水位升降對紅土邊坡的穩定性影響

朱啟雄

（赫章縣水務局,貴州 赫章 553200）

0 引言

對于水庫水位升降對臨庫邊坡的影響的研究已經很多了,對于臨湖邊坡必須要考慮滲流分析,這是由于水庫水位的變化會導致水庫臨近邊坡的地下水位的變化,從而使邊坡土體受到水的滲流作用的影響,土顆粒的結構可能會被水流破壞而重新排列,而邊坡的穩定性將會受到影響。分析邊坡穩定性的方法有很多,有極限平衡法、有限元分析法等[1～3]。邊坡的滲流分析是一個復雜的問題,涉及到邊坡飽和—非飽和耦合的問題,而在現實中,降雨、地下水升降、臨近河流水庫的邊坡必須要考慮滲流問題[4～6]。朱岳明[7]等通過數值模擬分析了三維飽和—非飽和滲流模型,給出了三維滲流數值分析計算問題的解決方案。夏瓊[8]等研究了不同降雨條件下的邊坡滲流場的變化,得出了不同降雨模式對路基邊坡的穩定性的影響不同。黎水泉[9]提出了一種隨壓力的變化而變化的介質非線性滲流模型。王恩志[10]不考慮巖體的滲透性的條件下提出了三維裂隙滲透網絡模型。朱文彬[11]等則在將不同土質的土體考慮成多孔介質來進行滲流計算,提出了非穩態的二維模型。本文參照目前邊坡滲流的研究成果,結合實際工程,利用Geo-stvdio有限元仿真軟件分析水庫水位升降時臨庫紅土邊坡由于滲流而導致的孔壓和滲透坡降等變化。

1 工程概況

該邊坡位于福建省某縣,屬于低洼地帶,亞熱帶季風氣候,降雨充沛,夏長冬短,春夏分明。水庫的常水位在104 m左右。山坡多為緩形,坡度在30°左右。經過調查,該邊坡主要由紅土構成,其物理力學參數通過室內試驗獲得,見表1。

表1 紅土邊坡物理參數表

2 水庫水位升降時滲流場對紅土邊坡穩定性的影響

2.1 數值模擬工況研究

水庫水位的升降對庫邊紅土邊坡的穩定性有重要的影響,水位的升高會對土體產生滲流場的作用,且會使土體含水率提高,水位的下降同樣會產生滲流場,并且使邊坡土體含水率有所下降。紅土邊坡相比一般土層構成的邊坡對含水率更為敏感,紅土的干密度和含水率是影響紅土邊坡穩定性的重要指標。為了分析紅土邊坡干密度和含水率對紅土邊坡穩定性的影響,首先研究了初始含水率為28%,干密度為1.0 g·cm-3、1.1 g·cm-3、1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3和1.4 g·cm-3,然后分析干密度為1.3 g·m-3初始含水率為22%、24%、26%、28%和30%這兩組變量共9 個工況,以分析這兩個重要指標對臨庫紅土邊坡的穩定性影響。在模型中,將邊坡的高度設置為60 m,將模型觀測點的坐標設置為（30,5）、（40,5）、（50,5）、（60,5）和（70,5）,根據當地水文調查,水庫的最大蓄水高度為邊坡高度的80%,所以高度為60 m的臨庫邊坡的最大蓄水高度分別為48 m。根據相關資料以及當地水文調查,可以知道該水庫的許多邊坡的水位升降速率為1 m/d左右,因此在數值模擬中將臨庫紅土邊坡的水位升降速度統一設置為1 m/d。根據土工試驗可以確定不同干密度和不同初始含水率的紅土材料物理力學參數,見表1,模型計算工況見表2。

圖1 邊坡模型及觀測點示意圖（單位：m）

表2 模型計算工況

2.2 數值模擬結果分析

如圖2 所示,可知邊坡紅土的干密度大小對邊坡土體滲流場的影響很大,當邊坡水位上升至最高點時,干密度越大的土體邊坡,其浸潤線與邊坡的夾角也就越小,此時浸潤線左右兩邊的端點值也就差異越大。同時也可以知道各個觀測點的孔隙水壓力沿著水流流線在不斷變小,當孔壓減小至0時,就到達了浸潤線處,可知水流流線的長度即為滲流的方向。當水庫的水位上升至最高點時,邊坡上各個點的孔隙水壓力與浸潤線上面的孔隙水壓力之間的差值為一個定值。而當土體的干密度越大時,邊坡的地下水在土體內部滲流時遇到的阻力也就越大,滲流路徑也就越短。當滲流路徑越短時,浸潤線和邊坡坡面的夾角會變小,浸潤線就越接近邊坡。如圖3 所示,當干密度為1.4 g·cm-3時,邊坡的浸潤線與邊坡坡面非常靠近。

