動(dòng)態(tài)水位作用下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性分析

茍建平

（甘肅省宕昌縣水務(wù)局，甘肅 宕昌 748500）

0 引言

庫(kù)岸邊坡安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析算是一個(gè)長(zhǎng)期困擾全球的問(wèn)題。1963年意大利瓦伊昂水庫(kù)巨型滑坡造成2600多人員死亡，引發(fā)全球熱議[1～2]；受地質(zhì)條件影響，我國(guó)庫(kù)岸滑坡災(zāi)害尤以長(zhǎng)江流域2014年9月，湖北省三峽庫(kù)區(qū)宜昌市杉樹槽走遍發(fā)生滑塌體積近90萬(wàn)立方的大規(guī)模山體滑坡，直接沖毀附近某大型發(fā)電站、堵塞或損壞當(dāng)?shù)亟煌ㄒ溃瑢?duì)當(dāng)?shù)鼐用裆钤斐闪藰O大的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，三峽庫(kù)區(qū)周邊較密集分布著超過(guò)3000處滑坡災(zāi)害高發(fā)點(diǎn)，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億元[3～4]。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)水位變化作用下庫(kù)岸邊坡安全穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確的計(jì)算與評(píng)價(jià)顯得十分重要[5～7]。基于Geo Studio有限元數(shù)值分析平臺(tái)[8～10]，對(duì)動(dòng)態(tài)水位作用下湖北省某水庫(kù)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算；再結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)多重條件深度分析庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，為今后庫(kù)岸邊坡在動(dòng)態(tài)水環(huán)境中的評(píng)價(jià)、防治提供一定借鑒。

1 邊坡概況

湖北省某邊坡位于長(zhǎng)江流域三峽庫(kù)區(qū)，坡面位于水庫(kù)北側(cè)，地形坡度大約為15°～30°之間，向南傾斜入水庫(kù)蓄水區(qū)域。坡面潛在滑體主要由碎石土、礫石以及粉質(zhì)黏土、黏土組成，滑帶為堆積層與基巖接觸帶，以含碎石黏土及粉質(zhì)黏土為主。滑體后緣高約380 m，前緣長(zhǎng)度接近750 m。巖層及松散堆積體的主要參數(shù)如表1。邊坡剖面圖如圖1所示。

表1 滑床巖層及松散堆積體主要參數(shù)

圖1 某邊坡剖面圖

2 基于Geo Studio邊坡分析模型建立

選取某滑坡剖面基于Geo Studio軟件建立數(shù)值模型及尺寸如圖2所示，本模型節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)935個(gè)、單元數(shù)756個(gè)。全局單元尺寸為15 m×15 m。邊坡模型包含滑體和滑床兩部分，劃分后模型如下圖所示。

圖2 Geo Studio分析軟件邊坡分析模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 水庫(kù)水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，每10天對(duì)水庫(kù)周圍進(jìn)行水位高低測(cè)量，持續(xù)采樣一年時(shí)間，采樣監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖3。

圖3 一年內(nèi)水庫(kù)水位變化圖

由圖3可知，湖北省某水庫(kù)處于長(zhǎng)江中下游流域，屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候。春季河流水位受長(zhǎng)江上游冰雪融化影響，水庫(kù)水位小幅度上升，河流水庫(kù)脫離枯水期；夏季后區(qū)域有強(qiáng)降雨，水庫(kù)水位會(huì)突漲，進(jìn)入豐水期；同時(shí)，由于水位突然上升，需視情況采取一定的防洪措施；秋冬季后水庫(kù)水位迅速降低，進(jìn)入枯水期。

3.2 庫(kù)水位作用下岸坡安全性分析

根據(jù)Geo Studio軟件建立數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，下圖4為一年內(nèi)邊坡滲流場(chǎng)與安全系數(shù)隨水位變化云圖。

圖4 坡滲流場(chǎng)與安全系數(shù)隨水位變化云圖

庫(kù)水位從滑坡前緣處的初始水位約100 m以0.15 m/d～5.6 m/d（不同時(shí)間段上升速率不同）逐漸上升到235 m最高水位的過(guò)程中，浸潤(rùn)線在岸坡表面發(fā)生彎曲并指向邊坡坡內(nèi)，且可見坡表處明顯高于坡內(nèi)，這表明：坡內(nèi)水位的上升滯后于坡外水位的上升，水分在庫(kù)水上升過(guò)程中發(fā)生指向坡內(nèi)的回流，在岸坡表面最為明顯；同理可知，在庫(kù)水位下降過(guò)程中在庫(kù)水位升降過(guò)程中，坡內(nèi)水位的下降滯后于坡外水位的下降，水分在庫(kù)水下降過(guò)程中發(fā)生指向水庫(kù)的回流。分析岸坡滲流場(chǎng)的重要基石是浸潤(rùn)線，通過(guò)浸潤(rùn)線的分布和形態(tài)，可以獲取所需的基本滲流要素。

