧等[2]基于Mualem方程，研究了粉質(zhì)黏土土-水特征曲線以及粉質(zhì)黏土非飽和滲流方程；廖紅建等[3]針對(duì)不同土質(zhì)、不同滲透系數(shù)、不同降水速率對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響開展了研究；張曉詠等[4]研究了地基土與坡體的滲透系數(shù)差異對(duì)邊坡穩(wěn)定性、坡內(nèi)滲流場(chǎng)及浸潤(rùn)面位置的影響；袁帥等[5]研究了滲透系數(shù)降低時(shí)坡內(nèi)水逸出速率與穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系；何忠明等[6]研究了護(hù)坡的填筑方式、水位降速以及坡率對(duì)非飽和土坡體穩(wěn)定性的影響；S. OH等[7]將吸力-應(yīng)力特征曲線(SSCC)與土-水特征曲線(SWRC)統(tǒng)一為同一組流體力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了僅需3個(gè)參數(shù)的流體力學(xué)框架，并對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；S. L. GARIANO等[8]采用降雨時(shí)間分辨率對(duì)邊坡失穩(wěn)時(shí)降雨閾值的影響開展了研究；仉文崗等[9]研究了滲透系數(shù)、水位降速、FLAC3D兩相流與單相流計(jì)算模式以及坡腳角度對(duì)坡內(nèi)孔隙水壓力等值線與坡體穩(wěn)定性的影響；M. KUMAR THAKUR等[10]根據(jù)從衛(wèi)星觀測(cè)到的降雨量對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估；WANG Lin等[11]提出了一種基于多元自適應(yīng)回歸樣條土壩邊坡穩(wěn)定性的概率穩(wěn)定性分析方法。

上述研究，大多數(shù)以均質(zhì)單一土坡為研究對(duì)象，地質(zhì)環(huán)境相對(duì)較簡(jiǎn)單。而邊坡的失穩(wěn)與坡體的巖土力學(xué)性質(zhì)、地下水位波動(dòng)、坡前水位波動(dòng)、降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)及坡體初始狀態(tài)等因素密切相關(guān)，因此有必要對(duì)具有復(fù)雜土層的邊坡開展研究。

筆者采用有限元法、強(qiáng)度折減法，通過(guò)計(jì)算邊坡安全系數(shù)Fs、坡頂水平位移u以及坡內(nèi)各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p，模擬研究了某航電樞紐庫(kù)區(qū)的庫(kù)岸邊坡在降雨強(qiáng)度R、水位升/降單因素作用及耦合作用下，坡內(nèi)滲流場(chǎng)以及邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

1 非飽和狀態(tài)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算理論

在自然狀態(tài)下，坡體內(nèi)部存在非飽和區(qū)，由于土體本身的吸濕性，非飽和區(qū)巖土體的滲透系數(shù)是隨著飽和度變化的函數(shù)。Van Genuchten模型可以很好地描述非飽和土的土水特征關(guān)系[12]，另一方面，由于ABAQUS具有強(qiáng)大的流固耦合功能，能較好地模擬滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化[14]，因此，筆者采用ABAQUS有限元軟件結(jié)合Van Genuchten模型，假設(shè)不考慮氣壓、氣溫的影響以及土體的壓縮性和小變形，根據(jù)有效應(yīng)力原理、虛功原理建立耦合數(shù)學(xué)模型，對(duì)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的邊坡建立計(jì)算模型并開展模擬研究。

2 有限元模型建立與工況設(shè)計(jì)

2.1 有限元模型建立

某航電樞紐工程，其邊坡尺寸如圖1(a)，有限元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1(b)。

圖1 填筑坡體尺寸及有限元計(jì)算模型網(wǎng)格(單位：m)Fig. 1 Filling slope size and FEM calculation grid

邊坡原始土體的下層為粉質(zhì)黏土，中層為中細(xì)砂，表層為鋪設(shè)的紅黏土，表層起到阻水并防止砂土流失的作用。庫(kù)岸邊坡土體物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

由于上覆層紅黏土較薄，筆者對(duì)邊界線單獨(dú)設(shè)置滲透參數(shù)來(lái)模擬紅黏土上覆層以簡(jiǎn)化計(jì)算模型。滲流邊界條件；庫(kù)水位以上為滲流邊界且接受降雨補(bǔ)給，一級(jí)邊坡水上部分邊界為臨空排水面，其余邊界為不透水邊界。

