王代兵

(深圳市深水兆業(yè)工程顧問(wèn)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)用電量需求顯著增大。而水電站建造位置較為偏僻，多數(shù)位于山區(qū)。水電能源的獲取是通過(guò)水電站的蓄水與排水實(shí)現(xiàn)的，在蓄水與排水過(guò)程中，水位的變化位置與變化速度會(huì)影響水電站坡體的穩(wěn)定性，從而引發(fā)自然災(zāi)害。因此，針對(duì)水電站的坡體穩(wěn)定性展開(kāi)研究，對(duì)我國(guó)水電能源的獲取及自然災(zāi)害的防治具有重要意義。

鄒德玉[1]分析了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并利用軟件進(jìn)行建模，分析土體水利特性對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。裴智超[2]利用軟件模擬水庫(kù)水位變化過(guò)程，分析了水位升降對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。夏怡等[3]采用飽和-非飽和滲流分析法，對(duì)降雨條件下的邊坡進(jìn)行有限元模擬，分析了降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。劉彥等[4]采用3種不同極限平衡方法，對(duì)比分析了不同工況下棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性。簡(jiǎn)文彬等[5]以岸坡為研究對(duì)象，分析了水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響。高詩(shī)欽等[6]以巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，基于JRC-JMC模型，分析了各參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。葉帥華等[7]根據(jù)基本假設(shè)和幾何關(guān)系，提出了分析邊坡穩(wěn)定性的方法。呂建航等[8]以加筋膨脹土邊坡為研究對(duì)象，開(kāi)展模型試驗(yàn)，分析了內(nèi)土壓力、含水率等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

上述研究主要采用飽和滲流理論，但未考察基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。本文以國(guó)內(nèi)某地區(qū)水電站庫(kù)區(qū)邊坡為主要研究對(duì)象，以飽和-非飽和滲流分析法為理論基礎(chǔ)，通過(guò)剖析水位的變化速率、滲透性以及黏聚力等各種因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為我國(guó)自然災(zāi)害的有效預(yù)防工作奠定理論基礎(chǔ)。

2 計(jì)算理論

由于庫(kù)區(qū)邊坡同時(shí)受非飽和及飽和區(qū)地下水相互作用，需同時(shí)考慮二者之間的統(tǒng)一性。滲流理論控制方程如下：

(1)

式中：kx為水平滲透系數(shù)；h為水頭高度；ky為豎向滲透系數(shù)；mw為比水容量；ρw為水密度；g為重力加速度。

邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，主要考慮條間剪力和法向應(yīng)力對(duì)邊坡的影響。利用Morgenstern-Price法，根據(jù)力的平衡條件，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Ff計(jì)算公式如下：

(2)

根據(jù)力矩平衡，穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

式中：c為黏聚力；φ為摩擦角；α為土體底部?jī)A斜角；μ為孔隙水壓力；N為條塊底部法向力；D為線荷載；β、ω、R、x、f、d為幾何參數(shù)。

3 計(jì)算模型

以國(guó)內(nèi)某地區(qū)水電站庫(kù)區(qū)邊坡為研究對(duì)象，取其邊坡斷面特征進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其土質(zhì)-水分特性曲線進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖1。隨著基質(zhì)吸力的增加，碎石土和強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量逐步下降，而強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量則整體高于碎石土的體積含水量。

圖1 土-水特征曲線

采用Van-Genuchten模型，得到滲透系數(shù)曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 滲透系數(shù)曲線

由圖2可知，隨著基質(zhì)吸力的增大，體積含水率逐漸減少，強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的體積含水率整體大于碎石土的體積含水率。

采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型作為有限元計(jì)算模型。邊坡橫向長(zhǎng)度為340 m，邊坡高度最低處為48 m，最高處為184 m。碎石土與強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖參數(shù)見(jiàn)表1。

本研究考慮庫(kù)水位升降速度、滲透系數(shù)、黏聚力對(duì)安全系數(shù)的影響，計(jì)算方案見(jiàn)表2。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 計(jì)算方案

