趙桂蘭

(赫章縣水務(wù)局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

滑坡災(zāi)害一直是全球三大工程地質(zhì)問題之一，也是防災(zāi)減災(zāi)關(guān)注的重點(diǎn)，滑坡導(dǎo)致的工程建設(shè)問題也給人民群眾造成了極大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，目前已有大量學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性問題展開研究。馬崇武[1]等人通過有限元數(shù)值模擬方法，將水位變化下的坡體內(nèi)部滲流場視為準(zhǔn)靜態(tài)，發(fā)現(xiàn)其邊坡巖土體在飽和之后其抗剪強(qiáng)度大大降低，對應(yīng)的邊坡安全系數(shù)同樣呈現(xiàn)降低的趨勢。劉建軍等人通過數(shù)值模擬分析方法，結(jié)合某區(qū)水電站工程概況，研究了該區(qū)域蓄水前后邊坡地下水滲流場的變化規(guī)律。劉新喜等人基于滑坡數(shù)學(xué)模型，建立二維滲流方程，考慮邊坡巖土體的飽和與非飽和因素，研究了水位變化下邊坡內(nèi)部的滲流場變化，最后采用了簡布法分析邊坡滑塌時(shí)的安全系數(shù)[1-3]。劉紅巖等人利用Geo-Studio有限元分析軟件，采用滲流模塊對不同水位條件下的邊坡浸潤線位置進(jìn)行研究，獲得了水位變化下滲流速率以及孔隙水壓力變化規(guī)律。張文杰等人對比飽和土理論，發(fā)現(xiàn)該理論應(yīng)用于邊坡滲流和穩(wěn)定研究中存在的諸多問題，進(jìn)而采用飽和-非飽和分析方法進(jìn)行水位變化下邊坡內(nèi)滲流場變化規(guī)律的研究[4-5]。唐輝明以某庫區(qū)滑坡問題為研究對象，利用有限元數(shù)值模擬軟件，研究了不同水位變化下邊坡滲流場和應(yīng)力場的變化規(guī)律。汪斌通過分析水位變化下邊坡失穩(wěn)的成因機(jī)制，并建立某庫灣區(qū)滲流場和應(yīng)力場的數(shù)值模型，獲得了水位變動(dòng)對邊坡穩(wěn)定性的影響。土澤能等人基于滲透系數(shù)法，通過有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)，得到了穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析程序，進(jìn)而對不同滲流狀態(tài)下的邊坡的滲流場進(jìn)行了研究[6-8]。

綜上所述，本研究將結(jié)合某庫區(qū)工程項(xiàng)目，利用Geo-Studio有限元分析軟件，研究在不同水位變化工況下庫岸邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

本研究是以我國江西省某水庫項(xiàng)目的邊坡為研究對象，該邊坡土層組成以風(fēng)化巖、滑動(dòng)體和壩基巖為主，簡化可得該庫岸邊坡幾何尺寸如圖1所示，其對應(yīng)的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 庫岸邊坡幾何尺寸圖

表1 庫岸邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 建立庫岸邊坡模型

本研究通過利用Geo-studio有限元分析軟件，建立庫岸邊坡模型，采用SWEEP/W模塊進(jìn)行不同水位條件變化下的庫岸邊坡穩(wěn)定性研究。該邊坡模型以5m水位作為穩(wěn)定滲流的初始水位條件，邊坡右邊界25m以下部分定義為變水頭條件，其余邊界均為零流量邊界。本研究通過細(xì)化網(wǎng)格提高計(jì)算精度，對庫岸邊坡模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共2080個(gè)，單元共有1992個(gè)，相應(yīng)的邊坡模型初始滲流狀態(tài)和坡體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4。

圖2 庫岸邊坡模型網(wǎng)格劃分圖

圖3 庫岸邊坡初始滲流場圖

圖4 庫岸邊坡初始條件滑坡圖

按照某庫區(qū)邊坡水位實(shí)際情況，將水位變化分為水位上升、水位穩(wěn)定和水位下降階段，并制定如下有限元模擬試驗(yàn)方案。

表2 有限元模擬試驗(yàn)方案

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本研究以(45,20)，(50,20)，(55,15)，(60,15)，(70,15)，(75,10)，(80,5)7個(gè)具有代表性的觀測點(diǎn)為研究對象，分別研究分析了在水位上升、水位穩(wěn)定和水位下降階段邊坡內(nèi)部孔隙水壓力的分布情況。