表1 庫(kù)岸邊坡土體物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical property indexes of reservoir bank slope soil

盡管坡面紅黏土的滲透系數(shù)很小，坡面入滲率很低，但由于降雨、日照、干濕循環(huán)等的作用，坡面土體內(nèi)存在著大量滲水裂隙，因此，筆者假定降雨強(qiáng)度R小于入滲強(qiáng)度，模擬時(shí)僅對(duì)降雨全部入滲的情況進(jìn)行研究，即將降雨強(qiáng)度R作為模型的入滲強(qiáng)度。用ABAQUS的combine函數(shù)導(dǎo)出坡頂相關(guān)場(chǎng)變量，從而得到坡頂水平位移u。入滲模型見圖2。

圖2 入滲模型Fig. 2 Infiltration model

根據(jù)該工程水文報(bào)告統(tǒng)計(jì)，研究地區(qū)的年均降雨量為1 300～1 800 mm，大部分集中在4月中旬—6月中旬。研究中，筆者取降雨量960 mm，假設(shè)均勻分配在20天內(nèi)降落，從而得到降雨強(qiáng)度R=48 mm/d，以此作為研究的初始降雨強(qiáng)度值。

我國(guó)氣象部門一般以12 h或24 h內(nèi)的降雨量來(lái)劃分降雨強(qiáng)度等級(jí)，見表2。筆者以24 h的降雨強(qiáng)度進(jìn)行模擬，可見，筆者研究的初始降雨強(qiáng)度為大雨等級(jí)。

表2 降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分Table 2 Classification of rainfall intensity mm

模型中，模擬降雨持時(shí)T=72 h，在降雨12 h后降雨量幅值A(chǔ)(即當(dāng)前降雨強(qiáng)度與設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度的比值)達(dá)到峰值，如圖3。筆者選擇3種降雨強(qiáng)度R=48.0、72.0、100.8 mm/d，來(lái)研究大雨、暴雨、大暴雨對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖3 降雨時(shí)程曲線Fig. 3 A-T curve of rainfall

2.2 工況設(shè)計(jì)

設(shè)初始水位W分別為5、8 m，采用正交試驗(yàn)來(lái)研究庫(kù)水位上升速率Vrr、庫(kù)水位下降速率Vdr與降雨強(qiáng)度R單因素作用或耦合作用對(duì)復(fù)雜地質(zhì)庫(kù)岸邊坡滲流場(chǎng)與穩(wěn)定性的影響。設(shè)計(jì)因素水平見表3，正交試驗(yàn)工況見表4。

表3 因素水平Table 3 Factor level

表4 工況設(shè)計(jì)Table 4 Design of working condition

3 模擬結(jié)果及分析

若等效塑性應(yīng)變?cè)茍D的塑性區(qū)貫通，或者安全系數(shù)Fs與坡頂水平位移u關(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，即可判斷邊坡失穩(wěn)了。

庫(kù)水位W=5、8 m時(shí)，分別對(duì)坡體施加3種強(qiáng)度的降雨荷載，降雨持時(shí)72 h。在坡內(nèi)設(shè)置6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)孔隙水壓力p，以分析坡內(nèi)滲流場(chǎng)的變化。測(cè)點(diǎn)布置如圖4，每個(gè)縱向斷面上的測(cè)點(diǎn)為一組，共3組：Ⅰ-1，Ⅰ-2；Ⅱ-1，Ⅱ-2；Ⅲ-1，Ⅲ-2。邊坡的迎水面為外側(cè)，測(cè)點(diǎn)Ⅰ距離外側(cè)最近，稱為外側(cè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)Ⅲ距離外側(cè)最遠(yuǎn)，稱為內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)Ⅱ居中；1號(hào)為淺層測(cè)點(diǎn)，2號(hào)為深層測(cè)點(diǎn)。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意Fig. 4 Schematic of test points

3.1 單因素降雨強(qiáng)度對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響

3.1.1 對(duì)庫(kù)岸邊坡孔隙水壓力的影響

當(dāng)庫(kù)水位W分別為5、8 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力p隨著降雨持時(shí)T的變化曲線如圖5，工況30的滲流場(chǎng)演化矢量圖及塑性區(qū)位置云圖如圖6。