3.1 水位升降對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響

根據(jù)前人研究成果，確定不同水位升降速度，分別為0.5、1、2、2.5、3、5 m/d，研究其對(duì)安全系數(shù)的影響。水位升降速度與安全系數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 蓄水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖3可知，隨著蓄水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，水庫(kù)安全系數(shù)與其水位高程呈正相關(guān)關(guān)系，隨著高程的增大，安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)蓄水速度為0.5 m/d時(shí)，安全系數(shù)有最小值，為1.225；當(dāng)蓄水速度為5 m/d時(shí)，安全系數(shù)有最大值，為1.456。當(dāng)庫(kù)水位高程一致時(shí)，蓄水高度由0.5 m/d增長(zhǎng)至5 m/d時(shí)，其最小安全系數(shù)增幅為2%。在水的滲流作用下，坡體自重應(yīng)力增大，且受到孔隙水壓力及孔隙水浮力的作用，使其摩擦力減小，土體易發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致安全系數(shù)降低。在蓄水速度較小的情況下，水位上升速度較小，水在土體內(nèi)的滲流作用較為充分，導(dǎo)致坡體易發(fā)生損害。所以，當(dāng)蓄水速度較大時(shí)，其安全系數(shù)大于蓄水速度較小時(shí)的安全系數(shù)。

圖4 放水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖4可知，隨著放水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸減小。當(dāng)放水速度一定時(shí)，隨著水位高程的增大，其安全系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)放水速度為0.5 m/d時(shí)，坡體安全系數(shù)最大；當(dāng)放水速度為5 m/d時(shí)，坡體安全系數(shù)最小，降幅約為6%。當(dāng)水位下降時(shí)，土體內(nèi)孔隙水減少，所受的摩擦力增大，所受的孔隙水壓力與浮力減小，使其安全系數(shù)降低。當(dāng)放水速度越大時(shí)，土體中的孔隙水來(lái)不及排出，自重應(yīng)力增大，摩擦力減小，土體易發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致安全系數(shù)降低。因此，當(dāng)放水速度較大時(shí)，其安全系數(shù)小于放水速度較小時(shí)的安全系數(shù)。

由上述分析可知，為保證坡體安全性，當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，蓄水速度宜較大；當(dāng)水庫(kù)放水時(shí)，放水速度宜較小。

3.2 碎石土滲透性對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響

不同滲透系數(shù)對(duì)坡體安全系數(shù)影響見(jiàn)圖5。

圖5 滲透系數(shù)對(duì)安全系數(shù)影響圖

由圖5可知，隨著時(shí)間的增大，坡體的安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)排水速度較小時(shí)，曲線整體較為平緩；當(dāng)排水速度較大時(shí)，曲線的安全系數(shù)差異較大。當(dāng)放水速度一致時(shí)，滲透系數(shù)越小，其安全系數(shù)越小。當(dāng)滲透系數(shù)越大時(shí)，坡體的滲透性越好，使得排水過(guò)程中坡體內(nèi)的水可以被及時(shí)排出。由于坡體內(nèi)孔隙水減少，孔隙水壓力減小，坡體所受力減少，使得安全系數(shù)提高，坡體穩(wěn)定性得以保證。當(dāng)滲透系數(shù)較小時(shí)，坡體內(nèi)的水不能被及時(shí)排出，在排水過(guò)程中受孔隙水壓力與浮力的影響，使其摩擦力減小，容易發(fā)生滑動(dòng)，坡體穩(wěn)定性較差，其安全系數(shù)較小。

在3種不同排水速度下，同一時(shí)間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨排水速度的增大而增大，當(dāng)排水速度越大時(shí)，最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。

由上述分析可知，若想提高庫(kù)區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需采用滲透性較好的材料，或控制其排水速度，使其排水速度較小，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

3.3 抗剪強(qiáng)度對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響

為研究不同抗剪強(qiáng)度對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，抗剪強(qiáng)度取值分別為10.4、12.8、15.8、19.6和24.2 kPa。取c=15.8 kPa，φ=30.2°。根據(jù)式(4)、式(5)，計(jì)算黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(4)

