余志剛 莫勇剛 蔣博林 陰可

摘要：為研究水位升降速度時巖質(zhì)岸坡變形及穩(wěn)定性的影響，以某水庫高陡邊坡的庫水位升降為背景，采用Geo-Studio系列有限元分析軟件，對庫水位升降進(jìn)行了全過程緩變、全過程急變、單獨急速降水及單獨急速升水4種條件下的流固耦合數(shù)值模擬，研究庫水位升降全過程中升降速度對岸坡巖體變形位移、“近似蠕變”及穩(wěn)定安全系數(shù)的影響效應(yīng)，單獨升、降庫水位條件下升降速度對岸坡巖體變形位移、穩(wěn)定安全系數(shù)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：增大庫水位升降全過程速度對觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規(guī)律幾乎無影響，但對位移變化速率影響較大，“近似蠕變”規(guī)律與各測區(qū)整體位移變化規(guī)律類似，但其位移曲線斜率較大，穩(wěn)定安全系數(shù)在水位上升階段及最高恒水位階段整體表現(xiàn)較大，在下降階段及最低水位階段整體表現(xiàn)較小;增大單獨下降速度時，位移極值幾乎一致，穩(wěn)定安全系數(shù)較小，曲線斜率較大;增大單獨升高速度時，位移極值幾乎一致，穩(wěn)定安全系數(shù)較大，曲線斜率較大;岸坡穩(wěn)定性評價應(yīng)將穩(wěn)定安全系數(shù)與觀測點位移綜合起來分析。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)岸坡;水位升降;變形;位移;岸坡穩(wěn)定性

中圖分類號：TV139.1;TU457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

影響岸坡變形及穩(wěn)定性的因素主要有岸坡的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件及庫水位升降速度等。王士天等[1]認(rèn)為庫岸滑坡有兩種：一種是庫水位達(dá)到敏感水位后滑坡巖體內(nèi)孔隙水壓力分布達(dá)到新的平衡過程中產(chǎn)生的滑坡;另一種是發(fā)生在庫水位降落，特別是快速降落期。諸多研究表明地下水對邊坡穩(wěn)定性影響較大，日本約60%的庫岸滑坡發(fā)生在庫水位驟降期間，其余的40%發(fā)生在庫水位上升時期，包括初期蓄水[2]。GHIASSIAN等[3]對滲流條件下飽和砂土邊坡穩(wěn)定性的研究表明，滲透作用下飽和砂土邊坡穩(wěn)定性取決于水流方向和水力坡度。HODGE等[4]及IVERSON等[5]對地下水滲流與邊坡穩(wěn)定性關(guān)系的研究表明，地下水滲流方向?qū)吰路€(wěn)定性有重要影響。LIU等[6]定量分析了地下水對滑坡的作用，認(rèn)為地下水位對邊坡穩(wěn)定性將起到越來越關(guān)鍵的作用。目前對庫水位升降引起的邊坡失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定系數(shù)變化特征的較多研究均表明，庫水位升降對岸坡穩(wěn)定性影響較大[7-19]。買合木提·巴拉提[7]對海州露天礦擬建水庫庫區(qū)邊坡體的數(shù)值計算表明，庫水位的漲落對邊坡穩(wěn)定性影響較大。BERILGENIBl對臨水邊坡的穩(wěn)定性研究表明，高邊坡穩(wěn)定性的變化取決于土壤的滲透性及水位變化速度。汪斌[9]對庫水位下降引起滑坡變形失穩(wěn)機(jī)理的研究認(rèn)為，孔隙水的流動與土體的變形是相互作用、相互制約的，庫水位作用下必須考慮其流固耦合作用。

水位升降速度是影響岸坡穩(wěn)定的重要因素，為保護(hù)水庫運行期間岸坡的穩(wěn)定，應(yīng)該合理控制水位升降速度，雖然以“庫水升降作用……”作為命名的相關(guān)文獻(xiàn)較多，但其內(nèi)容在降水階段方面的研究都是假定降水前邊坡狀態(tài)一致而計算初始應(yīng)力場，涉及升降速度在升降水全過程中對邊坡變形及穩(wěn)定性影響研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文選用Geo-Studio系列有限元軟件SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W進(jìn)行耦合模擬，研究升降水全過程中升降速度對岸坡巖體變形位移、“近似蠕變”及穩(wěn)定安全系數(shù)的影響效應(yīng)，以及單獨升、降水條件下升降速度對岸坡巖體變形位移、穩(wěn)定安全系數(shù)的影響規(guī)律。