圖5 不同靜水位W、不同降雨強(qiáng)度R下的p-T曲線Fig. 5 p-T curves under different static water level W and different rainfall intensity R

圖6 工況30的滲流場(chǎng)演化矢量圖與塑性區(qū)位置云圖Fig. 6 Vectorgraph of seepage field evolution and nephogram of plastic zone location of working condition 30

由圖5、圖6可見：

1)當(dāng)庫(kù)水位W=5 m時(shí)，施加降雨荷載，淺層測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p變化基本相同，呈緩增趨勢(shì)；深層測(cè)點(diǎn)受庫(kù)水位以及破壞時(shí)塑性區(qū)貫通的影響，呈現(xiàn)先緩增、后下降的變化趨勢(shì)。坡前、坡后測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p變化的響應(yīng)時(shí)間快慢與變化幅度大小無(wú)較大差異。

2)庫(kù)水位W=8 m時(shí)，淺層測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p變化主要呈緩增趨勢(shì)，在降雨前期，測(cè)點(diǎn)Ⅰ的孔隙水壓力p響應(yīng)速度最快；在降雨后期，測(cè)點(diǎn)Ⅱ、Ⅲ的孔隙水壓力p均比測(cè)點(diǎn)Ⅰ的大。深層測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p變化呈現(xiàn)緩增、激增、下降3個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)坡體逐漸飽和、趨近破壞與破壞的時(shí)刻；從曲線的斜率可以看出，由于水平位置不同，深層測(cè)點(diǎn)Ⅱ、Ⅲ上方覆土厚度不同，測(cè)點(diǎn)Ⅱ孔隙水壓力p較測(cè)點(diǎn)Ⅲ對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)幅度更大、響應(yīng)速度更快。

3.1.2 對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性影響

無(wú)降雨或不同降雨強(qiáng)度，庫(kù)水位W分別為5、8 m(工況25～工況32)時(shí)，坡頂位移u與邊坡安全系數(shù)Fs關(guān)系曲線如圖7(a)。從圖中曲線拐點(diǎn)處可得到不同工況下庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)Fs值。據(jù)此，可繪制出庫(kù)水位W分別為5、8 m，降雨強(qiáng)度R分別為0、48.0、72.0、100.8 mm/d時(shí)，庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)Fs與降雨強(qiáng)度R關(guān)系曲線，如圖7(b)。由圖可見，在單因素降雨強(qiáng)度作用下，庫(kù)岸邊坡的Fs隨著R的增大而降低；庫(kù)水位越高，F(xiàn)s越低。表明持續(xù)性的大暴雨對(duì)高蓄水位庫(kù)岸邊坡坡體的穩(wěn)定性影響較大。

圖7 不同降雨強(qiáng)度R下，u-Fs及Fs-R的關(guān)系曲線Fig. 7 u-Fs and Fs-R curves under different rainfall intensity R

3.2 單因素庫(kù)水位升/降速率對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響

筆者以測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1、Ⅰ-2為例，分析當(dāng)庫(kù)水位以0.5、1.0、1.5 m/d的速率在5～8 m水位之間上升或下降時(shí)，庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性及滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。

3.2.1p-T曲線

庫(kù)水位下降(工況10～工況12)及庫(kù)水位上升(工況22～工況24)過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1、Ⅰ-2的孔隙水壓力p與降雨持時(shí)T關(guān)系曲線如圖8。

圖8 庫(kù)水位升/降過(guò)程中，庫(kù)岸邊坡測(cè)點(diǎn) Ⅰ-1、Ⅰ-2 的p-T曲線Fig. 8 p-T curves of measuring points Ⅰ-1 and Ⅰ-2 on the reservoir bank slope during reservoir water level rising/dropping