式中：c為黏聚力；c′為折減黏聚力；Ks為折減系數(shù)。

(5)

式中：φ為內(nèi)摩擦角；φ′為折減內(nèi)摩擦角。

黏聚力與安全系數(shù)曲線見(jiàn)圖6。

圖6 黏聚力與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖6可知，當(dāng)排水速度一致時(shí)，安全系數(shù)隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)呈先減小后增大的趨勢(shì)。對(duì)比不同黏聚力對(duì)安全系數(shù)的影響，當(dāng)排水速度不變時(shí)，在相同的時(shí)間下，安全系數(shù)隨著黏聚力的增大而增大。取時(shí)間為30 d、排水速度為1 m/d，當(dāng)黏聚力為10.4 kPa時(shí)，其安全系數(shù)為1.151；當(dāng)黏聚力為24.2 kPa時(shí)，其安全系數(shù)為1.251，兩種不同黏聚力的安全系數(shù)相差9%左右。黏聚力與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，黏聚力越大，其安全系數(shù)越高。當(dāng)黏聚力較大時(shí)，坡體內(nèi)各物質(zhì)之間的相互吸引力較大，顆粒間互相膠結(jié)，使土體間相互作用力較大，摩擦力增大，所以坡體安全系數(shù)較大，穩(wěn)定性較好。

取黏聚力為24.2 kPa，當(dāng)排水速度為5 m/d時(shí)，坡體最小安全系數(shù)為1.213；當(dāng)排水速度為1 m/d時(shí)，坡體最小安全系數(shù)為1.265。不同排水速度下，安全系數(shù)差值約為4.3%。

由上述分析可知，當(dāng)黏聚力較大時(shí)，坡體安全系數(shù)較大，穩(wěn)定性較強(qiáng)。因此，可以通過(guò)提高黏聚力，來(lái)增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。

內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)曲線見(jiàn)圖7。

圖7 內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系圖

由圖7可知，內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系趨勢(shì)較為平緩，總體呈先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)排水速度為1 m/d時(shí)，內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。隨著內(nèi)摩擦角的增大，坡體的安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)時(shí)間為30 d時(shí)，最小安全系數(shù)為0.813，最大安全系數(shù)為1.523，二者之間相差85.6%。表明內(nèi)摩擦角對(duì)坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。

當(dāng)內(nèi)摩擦角相同時(shí)，取內(nèi)摩擦角為41.6°，取時(shí)間為10 d，當(dāng)排水速度為1 m/d時(shí)，坡體安全系數(shù)為1.8；當(dāng)排水速度為5 m/d時(shí)，坡體安全系數(shù)為1.55。坡體安全系數(shù)與排水速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著排水速度的增大，坡體的安全系數(shù)逐漸減小。

由上述分析可知，若想提高庫(kù)區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需提高土體的黏聚力，提高其內(nèi)摩擦角，降低排水速度，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1) 隨著放水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸減小。隨著蓄水速度的增大，其安全系數(shù)逐漸增大。為確保坡體安全性，當(dāng)水庫(kù)蓄水時(shí)，蓄水速度宜較大；當(dāng)水庫(kù)放水時(shí)，放水速度宜較小。

2) 在3種不同排水速度下，同一時(shí)間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨著排水速度的增大而增大，當(dāng)排水速度越大時(shí)，最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。若想提高庫(kù)區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需采用滲透性較好的材料，或控制其排水速度，使其排水速度較小，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。

3) 內(nèi)摩擦角對(duì)坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系；內(nèi)摩擦角對(duì)坡體安全系數(shù)有顯著影響，內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定

性呈正相關(guān)關(guān)系。若想提高庫(kù)區(qū)坡體的穩(wěn)定性，需提高土體的黏聚力，提高其內(nèi)摩擦角，降低排水速度，使其安全系數(shù)增大，從而保證坡體的穩(wěn)定性。