陳 園

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 背景

我國工程地質水文地質條件十分復雜，隨著工程建設出現(xiàn)了大量涉水邊坡，而河水流量受季節(jié)影響很大，河水高程不斷發(fā)生變化，給兩岸高陡邊坡穩(wěn)定性造成了極大影響。因此，研究水位變化條件下的巖質邊坡穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實意義［1-3］。

坡前水位降落引起的坡內復雜滲流狀態(tài)，使得坡內滲流場及應力場相互影響比較明顯。由于坡前水位降落，使得坡內水位明顯滯后與坡外水位，坡內孔隙水來不及消散，產生孔隙水壓力差。坡內外形成的水頭差引起滲流運動，滲流產生的動水力以滲透體積力和靜止水壓力的形式作用于巖土介質［4-7］。滲流場對巖土場的影響，會直接使巖土體介質應力場發(fā)生變化，造成的位移場變化會進一步影響土體介質孔隙率，進而影響巖體內部的各項滲流特性，同時改變了滲流分布規(guī)律［8-11］。

本文結合典型的庫岸巖質邊坡工程實例，分析庫區(qū)滑坡的分布及其特征，建立蓄水運行條件下的邊坡穩(wěn)定性計算模型，基于滲流場對坡體進行穩(wěn)定性計算，分析水庫運行過程中邊坡的穩(wěn)定性演變趨勢及其影響因素。

2 邊坡地質條件及參數(shù)

庫岸巖質邊坡地貌屬低山峽谷區(qū)，山巒疊嶂，峰高谷深，山脈多呈南北或北東走向，與構造線展布方向大體一致，屬于典型的順層高陡巖質邊坡。該公路邊坡研究區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)填筑土（Qm4e）、坡殘積碎石土（Qd4l+el），下伏基巖為寒武系下統(tǒng)梅林寺組（∈m1）。

根據(jù)工程地質勘查報告，獲取了該涉河公路邊坡各巖層的力學參數(shù)建議值，如表1。

表1 邊坡有限元力學參數(shù)建議值

3 研究方法

本次邊坡的穩(wěn)定計算采用有限元軟件PLAXIS［12］，使用滲流模塊和邊坡穩(wěn)定計算模塊。

邊坡穩(wěn)定采用目前流行的有限元強度折減法。計算模型選取的應力場邊界條件為：①邊坡底部采用水平和豎直方向的完全約束條件；②左右采用水平約束條件；③進行滲流場與應力場的耦合分析時，有限元劃分網(wǎng)格中的每個節(jié)點都創(chuàng)建了3個方程，2個平衡方程（位移），1個滲流連續(xù)方程（孔隙水壓力）。

在耦合固結分析中，平衡和滲流方程同時被求解。計算模型如圖3。

圖1 邊坡有限元模型網(wǎng)格劃分

4 計算結果及分析

4.1 坡內應力場分布規(guī)律

對坡前標高水位在601~560m之間降落的過程中邊坡應力場進行研究。

圖2和圖3給出了水位標高為601m初始穩(wěn)定滲流狀態(tài)及坡前水位降落至591，581，571，560m坡內平均有效應力等值線云圖。

圖2 不同水位坡體平均有效應力分布等值線

從初始穩(wěn)態(tài)平均有效應力等值線云圖計算結果可知，符合一般斜坡有效應力分布特征，量級合理，表明本次數(shù)值模擬結果合理。平均有效應力方向基本平行坡面方向，隨著坡體深度增加，平均有效應力不斷增大；隨著水位下降，平均有效應力不斷增多，水位降低41m時，平均有效應力達3.86×103kN/m2。

圖3 不同坡前水位坡體孔隙水壓分布

由圖3可知，孔隙水壓隨航道水位降低而不斷減小，當水位保持穩(wěn)定時，孔隙水壓分布較均勻，滲流趨于穩(wěn)定。

4.2 坡內變形場分布規(guī)律

在坡內應力場變化規(guī)律分析基礎上，研究坡內變形場變化。分析水位降低過程左岸邊坡變形場變化，規(guī)定水平位移以順坡向位移為正（向右），逆坡向位移為負（向左）；垂直位移為向下為負，向上為正。

