雷衛(wèi)佳，劉偉煌，郭生根，談亦帆，?？∪A

（1. 江西省港航管理局界牌樞紐管理處，江西 鷹潭335099； 2. 華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013； 3. 江西省地下空間技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌330013； 4. 江西省港航管理局，江西 南昌330013）

庫區(qū)水位會(huì)對庫區(qū)邊坡的地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生影響，庫岸邊坡的自然條件會(huì)隨著水庫的運(yùn)行發(fā)生變化。 在庫區(qū)水體的浸泡下，巖土體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)會(huì)隨著浸泡時(shí)間產(chǎn)生變化。 而水庫運(yùn)行過程中水位的升降變化對庫區(qū)邊坡的影響尤為顯著。

劉才華等[1]分析得到庫區(qū)開始蓄水時(shí)邊坡的安全系數(shù)會(huì)降低，此時(shí)邊坡很可能發(fā)生破壞，隨著蓄水水位的上升，邊坡的安全系數(shù)會(huì)增加。 郁舒陽等[2]研究Geo-slope 中Fredlund&Xing 模型參數(shù)對邊坡滲流及穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明a 值主控孔壓變化幅度，m 值對剩余含水量影響較大，安全系數(shù)隨n 值減少而明顯降低。廖紅建等[3]針對三峽水利工程的水位回落周期，運(yùn)用Geo-slope/seep 法獲得水位下降在不同滲透系數(shù)的滲流場數(shù)據(jù)，通過極限平衡法分析坡體安全性，分析水位降速、飽和滲透系數(shù)、邊坡穩(wěn)定性三者之間的聯(lián)系。王樂等[4]考慮非飽和滲流原理，通過Geo-slope2012 研究了4 種降雨類型結(jié)合庫水位驟降的工況，結(jié)果表明庫水位下降越快，穩(wěn)定系數(shù)越小，不同降雨類型的穩(wěn)定系數(shù)不同，且失穩(wěn)一般先發(fā)生在下部淺層。張開鵬等[5]通過仿真軟件將水位變化與降雨結(jié)合分析，分析了幾種降雨強(qiáng)度及降雨類型對邊坡的安全性影響。石文學(xué)等[6]提出了浸水濕化型失穩(wěn)、岸坡沖刷型失穩(wěn)及坡腳淘刷型失穩(wěn)的情況，在地下水的物理及化學(xué)作用下，庫岸邊坡巖土體被濕化和軟化，故坡體的失穩(wěn)破壞突發(fā)性高。 梁鑫等[7]研究巫峽干井子滑坡，發(fā)現(xiàn)高陡峽谷區(qū)降雨滲流滑體深部困難，滑體穩(wěn)定性及地下水位主要受庫水位作用。梁學(xué)戰(zhàn)等[8]分析了三峽工程水位波動(dòng)下的多種滲透條件下的坡體地下水浸潤線分布及坡體穩(wěn)定性。 鄭穎人等[9]求解了坡體浸潤線公式、滲透力公式，認(rèn)為坡體穩(wěn)定性主要受地下水位影響。 李俊業(yè)等[10]研究了重慶鶴峰滑坡瞬態(tài)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在較高庫水位下，如果降雨與水位驟降同時(shí)出現(xiàn)，對坡體安全性影響很大。涂國祥等[11]研究了庫區(qū)岸坡堆積體在水位變化速度影響下滲流場及穩(wěn)定性的變化機(jī)理和規(guī)律。熊將等[12]利用改進(jìn)的Sarma 法對庫岸邊坡安全性進(jìn)行計(jì)算。李邵軍等[13]在離心模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究庫水波動(dòng)對坡體穩(wěn)定性影響。

綜上所述，對于庫岸邊坡的研究，主要集中在水位升降作用下邊坡的穩(wěn)定性及邊坡穩(wěn)定性影響因素的研究上。 鑒于此，本文采用Geo-studio 針對水位升降速度對庫區(qū)坡體穩(wěn)定性展開研究，研究成果可為此庫區(qū)水位調(diào)度方案提供參考，因研究結(jié)論來自于仿真軟件，而不同岸坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土層分布各異，故參數(shù)的變化和組合可能會(huì)對研究結(jié)論有不同影響[14]。