由圖8可見：

1)庫(kù)水位下降速率Vdr分別為0.5、1.0、1.5 m/d時(shí)，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1(淺層測(cè)點(diǎn))的孔隙水壓力p變化趨勢(shì)基本一致，為緩慢下降，但降幅并不明顯。表明由于巖土體本身的吸濕性，淺層測(cè)點(diǎn)區(qū)域的巖土體依舊呈近飽和狀態(tài)；測(cè)點(diǎn)Ⅰ-2(深層測(cè)點(diǎn))孔隙水壓力p的變化各不相同，工況12的p降低最快，隨著Vdr的增大，坡內(nèi)外水頭差導(dǎo)致朝著坡外側(cè)的滲流速率更快，表明由于砂層的存在，各工況深層測(cè)點(diǎn)與淺層測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力下降響應(yīng)速度無(wú)明顯差異。

2)隨著庫(kù)水位的上升，工況22～工況24各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力p逐漸增大。淺層測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1)p的變化趨勢(shì)大致可分為激增、緩增2個(gè)階段，分析原因是由于水位抬升前期坡內(nèi)外較大的水頭差引起朝向坡內(nèi)的滲流，從而使得坡前測(cè)點(diǎn)I組的p在短期內(nèi)激增；深層測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)Ⅰ-2)的p呈緩增趨勢(shì)，隨著庫(kù)水位上升速率Vrr的加快，p增大的幅度稍有增長(zhǎng)。

3.2.2 庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)Fs

庫(kù)水位下降(工況10～工況12)及庫(kù)水位上升(工況22～工況24)過(guò)程中，坡頂水平位移u與邊坡安全系數(shù)Fs關(guān)系曲線如圖9，曲線的拐點(diǎn)即庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)Fs值。因此，可從圖9中提取出對(duì)應(yīng)于庫(kù)水位下降速率Vdr及庫(kù)水位上升速率Vrr的庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)Fs值，結(jié)果見表5。

圖9 庫(kù)水位升/降過(guò)程中，庫(kù)岸邊坡的u-Fs曲線Fig. 9 u-Fs curves of reservoir bank slope during reservoir water level rising/dropping

表5 庫(kù)水位升/降過(guò)程中，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)Fs值Table 5 Fs value of unstable reservoir bank slope during reservoir water level rising/dropping

由表5可見：

1)5、8 m靜水位的Fs值表明，靜水位狀態(tài)下，庫(kù)水位越高，庫(kù)岸邊坡越易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)隨著庫(kù)水位從8 m下降到5 m，庫(kù)岸邊坡從基本穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)；庫(kù)水位下降速率Vdr越大，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)Fs越低，表明庫(kù)水位下降會(huì)導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)。

3)在庫(kù)水位以Vrr=0.5 m/d的上升速率從5 m升至8 m過(guò)程中，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù)為0.962，小于5、8 m靜水位的Fs值，此時(shí)，蓄水過(guò)程對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有削減作用；在庫(kù)水位以Vrr=1.0、1.5 m/d的上升速率從5 m升至8 m的過(guò)程中，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)時(shí)安全系數(shù)Fs的減小趨勢(shì)不明顯，甚至當(dāng)Vrr=1.5 m/d時(shí)還高于5、8 m靜水位的Fs值，表明當(dāng)庫(kù)水位上升速率大于一定閾值時(shí)，庫(kù)水位的上升對(duì)庫(kù)岸邊坡具有一定的加固作用。

3.2.3 滲流場(chǎng)及塑性區(qū)

圖10為工況10、22的滲流場(chǎng)演化矢量圖及塑性區(qū)位置云圖。

圖10 工況10、22的滲流場(chǎng)演化矢量圖與塑性區(qū)位置云圖Fig. 10 Vectorgraph of seepage field evolution and nephogram of plastic zone location of working condition 10 and 22

由圖10可見：

1)水位下降導(dǎo)致坡體內(nèi)、外滲流場(chǎng)發(fā)生改變〔圖10(a)〕，水位下降后，坡前緣產(chǎn)生了臨空排水面，坡內(nèi)滲流場(chǎng)向外側(cè)迅速拓展發(fā)育，加速了塑性區(qū)的貫通，最終引發(fā)坡體穩(wěn)定性急速下降，造成坡前土體發(fā)生牽引式破壞。

2)由于坡內(nèi)滲流場(chǎng)響應(yīng)的滯后性，坡外的高水頭引起朝向坡內(nèi)的滲流抑制了坡體塑性區(qū)的發(fā)育〔圖10(c)〕，從而暫時(shí)提高了坡體的穩(wěn)定性。蓄水時(shí)若坡體失穩(wěn)〔圖10(d)〕，塑性區(qū)上緣較庫(kù)岸水位下降時(shí)〔圖10(b)〕更靠近坡體外側(cè)，表明庫(kù)水位上升對(duì)庫(kù)岸邊坡具有一定的加固作用。

