裴智超

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，江西 南昌 330000)

滑坡作為地質(zhì)災(zāi)害中最常見的一種，在我國每年發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中占比達(dá)到60%?；聻?zāi)害中最為常見的是庫岸滑坡，庫岸滑坡會造成水庫水位迅速提升，對大壩和周邊群眾的安全造成嚴(yán)重危害。我國每年因庫岸滑坡導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失十分嚴(yán)重，因此有必要對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

針對邊坡穩(wěn)定性問題，眾多學(xué)者已開展了一系列的研究。付宏淵等[1]基于某高速公路邊坡，利用有限元軟件建立三維模型，研究了連續(xù)降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。石誠等[2]基于灰色關(guān)聯(lián)分析法，建立了不同影響因素與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)模型，分析了降雨時(shí)長、邊坡尺寸、降雨強(qiáng)度等對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。翁新海等[3]利用有限元軟件建立模型，分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。研究表明降雨后的2天內(nèi)邊坡穩(wěn)定性最差，隨后穩(wěn)定性逐漸增加。蔡亞飛等[4]基于有限元軟件，分析了地下水和不同降雨條件對邊坡的影響，并獲得了水頭高度、土體參數(shù)、降雨強(qiáng)度等不同因素的影響規(guī)律。賈逸等[5]通過數(shù)值模擬研究了水位變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，獲得了水位升降下邊坡位移場、應(yīng)力場和孔隙水壓力規(guī)律。艾秀峰等[6]基于某庫區(qū)邊坡工程，研究了邊坡穩(wěn)定性與水位變化的關(guān)系。宋丹青[7]和韓東海[8]等對葛藤坳水庫邊坡進(jìn)行研究，研究表明邊坡水位改變速度過快會降低邊坡的穩(wěn)定性。

本文基于GeoStudio計(jì)算軟件建立庫岸邊坡模型，研究了庫岸水位升降速率變化對浸潤線和庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

1.1 地理位置及水庫概況

銅鼓縣備用水源工程葛藤坳水庫壩址位于銅鼓縣城西大溈山林場附近，距銅鼓縣城約16km，壩址以上控制流域面積8km2，主河道長7.1km，屬于武寧水支流大感橋水流域。最大壩高37.44m，總庫容97.3萬m3。庫岸邊坡水下部分寬度為140m，高度為45m，坡度范圍33°～39°。

1.2 氣象水文

對滑坡影響最顯著的氣象條件為降水。據(jù)該地區(qū)氣象站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)雨量充沛，雨季多集中在3—9月，暴雨和大雨主要聚集在5—9月。年平均降水日數(shù)為158.2d。歷史日最大降水量達(dá)338.6mm。降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量情況往往呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著降雨量的不斷增大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率隨之增大。

2 三維有限元模型

2.1 有限元模型

本文基于GeoStudio有限元軟件中的SLOPE/W和SEEP/W模塊對該水庫邊坡進(jìn)行建模，該軟件對邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法基于M-P法，模型如圖1所示。軟件中設(shè)置邊坡模型的網(wǎng)格尺寸0.5m單元，模型共有5988個(gè)節(jié)點(diǎn)，5809個(gè)單位。土體本構(gòu)模型采用M-C準(zhǔn)則。

圖1 模型示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)的選擇

依據(jù)現(xiàn)場勘探資料，水庫邊坡土體參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 水位上升速率的影響

本節(jié)研究庫岸邊坡水位上升速率對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了2種不同工況的結(jié)果。具體工況如下，初始水位為165m，結(jié)束水位為175m，水位上升速率分別為：0.5、1.0m/d。

不同水位上升速率的浸潤線數(shù)值結(jié)果(保持初始水位和結(jié)束水位不變)如圖2所示。從圖中可以看出，庫岸邊坡水位的上升會導(dǎo)致浸潤線的上升，并且越靠近庫岸邊坡坡面浸潤線抬升的越高，可見浸潤線高度與距庫岸邊坡坡面距離成反相關(guān)，因此浸潤線總體為凹型。對比圖2(a)—(b)可見，庫岸邊坡的浸潤線的上升速率與水位上升速率成正比，且隨著水位上升速率的增大，庫岸邊坡水位與浸潤線的高差更大。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是，水庫水滲入庫岸邊坡是一個(gè)持續(xù)的過程，當(dāng)上升水位高度一定時(shí)，水位上升速率越大，庫水滲入庫岸邊坡的時(shí)長越少[9- 10]。