1 庫區(qū)邊坡的基本特征

1.1 基本地質(zhì)概況

庫區(qū)渠化河道屬典型的河槽型水庫，分布最廣庫段均為沖積階地土質(zhì)岸坡，組成物多為粘土和粉質(zhì)粘土，主河道多遠(yuǎn)離河岸，水流沖刷作用較小。

1.2 庫區(qū)周邊概況

渠化河道兩岸臺(tái)地廣布，臺(tái)地地面高程在32～36 m 間，地形平緩，除右岸將近半數(shù)段堤防已做砼防滲墻垂直截滲處理外，大部分堤防均未做防滲處理。 根據(jù)現(xiàn)場勘察及相關(guān)資料，以未做防滲處理的典型邊坡進(jìn)行分析。

2 邊坡穩(wěn)定性分析模型及工況

2.1 仿真軟件Geo-studio

采用加拿大巖土軟件Geo-studio 進(jìn)行邊坡滲流模擬穩(wěn)定性分析和位移計(jì)算。 采用SEEP/W 進(jìn)行邊坡滲流模擬，采用SLOPE/W 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

2.2 計(jì)算原理

2.2.1 土的儲(chǔ)水-含水量函數(shù)估計(jì)方法

明確孔壓和含水量之間的相關(guān)性在滲流分析中是十分必要的。 土顆粒及顆粒間的孔隙構(gòu)成了土體結(jié)構(gòu)，孔隙中存在水和空氣，飽和土中的孔隙完全被水填充，其體積含水量與孔隙率有如下關(guān)系：

式中：θw為體積含水量；n 為土的孔隙率；S 為飽和度（飽和土等于1.0 或者100%）。

孔隙率n 和孔隙比e 的關(guān)系為：

式中：ω 重量含水率；Gs為顆粒重量。

當(dāng)土體為非飽和狀態(tài)時(shí)，含水率處于動(dòng)態(tài)變化中，在1980 年，Van Genuchten 提出以一個(gè)多參數(shù)方程獲取體積含水量函數(shù)的閉合解。

控制方程如下：

式中：θw為體積含水量；θr為飽和體積含水量；Ψ 為負(fù)孔隙水壓力；a，n，m 為曲線擬合參數(shù)

2.2.2 滲透系數(shù)函數(shù)估計(jì)方法

非飽和土滲透系數(shù)函數(shù)可由體積含水量函數(shù)推導(dǎo)，SEEP/W 提供Fredlund 法，借助體積含水量函數(shù)和飽和滲透系數(shù)來獲取非飽和滲透系數(shù)函數(shù)。 方程如下：

式中：kw為指定含水量或者負(fù)孔隙水壓力計(jì)算所得滲透系數(shù)，m/s；kR為測得的飽和滲透系數(shù)，m/s；θR為飽和體積含水量；e 為自然對數(shù)的底，2.718 28；y 為代表負(fù)孔隙水壓力算法的虛擬變量；i 為j 到N 之間的數(shù)值間距；j 為最終函數(shù)描述的最小負(fù)孔隙水壓力；N 為最終函數(shù)描述的最大負(fù)孔隙水壓力；Ψ 為對應(yīng)第j 步的負(fù)孔隙水壓力；θ′為方程起始值。

式中：a 為約等于土中空氣進(jìn)入值；n 為控制體積含水量函數(shù)拐點(diǎn)段斜率的參數(shù)；m 為與殘余含水量有關(guān)的參數(shù)；C（Ψ）為定義為方程式下列所示的修正函數(shù)。

式中：Cr為對應(yīng)殘余含水量的基質(zhì)吸力有關(guān)的常數(shù)。

2.3 分析模型及其土體參數(shù)

