張少琴,向 玲,王 力(三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002)

1 問題的提出

非飽和土滑坡的穩(wěn)定性與降雨及庫水位升降有著密切的關系,三峽水庫在正常蓄水運營后,大量的邊坡體在庫水位周期性變化范圍內(nèi),實踐表明,庫水位周期性漲落對邊坡穩(wěn)定性的失穩(wěn)有顯著作用。例如：自1941年Rasevelt湖蓄水以來,49%的滑坡發(fā)生在庫區(qū)蓄水初期,30%發(fā)生在水位驟降期；在日本約60%水庫滑坡發(fā)生在庫水位驟降期,而另外40%基本發(fā)生在水位上升期。國內(nèi)外學者針對庫水位升降所引起的邊坡失穩(wěn)問題做了大量的相關研究[1-5],羅紅明(2008年)在對三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡進行數(shù)值模擬計算后,得出庫水位上升時滑坡穩(wěn)定性系數(shù)有總體逐漸增大趨勢,而庫水位下降時滑坡穩(wěn)定性總體逐步減小[3]。劉才華(2005年)認為在庫水位上升過程中,邊坡的穩(wěn)定性有一個先降低后增加的過程[4]。梁學戰(zhàn)(2012年)則分析了三峽庫區(qū)庫水位升降作用下不同滲透系數(shù)滑坡體浸潤線的分布規(guī)律及滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律[5]。以上研究均未從庫水位升降速率考慮對滑坡穩(wěn)定性影響。

本文以三峽庫區(qū)秭歸縣某滑坡為研究對象,利用有限元計算軟件,在三峽水庫正常運營最危險工況基礎上取不同庫水位升降速率進行滑坡滲流計算,獲得不同庫水位升降速率下的地下水位,采用Morgenstern-Prince法,考慮庫水位升降速率變化引起的地下水位變化,計算獲得滑坡在不同庫水位升降速率條件下的穩(wěn)定系數(shù)。

2 飽和—非飽和滲流計算基本理論

浸潤線是飽和土體與非飽和土體的分界線,庫水位升降作用下滑坡體內(nèi)地下水浸潤線的變化屬于飽和與非飽和問題,在庫水位升降過程中,滑體內(nèi)地下水浸潤線也有規(guī)律的起伏,飽和土與非飽和土的作用面積隨之發(fā)生變化,根據(jù)質(zhì)量守恒及Darcy定律可得到二維的飽和與非飽和滲流控制方程：

非飽和滲流問題的邊界條件有多種形式,本文研究的問題是降雨作用下不同庫水位變化速率引起的滑坡體內(nèi)暫態(tài)滲流場浸潤線的變化情況,邊界條件主要包含定水頭邊界及定流量邊界2類：

3 穩(wěn)定性計算理論

涉水邊坡穩(wěn)定性分析不僅要考慮飽和區(qū)地下水壓力變化影響,而且還應考慮非飽和區(qū)基質(zhì)吸力變化影響,故采用Fredlund(1978年)提出的考慮了負空隙水壓力的非飽和土抗剪強度公式(4)：

式中,φ''為隨吸力變化的內(nèi)摩擦角 (°)。相較Bishop的理論公式,式(4)強調(diào)了負孔隙水壓力對非飽和抗剪強度的影響,且式(4)參數(shù)確定較容易,目前得到巖土界的廣泛認可。

本例中用Morgenstern-Price法在考慮基質(zhì)吸力情況下計算不同速率庫水位升降作用滑坡的穩(wěn)定性變化。運用Geostudio軟件,將在Seep/W模塊模擬二維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的飽和—非飽和滲流有限元計算進行滲流場分析,再將分析結果導入Slope/W模塊中,進行穩(wěn)定性分析。該程序需輸入的已知條件包括滑坡剖面、各地層的土水特征曲線、各地層非飽和滲透函數(shù)和水頭降雨等邊界條件。

4 考慮不同工況的模擬分析

4.1 計算模型

模擬計算以三峽庫區(qū)秭歸縣某滑坡作為計算對象,根據(jù)該滑坡地質(zhì)勘察報告及物探資料,滑動面選擇滑帶土中某一光滑層面?；掠嬎隳Ｐ鸵妶D1,網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格,共有節(jié)點7839個,7715個單元,計算方法為考慮基質(zhì)吸力的Morgenstern-Price法。

圖1 滑坡計算模型圖

4.2 邊界及材料條件

根據(jù)三峽庫區(qū)秭歸縣某滑坡地質(zhì)勘察報告關于巖土體的物理力學參數(shù)建議值和反演獲得的滑體凝聚力和摩擦角,類比三峽庫區(qū)其它類似滑坡巖土體的物理力學性質(zhì)參數(shù)值,綜合確定該滑坡二維有限元數(shù)值計算參數(shù),該滑坡滑體及滑帶的土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線見圖2、3,其他物理力學參數(shù)值見表1。

表1 滑坡計算參數(shù)表

滑坡在降雨和水庫水位變化條件下滲流的邊界條件描述如下：

水頭邊界：該斜坡前緣被庫水浸沒部分為水頭邊界。

流量邊界：斜坡表面處取降雨引起入滲的流量邊界,當降雨強度大于坡面巖土體的入滲速度時,取巖土體的入滲速度值作為邊界流量值；當降雨強度小于坡面巖土體的入滲速度時,取降雨強度值作為邊界流量值,取降雨強度計算。

