李險峰

（淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽淮北235000）

降雨、庫水位是導(dǎo)致三峽庫區(qū)邊坡失穩(wěn)的重要誘因[1-2]，降雨與庫水位變動導(dǎo)致了邊坡土體的強(qiáng)度降低，因而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生[3-5]。對于單獨(dú)降雨條件下或者單獨(dú)的庫水位作用下的邊坡滲流穩(wěn)定性規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多有益的研究。在單獨(dú)降雨情況下，葉帥華針對邊坡體不同深度處基質(zhì)吸力隨雨水入滲的變化情況，建立了流固耦合計算模型，對降雨入滲條件下黃土高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究[6]；王保林建立了含軟弱夾層的黏性土坡二維有限元計算模型，對降雨入滲下的邊坡滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[7]；郭友軍對降雨條件下的煤系土邊坡滲流特性及邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了研究[8]。在單獨(dú)庫水位作用條件下，張祖蓮研究了漢江孤山航電樞紐工程區(qū)近壩滑坡在不同庫水位驟降速率下的滲透穩(wěn)定性規(guī)律[9]；王力研究了庫水位驟降情況下的動水壓力型滑坡的穩(wěn)定特性[10]。但是，實(shí)際上，降雨發(fā)生的持續(xù)時間相對較短，而庫水位下降的時間相對較長，前人對降雨-庫水位聯(lián)合作用多集中在降雨發(fā)生過后庫水位下降，或者庫水位下降完成過后再進(jìn)行降雨分析，但是對于降雨發(fā)生在庫水位驟降時刻的邊坡滲流穩(wěn)定性研究較少。

本文針對以往研究的不足，以三峽庫區(qū)蔡積邊坡為例，對三個典型工況的滲流穩(wěn)定性規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)深入的探討（三個工況是：1）單純庫水位驟降；2）單純降雨工況；3）庫水位降雨耦合工況），以期為三峽庫岸邊坡的穩(wěn)定性認(rèn)識及災(zāi)害防護(hù)提供一定的參考。

1 計算理論與模型

1.1 計算理論

（1）非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為[11]

式（1）中，kr是透水率，ksij是滲透張量，hc是水頭，Q是源匯，C（hc）是容水度，θ是水頭函數(shù)，n是孔隙率，Ss是單位貯水量。

（2）非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論

非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論如下式所示[11]：

其中，c′i為有效粘聚力，i為土條編號，Wi為質(zhì)量，Pi為水壓力，βi為傾角，ua為孔隙氣壓力（一般取0），bi為土條寬度，φ′i為內(nèi)摩擦角，uw為孔隙水壓力，φb為基質(zhì)吸力貢獻(xiàn)所對應(yīng)的摩擦角。

1.2 計算模型

某典型邊坡體位于三峽庫區(qū)，正常蓄水位為175 m，死水位為145 m，對滑坡體所在的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，整個模型一共劃分成1 689個節(jié)點(diǎn)、1 632個單元。同時，在滑體內(nèi)部設(shè)置3個監(jiān)測點(diǎn)（如圖1，圖2所示）以反映邊坡內(nèi)部不同點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律。

圖1 計算模型圖

圖2 計算模型圖網(wǎng)格剖分

2 邊界條件及計算參數(shù)

模型的初始條件設(shè)置如圖1所示，以ae為185 m定水位邊界，cd為175 m定水位邊界計算所得的滲流場作為其他各個庫水位聯(lián)合降雨工況下的初始滲流場。計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)取值，材料力學(xué)參數(shù)及滲流參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 工況設(shè)置

以往研究多將降雨與庫水位作用分開，或者僅僅將降雨施加在庫水位驟降結(jié)束時刻進(jìn)行相應(yīng)的分析，然而事實(shí)上，庫水位驟降過程較降雨時長要長，降雨具有隨機(jī)性，降雨可能發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻，因此，根據(jù)三峽庫區(qū)多年收集的水文資料，確定3個等級的降雨，即大雨（降雨強(qiáng)度為0.05 m·d-1），暴雨（降雨強(qiáng)度為0.1 m·d-1）及特大暴雨（降雨強(qiáng)度為0.2 m·d-1），降雨的平均時長取2 d。根據(jù)三峽庫區(qū)多年運(yùn)行情況，取庫水位驟降速率分別為0.5 m·d-1、1 m·d-1與1.5 m·d-1。具體工況如表2所示。

表2 計算工況

4 結(jié)果分析

4.1 不同速率庫水位驟降工況

工況1下不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可見，庫水位驟降情況下邊坡內(nèi)部水壓持續(xù)下降。位于邊坡上部的監(jiān)測點(diǎn)（如圖3（a）），不同庫水位驟降速率下不同工況的孔壓差異很小，而位于邊坡下部的監(jiān)測點(diǎn)（如圖3（c））不同工況的孔壓差異較邊坡上部的監(jiān)測點(diǎn)要大。庫水位的下降速率越大，孔壓的下降速率也越大。位于邊坡下部的孔壓整體上要大于上部監(jiān)測點(diǎn)的孔壓。

