庫水位驟降條件下某土質滑坡滲透穩定性分析

江趙平 謝東亞

摘要：為研究庫水位驟降條件下某滑坡體深層與淺層的滲透特性以及相應的穩定性，根據非飽和滲流原理，利用有限元軟件Geo-slope對該滑坡體在降雨和庫水位驟降工況下的孔壓變化以及安全系數變化規律進行了模擬。計算結果表明：庫水位下降速率越大，滑坡體內部孔壓下降幅度與下降速率越大，但滑坡體上部的孔壓下降幅度較下部要小;滑坡體上部淺層安全系數隨著時間逐漸增大，下部淺層和深層滑坡安全系數呈現先減小后增大的趨勢;滑坡體下部淺層發生失穩，然后引起深層整體滑動，而上部淺層較為穩定。研究成果可為庫水位驟降條件下滑坡失穩機理的認識提供一定參考。

關鍵詞：滑坡穩定性;庫水位驟降;土質滑坡;深層滑坡;淺層滑坡

中圖法分類號：TU43

文獻標志碼：A

庫水位變動是影響滑坡穩定性的重要因素，滑坡在庫水位作用下的失穩機理主要體現在以下幾個方面：①庫水位驟降導致滑坡上的附加水壓突然卸載，引發滑坡失穩;②庫水位驟降導致滑坡內部水位線出現“滯后”效應，指向滑坡體外部的滲流力加劇滑坡失穩幾率。滑坡失穩后的危害主要體現在以下幾點：①對庫區周圍居民的生命財產安全造成危害;②減小水庫有效庫容，影響水庫正常穩定運行;③對滑坡周圍的水工建筑物造成一定危害。因此，針對庫水位驟降下的滑坡滲透特性以及穩定性研究顯得很有必要。

針對庫水位驟降下的滑坡穩定性研究，國內外學者進行了很多有益探討，如魯芃等對白家包滑坡不同庫水位日降幅條件下滑坡滲流場及應力應變進行了數值模擬;郭子正利用灰色模型對三峽庫區某堆積滑坡體進行了庫水位驟降下的安全性評價;鐘啟明基于非飽和理論計算了某黏土心墻壩在庫水位驟降情況下的上游壩坡穩定系數。然而，這些研究均未涉及滑坡在庫水位驟降下的深層淺層滑動面穩定性分析，事實上，對于滑坡體失穩形式來說，在降雨工況下已有研究表明，滑坡過程表現為先發生前期的淺層失穩然后是后期的整體滑動，然而對于庫水位驟降下深層、淺層滑坡的研究較少，對相應的規律還沒有一個清晰的認識。

本文以恩施州鶴峰縣境內坪江電站滑坡體為研究對象，利用Geo-slope軟件的Seep/w和Slope/w對滑坡在庫水位驟降條件下深層淺層滑坡滲流特性以及穩定性進行了研究，為相關工程治理提供了一定的參考。

1計算理論

1.1非飽和滲流理論

非飽和滲流的控制方程寫成張量的形式為式中，Kij為飽和滲透張量;Kr為相對透水率;hc為壓力水頭;Q為源匯項;C（hc）為容水度;0為與壓力水頭相關的函數;n為土體內部的孔隙率;Ss為單位貯水量。

土水特征曲線是衡量土體內部滲透系數（體積含水量）與基質吸力之間的關系，比較廣泛使用的是Fredlund&Xing模型，體積含水量函數可以表達為其中，修正函數Cw采用下式計算：式中，Ow為體積含水量;0s為飽和體積含水量，m與殘余含水量相關;n與體積含水量函數拐點斜率相關;a為與體積含水量拐點處的基質吸力;w為基質吸力;w為殘余含水量對應的基質吸力。

得出體積含水量之后，根據滲透系數函數，便可得出滲透系數隨基質吸力的變化曲線：式中，kw為土體內部對應與不同基質吸力下的實時滲透系數;ks為土體內部飽和滲透系數;y代表負孔隙水壓力算法的虛擬變量;？為最小負孔隙水壓力;N為最終函數所描述的最大負孔隙水壓力。

1.2非飽和抗剪強度理論

土體強度理論采用Fredlund雙應力變量公式：式中，t為土體實時抗剪強度;c'與0'為有效強度參數;0n為法向總應力與孔隙氣壓力的差值;ua為孔隙空氣壓力;uw為孔隙水壓力;0b為由負孔隙水壓力提高的強度。