1 飽和與非飽和滲流模型

各向異性的二維飽和與非飽和滲流控制方程[11]為式中：k_x和k_y分別為水平方向x和垂直方向y的飽和滲透系數(shù);ρ_w為水的密度;g為重力加速度;m_w為比水容量，定義為體積含水量θ_w對基質(zhì)吸力（p_a-p_w）偏導(dǎo)數(shù)的負(fù)值，即，p_a、p_w分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力;t為時間;h為水頭。

2 數(shù)值模擬

2.1 滲流計算模型

某水庫邊坡數(shù)值模擬計算模型見圖1。裂隙Xl傾角75°～85°，裂隙寬度為15～35cm，周邊裂隙較密集，局部黏土充填;裂隙X2最大寬度約為45cm，內(nèi)洞深約為44m，裂面方向延伸長度約45m，基本無充填。岸坡地層巖性主要為粉砂巖和頁巖。

2.2 滲流計算參數(shù)

庫水位升降速度、巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1、表2。計算水位基面采用庫底位置作為計算水位的零點，最高上升水位為98m，經(jīng)常變動水位為53～98m，在53m、98m水位持續(xù)365d內(nèi)，雖然庫水的坡面應(yīng)力不變，但岸坡巖體有一定的滲流力作用，故將該階段巖體變形稱為“近似蠕變”。

2.3 滲流計算條件

數(shù)值模擬計算條件見表3。滲透系數(shù)分區(qū)域取值，即弱透水層頂界線以下的巖體滲透系數(shù)取10_-4cm/s，弱風(fēng)化線底界線與弱透水層頂界線之間的巖體滲透系數(shù)取10^-3cm/s，弱風(fēng)化線底界線以上的巖體滲透系數(shù)取10^-2cm/s。本文計算中水的密度、重力加速度、滲透系數(shù)、表2中的數(shù)據(jù)在Geoslope軟件材料特性相應(yīng)位置直接輸入，時間、水頭是在軟件邊界條件相應(yīng)位置輸入相應(yīng)函數(shù)，比水容量軟件隨計算步驟進(jìn)行而獲得，因為主要研究的是速度影響效應(yīng)，所以僅改變時間函數(shù)即可。

2.4 觀測點

位移觀測時將坡面高度劃分為3個部分：坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度。對每個部分觀測點進(jìn)行編號：從高至低依次選取14個點，即第1～14觀測點，相鄰高差4～5m。坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度的觀測點坐標(biāo)分別為（300，333）～（483，269）、（483，269）～（507.692，205）及（507.692，205）～（540，142）。裂隙X2觀測點坐標(biāo)從高至低依次為（481，234）～（493，180），相鄰高差8～9m，其左、右側(cè)從高至低分別有8、7個觀測點。坡面中部1/3高度內(nèi)位移觀測點見圖2。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 位移分析

選取坡面中部1/3高度內(nèi)第1、12、14觀測點的水平位移進(jìn)行分析，其水平位移—時間曲線見圖3。所有觀測點的位移極值見表4。

增大升降水全過程速度的影響：與CS時對比，單從觀測點位移極值及敏感性看，C1-R時對觀測點位移幾乎無影響，坡面中部1/3高度內(nèi)的觀測點整體都表現(xiàn)為越低越敏感。x方向（水平）位移變化：在水位上升階段及最高恒水位階段（水位98m持續(xù)365d）逐漸增大，在水位下降階段先逐漸減小再逐漸增大，在最低水位階段（水位0m持續(xù)365d），先減小再逐漸穩(wěn)定。y方向（豎向）位移變化：在水位上升階段及最高恒水位階段逐漸增大，在水位下降階段逐漸減小，在最低水位階段，先減小再逐漸穩(wěn)定。但從觀測點位移隨水位升降的變化速率看，對岸坡觀測點位移影響較大，5398m上升階段及98-53m下降階段位移曲線斜率增大都較大，變化較快。其他觀測點與上述情況類似，對觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規(guī)律幾乎無影響，對變化速率影響較大。坡面下部1/3高度內(nèi)、裂隙X2左側(cè)及右側(cè)的觀測點整體表現(xiàn)為越高越敏感，坡面上部1/3高度內(nèi)的觀測點整體表現(xiàn)為越低越敏感，坡面下部1/3高度內(nèi)觀測點最敏感。

