水位升降對庫坡滲流場及穩定性影響

雷衛佳，劉偉煌，郭生根，談亦帆，祝俊華

（1. 江西省港航管理局界牌樞紐管理處，江西 鷹潭335099； 2. 華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，江西 南昌330013； 3. 江西省地下空間技術開發工程研究中心，江西 南昌330013； 4. 江西省港航管理局，江西 南昌330013）

庫區水位會對庫區邊坡的地質環境產生影響，庫岸邊坡的自然條件會隨著水庫的運行發生變化。 在庫區水體的浸泡下，巖土體的各項物理力學參數會隨著浸泡時間產生變化。 而水庫運行過程中水位的升降變化對庫區邊坡的影響尤為顯著。

劉才華等[1]分析得到庫區開始蓄水時邊坡的安全系數會降低，此時邊坡很可能發生破壞，隨著蓄水水位的上升，邊坡的安全系數會增加。 郁舒陽等[2]研究Geo-slope 中Fredlund&Xing 模型參數對邊坡滲流及穩定性影響，結果表明a 值主控孔壓變化幅度，m 值對剩余含水量影響較大，安全系數隨n 值減少而明顯降低。廖紅建等[3]針對三峽水利工程的水位回落周期，運用Geo-slope/seep 法獲得水位下降在不同滲透系數的滲流場數據，通過極限平衡法分析坡體安全性，分析水位降速、飽和滲透系數、邊坡穩定性三者之間的聯系。王樂等[4]考慮非飽和滲流原理，通過Geo-slope2012 研究了4 種降雨類型結合庫水位驟降的工況，結果表明庫水位下降越快，穩定系數越小，不同降雨類型的穩定系數不同，且失穩一般先發生在下部淺層。張開鵬等[5]通過仿真軟件將水位變化與降雨結合分析，分析了幾種降雨強度及降雨類型對邊坡的安全性影響。石文學等[6]提出了浸水濕化型失穩、岸坡沖刷型失穩及坡腳淘刷型失穩的情況，在地下水的物理及化學作用下，庫岸邊坡巖土體被濕化和軟化，故坡體的失穩破壞突發性高。 梁鑫等[7]研究巫峽干井子滑坡，發現高陡峽谷區降雨滲流滑體深部困難，滑體穩定性及地下水位主要受庫水位作用。梁學戰等[8]分析了三峽工程水位波動下的多種滲透條件下的坡體地下水浸潤線分布及坡體穩定性。 鄭穎人等[9]求解了坡體浸潤線公式、滲透力公式，認為坡體穩定性主要受地下水位影響。 李俊業等[10]研究了重慶鶴峰滑坡瞬態穩定性，發現在較高庫水位下，如果降雨與水位驟降同時出現，對坡體安全性影響很大。涂國祥等[11]研究了庫區岸坡堆積體在水位變化速度影響下滲流場及穩定性的變化機理和規律。熊將等[12]利用改進的Sarma 法對庫岸邊坡安全性進行計算。李邵軍等[13]在離心模型試驗的基礎上研究庫水波動對坡體穩定性影響。

綜上所述，對于庫岸邊坡的研究，主要集中在水位升降作用下邊坡的穩定性及邊坡穩定性影響因素的研究上。 鑒于此，本文采用Geo-studio 針對水位升降速度對庫區坡體穩定性展開研究，研究成果可為此庫區水位調度方案提供參考，因研究結論來自于仿真軟件，而不同岸坡的地質結構和土層分布各異，故參數的變化和組合可能會對研究結論有不同影響[14]。

1 庫區邊坡的基本特征

1.1 基本地質概況

庫區渠化河道屬典型的河槽型水庫，分布最廣庫段均為沖積階地土質岸坡，組成物多為粘土和粉質粘土，主河道多遠離河岸，水流沖刷作用較小。

1.2 庫區周邊概況

渠化河道兩岸臺地廣布，臺地地面高程在32～36 m 間，地形平緩，除右岸將近半數段堤防已做砼防滲墻垂直截滲處理外，大部分堤防均未做防滲處理。 根據現場勘察及相關資料，以未做防滲處理的典型邊坡進行分析。

2 邊坡穩定性分析模型及工況

2.1 仿真軟件Geo-studio

采用加拿大巖土軟件Geo-studio 進行邊坡滲流模擬穩定性分析和位移計算。 采用SEEP/W 進行邊坡滲流模擬，采用SLOPE/W 進行邊坡穩定性分析。

2.2 計算原理

2.2.1 土的儲水-含水量函數估計方法

明確孔壓和含水量之間的相關性在滲流分析中是十分必要的。 土顆粒及顆粒間的孔隙構成了土體結構，孔隙中存在水和空氣，飽和土中的孔隙完全被水填充，其體積含水量與孔隙率有如下關系：