3.1 孔隙水壓力的變化規(guī)律

1)水位上升階段：

由圖5和圖6可獲得在水位上升階段，邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力分別在18d和30d里的變化云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)水位上升時(shí)，庫岸邊坡的水位線也逐漸上升；隨著水位的不斷提升，坡表處的浸潤線率先響應(yīng)，而距離坡表較遠(yuǎn)的測點(diǎn)響應(yīng)較慢，且距離越遠(yuǎn)變化越??；隨著浸潤時(shí)間的持續(xù)，浸潤線由坡表至坡內(nèi)深處不斷延拓。

圖5 水位上升階段第 18d 孔隙水壓力云圖

圖6 水位上升階段第 30d 孔隙水壓力云圖

隨著時(shí)間的增加，在水位上升階段坡表測點(diǎn)的孔隙水壓力變化規(guī)律如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，坡表各個(gè)測點(diǎn)的孔隙水壓力隨著水位的不斷提升而漸漸增大，而坡頂與坡腳處的增幅不盡相同。其中，在水位不斷上升的過程中，坡頂處測點(diǎn)孔壓未出現(xiàn)明顯變化，直至水位達(dá)到坡頂測點(diǎn)后孔隙水壓力呈現(xiàn)出迅速增大后略有降低的現(xiàn)象，最終保持穩(wěn)定。而坡腳處測點(diǎn)(80,5)則由一開始就呈現(xiàn)出線性增加的趨勢，當(dāng)水位達(dá)到25m時(shí)，該測點(diǎn)的孔隙水壓力達(dá)到了175.412kPa。

圖7 水位上升階段坡表測點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線圖

由上圖孔隙水壓力變化曲線可知，在水位上升階段水不斷入滲坡體，形成了由坡表至坡體內(nèi)部的滲流，引起了坡體內(nèi)部浸潤線向坡表傾斜的變化規(guī)律。由于邊坡不同高度的土性不盡相同，從而使得坡體內(nèi)部的各個(gè)部位的浸潤線變化速率并非保持一致，存在一定的差異或滯后，且滑動(dòng)體處的土體滲透性較大，因此該處的浸潤線變化顯著。

2)水位穩(wěn)定階段：

由圖8可知，在水位穩(wěn)定階段坡體內(nèi)部浸潤線變化緩慢，這是因?yàn)殡S著入滲時(shí)間的增加，坡體內(nèi)部滲流范圍增大，滲流路徑逐漸由滑動(dòng)體入滲至風(fēng)化巖，使得浸潤線緩慢抬升。由圖9可知在40d后，邊坡各測點(diǎn)處孔隙水壓力基本保持不變，這是因?yàn)樵谒环€(wěn)定階段邊坡內(nèi)部土體幾乎始終保持著飽和狀態(tài)。

圖8 水位穩(wěn)定階段第 200d 孔隙水壓力分布云圖

圖9 水位穩(wěn)定階段坡表測點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線

3)水位下降階段：

水位下降階段坡表測點(diǎn)的孔隙水壓力分布云圖如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水位下降時(shí)，坡內(nèi)的浸潤線隨之下降，但其坡內(nèi)水位下降速率存在明顯的滯后現(xiàn)象，這是由于不同土層的土性不同，對應(yīng)的滲透系數(shù)也不同，因此，滲透性較大的滑動(dòng)體土層降速要遠(yuǎn)大于風(fēng)化巖土層。

圖10 庫水位下降階段第236d孔隙水壓力分布云圖

圖11反映了在水位下降階段坡表各個(gè)測點(diǎn)的孔隙水壓力的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，該工況下邊坡土體的孔隙水壓力隨著水位的降低呈現(xiàn)出先快速減小后趨于穩(wěn)定的趨勢，其快速減小的原因系水位下降導(dǎo)致邊坡內(nèi)外水壓差較大，形成了由坡內(nèi)向坡外的滲流力，加速了孔隙水壓力的消散，當(dāng)水位趨于穩(wěn)定時(shí)，相應(yīng)的孔隙水壓力也漸漸穩(wěn)定下來。

圖11 水位下降階段坡面點(diǎn)的孔隙水壓力變化圖

3.2 水位變化過程的穩(wěn)定性分析

將水位變化全過程中的滲流計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入至穩(wěn)定性分析模塊中，可得不同工況下不同時(shí)刻的穩(wěn)定性變化圖(如圖12-16所示)。

