趙永輝

（西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000）

1 問題的提出

西藏位于我國西南部，其豐富的資源和特殊的地理優(yōu)勢對我國現(xiàn)代化建設(shè)起著舉足輕重的作用。黨中央國務院高度重視西藏發(fā)展，特別是西藏水電工程。實際建設(shè)過程中，一些疑難工程問題困擾和影響了建設(shè)步伐，如水電站泄洪期間工程區(qū)滑坡堆積體滲流場及穩(wěn)定性分析。因此，有必要對上述問題展開針對性研究。

目前，主流的滑坡堆積體滲流分析方法存在一些不足，即視滑坡堆積體為飽和體，而實際工程中絕大多數(shù)呈非飽和狀態(tài)。鑒于上述原因，眾多專家學者對非飽和滲流理論做了大量試驗和理論研究，提出非飽和土體滲透系數(shù)一般不為常數(shù)，其是基質(zhì)吸力或體積含水率的函數(shù)[1-2]。本文基于非飽和滲流理論，采用數(shù)值模擬法，研究西藏某水電站泄洪期間，霧化降雨在下游滑坡堆積體內(nèi)的滲流特征。

2 工程概況

西藏某水電站工程區(qū)為高山峽谷地貌，其下游發(fā)育巨型滑坡堆積體，縱長約1500 m，橫寬約1300 m，達7.00×107m3。在雨水和山泉沖刷作用下，滑坡堆積體上發(fā)育多條沖溝，后期沖溝溯源侵蝕，將該滑坡堆積體分割為2個相對對立的堆積體，即Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)（見圖1）。

圖1 滑坡堆積體全貌圖

據(jù)勘探資料和河流階地揭露，該滑坡堆積體由河谷岸坡反傾層狀巖體的傾倒變形演化而來，其發(fā)生過2次滑動[3-4]。第1次為較大規(guī)模的基巖滑坡，滑帶土主要由紫紅色、黃色黏土夾角礫構(gòu)成；第2次為滑坡堆積體上發(fā)育的次級滑動，發(fā)育跡象不明顯?；露逊e體下伏反傾層狀巖體，滑帶附近呈極強—強傾倒，斜坡深部主要為弱傾倒巖體（見圖2）。

圖2 滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面圖

3 泄洪霧化區(qū)滑坡堆積體滲流場及穩(wěn)定性分析

3.1 泄洪霧化降雨入滲計算模型的建立

泄洪霧化雨入滲基于非飽和滲流模型，采用GeoStudio的Seep/W進行模擬，其滲流微分方程表達式為：

式中：H為總水頭（m）；mw為比水容重（kN/m3）；γw為水的重度（kN/m3）；kx、kz分別為土體水平、垂直向的滲透系數(shù)；t為時間（h）。

根據(jù)設(shè)計要求，參考現(xiàn)有工程后期運營泄洪霧化監(jiān)測記錄資料和自然降雨等級標準，分5級霧化區(qū)和5級霧化降雨強度（見表1）。計算模型表層施加霧化降雨，底面與側(cè)面基巖按不透水邊界處理，初始地下水位依據(jù)前期勘探資料確定。

表1 泄洪霧化雨強參數(shù)

根據(jù)5級霧化區(qū)，利用滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面圖，在Seep/W中建立水電站泄洪霧化降雨滲流計算模型（見圖3）。

圖3 滲流場及穩(wěn)定性計算模型圖

3.2 選取計算參數(shù)

據(jù)滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面，坡內(nèi)地下水位遠離滑坡堆積體。同時，基于非飽和滲流理論可知，該滑坡堆積體呈非飽和狀態(tài)。因此，模擬計算所需滲透系數(shù)為變量。根據(jù)飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)和Seep/W自帶估計方法，得到非飽和滲流模擬研究所需的土水特征曲線與滲透性函數(shù)[5-6]（見圖4）。

