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        三峽庫區(qū)西沱滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算分析

        2018-09-05 08:49:38鄭華康周佳慶
        江西水利科技 2018年4期
        關(guān)鍵詞:穩(wěn)定滲流變形體庫水

        王 敏,李 毅,尚 欽,鄭華康,周佳慶

        (1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430010;2.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院,湖南 長沙 410076)

        0 引 言

        在水庫運(yùn)行期,庫水位隨著水庫的調(diào)節(jié)不斷地發(fā)生改變,引起水庫周圍地下水變化,使得庫岸巖土體的性質(zhì)隨著水環(huán)境的變化而發(fā)生調(diào)整,進(jìn)而影響到庫岸邊坡的穩(wěn)定性[1,2]。近幾年,隨著三峽水庫的運(yùn)行,國內(nèi)外對(duì)庫水作用下岸坡穩(wěn)定性分析開展了廣泛的研究工作[3,4],在非穩(wěn)定滲流計(jì)算過程中,地下水浸潤面的確定與計(jì)算方法的選擇有著密切關(guān)系,在缺乏實(shí)測資料的條件下,準(zhǔn)確地模擬庫水漲落條件下坡體內(nèi)浸潤面的變動(dòng)過程,才能對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的演化進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

        作為國際通用的三維巖土力學(xué)軟件之一,F(xiàn)LAC3D在求解流-固耦合問題有著明顯優(yōu)勢[5],主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是可采用飽和-非飽和的方法,對(duì)非穩(wěn)定滲流自由面進(jìn)行模擬,二是可以利用fish語言,對(duì)FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)流-固耦合的間接模擬?;谏鲜鰞?yōu)勢,本文以西沱變形體為工程背景,采用FLAC3D模擬庫水變動(dòng)條件下岸坡變形體的非穩(wěn)定滲流場,應(yīng)用強(qiáng)度系數(shù)折減法研究邊坡變形體的穩(wěn)定性演化過程。

        1 變形體穩(wěn)定性分析

        1.1 水庫運(yùn)行對(duì)岸坡的影響

        水庫在運(yùn)行期水位的漲落對(duì)庫區(qū)岸坡的作用是一種典型的水-巖相互作用過程,如圖1所示,主要體現(xiàn)在巖土體力學(xué)參數(shù)以及所受荷載的變化上。

        圖1 水-巖作用示意圖

        以三峽水庫為例,其運(yùn)行期水位變動(dòng)的范圍在145.00~175.00 m之間,如圖2所示,在水庫蓄水和泄水過程中,庫岸地下水的抬升和降落一般是滯后庫水的變動(dòng),滯后效應(yīng)一般由水庫水位消漲的速率、巖土體的滲透參數(shù)及山體地下水的補(bǔ)給等因素綜合決定,它們將直接影響到庫岸邊坡的滲透水壓力的變化,對(duì)岸坡的穩(wěn)定性可能造成不利的影響,導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

        1.2 強(qiáng)度折減法

        在強(qiáng)度折減法計(jì)算過程中,把庫岸巖體的強(qiáng)度參數(shù)(抗剪強(qiáng)度值c和φ)除以一個(gè)折減系數(shù)Ft,得到新的強(qiáng)度參數(shù)c1和φ1,進(jìn)行重新計(jì)算,并不斷增大折減系數(shù),直到邊坡失穩(wěn),此時(shí)的折減系數(shù)Ft便為岸坡對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)Fs[6]。于是有

        (1)

        本文巖土材料考慮理想彈塑性模型,采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,其形式如下:

        -cosφ=0

        (2)

        式中:I1為應(yīng)力張量的第1不變量;J2為應(yīng)力偏張量的第2不變量;θ為羅德角。

        圖2 水庫運(yùn)行條件下岸坡水位變化示意圖

        2 數(shù)值模擬

        2.1 西沱變形體地質(zhì)條件

        重慶市石柱縣城北約47.00 km的西沱鎮(zhèn)位于三峽水庫右岸,在庫區(qū)145.00~175.00 m庫水消漲區(qū)間存在一松軟滑坡變形區(qū),其工程地質(zhì)平面圖如圖3所示,其中地質(zhì)剖面3-3’如圖4所示。西沱變形體前緣高程為112.00~116.00 m,后緣高程180.00~219.83 m,直至坎崖,平均高差107.80 m,主滑方向318°,長215.00 m,寬305.00 m,一般厚度在2.40~12.00 m,具后緣厚、前緣薄之特點(diǎn),面積約6.56×104m2,體積約39.3×104m3。變形體地表廣泛分布第四系堆積物,為松散土層,多為粘性土,通過現(xiàn)場壓水實(shí)驗(yàn)測得該松散粘性土的透水性在10~50 Lu之間,約為1.32~4.12×10-4cm/s,不利于降水或庫水的快速入滲。