圖2 工況1～5邊坡孔隙水壓力云圖

與水庫水位上升相對應的是,當水庫水位下降至最低點時,紅土邊坡的干密度越大,浸潤線與坡面的夾角會越小,當水位下降到極限時,邊坡的浸潤線和坡面將會近似相切,即邊坡坡面與浸潤線的夾角為0,此時滲流會從邊坡頂部出現,而最容易由于滲流而破壞的位置為浸潤線與邊坡重合的地方。出現這種現象的原因是由于邊坡土體的干密度越大,滲流時對水流的阻礙作用也就越大,反過來說,水流對土體的滲透壓力也就越大,這導致了浸潤線與邊坡的夾角變小。而且滲流力越大,邊坡越容易因此而破壞。從圖中可以看出,邊坡坡腳處是滲流集中的區域,這說明了當邊坡水位下降時,邊坡內部的水流將會在坡腳處產生集中效應,因此最容易發生滲流破壞的點是坡腳,而后破裂面從坡腳向上延伸,造成邊坡的整體失穩。當浸潤線與坡面的夾角為0°時,浸潤線左端的水力坡降為最大值,其值的大小與邊坡坡度一致,這就表明較小邊坡的坡度可以有效限制水位下降時邊坡水力坡降的最大值,從而有效降低邊坡因為滲流而破壞的可能性。

從圖3還可以看出,當水庫的水位上升至最大值時,邊坡的干密度越大,各觀測點的孔壓值也就越大,這說明邊坡內部各點的孔隙水壓力受到邊坡土體干密度的影響較大。離邊坡越遠的觀測點,邊坡土體的干密度對其影響越大,這表明離邊坡距離越遠的土體受到孔隙水壓力的影響越明顯。當庫區水位降到最低點時,各個觀測點的孔隙水壓力隨著干密度的提高而增大,而且離邊坡越遠的地方孔壓隨著干密度的增加幅度也就越大,這也說明距離邊坡越遠的土體其孔隙水壓力受到干密度的影響越明顯。

圖3 水庫水位升降時工況1～5觀測點孔隙水壓力變化

圖4給出了孔隙水壓力隨著干密度變化的云圖,圖5給出的是不同初始含水率下的邊坡孔隙水壓力曲線圖。從圖中可以看出,當水庫水位升高至最大值時,初始含水率的增大會導致浸潤線與邊坡坡面的夾角變小,而且浸潤線會越來越低。這是由于紅土邊坡的初始含水率的增大會影響紅土的滲透系數,使紅土的滲透系數變小,因此在相同的水力坡降的情況下水流受到土體的阻礙會更大,所以相對的土體受到的滲透力也就越大。然而從圖5中可以看出,越靠近邊坡的浸潤線會隨著初始含水率的變化而變化,但是這種現象并不十分明顯,因而可以認為初始含水率的變化會引起紅土邊坡滲流場的變化,而對紅土邊坡的穩定性并沒有很大影響。

圖4 工況4及6～9邊坡孔隙水壓力云圖

圖5 水庫水位升降時工況4及工況6～10觀測點孔隙水壓力變化

圖6為水庫水位上升至最高點時各個觀測點的滲透水力坡降隨邊坡土體干密度的變化曲線圖。從圖中可以看出,當隨著紅土邊坡的干密度增大,各個觀測點的水力滲透坡降會越來越大,其受到的滲透力也會變大。距離坡面較遠的觀測點受到土體干密度的影響較大。當水庫的水位下降時,紅土邊坡的干密度越大,且距離邊坡坡面越近的觀測點的水力坡降將越大。這說明邊坡的紅土干密度的變化對邊坡內部各個觀測點的孔隙水壓力有著重要的影響。當水庫的水位降低,在邊坡坡腳處將會有流線的集中區域,這表明臨庫邊坡發生滲流破壞的危險點是坡腳位置。

圖6 水庫水位升降時各觀測點滲透坡降隨干密度變化曲線圖

圖7為水庫水位上升至最高點時各個觀測點的滲透坡降隨著初始含水率的變化曲線圖。可以知道,當水庫水位升高至最高點時,初始含水率越高各個觀測點的滲透水力坡降越大,土體受到的滲透壓力越大。當水庫水位下降至最低點時,紅土邊坡的初始含水率越大,各個觀測點的滲透坡降越大,其水力坡降越大。可見初始含水率越大,紅土邊坡土體越容易受到滲透力的作用而在坡腳發生破壞。

圖7 水庫水位升降時各觀測點滲透坡降隨干密度變化曲線

3 結論

采用有限元軟件Geo-stvdio模擬不同工況下的臨庫紅土邊坡的孔隙水壓力和浸潤線變化,可以得出以下結論：

（1）當水庫的水位上升時,紅土干密度的變化對紅土邊坡孔隙水壓力的影響大于初始土體含水率對邊坡孔壓的影響,當水庫水位上升時,隨著邊坡土體干密度的增加,各個觀測點的孔隙水壓力會不斷變小,而且隨著觀測點離邊坡坡面距離越遠,這種變化越大。

（2）當水庫水位下降時,隨著紅土邊坡土體的干密度增大,各個觀測點的孔隙水壓力也會變大,而且距離邊坡越近,孔壓的變化幅度越不明顯。

（3）隨著土體的初始含水率的增加,紅土邊坡的孔隙水壓力也會隨之發生變化,但是其變化幅度并不大,而且距離邊坡坡面越近的點越不明顯。

（4）隨著土體干密度和初始含水率的增加,邊坡土體的滲透坡降都會增大,而且這種現象在水庫水位下降時更加明顯,觀測點距離邊坡越近,滲透坡降的增幅越大,越容易由于水力滲透而發生破壞。