圖4 滑坡堆積體水土特征曲線及滲透性函數(shù)曲線圖

模擬泄洪霧化滲流場后，Seep/W模塊需與Slope/W模塊耦合計算滑坡堆積體穩(wěn)定性。該過程所需抗剪強度參數(shù)主要由實驗提供，同時參照其它類似工程綜合確定（見表2）。

表2 抗剪強度參數(shù)表

3.3 滲流過程模擬分析

水電站模擬泄洪霧化歷時30 d，前15 d模擬泄洪，第16天開始停止泄洪至第30天。經(jīng)計算模型模擬得到第1天至第30天水電站滑坡堆積體的滲流場變化。其中，選取第1天、第5天、第9天、第15天、第23天和第30天的模擬結(jié)果重點研究。分2階段詳述：

（1）泄洪階段（第1天 ～ 第15天）。第1天至第5天，滑坡堆積體前緣地下水位迅速抬升，達到飽和狀態(tài)，中部發(fā)育局部飽和區(qū)，后緣變化不明顯。隨著霧化雨持續(xù)影響，第6天至第15天，中部局部飽和區(qū)趨于貫通，后緣淺表層出現(xiàn)局部飽和區(qū)（見圖5）。從坡內(nèi)滲流場變化總體趨勢來看，其隨著水電站泄洪情況不斷發(fā)生改變，細究卻大相徑庭。泄洪前期，滑坡堆積體為非飽和巖土體，吸水能力較強，入滲速度較快，迅速出現(xiàn)局部飽和狀態(tài)。隨著水電站持續(xù)泄洪，滑坡堆積體飽和區(qū)域面積逐漸增加，入滲速度開始下降，當飽和區(qū)趨于整體貫通時，入滲速度降至最低。之后，入滲速度基本保持最低值（即入滲速率近似于0）。整個泄洪過程，霧化雨強度不變，其入滲速度卻經(jīng)歷了由快至慢，最后保持基本平穩(wěn)的過程，霧化雨呈現(xiàn)出明顯的非線性入滲特征。

（2）停止泄洪后的觀測階段（第16天至第30天）。水電站停止泄洪后，滑坡堆積體淺表層飽和區(qū)迅速消失，深部飽和區(qū)相對較慢，直到第30天時仍殘留局部小范圍飽和區(qū)（見圖5）。該階段前期主要為淺表層雨水滲流，后期為坡內(nèi)深部滲流。其中，淺表層飽和區(qū)雨水通過坡表徑流迅速排除，滲流速度較快；深部飽和區(qū)雨水受滑坡滑帶隔水作用影響，滲流速度相對較慢。因此，停止泄洪后，坡體內(nèi)的滲流經(jīng)歷了先快后慢的過程，同樣呈現(xiàn)出霧化雨非線性入滲特征。

綜上所述，整個模擬期間（第1天至第30天），滑坡堆積體內(nèi)滲流流速變化大致分3個階段。第一，滲流流速迅速增大階段（第1天至第5天）；第二，滲流流速趨于穩(wěn)定階段（第6天至第15天）；第三，滲流流速平穩(wěn)回降階段（第16天至第30天）。假設(shè)滲流流速是時間的函數(shù)，時間是滲流流速的自變量，不難看出，隨著泄洪與停止泄洪時間的均勻推進，滲流流速呈現(xiàn)出明顯的非線性入滲特征。

圖5 計算模型第1天至第30天孔隙水壓力圖

3.4 霧化雨對滑坡堆積體穩(wěn)定性影響分析

經(jīng)上述滲流特征研究可知，水電站泄洪霧化改變了下游滑坡堆積體坡內(nèi)滲流場，其直接影響滑坡堆積體的穩(wěn)定性。因此，有必要進一步研究滑坡堆積體滲流場變化對其穩(wěn)定性的影響。穩(wěn)定性計算主要針對潛在滑體展開（見圖6）。