        從地質(zhì)平面圖和剖面圖可以看出:變形體前緣部分潛在滑移面較緩,后緣較陡,在庫水的動(dòng)、靜壓力作用下,容易造成變形體的荷載加重,受推移下滑力的影響,后緣的粉質(zhì)粘土容易出現(xiàn)土體拉裂,可能導(dǎo)致變形體整體失穩(wěn),造成岸坡發(fā)生大規(guī)?;疲:靺^(qū)安全,需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

        圖3 西沱變形體工程地質(zhì)平面圖

        圖4 3-3’地質(zhì)剖面圖

        2.2 有限元模型和計(jì)算條件

        選擇3-3’地質(zhì)剖面作為典型剖面,建立如圖5所示的數(shù)值模型,計(jì)算模型共劃分單元1 492個(gè),節(jié)點(diǎn)3 176個(gè)。采用三峽水庫運(yùn)行計(jì)劃,分四個(gè)階段模擬水庫水位的變化過程:(1)145.00 m穩(wěn)定水位;(2)145.00 m升至175.00 m水位,水位上升速度為1 m/d;(3)175.00 m穩(wěn)定水位;(4)175.00 m下降至145.00 m水位,水位下降速度為1 m/d。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查得到山體側(cè)的水位在庫水上升期和下降期分別為160.00 m和175.00 m,水庫蓄水前,長觀孔ZK401常年水位約為145.33 m。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值結(jié)合現(xiàn)場勘察和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)[7]綜合確定,非飽和滲透參數(shù)根據(jù)工程類比[8]得到,如表1所示。

        圖5 計(jì)算模型圖

        巖土體飽和滲透系數(shù)/(cm/s)給水度μ單位貯存量/(10-6m-1)重度/(kN/m3)天然強(qiáng)度參數(shù)飽和強(qiáng)度參數(shù)天然飽和c/kPaφ/(°)c′/kPaφ′/(°)變形體(Qcol4+ Qdl4)2×10-40.1803.020.720.915.512.511.49.3基巖(J2s)1×10-60.0201.026.527.0870.035.0870.035.0

        2.3 非穩(wěn)定滲流場模擬

        采用飽和-非飽和的方法計(jì)算岸坡的非穩(wěn)定滲流場。對(duì)FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā),運(yùn)用修改滲透系數(shù)法精確求解滲流的自由面和溢出位置,其具體方法和實(shí)現(xiàn)過程見李毅等[5]。首先計(jì)算145.00 m穩(wěn)定水位條件下的邊坡滲流場,得到長觀孔ZH401的水位為145.36 m,與實(shí)測值(145.33 m)相差較小,說明滲流參數(shù)取值及初始水文邊界合理。初始滲流場如圖6所示,在低水位條件下,山體側(cè)地下水位較高,自由面均勻的向坡面下降。在145.00 m水位穩(wěn)定滲流場模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行蓄水過程模擬,通過編輯時(shí)間函數(shù),改變邊界水位,并將自由面以上材料的滲透系數(shù)重新定義為飽和滲透系數(shù),進(jìn)行下一水位的計(jì)算,得到不同時(shí)間(對(duì)應(yīng)不同水位)岸坡的滲流場。蓄水剛完成,水位上升到正常蓄水位175.00 m時(shí),岸坡滲流場等水頭云圖如圖7所示,由圖可以看出,由于坡面水位的提升,岸坡周圍地下水來不及調(diào)整,形成坡面水向后延山體補(bǔ)給的趨勢。不同時(shí)刻岸坡自由面位置如圖8所示,當(dāng)坡面水位高于山體側(cè)水位時(shí),隨著庫水位不斷的抬升,由于滑坡變形體較基巖滲透性較大,變形體材料區(qū)域自由面下降較慢,水位較高,而基巖內(nèi)自由面下降較快,滑坡體底面水位抬升較慢,滲透壓力方向指向坡內(nèi),有利于滑坡變形體的穩(wěn)定。

