某水電站溢洪道開挖邊坡滲流場(chǎng)變化規(guī)律及穩(wěn)定性研究

黃葉寧 孫旭曙 遲 健 劉 洋 陳 超 梁佳燈

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

水利水電工程建設(shè)形成的邊坡所處工程環(huán)境復(fù)雜，且長(zhǎng)期處于庫(kù)水位循環(huán)升降作用下，對(duì)邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)都有一定程度的劣化影響，從而對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響．邊坡失穩(wěn)造成的滑坡、崩塌是十分嚴(yán)重的自然災(zāi)害，其危害僅次于第2大地質(zhì)災(zāi)害的地震[1]．邊坡開挖改變了天然邊坡的幾何形狀，對(duì)邊坡滲流場(chǎng)產(chǎn)生一定影響從而影響其穩(wěn)定性．因此，對(duì)庫(kù)水位升降過程中的開挖邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性問題需持續(xù)研究．

文獻(xiàn)[2-5]以實(shí)際邊坡工程為例，根據(jù)Geo Studio軟件的SEEP/W與SLOPE/W模塊對(duì)瞬態(tài)滲流條件下的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出了庫(kù)水位升降對(duì)邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性影響的一般規(guī)律．文獻(xiàn)[6-8]通過試驗(yàn)獲取邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)，測(cè)量庫(kù)水升降過程中滑坡體內(nèi)土壓力、孔隙水壓力的變化情況，從而分析水庫(kù)蓄水和下降過程中邊坡的變形破壞特征．上述文獻(xiàn)已對(duì)庫(kù)水作用下邊坡內(nèi)部地下水位變化及其對(duì)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入研究，但邊坡開挖之后，其原始地貌將發(fā)生變化，就有限元計(jì)算模型而言，首先其幾何模型發(fā)生變化，導(dǎo)致邊坡荷載發(fā)生變化；其次滲流邊界條件發(fā)生變化，從而影響滲流場(chǎng)．上述因素都將影響邊坡的穩(wěn)定性．因此，掌握邊坡開挖后滲流場(chǎng)及其穩(wěn)定性的變化規(guī)律具有重要的工程意義．

本文基于飽和-非飽和滲流理論和剛體極限平衡法，采用數(shù)值模擬方法研究庫(kù)水升降作用下邊坡開挖前后滲流場(chǎng)變化規(guī)律及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響．

1 計(jì)算理論及方法

1.1 滲流計(jì)算

Geostudio系統(tǒng)軟件中的SEEP/W模塊的理論公式基于飽和與非飽和土體滲流的達(dá)西定律[9]，表述如下：

v=ki(1)

式中，v為達(dá)西流速；k為滲透系數(shù)；i為總水頭梯度．

SEEP/W模塊中瞬態(tài)二維滲流的一般控制微分方程可表述為[10]：

(2)

式中，H為總水頭；kx為x方向的滲透系數(shù)；ky為y方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量；t為時(shí)間；mw為出水曲線的斜率；γw為水的容重．

1.2 穩(wěn)定性計(jì)算

本次計(jì)算采用Morgenstern-Price法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，該方法考慮了條間剪力和法向力并同時(shí)滿足彎矩平衡和力的平衡．Morgenstern-Price法[10]根據(jù)彎矩和水平力平衡條件，通過FOS迭代計(jì)算滑動(dòng)面的安全系數(shù)．

彎矩平衡的安全系數(shù)可表述為：

(3)

水平方向靜力平衡的安全系數(shù)可表述為：

(4)

式中，c′為有效粘聚力；φ′為有效摩擦力；u為孔隙水壓力；N為土條底部法向力；W為土條重量；D為集中荷載；β，R，x，f，d，ω為幾何參數(shù)；α為土條底面傾角．

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1.3 計(jì)算方法

本次數(shù)值分析包括邊坡飽和-非飽和滲流計(jì)算和穩(wěn)定分析兩部分內(nèi)容．首先，采用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊分析庫(kù)水位升降過程中坡體內(nèi)部水頭分布和浸潤(rùn)線的變化規(guī)律；其次，在此基礎(chǔ)上分析庫(kù)水位升降作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響．

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水電站處于西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)，溢洪道布置于河流左岸，且距大壩左壩肩約50 m，溢洪道邊坡自然坡度為40°～50°，出露地層巖性為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)英安巖、流紋巖，大多基巖祼露，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，并發(fā)育多個(gè)碎裂巖體，巖體一般呈強(qiáng)～弱風(fēng)化、山脊一帶巖體局部呈全風(fēng)化狀態(tài)，承載力和變形模量大部分基本滿足要求．壩址河段枯期河水位2 615.6 m，水庫(kù)正常蓄水位2 895 m，死水位2 825 m．

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)該工程溢洪道典型地質(zhì)剖面圖，巖層可分為碎裂巖體、全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化上帶、弱風(fēng)化下帶、微分化和微新巖體，有限元計(jì)算模型如圖1所示．

圖1 溢洪道邊坡計(jì)算模型

參考地質(zhì)勘查報(bào)告、文獻(xiàn)[11]和GEO-SLOPE軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)，其參數(shù)見表1．

2.3 計(jì)算工況

本次計(jì)算考慮了庫(kù)水位升降速率和邊坡巖土體滲透系數(shù)對(duì)溢洪道邊坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性的影響，按表2中的工況模擬計(jì)算．有限元模型中，坡體左、右兩側(cè)地下水位、正常蓄水位和死水位均為定水頭邊界條件，當(dāng)考慮庫(kù)水位上升和下降時(shí)，庫(kù)水位為隨時(shí)間變化的函數(shù)．