現(xiàn)場坡體基本為二級(jí)邊坡，原先的自然邊坡土以粉質(zhì)粘土為主，其上回填砂礫土，坡面再覆一層紅黏土與自然邊坡相連，一級(jí)邊坡的平均坡度約為38°；二級(jí)邊坡的平均坡度約12°， 其中紅黏土滲透性質(zhì)相對復(fù)雜，根據(jù)室內(nèi)多次干濕循環(huán)試驗(yàn)及勘察資料確定其天然狀態(tài)下物理參數(shù)，以濾紙法測其基質(zhì)吸力， 并用Van-Genuchten 模型擬合土-水特征曲線，如圖1 所示，表1 為土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)。 庫區(qū)死水位高程為28 m，下游正常蓄水位在30 m 左右。

圖1 紅黏土干濕循環(huán)下的的土水特征曲線Fig.1 Soil-water characteristic curve of red clay under dry and wet cycles

2.4 計(jì)算工況

計(jì)算工況結(jié)合實(shí)際庫水位調(diào)度計(jì)劃考慮不同的庫水位變化速度對邊坡的影響，如表2，水位變化速度設(shè)置為0.5，1.0，1.5 m/d， 初始蓄水位為30 m， 以水位為30 m 時(shí)的初始滲流場為基礎(chǔ)展開計(jì)算。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties of soil

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation conditions

3 邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 滲流分析

通過不同的庫水位變化速度探究庫區(qū)邊坡的孔隙水壓力和地下水浸潤線的變化規(guī)律。

根據(jù)地勘資料，下游河流段兩岸下伏砂卵礫石層厚度大、分布連續(xù)、透水性強(qiáng)，賦存其內(nèi)的地下水與河水連通，地下水徑流通暢，地下水位與河水位基本持平，互相補(bǔ)給。

圖2，圖3 分別為工況1 庫水位上升，下降階段的地下水浸潤線變化情況。

1） 庫水位從30 m 升至36 m 的過程中，地下水位隨之上升，但速度與庫水位相比有滯后性，且越靠近坡面，地下水位上升速度越快，說明庫水正由坡面緩慢入滲坡體中，因而水位上升階段，地下水位浸潤線呈“凹”形。

2） 在高水位條件下，雖然坡體內(nèi)外存在水位差，但如果水位穩(wěn)定不變，則隨著時(shí)間延長，坡體飽和區(qū)不斷擴(kuò)大，地下水浸潤線會(huì)逐漸上升，直到與庫區(qū)水位持平。

3） 庫水位從36 m 降至30 m 的過程中，地下水位隨之下降，但速度與庫水位相比有滯后性，且越靠近坡面，地下水位下降速度越快，說明庫水正從坡體中經(jīng)坡面緩慢排出，因而水位下降階段，地下水位浸潤線呈“凸”形。

4） 在低水位條件下，雖然坡體內(nèi)外存在水位差，但如果水位穩(wěn)定不變，則隨著時(shí)間延長，坡體飽和區(qū)不斷縮小，地下水浸潤線會(huì)逐漸下降，直到與庫區(qū)水位持平。

圖4 為工況1 孔隙水壓力變化情況，a，b，c 為坡體臨水面上的測點(diǎn)，a 點(diǎn)為坡頂測點(diǎn)，b 點(diǎn)為最高水位處坡體測點(diǎn)，c 點(diǎn)為正常蓄水位處坡體測點(diǎn)。 a 點(diǎn)在正常水位時(shí)，孔壓保持在-79.15 kPa 左右,而在最高水位時(shí)，孔壓在-20 kPa 附近，結(jié)合b，c 兩測點(diǎn)孔壓及坡體滲流場特性可知，孔壓變化呈現(xiàn)一定的滯后性，且測點(diǎn)高程越高，滯后性越強(qiáng)，但孔壓變化值與水位前后差值基本一致。 顯然，地下水位與庫區(qū)水位之間互相補(bǔ)給，在高水位時(shí)，庫區(qū)水位入滲坡體，低水位時(shí)，水流從臨水面滲出坡體，孔壓變化規(guī)律與水位變化規(guī)律保持一致性。

圖2 工況1-最高蓄水位時(shí)地下水位浸潤線Fig.2 Working condition 1 - Groundwater level saturation line at the highest water level