式中：θw為體積含水量；n 為土的孔隙率；S 為飽和度（飽和土等于1.0 或者100%）。

孔隙率n 和孔隙比e 的關系為：

式中：ω 重量含水率；Gs為顆粒重量。

當土體為非飽和狀態時，含水率處于動態變化中，在1980 年，Van Genuchten 提出以一個多參數方程獲取體積含水量函數的閉合解。

控制方程如下：

式中：θw為體積含水量；θr為飽和體積含水量；Ψ 為負孔隙水壓力；a，n，m 為曲線擬合參數

2.2.2 滲透系數函數估計方法

非飽和土滲透系數函數可由體積含水量函數推導，SEEP/W 提供Fredlund 法，借助體積含水量函數和飽和滲透系數來獲取非飽和滲透系數函數。 方程如下：

式中：kw為指定含水量或者負孔隙水壓力計算所得滲透系數，m/s；kR為測得的飽和滲透系數，m/s；θR為飽和體積含水量；e 為自然對數的底，2.718 28；y 為代表負孔隙水壓力算法的虛擬變量；i 為j 到N 之間的數值間距；j 為最終函數描述的最小負孔隙水壓力；N 為最終函數描述的最大負孔隙水壓力；Ψ 為對應第j 步的負孔隙水壓力；θ′為方程起始值。

式中：a 為約等于土中空氣進入值；n 為控制體積含水量函數拐點段斜率的參數；m 為與殘余含水量有關的參數；C（Ψ）為定義為方程式下列所示的修正函數。

式中：Cr為對應殘余含水量的基質吸力有關的常數。

2.3 分析模型及其土體參數

現場坡體基本為二級邊坡，原先的自然邊坡土以粉質粘土為主，其上回填砂礫土，坡面再覆一層紅黏土與自然邊坡相連，一級邊坡的平均坡度約為38°；二級邊坡的平均坡度約12°， 其中紅黏土滲透性質相對復雜，根據室內多次干濕循環試驗及勘察資料確定其天然狀態下物理參數，以濾紙法測其基質吸力， 并用Van-Genuchten 模型擬合土-水特征曲線，如圖1 所示，表1 為土體基本物理性質指標。 庫區死水位高程為28 m，下游正常蓄水位在30 m 左右。

圖1 紅黏土干濕循環下的的土水特征曲線Fig.1 Soil-water characteristic curve of red clay under dry and wet cycles

2.4 計算工況

計算工況結合實際庫水位調度計劃考慮不同的庫水位變化速度對邊坡的影響，如表2，水位變化速度設置為0.5，1.0，1.5 m/d， 初始蓄水位為30 m， 以水位為30 m 時的初始滲流場為基礎展開計算。

表1 土體基本物理性質指標Tab.1 Basic physical properties of soil

表2 計算工況Tab.2 Calculation conditions

3 邊坡穩定性分析

3.1 滲流分析

通過不同的庫水位變化速度探究庫區邊坡的孔隙水壓力和地下水浸潤線的變化規律。

根據地勘資料，下游河流段兩岸下伏砂卵礫石層厚度大、分布連續、透水性強，賦存其內的地下水與河水連通，地下水徑流通暢，地下水位與河水位基本持平，互相補給。

圖2，圖3 分別為工況1 庫水位上升，下降階段的地下水浸潤線變化情況。

1） 庫水位從30 m 升至36 m 的過程中，地下水位隨之上升，但速度與庫水位相比有滯后性，且越靠近坡面，地下水位上升速度越快，說明庫水正由坡面緩慢入滲坡體中，因而水位上升階段，地下水位浸潤線呈“凹”形。

2） 在高水位條件下，雖然坡體內外存在水位差，但如果水位穩定不變，則隨著時間延長，坡體飽和區不斷擴大，地下水浸潤線會逐漸上升，直到與庫區水位持平。

3） 庫水位從36 m 降至30 m 的過程中，地下水位隨之下降，但速度與庫水位相比有滯后性，且越靠近坡面，地下水位下降速度越快，說明庫水正從坡體中經坡面緩慢排出，因而水位下降階段，地下水位浸潤線呈“凸”形。