圖12 水位在初始狀態(tài)的滑坡圖

圖13 水位上升階段第 36d 的滑坡圖

圖14 水位穩(wěn)定階段第 200d 的滑坡圖

圖15 水位下降階段第 236d 的滑坡圖

圖16 庫水位升降過程安全系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖

由圖可知，在水位上升階段，邊坡的呈現(xiàn)出略微減小而后逐漸增大的規(guī)律，其中當(dāng)水位達(dá)到25m時(shí)，相應(yīng)的邊坡安全系數(shù)達(dá)到最大值；在進(jìn)入水位穩(wěn)定階段后，隨著時(shí)間的持續(xù)增加，庫岸邊坡的安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)時(shí)間積累至一定值后，邊坡安全系數(shù)保持穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)入水位下降階段時(shí)，邊坡安全系數(shù)出現(xiàn)明顯的驟降，隨著水位的持續(xù)下降，其值達(dá)到最小值并逐漸趨于穩(wěn)定[9-10]。

究其原因，在水位上升階段初期，滲流首先從邊坡坡腳開始，使得坡腳處土體孔隙水壓力逐漸增大，也意味著該處巖土體的抗剪強(qiáng)度逐漸減小。并且，由于坡腳處坡面內(nèi)外形成水頭壓力差，對庫岸邊坡的穩(wěn)定性造成影響，因此在水位上升階段初期出現(xiàn)短時(shí)間的安全系數(shù)減小現(xiàn)象；隨著水位持續(xù)上升并達(dá)到一定高度時(shí)，由于坡體側(cè)外水位線總是略高于坡內(nèi)側(cè)，形成了由坡外指向坡內(nèi)的壓力，在一定程度上提高了邊坡的穩(wěn)定性；同時(shí)，坡體內(nèi)部浸潤線隨著時(shí)間的持續(xù)增加而逐步提升，并漸漸滲入邊坡土體深處，坡體內(nèi)外壓力差也逐漸減小，而坡體內(nèi)孔隙水壓力隨之增大，這也表征著此時(shí)邊坡土體抗剪強(qiáng)度的減小，進(jìn)而導(dǎo)致安全系數(shù)降低；在水位穩(wěn)定階段，邊坡內(nèi)外浸潤線高度保持一致，使得坡體內(nèi)外壓力差減小為0，孔隙水壓力達(dá)到最大值并且穩(wěn)定，因此邊坡安全系數(shù)穩(wěn)定不變；在水位下降階段，由于水位的下降導(dǎo)致坡體內(nèi)外平衡狀態(tài)改變，此時(shí)由于坡體內(nèi)部水位線高于坡外且存在滯后現(xiàn)象，滲透力轉(zhuǎn)由邊坡內(nèi)側(cè)指向外側(cè)，對其穩(wěn)定性造成影響，直接導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的降低；當(dāng)水位下降至5m時(shí)，坡體內(nèi)外水位線基本達(dá)到一致，且坡內(nèi)孔隙水壓力消散完全并達(dá)到一定的平衡，其安全系數(shù)表現(xiàn)為先有一定的提升而后趨于穩(wěn)定[11]。

4 結(jié) 論

通過對水庫水位變動(dòng)下庫岸滑坡穩(wěn)定性的分析，得到的主要結(jié)論如下：

1)隨著水位的不斷提升，坡表處的浸潤線率先響應(yīng)，而距離坡表較遠(yuǎn)的測點(diǎn)響應(yīng)較慢，且距離越遠(yuǎn)變化越小，隨著浸潤時(shí)間的持續(xù)，浸潤線由坡表至坡內(nèi)深處不斷延拓。

2)由于邊坡不同高度的土性不盡相同，從而使得坡體內(nèi)部的各個(gè)部位的浸潤線變化速率并非保持一致，存在一定的差異或滯后，且滑動(dòng)體處的土體滲透性較大，因此該處的浸潤線變化顯著[12]。

3)在水位下降階段，由于水位的下降導(dǎo)致坡體內(nèi)外平衡狀態(tài)改變，坡體內(nèi)部水位線高于坡外且存在滯后現(xiàn)象，滲透力轉(zhuǎn)由邊坡內(nèi)側(cè)指向外側(cè)，直接導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的降低。

4)當(dāng)水位下降至5m時(shí)，坡體內(nèi)外水位線基本達(dá)到一致，且坡內(nèi)孔隙水壓力消散完全并達(dá)到一定的平衡，其安全系數(shù)會(huì)表現(xiàn)為先有一定的提升而后趨于穩(wěn)定。