圖3 工況1-正常蓄水位時(shí)地下水位浸潤線Fig.3 Working condition 1 - Groundwater level saturation line at normal water level

圖4 工況1-水位升降過程中孔隙水壓力變化Fig.4 Change in pore water pressure during Working condition 1 - water level fluctuation

3.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)孔隙水壓力變化可知，庫水位上升時(shí)，邊坡所受靜水壓力增大；坡體飽和區(qū)擴(kuò)大，水流從坡面入滲坡體，產(chǎn)生向內(nèi)的滲透壓力。 庫水位下降時(shí)，邊坡所受靜水壓力減??；坡體飽和區(qū)縮小，水流從坡面流出坡體，產(chǎn)生向外的滲透壓力。 圖5 為3 種工況下最危險(xiǎn)的滑坡，可以看出，當(dāng)庫水位變化時(shí)，上部邊坡穩(wěn)定性相對較高，失穩(wěn)最可能發(fā)生在下部淺層邊坡，圖6，7，8 為工況1，2，3 的坡體穩(wěn)定性與庫水位變化的關(guān)系，在工況1 中，當(dāng)庫水位上升至最高水位36 m 時(shí)，坡體穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大。

圖5 下部淺層邊坡失穩(wěn)Fig.5 Lower shallow slope instability

圖6 工況1-水位升降過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化Fig.6 Working condition 1-Change of stability coefficient during water levelfluctuation

圖7 工況2-水位升降過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化Fig.7 Working condition 2-Change of stability coefficient during water level fluctuation

圖8 工況3-水位升降過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化Fig.8 Working condition 3-Change of stability coefficient during water level fluctuation

在工況2，3 中，坡體穩(wěn)定性系數(shù)均在最高水位之前達(dá)到最大，說明水位上升速度只在一定范圍內(nèi)時(shí)，坡體穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)逐步增加，過快的水位上升速度反而會(huì)對坡體穩(wěn)定性起到負(fù)面影響。穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到峰值，因土體飽和程度增加，飽和范圍增大，坡體整體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減，故坡體穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小。 庫水位從高到低期間，坡體穩(wěn)定性不斷減小，水位維持在低水位期間，由于坡內(nèi)地下水位浸潤線不斷降低，相當(dāng)一部分土體由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)為非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力增加，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)提升，故穩(wěn)定性增加。

另外，水位上升速度提高，坡體穩(wěn)定性系數(shù)峰值隨之增大，水位下降速度提高，坡體穩(wěn)定性系數(shù)值變化較小。 不同水位波動(dòng)速度之間的坡體穩(wěn)定性系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，不會(huì)導(dǎo)致坡體變形及穩(wěn)定性發(fā)生明顯變化。

4 結(jié)論

以某庫區(qū)邊坡為例，利用仿真軟件實(shí)現(xiàn)流固耦合對其在不同速度條件下坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1） 地下水與河水連通，地下水徑流通暢，地下水位與河水位基本持平，互相補(bǔ)給，在高水位時(shí)，地下水浸潤線呈“凹”形，低水位時(shí)，則為“凸”形。

2） 對于庫區(qū)邊坡的穩(wěn)定性而言，庫水位由初始水位上升時(shí)，提高了邊坡穩(wěn)定，但水位回落對邊坡穩(wěn)定性不利，坡體穩(wěn)定性會(huì)降低到初始水位的穩(wěn)定性系數(shù)之下，最易失穩(wěn)位置為下部淺層坡體。

3） 水位上升速度只在一定范圍內(nèi)時(shí)，坡體穩(wěn)定性系數(shù)會(huì)逐步增加，過快的水位上升速度反而會(huì)對坡體穩(wěn)定性起到負(fù)面影響。隨著庫水位下降速度的增大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)下降速度也隨之增大，但其最小穩(wěn)定系數(shù)值基本不變。

4） 在不考慮降雨對庫坡的影響情況下，此坡體的天然穩(wěn)定性較好，庫區(qū)水位在正常蓄水位30 m、最高蓄水位36 m 之間可視為安全水位范圍。