工況1 的安全系數(shù)變化如圖4 所示。庫水位驟降工況安全系數(shù)是先降后升，不同庫水位驟降速率0.5 m·d-1、1 m·d-1及1.5 m·d-1情況下的安全系數(shù)最大降幅分別為5.3%、6.4%與7.1%。

4.2 不同降雨強(qiáng)度工況

工況2不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化如圖5所示，安全系數(shù)變化規(guī)律如圖6所示。

圖3 工況1孔壓變化規(guī)律。

圖4 工況1安全系數(shù)變化

圖5 工況2孔壓變化規(guī)律。

圖6 工況2安全系數(shù)變化

對于不同降雨強(qiáng)度而言，其孔壓變幅要明顯大于庫水位驟降情況，可見降雨對邊坡內(nèi)部含水率變化的影響要遠(yuǎn)大于庫水位驟降的影響。降雨情況下邊坡內(nèi)部孔壓經(jīng)歷一個先增大、后穩(wěn)定的過程，且降雨強(qiáng)度越大，孔壓的升幅越大。與工況1 相同，位于下部點(diǎn)的孔壓整體上要高于上部點(diǎn)的孔壓。

降雨工況指在降雨時刻驟降而后維持穩(wěn)定。由圖6 可得，不同降雨強(qiáng)度情況下，降雨強(qiáng)度分別為0.05 m·d-1、0.1 m·d-1和0.2 m·d-1時，安全系數(shù)的最大降幅分別為6.3%、7.5%及8.8%，可見降雨對安全系數(shù)的變幅影響要大于庫水位驟降因素；庫水位驟降的最小安全系數(shù)也要大于降雨情況，但是，最小安全系數(shù)都處于1.25 以上，根據(jù)水利工程相應(yīng)規(guī)范[12]可以認(rèn)為邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻

工況3 的孔壓變化如圖7 所示。降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻情況，孔壓變化則是綜合了庫水位驟降及降雨的綜合特性，即孔壓整體上呈下降的規(guī)律。但是在降雨時刻，由于降雨的原因，孔壓在該時刻有個突升的過程，整個孔壓變化呈一個單鋒的規(guī)律。值得注意的是，位于邊坡上部的點(diǎn)，庫水位驟降導(dǎo)致的孔壓變幅小，降雨導(dǎo)致的孔壓變幅大；位于邊坡下部的點(diǎn)，庫水位驟降導(dǎo)致的孔壓變幅大，降雨導(dǎo)致的孔壓變幅則相對較小。

工況3 的安全系數(shù)變化如圖8 所示。降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻，規(guī)律則有所不同。降雨發(fā)生在0～2 d、6～8 d、12～14 d、18～20 d 和24～26 d 情況下，安全系數(shù)的最大降幅分別為13.8%、16.3%、14.2%、12.6%和10.7%，可見此工況下安全系數(shù)的最大降幅都要大于單純庫水位驟降或者是降雨情況；最小安全系數(shù)均小于1.25，根據(jù)水利工程相應(yīng)規(guī)范[12]，此時邊坡安全穩(wěn)定具有較大的風(fēng)險。由此可以看出，降雨聯(lián)合庫水位是滑坡產(chǎn)生失穩(wěn)的重要原因。值得注意的是，降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻下的最小安全系數(shù)也不一樣，降雨發(fā)生在第6～8 d時最小安全系數(shù)最小。與以往研究僅僅把降雨施加在庫水位驟降結(jié)束時刻待果不同，本研究發(fā)現(xiàn)，降雨發(fā)生在庫水位驟降過程中出現(xiàn)最小安全系數(shù)。

圖7 工況3孔壓變化規(guī)律。

圖8 工況3安全系數(shù)變化

5 結(jié) 論

綜上所述，（1）庫水位驟降速率與孔壓下降呈正相關(guān)，降雨強(qiáng)度與孔壓上升幅度呈正相關(guān)，單純降雨孔壓上升幅度要大于庫水位情況孔壓下降幅度，降雨發(fā)生在庫水位驟降時刻的孔壓變化特性綜合了降雨情況與庫水位情況，位于邊坡下部的孔壓值要大于上部的孔壓值。（2）在靜庫水位工況下，降雨強(qiáng)度越大，降雨時間歷時越長，滑坡體內(nèi)部孔壓上升幅度越大；滑體下部孔壓值總體要大于滑體中上部，庫水位水平越高，降雨強(qiáng)度越大，降雨時長越長，安全系數(shù)越小。（3）在庫水位驟降與不同時刻降雨聯(lián)合作用下，滑體最危險情況并非出現(xiàn)在庫水位驟降開始聯(lián)合降雨、或者庫水位下降結(jié)束時聯(lián)合降雨的時候，而是出現(xiàn)在庫水位驟降過程中聯(lián)合降雨。因此，在三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究中必須考慮降雨-庫水位耦合情況，且需要對降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻進(jìn)行密切監(jiān)測。