三峽庫區(qū)蔡坡堆積體庫水位聯(lián)合降雨工況下的滲流特性及邊坡穩(wěn)定性研究

李險峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系, 安徽 淮北 235000)

1 研究背景

三峽庫區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜[1-2]，常年庫水位的漲落及降雨導(dǎo)致庫岸邊坡土體強(qiáng)度參數(shù)降低，從而導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。庫水位驟降導(dǎo)致上游水壓力卸載[3]，邊坡指向坡外的滲流力加劇[4]，降雨導(dǎo)致地下水位線升高，土體的有效應(yīng)力降低[5]，這些都是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵性因素。對于降雨或者是庫水位變動下的滑坡穩(wěn)定性，國內(nèi)外已有許多學(xué)者開展了大量的研究工作，而研究內(nèi)容大多集中于單軸降雨情況或單獨(dú)庫水位情況。降雨單獨(dú)作用下的滑坡滲透穩(wěn)定研究方面，葉帥華等[6]針對邊坡體不同深度處基質(zhì)吸力隨雨水入滲的變化情況,建立了流固耦合計算模型,對降雨入滲條件下黃土高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究；王保林等[7]建立了含軟弱夾層的黏性土坡二維有限元計算模型，對降雨入滲下的邊坡滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；郭友軍等[8]對降雨條件下的煤系土邊坡滲流特性及邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了研究。單獨(dú)庫水位下降方面，張祖蓮等[9]研究了漢江孤山航電樞紐工程區(qū)近壩滑坡在不同庫水位驟降速率下的滲透穩(wěn)定性規(guī)律；王力等[10]研究了庫水位驟降情況下的動水壓力型滑坡的穩(wěn)定特性。針對于庫水位聯(lián)合降雨情況的研究，也多集中于降雨發(fā)生在庫水位驟降結(jié)束時刻，如張羅送等[11]研究了降雨發(fā)生在庫水位驟降結(jié)束時刻下的滑坡穩(wěn)定性規(guī)律。實(shí)際上，庫水位驟降持續(xù)時間較長，而降雨持續(xù)時間較短，且降雨存在隨機(jī)性，即可能發(fā)生在庫水位驟降過程中的任何一個時刻，但是對于降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻下的滑坡內(nèi)部的滲流特性及穩(wěn)定性規(guī)律卻鮮有研究。

本文以三峽庫區(qū)的蔡坡堆積體為工程背景，根據(jù)水庫運(yùn)行工況及氣象條件，對降雨發(fā)生在不同庫水位驟降速率下不同時刻的堆積體內(nèi)部的滲流特性以及堆積體的安全系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果為全面認(rèn)識降雨聯(lián)合庫水位驟降情況的規(guī)律及堆積體滑坡災(zāi)害的防護(hù)提供了一定的參考。

2 計算理論

2.1 非飽和計算原理

非飽和滲流微分方程為：

(1)

2.2 非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論

非飽和邊坡抗滑穩(wěn)定理論如下所示：

(2)

3 工程概況及計算模型

3.1 工程概況

圖1為蔡坡堆積體全貌。該堆積體位于鶴峰縣燕子鄉(xiāng)境內(nèi)，在三峽庫區(qū)壩址上游約1.32 km處，堆積體平面形態(tài)近似矩形，順岸坡展布，西側(cè)以紙廠溝為界，東側(cè)延伸至庫尾，地形坡角35°～40°，前緣高程約1 070 m，后緣高程1 120 m，總體東高西低。順坡向長170 m，順溪坪河長180 m，厚度一般為2～4 m，總面積約1.2×104m2，體積約3.6×104m3。

3.2 計算模型及邊界

圖2為計算模型網(wǎng)格圖。計算模型選取蔡坡堆積體典型剖面，正常蓄水位為175 m，死水位為145 m，對滑坡體所在的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，整個模型一共劃分成為1 689個節(jié)點(diǎn)，1 632個單元。同時，在滑體內(nèi)部設(shè)置3個監(jiān)測點(diǎn)(如圖2所示)以反映邊坡內(nèi)部的不同點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律。

