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        水庫滑坡變形特征的數(shù)值分析

        2022-12-26 12:04:02付傳林
        水利科技與經(jīng)濟(jì) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:變形特征水平

        付傳林

        (青海省海晏縣農(nóng)牧水利綜合服務(wù)中心,青海 海晏 812299)

        1 概 述

        隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對基礎(chǔ)建設(shè)的要求日益增高,其中對于水庫滑坡的相關(guān)要求也越來越高。水庫滑坡不同于普通山體滑坡,其極易受到水位波動(dòng)的影響,但由于水庫滑坡的特殊性與廣泛性,水庫滑坡的變形特征成為亟待解決的難題。

        為此,許多學(xué)者針對水庫滑坡變形特征進(jìn)行了研究。鄭莉等[1]通過實(shí)驗(yàn)室模擬室外滑坡,研究水庫滑坡在沖擊力作用下的變化特征,揭示水庫滑坡壓力類型、作用特點(diǎn)及分布情況。朱致遠(yuǎn)等[2]以工程實(shí)踐為例,通過室內(nèi)模擬滑坡滲流場,對滑坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并對其穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。丁志洋等[3]以實(shí)際水庫滑坡工程為例,對滑坡滲流場進(jìn)行模擬,分析不同條件下滑坡穩(wěn)定性的影響。張國榮等[4]根據(jù)資料計(jì)算和實(shí)地考察,分析高水位下反濾棱體出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象原因。黃宇云等[5]基于工程實(shí)例,通過數(shù)值模擬,分析水庫滑坡橫斷面形態(tài)和入水角度的影響。姚紀(jì)華等[6]以某水庫滑坡群為研究對象,利用遙感技術(shù)對水庫滑坡群進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評估。周桂云[7]基于數(shù)值模擬,建立滑坡涌浪數(shù)值模型,通過控制方程對模型進(jìn)行求解與驗(yàn)證。范志強(qiáng)等[8]通過對黃土滑坡滑帶土進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn),得出其基本力學(xué)特征,探討在不同工況下,臨滑強(qiáng)度不同的原因。

        綜上可知,雖然我國對于水庫滑坡變形特征進(jìn)行了許多研究,但由于水位會發(fā)生波動(dòng),由此改變水力邊界條件,從而引起坡體內(nèi)滲流場的非穩(wěn)定滲流,使得傳統(tǒng)方法難以得出其變化規(guī)律。因此,本文基于有限元數(shù)值模擬,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)模擬分析、滑坡變形破壞特征定量研究分析和滲透系數(shù)影響分析,得出水庫邊坡變形破壞特征,為工程實(shí)踐提供參考。

        2 計(jì)算理論與模型建立

        本文通過數(shù)值模擬對水庫滑坡現(xiàn)象進(jìn)行建模,探究其穩(wěn)定性,并通過持續(xù)減低巖土強(qiáng)度,直到模型達(dá)到極限而發(fā)生破壞。巖土中采用的莫爾-庫侖材料,其強(qiáng)度折減安全系數(shù)公式如下:

        (1)

        當(dāng)滑坡出現(xiàn)破壞時(shí),數(shù)值模擬程序會根據(jù)結(jié)果得到破壞面,由此得到強(qiáng)度貯備安全系數(shù)。

        模型穩(wěn)定性計(jì)算之后,由于水庫滑坡穩(wěn)定和變形破壞特征需基于坡體內(nèi)滲流場特征,因此對其滲流場進(jìn)行分析?;滤吔鐥l件會因?yàn)樗徊▌?dòng)發(fā)生改變,需對每個(gè)時(shí)間段坡內(nèi)浸潤情況進(jìn)行研究。通過數(shù)值模擬,在水位變化、降雨和抽水等條件下,進(jìn)行飽和與非飽和土中水位非穩(wěn)定滲流計(jì)算。