4） 在低水位條件下，雖然坡體內外存在水位差，但如果水位穩定不變，則隨著時間延長，坡體飽和區不斷縮小，地下水浸潤線會逐漸下降，直到與庫區水位持平。

圖4 為工況1 孔隙水壓力變化情況，a，b，c 為坡體臨水面上的測點，a 點為坡頂測點，b 點為最高水位處坡體測點，c 點為正常蓄水位處坡體測點。 a 點在正常水位時，孔壓保持在-79.15 kPa 左右,而在最高水位時，孔壓在-20 kPa 附近，結合b，c 兩測點孔壓及坡體滲流場特性可知，孔壓變化呈現一定的滯后性，且測點高程越高，滯后性越強，但孔壓變化值與水位前后差值基本一致。 顯然，地下水位與庫區水位之間互相補給，在高水位時，庫區水位入滲坡體，低水位時，水流從臨水面滲出坡體，孔壓變化規律與水位變化規律保持一致性。

圖2 工況1-最高蓄水位時地下水位浸潤線Fig.2 Working condition 1 - Groundwater level saturation line at the highest water level

圖3 工況1-正常蓄水位時地下水位浸潤線Fig.3 Working condition 1 - Groundwater level saturation line at normal water level

圖4 工況1-水位升降過程中孔隙水壓力變化Fig.4 Change in pore water pressure during Working condition 1 - water level fluctuation

3.2 穩定性分析

根據孔隙水壓力變化可知，庫水位上升時，邊坡所受靜水壓力增大；坡體飽和區擴大，水流從坡面入滲坡體，產生向內的滲透壓力。 庫水位下降時，邊坡所受靜水壓力減小；坡體飽和區縮小，水流從坡面流出坡體，產生向外的滲透壓力。 圖5 為3 種工況下最危險的滑坡，可以看出，當庫水位變化時，上部邊坡穩定性相對較高，失穩最可能發生在下部淺層邊坡，圖6，7，8 為工況1，2，3 的坡體穩定性與庫水位變化的關系，在工況1 中，當庫水位上升至最高水位36 m 時，坡體穩定性系數達到最大。

圖5 下部淺層邊坡失穩Fig.5 Lower shallow slope instability

圖6 工況1-水位升降過程中穩定性系數變化Fig.6 Working condition 1-Change of stability coefficient during water levelfluctuation

圖7 工況2-水位升降過程中穩定性系數變化Fig.7 Working condition 2-Change of stability coefficient during water level fluctuation

圖8 工況3-水位升降過程中穩定性系數變化Fig.8 Working condition 3-Change of stability coefficient during water level fluctuation

在工況2，3 中，坡體穩定性系數均在最高水位之前達到最大，說明水位上升速度只在一定范圍內時，坡體穩定性系數會逐步增加，過快的水位上升速度反而會對坡體穩定性起到負面影響。穩定系數達到峰值，因土體飽和程度增加，飽和范圍增大，坡體整體的抗剪強度指標衰減，故坡體穩定性系數不斷減小。 庫水位從高到低期間，坡體穩定性不斷減小，水位維持在低水位期間，由于坡內地下水位浸潤線不斷降低，相當一部分土體由飽和狀態轉為非飽和狀態，基質吸力增加，土體抗剪強度指標提升，故穩定性增加。

另外，水位上升速度提高，坡體穩定性系數峰值隨之增大，水位下降速度提高，坡體穩定性系數值變化較小。 不同水位波動速度之間的坡體穩定性系數在一定范圍內變化，不會導致坡體變形及穩定性發生明顯變化。

4 結論

以某庫區邊坡為例，利用仿真軟件實現流固耦合對其在不同速度條件下坡體穩定性進行分析，得出以下結論：

1） 地下水與河水連通，地下水徑流通暢，地下水位與河水位基本持平，互相補給，在高水位時，地下水浸潤線呈“凹”形，低水位時，則為“凸”形。

2） 對于庫區邊坡的穩定性而言，庫水位由初始水位上升時，提高了邊坡穩定，但水位回落對邊坡穩定性不利，坡體穩定性會降低到初始水位的穩定性系數之下，最易失穩位置為下部淺層坡體。

3） 水位上升速度只在一定范圍內時，坡體穩定性系數會逐步增加，過快的水位上升速度反而會對坡體穩定性起到負面影響。隨著庫水位下降速度的增大，邊坡的穩定系數下降速度也隨之增大，但其最小穩定系數值基本不變。

4） 在不考慮降雨對庫坡的影響情況下，此坡體的天然穩定性較好，庫區水位在正常蓄水位30 m、最高蓄水位36 m 之間可視為安全水位范圍。