表1 溢洪道邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)表

表2 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 滲流計(jì)算分析

1)工況1

邊坡開挖前后坡體內(nèi)部浸潤(rùn)線分布如圖2所示．結(jié)果表明：在原地下水面線以上開挖邊坡，不會(huì)對(duì)浸潤(rùn)線分布產(chǎn)生影響．

圖2 枯水期邊坡開挖前后地下水位分布

為分析庫(kù)水位升降過程對(duì)坡體內(nèi)部滲流場(chǎng)變化規(guī)律的影響，從左至右選取11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各點(diǎn)位置如圖3所示．以1 m/d的升降速率為例分析庫(kù)水升降過程對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的影響，庫(kù)水上升、下降過程中各點(diǎn)總水頭變化曲線如圖4所示．結(jié)果表明：對(duì)比庫(kù)水位上升和下降過程，橫坐標(biāo)0～400 m處地下水位幾乎無(wú)變化，400～1 080 m處浸潤(rùn)面隨著庫(kù)水位升降而變化，表明邊坡淺層局部區(qū)域及受庫(kù)水位直接影響區(qū)域的滲流場(chǎng)受庫(kù)水位升降作用更為敏感．

圖3 選取各點(diǎn)位置示意圖

圖4 開挖后各點(diǎn)總水頭隨距離變化曲線

選取坡體開挖平臺(tái)下部P12點(diǎn)(如圖3所示)，分析不同庫(kù)水位升降速率0.5 m/d、1 m/d、2 m/d對(duì)邊坡滲流場(chǎng)的影響，3種升降速率下P12點(diǎn)總水頭隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示．

圖5 不同升降速率某點(diǎn)總水頭隨時(shí)間變化曲線

結(jié)果表明，①庫(kù)水位以不同速率上升時(shí)，P12點(diǎn)處總水頭總體變化趨勢(shì)為緩慢增加→快速上升→趨于穩(wěn)定，庫(kù)水位上升速率越大，曲線上升段起始時(shí)間越早，曲線斜率越大；當(dāng)庫(kù)水位上升速率為0.5 m/d時(shí)，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)無(wú)穩(wěn)定段；②庫(kù)水位以不同速率下降時(shí)，P12點(diǎn)處總水頭總體變化趨勢(shì)為快速下降→緩慢下降，庫(kù)水位下降速率越大，曲線斜率變化越劇烈．分析原因，庫(kù)水升降速率越快，坡體內(nèi)外形成的水頭差越大，導(dǎo)致坡體內(nèi)外水力坡降加大，滲流速度加大，滲流場(chǎng)孔壓變化加快．

3)工況3

此工況庫(kù)水位升降速度設(shè)為1 m/d，坡體材料的滲透系數(shù)分別設(shè)為K×10、K、K×10-1．選取坡體靠近下游側(cè)的P12，可得3種滲透系數(shù)下該點(diǎn)總水頭隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示．結(jié)果表明，庫(kù)水位上升時(shí)，P12點(diǎn)總水頭先緩慢增加再快速增加，庫(kù)水位下降時(shí)，P12點(diǎn)總水頭先快速下降再緩慢下降；且滲透系數(shù)越大總水頭變化速率越快．

圖6 不同滲透系數(shù)某點(diǎn)總水頭隨時(shí)間變化曲線

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算分析

1)工況2

不同庫(kù)水位上升速率條件下，溢洪道邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖7所示．結(jié)果表明：①當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)，3種速率對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)總體變化趨勢(shì)為相對(duì)穩(wěn)定→快速降低→趨近穩(wěn)定；庫(kù)水位上升速率大時(shí)，坡體安全系數(shù)快速下降起始時(shí)間越早，且在較短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定；庫(kù)水位上升速率最小時(shí)，在計(jì)算時(shí)間內(nèi)無(wú)穩(wěn)定段．②庫(kù)水位下降時(shí)，安全系數(shù)總體呈現(xiàn)出快速下降→緩慢下降→趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；庫(kù)水位下降速率越快，安全系數(shù)下降越快．

圖7 不同升降速率安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

2)工況3

不同滲透系數(shù)條件下，庫(kù)水位按1 m/d速率升降考慮，溢洪道邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖8所示．

圖8 不同滲透系數(shù)安全系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

結(jié)果表明：①庫(kù)水位上升時(shí)，3種滲透系數(shù)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)總體趨勢(shì)為相對(duì)穩(wěn)定→快速降低→趨于穩(wěn)定；坡體滲透系數(shù)增大時(shí)，安全系數(shù)下降的幅度增大，在計(jì)算時(shí)段內(nèi)無(wú)穩(wěn)定段．②庫(kù)水位下降時(shí)，坡體的安全系數(shù)大致呈下降趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定，且滲透系數(shù)大時(shí)，安全系數(shù)下降的幅度也大，曲線最陡．

4 結(jié) 論

1)在原地下水面線以上開挖邊坡，不會(huì)對(duì)地下水位線分布產(chǎn)生影響．2)總體來(lái)說(shuō)，坡體內(nèi)地下水位線隨著庫(kù)水位升降而升降，但坡體淺層對(duì)庫(kù)水位升降的變化更敏感．3)庫(kù)水位上升過程中，坡體安全系數(shù)呈現(xiàn)保持不變→快速降低→趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且上升速率越快，安全系數(shù)降低的速率越快；庫(kù)水位下降過程中，坡體安全系數(shù)隨水位的下降而降低最后趨于穩(wěn)定，且下降速率越快，安全系數(shù)降低的速率越快．