        在穩(wěn)定分析和滲流分析之后,對模型進(jìn)行變形計(jì)算。利用時(shí)間外推,可以有效預(yù)測出特征點(diǎn)隨時(shí)間變化情況,由此作出預(yù)判,滑坡變形過程存在蠕變特點(diǎn),主要由于變形是隨時(shí)間不斷變化。因此計(jì)算過程中,通過使用數(shù)值模擬的軟土蠕變模型,輸入?yún)?shù)主要為土體重度γ、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ,以及3個(gè)模型剛度參數(shù)分別為模型修正膨脹系數(shù)k*、模型修正壓縮系數(shù)λ*和模型修正蠕變指標(biāo)μ*。

        本文以某水庫滑坡施工工程為例,通過數(shù)值模擬建立模型,該水庫邊坡區(qū)域的模型計(jì)算范圍為435 m×115 m。計(jì)算區(qū)域邊界利用水平約束,底部使用固定約束,根據(jù)平面應(yīng)變條件因素進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其物理力學(xué)和蠕變參數(shù)見表1。

        表1 物理力學(xué)參數(shù)

        續(xù)表1

        為了形象觀測變形破壞特征,在坡面選取3個(gè)水平位移觀測點(diǎn),分別為點(diǎn)A、點(diǎn)B和點(diǎn)C。其中,點(diǎn)A地勢較高,點(diǎn)B地勢適中,點(diǎn)C地勢最低。

        3 模型分析

        3.1 水位下降速度條件下邊坡穩(wěn)定動(dòng)態(tài)分析

        采用不同水位下降速度條件下,對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,水位下降速度取值為0.5、1.0和2.0 m/d。水位降幅取值為30 m,并設(shè)置水位下降時(shí)間分別為60、30、15和10 d,從水位下降開始計(jì)算,整個(gè)計(jì)算時(shí)間為200 d。由此,得出不同水位下降速度安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線,見圖1。

        圖1 下降速度安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線

        從圖1可知,水位下降速度安全系數(shù)隨時(shí)間推移呈先減小后增大的變化趨勢。由圖1可知,時(shí)間在0~40 d時(shí),所有水位下降速度的安全系數(shù)均達(dá)到最低值。安全系數(shù)最低值代表各水位下降速度最不利水位,最不利水位在邊坡工程中可以校核邊坡穩(wěn)定性。但由于時(shí)間間隔過大,因此以3 d為時(shí)間間隔,對0~42 d邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,其安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。

        圖2 不同水位下降速度條件下42 d安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

        由圖2可知,水位下降速度越快,其安全系數(shù)越低,但安全系數(shù)均未低于1.0。其中,當(dāng)水位下降速度為0.5 m/d時(shí),最低安全系數(shù)需要經(jīng)過30 d后才能達(dá)到最低安全系數(shù);而水位下降速度為1和2 m/d時(shí),兩種條件下的最低安全系數(shù)大致相似,說明水位下降系數(shù)不超過1 m/d時(shí),其最低安全系數(shù)均相對較高。其對應(yīng)不同時(shí)間滑坡滑面,開始階段滑坡破壞主要是邊坡坡體中后部沿滑帶局部失穩(wěn)。隨著水位持續(xù)下降,破壞特征從沿滑帶局部失穩(wěn)到沿滑帶的整體失穩(wěn)。

        3.2 滑坡變形破壞特征定量分析

        對滑坡變形破壞特征進(jìn)行定量分析,研究在0.5、1.0和2.0 m/d共3個(gè)水位下降速度下,3個(gè)水平位移觀測點(diǎn)隨時(shí)間變化規(guī)律,見圖3。