圖6 滑坡堆積體潛在滑體圖

經(jīng)泄洪霧化滲流場（Seep/W模塊）與滑坡堆積體模型（Slope/W模塊）耦合計算，得到整個泄洪霧化過程中滑坡堆積體潛在C - E滑體（Slip Surface1）、B - E滑體（Slip Surface2）、A - D滑體（Slip Surface3）和A - E滑體（Slip Surface4）安全系數(shù)的變化情況（見圖7）。據(jù)此作出水電站泄洪和停止泄洪后的觀測階段內(nèi)，滑坡堆積體的穩(wěn)定性評價：

（1）整體分析圖7可知，C - E滑體、B - E滑體、A -D滑體和A - E滑體安全系數(shù)：FOSA-D＞FOSA-E＞FOSB-E＞FOSC-E。C - E滑體、B - E滑體、A - D滑體和A - E滑體最小安全系數(shù)分別為0.80、0.85、1.15和0.95，均出現(xiàn)在第5天至第15天內(nèi)，說明泄洪霧化和停止泄洪霧化期間（30天內(nèi)），第5天至第15天滑坡堆積體穩(wěn)定性最差，特點是前緣和中前緣處，存在局部失穩(wěn)的可能。

（2）模擬計算30 d內(nèi)，滑坡堆積體安全系數(shù)曲線大致分3個階段。第一，安全系數(shù)迅速減小階段（第1天至第4天）；第二，安全系數(shù)趨于平穩(wěn)階段（第5天至第15天）；第三，安全系數(shù)平穩(wěn)回升階段（第16天至第30天）。由于地下水是影響滑坡堆積體穩(wěn)定性的主要因素之一，當泄洪霧化降雨改變滑坡堆積體內(nèi)部滲流場時，其穩(wěn)定性也隨之發(fā)生改變。因此，泄洪霧化降雨滲流的階段性特征決定了滑坡堆積體安全系數(shù)曲線的階段性。進一步分析滲流流速與對應階段安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩者近似成反比關(guān)系。

圖7 滑坡堆積體安全系數(shù)時程曲線圖

4 結(jié) 論

經(jīng)模擬某水電站泄洪與停止泄洪過程，基于非飽和滲流理論分析和研究霧化雨對下游滑坡堆積體滲流場及穩(wěn)定性影響，得出如下結(jié)論和建議：

（1）整個計算模擬期間（30 d內(nèi)），霧化雨在滑坡堆積體內(nèi)的滲流大致分3個階段，即滲流流速迅速增大階段（第1天至第5天），滲流流速趨于穩(wěn)定階段（第6天至第15）和滲流流速平穩(wěn)回降階段（第16天至第30天）。泄洪霧化雨在滑坡堆積體的滲流表現(xiàn)出明顯的階段性特征。

（2）隨著泄洪模擬時間勻速推進，霧化雨滲流速度非勻速變化（先迅速增大，接著趨于穩(wěn)定，后平穩(wěn)回降），說明霧化雨的非線性滲流特征。

（3）滑坡堆積體內(nèi)滲流場受泄洪霧化雨影響而發(fā)生變化，導致滑坡堆積體穩(wěn)定性也隨之改變。整個模擬期內(nèi)（30 d），安全系數(shù)曲線大致分為迅速減?。ǖ?天至第4天），趨于平穩(wěn)（第5天至第15）和平穩(wěn)回升（第16天至第30天）3個階段，其與滲流流速3個階段大致對應，但是兩者近似成反比關(guān)系。安全系數(shù)曲線的階段性主要歸因于泄洪霧化降雨滲流的階段性特征。

（4）本文研究得出了某水電站泄洪霧化降雨在滑坡堆積體內(nèi)滲流的2大特征，即滲流的階段性和非線性滲流。其均反映了滲流場變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合滲流流速與安全系數(shù)成反比的關(guān)系特征，可以有效把握泄洪期間每個時段滑坡堆積體的穩(wěn)定性。因此，該項研究成果對水電站實際泄洪過程把控和泄洪霧化降雨滲流研究具有一定的指導意義和參考價值。