庫水位波動對石佛寺水庫滑坡體穩(wěn)定性的影響

韓東海

(桓仁縣水務局，遼寧 桓仁 117200)

1 滑坡體發(fā)育特征

石佛寺水庫是遼河干流上的一座河道型水庫，壩址位于遼寧省沈陽市新城子區(qū)黃家鄉(xiāng)，設計庫容1.85億m3，防洪庫容1.60億m3，控制流域面積16.5萬km2[1]。2010年7月20日至21日，石佛寺水庫壩址上游地區(qū)遭遇特大暴雨襲擊，水庫庫區(qū)發(fā)生多出滑坡。其中，白沙滑坡位于水庫右岸白沙段，滑坡寬約190m，面積5萬m2，體積約80萬m3。受2016年7月25日暴雨沖刷，滑坡變形有進一步加劇趨勢。

石佛寺水庫是一座典型的平原水庫，庫區(qū)邊坡的地基特性是第四系覆蓋[2]。滑坡體物質主要由第四系松散堆積物構成，其成因主要為坡積、人工堆積以及洪積。滑坡體按照組成成分可以分為上下兩層：上層主要是碎石土和含碎石粘性土；下層主要是碎石土和孤石塊體。滑坡體的地下水主要為基巖裂隙水，主要賦存于下部基巖中。對滑坡體滑帶土取樣進行室內試驗，獲得不同層位土體的物理力學參數，如表1所示。

2 數值模型的建立

2.1 方法選取

經過多年的研究和理論實踐，目前形成了大量關于邊坡穩(wěn)定性的數值模擬軟件，這些軟件的理論基礎和側重點往往有所不同，用戶要根據實際工程特點進行選擇[3]。鑒于本次研究中的水位波動以及降雨對滑坡的影響過程十分復雜，且主要通過改變滑坡體的水動力場和巖土體的物理力學特性進而使

表1 采集樣品的物理力學參數試驗成果

滑坡體的穩(wěn)定性發(fā)生改變。因此，模擬計算的首要任務是對不同工況下的滑坡滲流場的響應過程進行模擬，所以本文選取GeoStudio2007中的SEEP/W和SLOPE/W模塊進行模擬計算[4]。具體計算思路是：首先在SEEP/W模塊中設置計算邊界條件，實現對降雨強度和水位升降等條件的模擬，然后導入基于滲流場模擬獲得的孔隙水壓力分布結果，進行兩者之間的耦合分析，最終實現滑坡穩(wěn)定性變化模擬結果[5]。

2.2 模型的概化

白沙滑坡地層自上而下可以分為碎石土、滑帶土、次級滑動帶和基巖，有限元概化模型如圖1所示。

圖1 有限元計算概化模型

3 滲流場模擬分析

3.1 計算原理

無論是庫水位波動還是降雨滲入，水對滑坡體的影響本質上都屬于飽和與非飽和狀態(tài)相互轉化的過程[6]。SEEP/W模塊的理論基礎是基于非飽和土體滲流的達西定律，在此模塊中滲流系數隨含水量及孔隙水壓力的變化而變化，其二維滲流的控制方程為：

(1)

式中，Kx—水平方向飽和滲透系數；Ky—垂直方向飽和滲透系數；ρw—水的密度；mw—比水容量；g—重力加速度。

在計算之前首先要對概化后的滑坡連續(xù)體進行網格化離散，剖分類型選取為非結構化的四邊形或三角形網格，共得到13245個網格單元，46547個節(jié)點。

3.2 計算邊界

SEEP/W模型的邊界條件主要是流量和水頭邊界[7]。由于野外實際條件下滑坡體的滲流邊界十分復雜，在模型計算中需要對滲流邊界進行必要的概化。基于上述原則，本次模型計算采用的邊界條件為：假設滑坡體下部的基巖為不透水層，其與上部巖土體的接觸面為0流量邊界；滑坡體表面60m高程以下為石佛寺水庫水位波動邊界；滑坡體表面60m高程以上為降雨邊界；低水位階段的降雨和庫水位上升模擬以55m靜水位穩(wěn)態(tài)分析結果為初始條件；庫水位下降模擬則以60m水位穩(wěn)態(tài)分析結果為初始條件。

3.3 參數的選取與校正

雖然在研究開始前通過取樣試驗獲得了滑坡巖土體的物理力學參數，但是該滑坡體處于河道兩側，物質構成異常復雜，不同屬性的巖土層空間分布極不均勻。因此，直接采用試驗獲取的數據，很難獲得理想的模擬結果[8]。因此，基于試驗數據，利用滑坡體地下水監(jiān)測數據進行參數校正十分必要，校正后的參數見表2。利用滑坡中下部滑帶部位孔隙水壓力長期監(jiān)測數據為依據，對流場模型進行反復優(yōu)化，使優(yōu)化后的模型模擬結果能較好符合滑坡體內滲流場變化情況。

表2 校正后的巖土體物理力學參數

3.4 模擬工況的設定

石佛寺水庫屬于遼河干流上的調節(jié)性水庫，在每個水文年中水庫的水位在55～60m內漲落。考慮到沈陽地區(qū)汛期多短時強降雨，石佛寺水庫庫區(qū)水位升降速度較快，在模擬中設計穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析兩種工況，兩種工況的具體參數如表3所示。