“近似蠕變”段的變化規(guī)律：與CS時對比，在15～380d及389～754d時間段內(nèi)，增大全過程升降水速度對其影響規(guī)律與上述情況類似，但“近似蠕變”段的位移曲線斜率較大。其自身變化規(guī)律為;x方向的位移都隨時間增加而增大;y方向的位移，除坡面中部1/3及下部1/3高度內(nèi)在最高恒水位階段隨時間增加而減小外，其他隨時間增加而增大。

增大單獨降水速度的影響：與CS時對比，C2-R時曲線極值幾乎一致，但在降水階段曲線斜率較大，降水速度越快，位移減小速度越快，但在水位下降到0m時，觀測點x、y方向位移值普遍較大。

增大單獨升水速度的影響：與C1-R時對比，C3-R時曲線極值幾乎一致，但在升水階段曲線斜率很大，升水速度越快，位移增大速度越快，但在水位上升到98m時，觀測點x、y方向位移值普遍較小。

3.2 岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析

典型狀態(tài)的滲流場和滑動面：C1-R時第754 d的孔隙水壓力等值線、滲流場及第778d的最危險滑動面分別見圖4，圖5。模擬采用軟件中Seep/W模塊定義滑動面可能出現(xiàn)的人口及出口范圍，該模塊計算時會在定義的范圍內(nèi)自動搜索危險滑動面，再計算穩(wěn)定安全系數(shù)。在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多次嘗試后，選取坡面人口范圍為點坐標(biāo)（242，333）～（498，240），出口范圍為點坐標(biāo)（516，175）～（612，142）。采用極限平衡分析法中的摩根斯頓-普賴斯法（Morgenstern-Price）[20]進(jìn)行岸坡穩(wěn)定計算，穩(wěn)定安全系數(shù)一時間曲線、穩(wěn)定安全系數(shù)—水位曲線見圖6、圖7。

增大升降水全過程速度的影響：與CS時對比，對安全系數(shù)曲線整體變化特征影響很小。C1-R時：①上升階段安全系數(shù)較大，增大速度較快;②最高恒水位階段安全系數(shù)較大，降低速度較快;③下降階段安全系數(shù)較小，降低速度較快;④最低水位階段安全系數(shù)整體表現(xiàn)較小。

增大單獨降水速度的影響：穩(wěn)定安全系數(shù)較小且減小速度較快，曲線斜率較大。增大單獨升水速度影響：穩(wěn)定安全系數(shù)較大且增大速度較快，曲線斜率較大。如表4所列，觀測點位移極值都較大，以C2-R為例，坡面下部1/3高度內(nèi)觀測點水平、豎向位移最大值分別達(dá)58.6mm、43.7mm，但安全系數(shù)仍普遍大于1.6。筆者認(rèn)為坡面中部及下部28～72m高程內(nèi)坡面附近巖體位移值較大，穩(wěn)定性較差，其他坡面附近巖體及坡體內(nèi)巖體整體穩(wěn)定性較好。

4 結(jié)論

（1）增大升降水全過程速度的影響：從觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規(guī)律看，對觀測點位移幾乎無影響，但從變化速率看，對觀測點位移影響較大;“近似蠕變”規(guī)律與各測區(qū)整體位移變化規(guī)律類似，但其位移曲線斜率較大;對穩(wěn)定安全系數(shù)曲線整體變化特征影響很小，穩(wěn)定安全系數(shù)在水位上升階段及最高恒水位階段整體表現(xiàn)較大，在下降階段及最低水位階段整體表現(xiàn)較小。

