水庫水位升降對邊坡穩定性影響分析

沈 陽

(赫章縣水務局，貴州 赫章 553200)

0 引 言

水庫水位升降對水庫邊坡的穩定性存在影響。一方面，水庫邊坡滲流進入邊坡土體會對土體顆粒產生滲流力的作用，這將使土顆粒重新排列，甚至會產生細顆粒流失。另一方面，土中水的增加會使邊坡非飽和土體的滲透性發生改變，降低邊坡土體的抗剪強度，使非飽和土體中的負孔壓減小甚至消失。對非飽和土邊坡及其滲流規律的研究已有不少。林鴻州等[1-2]通過試驗、軟件模擬和理論推導等方法研究了非飽和土體的水土特征，發現土體的滲透性受到土體的飽和度影響，并給出影響規律。林鴻州等[3-5]通過直剪試驗研究了土中水的含量與抗剪強度參數的關系，發現土中水越多土體的抗剪強度會下降。付宏淵等[6-7]考慮了土中水的滲流和滲流對巖石的軟化作用對邊坡進行了穩定性分析，發現與常規的降雨過程不同的穩定性變化。姚海林等[8-9]研究了在降雨過程中裂縫對非飽和土邊坡穩定性的影響，發現裂縫的存在會影響土體的滲流場。張社榮等[10-11]采用數值模擬法研究了降雨強度對邊坡穩定性的影響，表明降雨強度越大邊坡滑坡出現的變形就越大，并且非滑移區的穩定系數也越低。廖紅建等[12]考慮了水庫水位下降對水庫邊坡的穩定性影響，并結合工程實際進行數值模擬計算，得到水位下降對邊坡土體滲透系數和穩定系數的影響規律。

本文基于前人的研究成果，結合工程實例，研究水庫水位升降對水庫邊坡的孔壓及穩定性影響。采用大型有限元軟件ABAQUS，分析6種不同水位升降工況下邊坡的孔壓變化和穩定性，以期為實際工程提供參考和建議。

1 工程概況

該邊坡防護工程位于湖北省武漢市某水庫東岸，所在地區為侵蝕構造的低山區。該護坡工程東側約200 m處有公路穿過，交通方便。該邊坡的縱向存在多級平臺，在一些區域形成階梯狀的地形，前部緩，后緣較陡，高度30～40 m不等，坡度約為30°，在坡面上發現大小不一的卵石和碎塊石。

該邊坡主要由粉質黏土構成，坡體巖層性質主要通過現場采樣和室內試驗分析得到。室內試驗所得數據見表1。

表1 土體物理力學參數

2 基于有限元數值模型的邊坡穩定性分析

2.1 數值模型的建立及計算工況

基于實際工程的水庫邊坡建立有限元數值模型，模型對邊坡的地形地質條件作了一定簡化處理，以方便計算。該邊坡由均質的粉質黏土構成，基于ABAQUS建立二維邊坡模型，邊坡的示意圖見圖1，網格圖見圖2。

圖1 邊坡示意圖(單位：m)

圖2 邊坡網格圖

邊坡的本構關系采用M-C屈服準則。模型的幾何參數如下：邊坡寬52 m，高30 m，坡度約為30°，在邊坡頂部和底部分別設置寬度為25和10 m的平地。模型的邊界條件如下：模型的底部約束X和Y方向的位移，模型的左右邊緣約束X方向的位移，模型頂面包括坡面和兩個平地面為自由邊界。網格類型為雙線性位移和孔壓下的四結點平面應變四邊形單元(CEP4P)，共有752個單元，812個結點。

水庫水位的變化會對水庫邊坡的穩定性有一定影響。當水位上升時，水庫中的水會通過滲流進入到邊坡土體中；當水位下降時，邊坡土體中的水在重力的作用下會回流到水庫中。無論水位上升還是下降，水流在土體中的滲流都會帶動邊坡土體中的細顆粒，使邊坡土顆粒重新排列，甚至產生土體細顆粒流失，從而影響邊坡土體的穩定性。根據當地水文調查可知，邊坡水位的變化為10～20 m，邊坡頂部的初始地下水位在坡頂以下10 m處。為分析水庫水位的升降對水庫邊坡穩定性的影響，設置了6種不同的水位升降工況，見表2。在不同的工況中設置了不同的水位升降速度，以分析邊坡在不同水位升降下的穩定性。在邊坡模型中選取了靠近坡面的3個不同位置的觀察點，以觀察這3個點的孔隙水壓力變化，并利用強度折減法計算不同工況下的邊坡安全系數，以量化水庫水位升降對邊坡的穩定性影響。