在水庫(kù)水位上升過(guò)程中，坡表范圍正孔壓區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，同時(shí)負(fù)孔壓區(qū)范圍逐漸縮小。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的水位上升，正孔壓區(qū)孔壓最大值由815 kPa逐漸增長(zhǎng)到1752 kPa，負(fù)孔壓區(qū)孔壓絕對(duì)值在岸坡表面附近區(qū)域隨庫(kù)水位波動(dòng)發(fā)生劇烈變化，其值變化的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡內(nèi)。由前文分析可知，庫(kù)水位上升過(guò)程中，產(chǎn)生由坡外向坡內(nèi)的回流，滲透矢量在浸潤(rùn)線波動(dòng)較大的坡表附近指向坡內(nèi)和浸潤(rùn)線以上的坡內(nèi)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是庫(kù)水上升造成近坡表范圍浸潤(rùn)線下部正孔壓增大以及上部負(fù)孔壓的消散，由此產(chǎn)生的滲透力指向坡內(nèi)。

同理，在水庫(kù)水位下降的過(guò)程中，浸潤(rùn)線也隨之緩慢下降，近坡表范圍正孔壓區(qū)范圍逐漸縮小，同時(shí)負(fù)孔壓范圍逐漸擴(kuò)增。經(jīng)過(guò)水位下降過(guò)程后，正孔壓區(qū)孔壓最大值由1735 kPa逐漸降低到826 kPa，負(fù)孔壓區(qū)孔壓絕對(duì)值取值范圍和水位上升時(shí)相似。庫(kù)水位在下降的過(guò)程中，產(chǎn)生由坡內(nèi)指向坡外的流動(dòng)，滲透矢量在浸潤(rùn)線波動(dòng)較大的坡表附近指向坡外，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是庫(kù)水下降造成近坡表范圍浸潤(rùn)線下部正孔壓減小以及上部負(fù)孔壓的擴(kuò)張及由正變負(fù)，由此產(chǎn)生的滲透力指向坡外，表現(xiàn)在圖中便是滲透矢量的上述分布狀態(tài)。

3.3 動(dòng)態(tài)水位作用機(jī)理分析

一年內(nèi)庫(kù)岸邊坡安全系數(shù)隨水位變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)水位作用下邊坡安全系數(shù)變化曲線

岸坡穩(wěn)定性安全系數(shù)呈現(xiàn)出平穩(wěn)—降低—升高—降低—升高—平穩(wěn)。這是因?yàn)椋?dāng)庫(kù)水位上升或下降時(shí)，區(qū)域滑坡體滲透系數(shù)較小，坡體內(nèi)地下水滲流速率低于坡外庫(kù)水位升降速率，此時(shí)，坡內(nèi)外便會(huì)產(chǎn)生水位差，造成破內(nèi)外存在滲透壓力，影響邊坡的穩(wěn)定性。具體可分為兩種情況：

1）庫(kù)水位上升。由于坡內(nèi)水位上升存在滯后性，坡外水位高于坡內(nèi)，產(chǎn)生指向坡內(nèi)的滲透壓力，坡表水位回流向坡內(nèi)，向內(nèi)的壓力擠壓巖土體，滑坡下滑力減小，邊坡變形較小，穩(wěn)定性情況相比增加。

2）庫(kù)水位下降。此時(shí)情況邊坡結(jié)果則截然相反。由于坡內(nèi)水位相較坡外水位的下降存在一定的滯后性，滑坡體內(nèi)水流來(lái)不及排出坡外，導(dǎo)致坡外水位明顯低于坡內(nèi)，產(chǎn)生與下滑方向一致的滲透壓力，下滑力增大，邊坡變形較大，穩(wěn)定性情況相比降低，容易引發(fā)崩塌和滑坡的發(fā)生。

4 結(jié)論

（1）湖北省某水庫(kù)處于長(zhǎng)江中下游流域，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。由降雨圖可知，春季河流水位受上游冰雪融化影響水位上升；夏季有強(qiáng)降雨，水庫(kù)水位會(huì)突漲，需采取一定的防洪措施；秋冬季水位降低，進(jìn)入枯水期。

（2）湖北省某水庫(kù)庫(kù)岸邊坡動(dòng)態(tài)水位作用下，安全性系數(shù)隨著水位變化而變化，總體呈現(xiàn)平穩(wěn)—降低—升高—降低—升高—平穩(wěn)的趨勢(shì)。這是由于該水庫(kù)邊坡土層滲透率低，動(dòng)態(tài)水位對(duì)邊坡的作用機(jī)理屬于滲透壓力型。

（3)基于Geo Studio軟件平臺(tái)，通過(guò)耦合滲透場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多重條件，對(duì)動(dòng)態(tài)水位作用下庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算、分析與評(píng)價(jià)具有高度的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，對(duì)全國(guó)各區(qū)域尤其是長(zhǎng)江流域庫(kù)岸邊坡防治有一定借鑒意義。