（2）增大單獨降水速度的影響：位移極值幾乎一致，位移值減速較快，水位下降到0m時位移值普遍較大;穩(wěn)定安全系數(shù)較小，減速較快，曲線斜率較大。

（3）增大單獨升水速度的影響：位移極值幾乎一致，位移值增速較快，水位上升到98m時位移值普遍較小;穩(wěn)定安全系數(shù)較大，增速較快，曲線斜率較大。

（4）岸坡在前期升水及持水過程中，升水速度客觀上一直對岸坡產(chǎn)生影響，所以今后在水庫運行期間應(yīng)該重視升降水速度在升降水全過程中對岸坡的“全動態(tài)過程”影響。

（5）不能僅僅依賴岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的求解來進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性評價，應(yīng)將穩(wěn)定安全系數(shù)與觀測點位移綜合起來分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]王士天，劉漢超，張倬元，等.大型水域水巖相互作用及其環(huán)境效應(yīng)研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1997，8（1）：69-89.

[2]ZHOU Q，YAN S，DENG W，et al.Analysis of Influence ofReservoir Water Level Fluctuation on Stability of a BankSlope[J].Journal of Highway and Transportation Researchand Development，2011，28（6）：32-39.

[3]GHIASSIAN H，GHAREH S.Stability of Sandy Slopes UnderSeepage Conditions [J].Landslides，2008，5（4） ：397-406.

[4] HODGE R A L，F(xiàn)REEZE R A.Groundwater Flow Systemsand Slope Stability[J].Canadian Geotechnical Journal，1977，14（4）：466-476.

[5]IVERSON R M，MAJOR J J.Groundwater Seepage Vectorsand the Potential for Hillslope Failure and Debris Flow Mo-bilization[J].Water Resources Research，1986，22（11） ：1543-1548.

[6]LIU Y，WANG H P，JIANG Y C，et al.Ground Water Ac-tion Law and Evaluation on Dynamic Stability of HuanglashiSlope in Three Gorges Region[J].Chinese Journal of RockMechanics and Engineering，2005，24（19）：3571-3576.

[7]買合木提·巴拉提.動水條件下破損巖體邊坡變形破壞機(jī)理與應(yīng)用研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：125-128.

[8]BERILGEN M M.Investigation of Stability of Slopes UnderDrawdown Conditions[J].Computers and Geotechnics，2007，34（2） ：81-91.

[9]汪斌.庫水作用下滑坡流固耦合作用及變形研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2007：126-128.

[10]SONG Y S，CHAE B G，LEE J.A Method for Evaluating theStability of an Unsaturated Slope in Natural Terrain DuringRainfall[J].Engineering Geology，2016，210：84-92.

[11]夏敏，任光明，馬鑫磊，等.庫水位漲落條件下滑坡地下水滲流場動態(tài)特征[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014，49（3）：399-405.

[12]張明，胡瑞林，崔芳鵬，等.考慮水巖物理化學(xué)作用的庫岸堆積體邊坡穩(wěn)定性研究：以金沙江下咱日堆積體為例『J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（增刊2）：3699-3704.

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

[14]劉天宇，楊建輝，楊強(qiáng)，等.庫水位升降對李家坡滑坡穩(wěn)定性的影響[J].中國水土保持，2013（4）：52-54.

[15]周永強(qiáng)，盛謙.庫水位變化和降雨作用下付家坪子高陡滑坡穩(wěn)定性研究[J].長江科學(xué)院院報，2014，31（2）：57-61.

[16]劉貴應(yīng).庫水位變化對三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定性的影響[J].安全與環(huán)境工程，2011，18（5）：26-28.

[17]廖紅建，盛謙，高石夯，等.庫水位下降對滑坡體穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，21335，24（19）：3454-3458.

[18]時衛(wèi)民，鄭穎人.庫水位下降情況下滑坡的穩(wěn)定性分析[J].水利學(xué)報，2004，35（3）：76-80.

[19]鄧成進(jìn)，王孔偉，袁秋霜，等.庫水長期升降作用下庫岸邊坡穩(wěn)定性研究[J].長江科學(xué)院院報，2015，32（4）：96-100.

[20] MORGENSTERN N R，PRICE V E.The Analysis of theStabihty of General Slip Surfaces[J].Gtotechnique，1965，15（1）：79-93.