3.3 庫(kù)水位升/降耦合降雨對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響

3.3.1 對(duì)庫(kù)岸邊坡孔隙水壓力的影響

筆者選擇工況9、21、24、30、31，對(duì)比分析了單因素庫(kù)水位上升或降雨作用、庫(kù)水位上升/下降耦合降雨作用以及5 m靜水位工況下庫(kù)岸邊坡的安全性。這5種工況各測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力p與降雨持時(shí)T關(guān)系曲線見圖11。

圖11 工況9、21、24、30、31，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1、Ⅰ-2的p-T關(guān)系曲線Fig. 11 p-T curves of measuring points I-1 and I-2 under working condition 9, 21, 24, 30 and 31

由圖11可見：

1)對(duì)比工況31(R=0，W=5 m)、工況21(R=100.8 mm/d，V=1.5 m/d)及工況24(R=0，V=1.5 m/d)，庫(kù)水位上升耦合降雨對(duì)測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1(淺層測(cè)點(diǎn))孔隙水壓力p的作用僅比水位上升單因素作用稍大一點(diǎn)，兩者的差異可忽略不計(jì)；但與靜水位相比，p的增大趨勢(shì)則較明顯。3個(gè)工況下，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1孔隙水壓力p均隨著降雨持時(shí)的增加先激增后緩增；而庫(kù)水位上升時(shí)，無(wú)論耦合暴雨與否，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-2(深層測(cè)點(diǎn))孔隙水壓力p均隨著降雨持時(shí)的增加而緩慢增大。

2)對(duì)比工況9(R=100.8 mm/d，Vdr=1.5 m/d)與工況30(R=100.8 mm/d，W=8 m)，工況30庫(kù)水位8 m在降雨單因素作用下，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1(淺層測(cè)點(diǎn))孔隙水壓力p隨著降雨持時(shí)的增加而緩慢增大；工況9庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-1孔隙水壓力p隨著降雨持時(shí)的增加先緩增后緩降，當(dāng)水位下降一段時(shí)間后，p仍然維持在一定范圍內(nèi)，原因可能是由于降雨補(bǔ)給與土體自身的吸濕性共同作用，使得短期內(nèi)p得以維持。工況9庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-2(深層測(cè)點(diǎn))的p呈先緩降后驟降，而工況30降雨單因素作用時(shí)，測(cè)點(diǎn)Ⅰ-2的p呈先緩增后驟降。分析原因，可能是由于巖土體的吸濕性及局部孔隙水壓力響應(yīng)的滯后性，只有在庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)、塑性區(qū)貫通形成排水通道后，孔隙水壓力才出現(xiàn)驟降。

3.3.2 對(duì)庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)的影響

當(dāng)庫(kù)水位升/降速率分別為0.5、1.0、1.5 m/d，降雨強(qiáng)度分別為48.0、72.0、100.8 mm/d時(shí)，庫(kù)水位升/降耦合降雨作用，庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)Fs與降雨強(qiáng)度R的關(guān)系曲線如圖12。由圖可見：

1)庫(kù)水位上升耦合降雨時(shí)，降雨強(qiáng)度R越大，F(xiàn)s越小，且水位上升速率Vrr越大。庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)Fs下降越快。

2)庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)，水位下降速率Vdr越大，R對(duì)Fs的影響越小，當(dāng)Vdr=1.5 m/d時(shí)，R對(duì)Fs幾乎無(wú)影響。表明庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)，影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素是庫(kù)水位下降速率。

圖12 庫(kù)水位升/降耦合降雨時(shí)，F(xiàn)s-R關(guān)系曲線Fig. 12 Fs-R curves of reservoir bank slope when reservoir water level rises or falls coupled with rainfall

工況9、21、24、30、31的庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)值見表6。

表6 工況9、21、24、30、31，庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)值Table 6 Safety factor value of reservoir bank slope under working condition 9, 21, 24, 30 and 31