圖1 蔡坡堆積體全貌圖

圖2 堆積體計算模型及網(wǎng)格劃分

模型的初始條件設(shè)置如下：以ae為185 m定水位邊界，cd為175 m定水位邊界計算所得的滲流場作為其他各個庫水位聯(lián)合降雨工況下的初始滲流場。

邊界條件如下：ae邊界為185 m的定水位邊界，cd為庫水位變動邊界，水位的變動范圍為175～145 m，dc為降雨入滲邊界，其他邊界則為不透水邊界。

4 模型參數(shù)

滑床與滑體的材料物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場勘測綜合確定，滑床為灰綠色泥質(zhì)粉砂巖，而滑體為粉質(zhì)黏土夾碎塊石層，參數(shù)值取試驗(yàn)的平均值。其中，滑坡與滑體的土水特征曲線根據(jù)Fredlund & Xing模型[13]進(jìn)行擬定。

Fredlund等[13]于1994年提出了獲取在負(fù)孔壓變化范圍為0到1×106kPa下的土體體積含水量的閉合解法，控制方程如下：

(3)

式中：θw為瞬時的土體體積含水率；Cφ為修正函數(shù)；θs為飽和土體體積含水率；φ為負(fù)孔壓，kPa；a為體積含水量拐點(diǎn)，kPa；m為控制殘余含水量的無量綱參數(shù);n為控制體積含水量函數(shù)的斜率的無量綱參數(shù)； e為自然數(shù)。

滲透系數(shù)函數(shù)如下所示：

(4)

式中:kw為負(fù)孔壓計算所得的瞬時滲透系數(shù)，m/d；ks為飽和滲透系數(shù)，m/d；y為虛擬變量；i為數(shù)值間距；j為最小負(fù)孔壓，kPa；N為最大負(fù)孔水壓kPa；ψ為第i步負(fù)孔壓，kPa；θ0為起始值，kPa； e為自然數(shù)。

因此，已知滑坡與滑體的飽和體積含水率，便可由Fredlund&Xing模型估算相應(yīng)的土-水特征曲線。滑坡與滑體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。土水特征曲線如圖3所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

圖3 滑坡體土-水特征曲線

5 模型工況

以往研究多將降雨與庫水位作用單獨(dú)分開，或者僅僅將降雨施加在庫水位驟降的結(jié)束時刻進(jìn)行相應(yīng)的分析。然而事實(shí)上，庫水位驟降過程與降雨歷時相比更長，另外降雨具有隨機(jī)性，降雨可能發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻，而這樣的研究開展較少。因此，根據(jù)三峽庫區(qū)多年的水文資料的收集，確定3個等級的降雨，即大雨(降雨強(qiáng)度為0.05 m/d)，暴雨(降雨強(qiáng)度為0.1 m/d)及特大暴雨(降雨強(qiáng)度為0.2 m/d)，降雨的平均時長取2 d。同時根據(jù)三峽庫區(qū)多年運(yùn)行情況，取庫水位驟降速率分別為0.5、1.0與1.5 m/d。具體工況如表2所示。

6 結(jié)果分析

6.1 監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律

圖2中不同監(jiān)測點(diǎn)的孔壓變化規(guī)律見圖4，為統(tǒng)一研究方便，將3個監(jiān)測點(diǎn)孔壓變化圖的坐標(biāo)軸的幅值設(shè)為相同。

表2 計算工況

由圖4可見，庫水位驟降情況下邊坡內(nèi)部水壓持續(xù)下降，對于位于邊坡上部的監(jiān)測點(diǎn)(如監(jiān)測點(diǎn)A)，不同庫水位驟降速率下不同工況的的孔壓差異很小，而位于邊坡下部的監(jiān)測點(diǎn)(如監(jiān)測點(diǎn)C)，不同工況的孔壓差異較邊坡上部的監(jiān)測點(diǎn)要大。庫水位的下降速率越大，孔壓的下降速率也越大。同時，位于邊坡下部的孔壓整體上數(shù)值要大于上部的監(jiān)測點(diǎn)。