2計算模型及參數

2.1計算模型

某滑坡體位于恩施州鶴峰縣坪江水電站庫岸，滑坡坡度約為200～30°，滑坡體長約83.7m，平均厚度11.3m。該庫區死水位高程1095m，正常蓄水位高程1125m，地質剖面圖如圖1（a）所示，滑坡典型剖面圖如圖1（b）所示，相應的網格剖分圖如圖1（c）所示。全局單元尺寸約為8m，整個模型一共剖分為1988個節點，1901個單元。

2.2初始條件以及邊界條件

（1）初始條件。模型左側邊界為1140m定水頭邊界，右側為175m的定水邊界，計算所得的滲流場為整個計算工況的初始條件。

（2）邊界條件。ef為定水頭邊界;abc為水位變動邊界;如為降雨人滲的流量邊界;af，de為不透水邊界;邊界上流量Q為0。

2.3土體參數及計算工況

根據室內試驗和工程地質勘測結果綜合確定土體參數，滑體和滑床的物理力學參數見表1。

土水特征曲線如圖2所示。

為研究不同速率庫水位驟降下的滑坡體深層淺層滲透穩定性規律，特取庫水位下降速率為0.5，1m/d和1.5m/d這3種工況進行數值模擬研究。

3計算結果分析

3.1孔壓變化規律

為定量研究庫水位驟降下滑坡體內不同位置孔壓變化規律，特取如圖l（a）所示的兩個監測斷面，即上部監測斷面與下部監測斷面，實時監測庫水位驟降過程中的孔壓變化，不同監測面的孔壓變化規律如圖3—5所示。

由圖可見：孔壓隨深度呈現線性變化。隨著庫水位的降低，坡體內部孑L壓逐漸降低，工況l上部孔壓在計算時間內平均降低0.06%，下部孔壓平均降低32.61%。滑坡體上部孔壓變化幅度要遠小于下部孔壓，這也就解釋了以往文獻中庫水位驟降情況下坡內浸潤線出現“延遲”的現象，即距離岸邊浸潤線下降幅度較大而遠離岸邊浸潤線變化幅度較小。縱向來看，工況1～3上部監測點孔壓在計算時間內平均降低幅度分別為0.061%，0.068%和0.075%，而下部監測點在計算時間內的平均降幅分別為32.61%，35.87%和38.83%，可見庫水位降低速率越大，滑坡體內部的孔壓下降幅度也越大。

3.2滑坡穩定性規律

不同庫水位驟降速率下的安全系數變化規律見圖6。

由圖可見，①上部淺層滑坡隨著庫水位下降，安全系數呈現不斷升高趨勢。這是因為滑坡體上部孔壓變化幅度較小，隨著庫水位的降低，上部地下水位線逐漸降低，土體強度不斷增加，從而安全系數呈現逐漸增大趨勢。同時，庫水位下降速率越大，安全系數越小。②下部淺層滑動面安全系數變化規律與深層滑動面安全系數變化規律較為一致，庫水位下降速率越大，最小安全系數出現的時刻越早，同時，最小安全系數也越小。這是因為庫水位下降速率越快，上下孔壓形成的差值也就越大，從而出現浸潤線“延遲”現象，向下的滲流力加劇了滑坡的不穩定，使最小安全系數更小。③庫水位下降后安全系數在計算時間內最終大于初始安全系數。這是因為滑坡體內部的水位降低，土體的強度增加，從而安全系數比初始狀態下更高。④下部淺層的最小安全系數要小于同工況下的深層滑動最小安全系數。這說明了在庫水位驟降的情況下，首先發生的是滑坡體下部淺層滑動，然后才會引發深層滑動，而滑坡體上部淺層滑動面較為穩定，不會發生失穩破壞。

4結論

（1）庫水位下降速率越大，滑坡體內部孔壓下降幅度與下降速率越大，但是滑坡體上部的孔壓下降幅度較下部要小。

（2）滑坡體上部淺層安全系數隨時間逐漸增大，而下部淺層和深層滑坡安全系數呈現先減小后增大的趨勢。

（3）總體而言，最小安全系數從小到大的排序為：下部淺層最小安全系數、深層滑坡最小安全系數、上部淺層最小安全系數。說明滑坡體的下部淺層先發生失穩，然后引起深層整體滑動，而上部淺層較為穩定。因此，在實際工程中應該注意著重對滑坡體下部采取相應的治理措施。

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