由表6可見：

1)庫(kù)水位上升時(shí)，庫(kù)水位W=5→8 m(工況31→工況24)，F(xiàn)s=1.330→1.350，F(xiàn)s增大了1.5%。分析原因：庫(kù)水位上升時(shí)，由于水頭差引起的朝向坡內(nèi)的滲流力抑制了坡體塑性區(qū)的發(fā)育，因此在短期內(nèi)對(duì)坡體具有加固作用。庫(kù)水位上升耦合降雨時(shí)，W=5→8 m，R=0→100.8 mm/d(工況31→工況21)，F(xiàn)s=1.330→0.977，F(xiàn)s減小了26.5%。分析原因：由于降雨使坡體快速濕潤(rùn)飽和軟化，同時(shí)坡體內(nèi)、外水頭差減小，庫(kù)水位上升導(dǎo)致的短期加固作用降低，最終使得邊坡安全系數(shù)下降。

2)降雨時(shí)，庫(kù)水位W=8 m(工況30)，F(xiàn)s=0.957；庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)(工況9)，F(xiàn)s=0.853，與工況30單因素降雨作用相比，庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)Fs減小了約13%。分析原因：降雨使坡體濕潤(rùn)軟化，以及水位下降引起的朝向坡外的滲流力，兩者共同作用加速了庫(kù)岸邊坡塑性區(qū)貫通，導(dǎo)致坡體發(fā)生牽引式破壞。

綜上，庫(kù)水位上升耦合降雨對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響不大，該結(jié)論與文獻(xiàn)[16]的結(jié)論一致。庫(kù)水位下降耦合降雨時(shí)，水位下降是影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的主要因素，而降雨也會(huì)增大坡體容重，使得土體軟化，從而加速了庫(kù)岸邊坡的失穩(wěn)破壞。

3.3.3 滲流場(chǎng)演化趨勢(shì)與塑性區(qū)位置

圖13為工況9、20所對(duì)應(yīng)的邊坡滲流場(chǎng)演化矢量圖及塑性區(qū)位置云圖。

圖13 工況9、20的滲流場(chǎng)演化矢量圖及塑性區(qū)位置云圖Fig. 13 Vectorgraph of seepage field evolution and nephogram of plastic zone location of working condition 9 and 20

由圖13可見：在坡體失穩(wěn)時(shí)，滲流場(chǎng)流速指向線均指向坡體塑性區(qū)，此時(shí)塑性區(qū)已經(jīng)貫通，在坡體內(nèi)部形成了排水通道。在摸擬過(guò)程中，降雨、坡前水位變化、坡內(nèi)滲流共同參與了邊坡滲流場(chǎng)的發(fā)育過(guò)程，滲流導(dǎo)致塑性區(qū)貫通，從而改變了滲流場(chǎng)。研究表明，庫(kù)岸邊坡坡體失穩(wěn)與滲流場(chǎng)的發(fā)育有著密不可分的關(guān)系。

4 結(jié) 論

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)典型庫(kù)岸邊坡模型進(jìn)行了流固耦合與強(qiáng)度折減分析，得到以下結(jié)論：

1)雨水入滲加速了塑性區(qū)貫通，降低了坡體的穩(wěn)定性；降雨強(qiáng)度越大，坡體穩(wěn)定性越差。

2)庫(kù)水位下降導(dǎo)致坡體失穩(wěn)，水位下降速率越大，坡體穩(wěn)定性下降越快；水位上升減緩了滲流對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，抑制了坡體塑性區(qū)的發(fā)育，在短期內(nèi)增強(qiáng)了坡體的穩(wěn)定性。

3)庫(kù)水位下降耦合降雨作用對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響最顯著，其中庫(kù)水位下降是引起坡體穩(wěn)定性快速下降的主導(dǎo)因素；庫(kù)水位上升耦合降雨作用對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響不大，但蓄水完成后高水位會(huì)導(dǎo)致邊坡有效應(yīng)力減小，使坡體穩(wěn)定性大幅削減。

4)降雨、坡內(nèi)滲流及邊界水力梯度共同影響著滲流場(chǎng)的發(fā)育，而滲流場(chǎng)的發(fā)育又影響著坡體塑性區(qū)的發(fā)育，這是邊坡失穩(wěn)的內(nèi)因之一。