圖4、圖5分別給出了水位降落不同時刻的坡體增量位移。庫水位從初始最高水位下降10m后，邊坡發(fā)生沿邊坡走向位移（向左），最大值8.37×10-6m，數(shù)值較小，集中分布在淺水面附近一定深度及水位線以上部分表層巖體。隨著水位繼續(xù)下降，水面附近巖體繼續(xù)發(fā)生向左的水平位移，當下降20，30，41m時，造成水平向增量位移極值分別達7.18×10-6，34.10×10-6，51.30×10-6m，增大趨勢明顯。

圖4 不同水位水平向變形等值線

圖5 不同水位豎向變形等值線

隨著水位降低，灰色集中區(qū)域逐漸往下發(fā)展，范圍減小，如水位下降41m后，僅有水位線上碎石土發(fā)生較大水平位移，說明水位下降后期，前期發(fā)生較大位移的上部巖體已基本穩(wěn)定，受后期水位變化影響小。

如圖5，庫水位從初始最高水位下降10m后，邊坡發(fā)生垂直位移，最大值33.81×10-6m，相對水平向更大，集中分布在降水水面上，即由于降水而出露部位。當水位下降20m后，水位降由10~20m之間較陡坡面出露，垂直位移集中區(qū)域范圍增加，如圖5（b）。

隨著水位繼續(xù)下降，邊坡繼續(xù)向下位移，當水位下降30m和41m時，垂直向增量位移極值分別為72.26×10-6，111.65×10-6m。 云圖灰色集中區(qū)域逐漸往下發(fā)展，范圍逐漸縮小，達到最低水位時，僅有最低水面線上碎石層發(fā)生較大垂直位移。此階段邊坡巖體發(fā)生沉降，數(shù)值比水平向更大，分布范圍出現(xiàn)先增加后減小趨勢。

結果表明，云圖隨水位變化趨勢基本與垂直增量位移趨勢相同，說明水位下降對邊坡垂直變形影響比水平向更明顯。

4.3 坡體安全系數(shù)分析與評價

邊坡穩(wěn)定性分析主要采用安全系數(shù)進行反映。因此，在考慮滲流作用基礎上，采用有限元強度折減法計算不同水位下邊坡的安全系數(shù)。右岸邊坡安全系數(shù)隨水位降落分布如表2。

由表2可知，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，后期安全系數(shù)增幅相比左岸明顯；庫水位下降初期（20m內），安全系數(shù)減小不明顯，但降落后期，安全系數(shù)迅速減小，當水位降至最低通航水位41m時，安全系數(shù)達最小值1.218，之后水位繼續(xù)降落至谷底過程安全系數(shù)分布在1.29，逐漸穩(wěn)定。

右岸坡體折減計算破壞區(qū)域如圖6。

表2 水位降低過程坡體安全系數(shù)

圖6 右岸坡體折減計算破壞區(qū)域

由圖6可知，破壞滑裂面位于地勢陡峭的表層堆積碎石層。最高通航水位（降41m）右岸部分碎石層淹沒在水下，安全系數(shù)相對較大，可達1.592；水位下降到20m后，淹沒碎石層出露，受到坡體滲透力及有效應力增大作用，而且碎石層本身抗剪強度較低，造成安全系數(shù)迅速降低，最低通航水位時僅有1.218。同樣，最低通航水位降至谷底時，危險位置也出現(xiàn)在碎石層上部較陡峭部位，由于后期水位下降時已經(jīng)遠離危險位置，所以邊坡穩(wěn)定性波動較小，安全系數(shù)均在1.29。

5 結語

（1）水位下降過程中，坡體平均有效應力方向基本平行坡面方向，隨著坡體深度增加，平均有效應力不斷增大；隨著水位下降，平均有效應力不斷增多，水位降低41m時，平均有效應力達3.86×103kN/m2?？紫端畨弘S水位降低而不斷減小，當水位保持穩(wěn)定時，孔隙水壓分布較均勻，滲流趨于穩(wěn)定。

（2）隨著水位下降，邊坡發(fā)生位移變形區(qū)域逐漸往下發(fā)展，范圍逐漸縮小，達到最低水位時，僅有最低水面線上碎石層發(fā)生較大垂直位移。此階段邊坡巖體發(fā)生沉降，數(shù)值比水平向更大，分布范圍出現(xiàn)先增加后減小趨勢。

（3）邊坡安全系數(shù)隨著水位降落均呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，但總體表現(xiàn)為隨水位降低安全系數(shù)減小。

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