表3 穩(wěn)定性模擬工況

4 庫水位升降對滑坡穩(wěn)定性的影響

眾所周知，庫水位升降速率是庫區(qū)滑坡體變形的主要影響因素。汛期庫水位升降變化速率較大的情況下，其對滑坡體內部滲流場的變化影響十分顯著，從而對滑坡體的穩(wěn)定性造成嚴重影響。對庫水位升降速率進行模擬，探求庫區(qū)不同水位、不同升降速率與滑坡體穩(wěn)定性之間的響應關系，對研究水庫型滑坡的成災機理，預防和預測水庫滑坡災害具有重要意義。因此，基于上述模型，對表3中的兩種不同工況下水位變化速率與滑坡穩(wěn)定性之間的關系進行模擬計算，計算結果如圖2、圖3和表4所示。

圖3 工況2條件下不同速率下降過程中穩(wěn)定性系數變化

水位變化速率穩(wěn)定性達到極值的時間達到穩(wěn)定裝態(tài)所需的時間穩(wěn)定性系數變化值升降升降升降0.5m/d606060590.0440.0461m/d313151590.0140.0262m/d161636590.0140.0265m/d7729590.0120.02110m/d3323560.0150.024

圖2是工況1條件下庫水位以不同速率上升過程中滑坡體穩(wěn)定系數計算結果。計算結果顯示，如果庫水位上升速率大于1m/d，滑坡的穩(wěn)定性先迅速增大，再緩慢減小，最后逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)；如果水位的上升速率小于1m/d，滑坡體的穩(wěn)定性呈現出先減小再持續(xù)增大的變化趨勢。由表4可知，工況1條件下當庫水位上升速率大于1m/d時，滑坡體的穩(wěn)定性系數的增大值為0.014左右，如果上升速率為0.5m/d時，這一數值為0.044。究其原因，在工況1條件下，如果庫水以較大速率上升，則庫水的靜水壓力有利于滑坡體保持穩(wěn)定，其穩(wěn)定性會持續(xù)增大；當水位穩(wěn)定于60m后，庫水會不斷滲入滑坡體內部，并造成滑帶部位的巖土體物理力學參數值減小，滑坡體的穩(wěn)定性會逐步降低，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。如果水位以較小速率上升，滑坡體會受到動、靜水壓力、浮托力以及巖土體的物理力學性質變化的共同影響，因此滑坡處于穩(wěn)定階段。

圖3是工況2條件下，庫水位以不同速率下降過程中滑坡體穩(wěn)定系數計算結果。計算結果顯示，當庫水位下降速率大于1m/d時，滑坡體的穩(wěn)定性變化趨勢為先迅速減小，然后緩慢增大，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)；當庫水位下降速率小于1m/d時，滑坡體穩(wěn)定性的變化趨勢為先逐漸減小，然后緩慢增大，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。由表4的數據可知，庫水位的下降速度越快，滑坡體穩(wěn)定性達到最差的時間也就越短，而增大至穩(wěn)定狀態(tài)的時間變化并不明顯。如果庫水位下降速率大于1m/d時，當滑坡體達到穩(wěn)定狀態(tài)時的穩(wěn)定性系數減小0.026，而庫水位下降速率為0.5m/d時，這一數值為0.046。究其原因，當庫水位下降速率較大時，對滑坡體的穩(wěn)定性起主導作用的是靜水壓力，而隨著庫水位的不斷降低，動水壓力增大而靜水壓力減小，滑坡體的穩(wěn)定性也將不斷減小；當庫水位降低到55m后，巖土體的物理力學參數開始對滑坡體的穩(wěn)定性起主導作用，所以滑坡體的穩(wěn)定性會隨著巖土體的物理力學參數的增大而逐漸升高，并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。如果庫水位下降速率較小，在水位下降的初始階段起主導作用的是靜水壓力，所以滑坡體的穩(wěn)定性緩慢降低到極值，而隨著靜水壓力的不斷減小，巖土體參數逐漸增大并開始起主導作用，所以滑坡的穩(wěn)定性逐漸增大，并達到穩(wěn)定狀態(tài)，因而在整個庫水位下降過程中，滑坡體均處于穩(wěn)定階段。

5 結語

本文以石佛寺水庫庫區(qū)白沙滑坡穩(wěn)定性為研究對象，利用有限元分析軟件，結合長期的地質觀測數據，對庫水位波動過程中滑坡體內部的滲流場變化規(guī)律進行了分析。研究結論顯示白沙滑坡處于蠕滑狀態(tài)，滑坡變形主要集中于石佛寺水庫水位下降階段，短期內并不會誘發(fā)嚴重的地質災害和次生災害。但是，白沙滑坡體的變形會對附近的明沈公路以及部分建筑產生潛在影響，建議水庫管理部門和當地國土部門在水庫水位下降期要加大監(jiān)測密度，及時掌握滑坡體的變形動態(tài)，及時對其變形趨勢進行合理判別和處置。

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