        圖6 145.00 m初始水位時(shí)等水壓云圖

        圖7 水位上升至175.00 m時(shí)等水頭云圖

        圖8 水位上升過程中不同時(shí)期的邊坡的自由面

        與蓄水期工況類似,編輯時(shí)間函數(shù),計(jì)算水庫水位消落工況,得到不同時(shí)間岸坡的非穩(wěn)定滲流場。水位下降過程中各水位狀態(tài)下的岸坡浸潤面如圖9所示,隨著庫水位的下降,地下水不斷由山體側(cè)向河道補(bǔ)給,并隨著降落時(shí)間的增加,滑坡變形體坡底和坡面水位差不斷增大,從而形成較大動(dòng)水壓力,將不利于滑坡變形體的穩(wěn)定性。

        圖9 水位下降過程中不同時(shí)期的邊坡自由面

        2.4 穩(wěn)定性演化

        通過計(jì)算得到非穩(wěn)定條件下水庫蓄水和降水的滲流場,考慮孔隙水壓力變化對(duì)變形體的影響,對(duì)FLAC3D進(jìn)行二次開發(fā),采用強(qiáng)度折減法求解滑坡變形體的安全系數(shù)。表2和表3分別給出了庫水上漲和消落過程中滑坡變形體的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。值得說明的是,在初始穩(wěn)定水位狀態(tài)下,該安全系數(shù)代表滑坡變形體初始條件下的穩(wěn)定性,為穩(wěn)定滲流場條件下的計(jì)算結(jié)果,其余水位對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)則為非穩(wěn)定滲流條件下的結(jié)果。

        水位上漲過程中,初始低水位(145.00 m)條件下滑坡變形體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),安全系數(shù)為1.269,隨著庫水不斷上漲,滑坡變形體的安全系數(shù)逐漸增大,當(dāng)達(dá)到正常蓄水位175.00 m時(shí),安全系數(shù)也增至最大值為1.313,表明滑坡變形體一直處于較為穩(wěn)定狀態(tài)。從非穩(wěn)定滲流場分析可以得到,在水位上升過程中,滑坡底面水位抬升較慢,變形體內(nèi)的動(dòng)水壓力主要指向坡內(nèi),增加了滑坡變形體的抗滑力,從而增加了其穩(wěn)定性。但總體而言,安全系數(shù)增加不大。

        水位消落過程中,初始高水位(175.00 m)條件下,滑坡變形體的安全系數(shù)較大為1.297,表明變形體比較穩(wěn)定,隨著庫水的消落,滑坡變形體的安全系數(shù)也逐漸下降,當(dāng)庫水位降至150.00 m時(shí),滑坡變形體開始出現(xiàn)了局部位移快速增大,出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,失穩(wěn)時(shí)滑坡變形的剪應(yīng)變率云圖如圖10所示。眾多的實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明[9],當(dāng)邊坡失穩(wěn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的局部化剪切變形,這種局部化現(xiàn)象一旦發(fā)生,表明邊坡已經(jīng)發(fā)生了明顯的失穩(wěn)破壞。由非穩(wěn)定滲流分析可以得到,水位下降過程中,滑坡變形體內(nèi)動(dòng)水壓力方向指向坡面,不利變形體的穩(wěn)定安全,且水位下降越大,動(dòng)水壓力越大,滑坡變形體穩(wěn)定性越差。

        表2 庫水上漲過程中變形體安全系數(shù)

        表3 庫水消落過程中變形體安全系數(shù)

        圖10 滑坡變形體失穩(wěn)時(shí)剪應(yīng)變率云圖

        3 結(jié) 論

        本文以西沱滑坡變形體為分析對(duì)象,采用數(shù)值模擬方法分析變形體的穩(wěn)定性,得到的主要結(jié)論如下:

        (1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,變形體的穩(wěn)定性隨庫水上升而增強(qiáng),隨庫水下降而降低;

        (2)水庫水位的周期性漲落帶來水環(huán)境的改變,影響庫岸巖土體的水巖相互作用,可能導(dǎo)致巖土體因不能繼續(xù)保持與周圍環(huán)境的平衡而發(fā)生失穩(wěn)等災(zāi)變;

        (3)建議加強(qiáng)對(duì)變形體潛在滑裂區(qū)的位移監(jiān)測,并在滑裂面出口新建擋土墻或抗滑樁;

        (4)本次計(jì)算未考慮庫水對(duì)巖土參數(shù)的弱化作用,對(duì)于遇水軟化的巖土材料,需要進(jìn)一步考慮這一特性。

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