        圖3 水平位移隨時(shí)間變化曲線

        由圖3可知,各點(diǎn)水平位移在開始階段,其水平位移迅速上升,出現(xiàn)陡升的現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移,水位下降速度越快,水平位移增長距離越大。而水平位移在增長過程中逐漸趨于穩(wěn)定,各點(diǎn)水平位移隨隨時(shí)間變化,水平位移幾乎沒有較大波動(dòng)。結(jié)合圖2不同水位下降速度條件下42 d安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,由于水位下降導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性受到影響,安全系數(shù)低于1.01主要出現(xiàn)在0~12 d之間,對應(yīng)圖3陡升現(xiàn)象,圖2中安全系數(shù)隨時(shí)間先降低后增大階段對應(yīng)圖3無波動(dòng)段。這說明安全系數(shù)越低,水平位移越大;反之,安全系數(shù)越高,水平位移越小。并且點(diǎn)C水平位移明顯大于點(diǎn)A和點(diǎn)B,主要由于在水位下降階段,滑坡破壞主要是坡體中后部,而點(diǎn)C位于滑體上,使其水平位移明顯高于點(diǎn)A和點(diǎn)B。由于該點(diǎn)水平位移最大,其水平位移變化規(guī)律可以準(zhǔn)確反映邊坡變形破壞特征,因此點(diǎn)C可以作為特征點(diǎn)。

        綜上所述,對于水庫滑坡破壞變形特征,可通過特征點(diǎn)水平位移隨時(shí)間變化規(guī)律得出水庫滑坡變形破壞特征,將數(shù)值模擬所得結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測,為工程實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        3.3 滲透系數(shù)的影響

        水庫滑坡滲透系數(shù)也對邊坡變形破壞有著重要影響。分別對0.5、1.0 和2.0 m/d共3個(gè)水位下降速度采用不同的滲透系數(shù)1×10-4、1×10-5和5×10-6m/s,分析滲透系數(shù)大小對邊坡變形破壞特性影響。見表2。

        表2 不同滲透系數(shù)條件下安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

        續(xù)表2

        由表2可知,在不同水位下降速度條件下,安全系數(shù)隨時(shí)間增加呈先減小后增大的變化規(guī)律,且安全系數(shù)降低速度隨滲透系數(shù)減小而減小。由表2還可知,安全系數(shù)只有當(dāng)2.0 m/d水位下降速度情況下,安全系數(shù)才可能低于1.0,說明水位下降速度對邊坡安全系數(shù)有較為明顯影響。由表2中數(shù)據(jù)可知,滲透系數(shù)越大,安全系數(shù)越大。由此,水庫滑坡滲透系數(shù)越大,對邊坡變形破壞影響越小。

        4 結(jié) 論

        基于數(shù)值模擬對水庫滑坡變形破壞特征進(jìn)行研究,通過對模型水位下降速度條件下的邊坡穩(wěn)定動(dòng)態(tài)分析、滑坡變形破壞特征定量研究以及滲透系數(shù)的影響分析,結(jié)論如下:

        1) 水位下降速度安全系數(shù)隨時(shí)間推移呈先減小后增大的變化趨勢。時(shí)間在0~40 d時(shí),所有水位下降速度的安全系數(shù)均達(dá)到最低值,并且水位下降速度越快,其安全系數(shù)越低,但安全系數(shù)均未低于1.0。

        2) 水平位移在初始階段迅速上升,出現(xiàn)陡升的現(xiàn)象;隨著時(shí)間推移,水位下降速度越快,水平位移增長距離越大。而水平位移在增長過程中逐漸趨于穩(wěn)定,各點(diǎn)水平位移隨隨時(shí)間變化,水平位移幾乎沒有較大波動(dòng)。并且安全系數(shù)越低,水平位移越大;反之,安全系數(shù)越高,水平位移越小。

        3) 水位下降階段,由于滑坡破壞主要是坡體中后部,測點(diǎn)位于滑點(diǎn)上水平位移易達(dá)到最大,可以準(zhǔn)確反映邊坡變形破壞特征。將數(shù)值模擬所得結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行預(yù)測,可為工程實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        4) 不同水位下降速度條件下,安全系數(shù)隨時(shí)間增加呈先減小后增大的變化規(guī)律,且安全系數(shù)降低速度隨滲透系數(shù)減小而減小。水位下降速度對邊坡安全系數(shù)有較為明顯影響,并且水庫滑坡滲透系數(shù)越大,對邊坡變形破壞影響越小。

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