圖2 不同水位上升速率下的浸潤線

不同水位上升速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律為：隨著庫岸邊坡水位上升，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先緩慢減小隨后迅速增大直至結(jié)束。這是因?yàn)樗畮焖簧仙某跗?，水滲入庫岸邊坡導(dǎo)致的水浮力對邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用小于土體含水量增大導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低的不利作用，由此造成庫岸邊坡穩(wěn)定性降低；當(dāng)水庫水位上升一定時(shí)間后，水滲入庫岸邊坡導(dǎo)致的水浮力對邊坡穩(wěn)定性的有利影響起主導(dǎo)作用，由此造成庫岸邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)[11]。對比兩種不同速率的穩(wěn)定性系數(shù)可看出，當(dāng)上升水位的高度一定時(shí)，水位上升越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越好。因?yàn)樗簧仙俾试娇?，邊坡?nèi)部土體浸潤線明顯滯后于水庫水位，導(dǎo)致指向邊坡內(nèi)部的動(dòng)水滲透壓力增大，邊坡穩(wěn)定性增強(qiáng)[12]。

圖3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長的變化曲線

綜上所述，水庫在蓄水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位上升初期，應(yīng)低速提升水庫水位；當(dāng)水位提升到某一高度后，需快速提升水位。

3.2 水位下降速率的影響

本節(jié)研究庫岸邊坡水位下降速率對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了4種不同工況的結(jié)果，具體工況如下，初始水位為175m，結(jié)束水位為165m，水位下降速率分別為：0.25、0.5、0.75、1m/d。

不同水位下降速率的浸潤線數(shù)值結(jié)果(保持初始水位和結(jié)束水位不變)如圖4所示。庫岸邊坡水位的下降會導(dǎo)致浸潤線的下降，并且越靠近庫岸邊坡坡面浸潤線下降的越快，可見浸潤線降低高度與距庫岸邊坡坡面距離成反相關(guān)，因此水位下降過程中浸潤線總體為凸型。對比圖4(a)—(d)可見，庫岸邊坡的浸潤線的下降速率與水位下降速率成正比，且隨著水位下降速率的增大，庫岸邊坡水位與浸潤線的高差更大。因?yàn)樗畮焖疂B出庫岸邊坡是一個(gè)緩慢的過程。

圖4 不同水位下降速率下的浸潤線

不同水位下降速率下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律為：隨著庫岸邊坡水位下降，邊坡穩(wěn)定性先急速降低隨后緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)樗畮焖簧仙某跗?，土體含水量降低導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低的有利影響遠(yuǎn)小于坡體內(nèi)外部分水位差導(dǎo)致的下滑力增大的不利作用，由此造成庫岸邊坡穩(wěn)定性急劇下降；當(dāng)水庫水位上升一定時(shí)間后，土體含水量降低導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低的有利影響起主導(dǎo)作用，從而庫岸邊坡穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)。對比四種不同速率的穩(wěn)定性系數(shù)，當(dāng)下降水位的高度一定時(shí)，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越差。綜上所述，水庫在排水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位下降初期，應(yīng)以較低的速率排水；當(dāng)水位下降到某一高度后，應(yīng)該加快排水速度。

圖5 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨作用時(shí)長的變化曲線

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

本文基于某水庫邊坡，利用GeoStudio計(jì)算軟件建立庫岸邊坡模型。研究了庫岸水位升降速率變化對浸潤線和庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，得到以下結(jié)論：

(1)庫岸邊坡水位過程中，浸潤線總體為凹型；庫岸邊坡下降過程中，浸潤線總體為凸型；且浸潤線變化高度與距庫岸邊坡坡面距離成反相關(guān)。

(2)隨著庫岸邊坡水位上升，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先緩慢減小隨后迅速增大直至結(jié)束；當(dāng)上升水位的高度一定時(shí)，水位上升越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越好。

(3)隨著庫岸邊坡水位下降，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先急速降低隨后緩慢增大，最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)下降水位的高度一定時(shí)，水位下降越快庫岸邊坡的最終穩(wěn)定性越差。

4.2 建議

水庫在蓄水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位上升初期，應(yīng)低速提升水庫水位；當(dāng)水位提升到某一高度后，需快速提升水位。水庫在排水過程中為保證庫岸邊坡的穩(wěn)定性，在水位下降初期，應(yīng)以較低的速率排水；當(dāng)水位下降到某一高度后，應(yīng)該加快排水速度。