兩側(cè)和底部滲流邊界：模型底面和兩側(cè)為自由滲流邊界,在此由于基巖的滲透性很小,可認為是不透水邊界。

圖2 滑體土土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線圖

圖3 滑帶土土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線圖

4.3 計算工況

三峽庫周期性運營狀況直接影響庫區(qū)滑坡的滲流場變化,本文按照三峽水庫蓄水后正常運營時的水位調(diào)節(jié)方案,分為如下3個工況(見表2)：

表2 計算工況及荷載組合表

4.4 滲流模擬結果

采用飽和—非飽和非恒定滲流理論計算滑坡在各工況下滑坡體內(nèi)的地下水位和孔隙水壓力的變化基本與庫水位變動同步(見圖4)。由圖4(a)、(b)可見,水位下降時地下水位下降稍滯后與庫水位,表現(xiàn)出指向坡外的滲透壓力。由圖4(c)可以看出,隨著庫水位上升,滑坡體內(nèi)地下水位現(xiàn)明顯滯后于庫水位上升,地下水出現(xiàn)“倒流” 現(xiàn)象,表現(xiàn)出指向坡內(nèi)的滲透壓力。

圖4 滑坡在各工況下地下水位變化示意圖

4.5 穩(wěn)定性計算

通過考慮飽和—非飽和滲流場與應力場耦合的有限元法,計算庫水變動工況下疊加50a一遇強度降雨時的該滑坡穩(wěn)定性變化情況。不同庫水位變動疊加降雨時該滑坡安全系數(shù)變化曲線見圖5?？梢钥闯?在3d 50a一遇強度的降雨作用下,庫水位由175.0m下降至145.0m(下降速率1.0m/d)庫水向坡體外滲流產(chǎn)生向內(nèi)滲透力,坡體安全系數(shù)均顯現(xiàn)不同幅度的下降,從175.0m初始時刻的1.111下降為1.050。而庫水位由162.0下降至145.0m(下降速率2.0m/d)過程中,坡體安全系數(shù)由1.088下降到1.044,且下降趨勢明顯。庫水位由145.0m上升到175.0m的水位上升過程中,庫水向坡體內(nèi)滲流產(chǎn)生向內(nèi)滲透力,降雨作用下,安全系數(shù)由1.091上升到1.141。

5 考慮不同庫水位升降速率的模擬分析

根據(jù)第3節(jié)滑坡二維穩(wěn)定性分析結果,該滑坡最危險工況為工況a(庫水位從162.0m水位驟降至145.0m+50a一遇暴雨),在該工況條件下,滑坡的穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.044,滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

取不同庫水位升降速率 (以最危險工況下的庫水位下降速率2.0m/d為初始值逐漸增加)進行滑坡滲流計算,獲得不同庫水位升降速率下的地下水位,采用Morgenstern-Prince法,考慮庫水位升降速率變化引起的地下水位變化,計算獲得滑坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定系數(shù),計算結果見圖6。由圖6可見,水位下降速率增大的初始階段,安全系數(shù)出現(xiàn)一個明顯的陡降過程,而大于3.0m/d的水位降幅后,安全系數(shù)減小速度變緩。在50a一遇降雨作用下,當庫水位下降速率達到8.0m/d時,滑坡安全系數(shù)小于1.000,處于失穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 穩(wěn)定系數(shù)隨庫水位升降變化曲線圖

圖6 不同庫水升降速率下滑坡穩(wěn)定系數(shù)變化圖

6 結 語

(1)在暴雨作用下,隨著庫水位上升,穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大；隨著庫水位下降,穩(wěn)定系數(shù)逐漸下降,滑坡受動水壓力作用明顯。

(2)隨著庫水下降速率的增大,滑坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小,且在速率變化的初期階段,穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)明顯的陡降。在庫水位達到3.0m/d后,速率變化導致安全系數(shù)減小的幅度逐步減緩。

(3)在該庫水位運行最危險工況下,升降速率由2.0m/d增加到極限值8.0m/d時,穩(wěn)定系數(shù)小于1.000,該滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。

[1] Lane P A,Griffiths D V.Assessment of stability of slopes under drawdown conditions[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2000,126(5)：443-450.

[2]王力.降雨作用下不同滲透性系數(shù)對滑坡穩(wěn)定性的影響[J].浙江水利科技,2013(4)：1-6.

[3]羅紅明,唐輝明,章廣成,等.庫水位漲落對庫岸滑坡穩(wěn)定性的影響 [J].地球科學—中國地質(zhì)大學學報,2008,33(5)：687-692.

[4]劉才華,陳從新,馮夏庭.庫水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機理研究[J].巖土力學,2005,26(5)：769-773.

[5]梁學戰(zhàn),陳洪凱.庫水位升降條件下不同滲透性的滑坡體穩(wěn)定性變化規(guī)律[J]中國地質(zhì)災害與防治學報,2012,23(4)：20-26.

[6]王力,王世梅,楊貝貝.庫水位變動條件下水—土特征曲線對滑坡穩(wěn)定性計算結果的影響研究[J].三峽大學學：自然科學版,2012,34(3)：10-14.