對于不同降雨強(qiáng)度而言，其孔壓變幅要明顯大于庫水位驟降情況，可見降雨對于邊坡內(nèi)部含水率變化的影響要遠(yuǎn)大于庫水位驟降的影響。降雨情況下邊坡內(nèi)部孔壓經(jīng)歷一個先增大后穩(wěn)定的過程，且降雨強(qiáng)度越大，孔壓的升幅越大。同樣，與工況1相似，位于下部的點(diǎn)的孔壓整體上要高于上部點(diǎn)。

對于降雨發(fā)生在庫水位驟降的不同時刻情況，孔壓變化則是綜合了庫水位驟降及降雨的綜合特性。即孔壓整體上呈現(xiàn)下降的規(guī)律，但是在降雨時刻由于降雨的原因孔壓在該時刻有個突升的過程，在整個孔壓變化過程中呈現(xiàn)一個個單鋒的規(guī)律。值得注意的是，位于邊坡上部的點(diǎn)，庫水位驟降導(dǎo)致的孔壓變幅小，但是降雨導(dǎo)致的孔壓變幅較大；而位于邊坡下部的點(diǎn)，庫水位驟降導(dǎo)致的孔壓變幅較大，但是降雨導(dǎo)致的孔壓變幅則相對較小。

6.2 邊坡穩(wěn)定性分析

不同工況下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，見圖5。其中圖5(a)為單純庫水位驟降的安全系數(shù)變化規(guī)律，圖5(b)為不同降雨強(qiáng)度下的安全系數(shù)變化，而圖5(c)為庫水位驟降疊加不同時刻發(fā)生的降雨情況下的安全系數(shù)規(guī)律。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，庫水位驟降工況安全系數(shù)是先降后升，降雨工況則是在降雨時刻驟降而后維持穩(wěn)定，庫水位驟降疊加不同時刻降雨則是綜合了降雨與庫水位 的綜合性質(zhì)，即安全系數(shù)整體上先降后升，在降雨發(fā)生的時刻安全系數(shù)有個突然的跌落過程。其中，安全系數(shù)降幅與庫水位驟降速率成負(fù)相關(guān)，但是總體上而言庫水位驟降工況的安全系數(shù)變幅較小，不同庫水位驟降速率下(庫水位驟降速率0.5、1以及1.5 m/d)情況下的安全系數(shù)最大降幅分別為5.3%，6.4%與7.1%。不同降雨強(qiáng)度情況下(降雨強(qiáng)度為0.05、0.1和0.2m/d)，安全系數(shù)的最大降幅為6.3%，7.5%及8.8%，可見降雨對于安全系數(shù)的變幅影響要大于庫水位驟降因素，同時可以發(fā)現(xiàn)，庫水位驟降的最小安全系數(shù)也要大于降雨情況。但是最小安全系數(shù)都處于1.25以上，可以認(rèn)為邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 不同工況的孔壓變化圖

圖5 不同工況下的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律

對于降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻，規(guī)律則有所不同，降雨發(fā)生在0～2，6～8，12～14，18～20，24～26 d情況下，安全系數(shù)的最大降幅分別為13.8%，16.3%，14.2%，12.6%，10.7%，可見此工況下安全系數(shù)的最大降幅都要大于單純庫水位驟降或者是降雨情況，同時最小安全系數(shù)均小于1.25，表明此時邊坡安全穩(wěn)定具有較大的失穩(wěn)風(fēng)險。由此可以看出降雨聯(lián)合庫水位驟降是滑坡產(chǎn)生失穩(wěn)的重要原因。值得注意的是，降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻下的最小安全系數(shù)也不一樣，降雨發(fā)生在第6～8 d的最小安全系數(shù)最小。以往研究僅僅把降雨施加在庫水位驟降結(jié)束時刻，而本研究發(fā)現(xiàn)降雨發(fā)生在庫水位驟降過程中會出現(xiàn)最小安全系數(shù)。

6.3 降雨入滲孔壓等值線分析

根據(jù)以往的研究[14]，降雨入滲區(qū)域可以分為4個部分，即飽和區(qū)、過渡區(qū)、傳導(dǎo)區(qū)與濕潤區(qū)，濕潤鋒則為非飽和區(qū)與干土區(qū)的交界處，如圖6所示[15]。

由圖6可見，在降雨過程中，土體表面會形成暫態(tài)飽和區(qū)，往下為非飽和區(qū)，且隨著時間的推移，暫態(tài)飽和區(qū)與非飽和區(qū)不斷深入土體內(nèi)部，影響土體的強(qiáng)度參數(shù)與有效應(yīng)力。本節(jié)將給出在安全系數(shù)最小時的邊坡整體的濕潤鋒等值線圖，以探究邊坡在庫水位與降雨聯(lián)合作用下的機(jī)理，同時為對比研究，將單純庫水位驟降下的孔壓圖一并給出，如圖7所示。

圖6 降雨入滲邊坡土體區(qū)域劃分[15]

圖7 不同工況下安全系數(shù)最小時的堆積體孔隙水壓力等值線圖

由圖7可見，對于庫水位驟降工況而言(圖7(a)～7(c))，庫水位驟降速率越大，浸潤線下凸越明顯，因而指向邊坡外的下滑力越大，邊坡的最小安全系數(shù)越小。

對于不同降雨強(qiáng)度工況而言(圖7(d)～7(f))，降雨強(qiáng)度越大，濕潤鋒進(jìn)展得越充分，體現(xiàn)在邊坡表面淺色區(qū)域的面積越大，因而降雨強(qiáng)度越大，邊坡的最小安全系數(shù)則越小。值得注意的是，降雨情況下的邊坡上部孔壓要明顯小于下部(體現(xiàn)出邊坡上部的“疏干”作用)，這與本文6.1節(jié)中的分析一致。

對于降雨發(fā)生在庫水位下降的不同時刻(圖7(g)～7(k))，邊坡表層的濕潤鋒無太大差別(降雨強(qiáng)度及持時一樣)，但是浸潤線的下凸程度不一致，降雨發(fā)生在第6～8 d的浸潤線要明顯比其他情況下凸更明顯，這是因?yàn)閹焖惑E降6～8 d時正好經(jīng)過一個較為陡的坡，因此這種情況的安全系數(shù)最小。

7 結(jié) 論

(1)庫水位驟降速率越大，則孔壓下降越快；降雨強(qiáng)度越大，則孔壓上升幅度越大。單純降雨孔壓上升幅度要大于庫水位驟降情況孔壓下降幅度。降雨發(fā)生在庫水位驟降時刻的孔壓變化特性綜合了降雨情況與庫水位驟降情況，位于邊坡下部的孔壓值要大于上部。

(2)庫水位驟降下安全系數(shù)先降后升，降雨情況下安全系數(shù)先下降后保持穩(wěn)定，降雨導(dǎo)致的安全系數(shù)降幅要大于庫水位驟降情況，降雨發(fā)生在庫水位驟降不同時刻下，安全系數(shù)在降雨時刻有一個突降，其中降雨發(fā)生在第6～8 d安全系數(shù)最小。降雨聯(lián)合庫水位驟降邊坡失穩(wěn)概率最大。

(3)庫水位驟降速率越大則浸潤線越下凸，降雨強(qiáng)度越大則邊坡表層的濕潤鋒進(jìn)展越充分。降雨與庫水位聯(lián)合作用下濕潤鋒變化規(guī)律相似，但是浸潤線的下凸程度不同，這是導(dǎo)致這種情況下邊坡安全系數(shù)不一致的原因。