表2 數值計算水位升降工況

要分析水位變化對邊坡的穩定性影響，需要將邊坡土體考慮為非飽和土，即需要考慮土體的含水率與基質吸力及土體含水率與滲透系數之間的關系。通過室內試驗可得該邊坡粉質黏土的水土特征曲線，見圖3和圖4。

圖3 滲透系數與基質吸力關系函數

圖4 體積含水量與基質吸力關系函數

2.2 水位下降對邊坡孔隙水壓力和安全系數的影響

圖5-圖8為當水位從20 m下降至10 m時選取的邊坡上中下3個觀察點的孔壓和安全系數隨時間的變化曲線。

圖5 頂部觀察點孔壓變化曲線(水位下降)

圖6 中部觀察點孔壓變化曲線(水位下降)

圖7 底部觀察點孔壓變化曲線(水位下降)

從圖5可以看出，當邊坡的水位下降時，坡頂附近觀察點的孔隙水壓力先緩慢下降，隨后孔隙水壓力的下降速度越來越快，當分析時間達到10 d左右時下降速度達到最大，之后曲線隨時間的發展越來越緩，不同水位下降速度對頂部觀察點的影響幾乎可以忽略。

從圖6和圖7可以看出，中部觀察點和底部觀察點則受水位下降速度影響更大，當水位下降更快時，中部觀察點和底部觀察點的孔隙水壓力明顯下降得更快。

對比圖5-圖7可知，頂部觀察點一直都是負孔壓，中部觀察點的孔壓則由正變負，底部孔壓由大變小，這是由于邊坡內的地下水位下降導致的。根據圖6可以推測地下水位在第3 d時經過中部觀察點。

從圖8可以看出，當邊坡水位下降時，邊坡安全系數先下降然后升高；當分析時間達到20 d時，不同水位下降速度的安全系數落到不同的地方。當水位下降速度為4 m/d時，最終的邊坡安全系數為1.55左右，這與水位下降前的邊坡安全系數相當；當水位下降速度為1和2 m/d時，邊坡的安全系數則更小。然而邊坡安全系數的上升趨勢并沒有趨于平緩，可以推測當分析時間增加時，邊坡的安全系數將繼續增大。出現這種現象的原因是土中水滲流對土體會產生滲流力的作用，而滲流力會將土體中的細顆粒帶動起來，使土體產生微小的滑移，導致安全系數下降。而后當土中水通過滲流流走之后，土的抗剪強度也隨之提升，所以后期邊坡的安全系數會上升。

2.3 水位上升對邊坡孔隙水壓力和安全系數的影響

圖9-圖12為當水位從10 m上升至20 m時3個不同的觀察點孔壓與安全系數隨時間的變化。

圖9 頂部觀察點孔壓變化曲線(水位上升)

圖10 中部觀察點孔壓變化曲線(水位上升)

圖11 底部觀察點孔壓變化曲線(水位上升)

圖12 安全系數隨時間變化曲線(水位上升)

由圖9-圖12可知，當水位上升時，3個觀察點的孔壓都有一定的上升。隨著水庫水位上升速度增加，頂部觀察點孔壓的上升速度并沒有太大的變化，所以可認為頂部觀察點附近土體的孔壓變化與水位上升速度大小關系較小。這是因為頂部觀察點附近土體一直處于地下水位線以上，該點處的孔壓變化主要來自于土顆粒的毛細作用產生的負孔壓。與之相對的是，中部觀察點和底部觀察點的孔壓受到水庫水位上升的速度影響更大，水位上升越快孔壓變化也就越快，這是由于中部觀察點和底部觀察點處于地下水位以下，所以影響也更大。

邊坡安全系數的變化與水位下降時正好相反，先上升后下降。當水位上升時，土中水的滲流方向是指向邊坡內部的，所以這樣的滲流力在前期會增強土顆粒之間的連接，使邊坡土體更加密實。對比工況4-工況6的安全系數變化可知，當水位上升越快，前期安全系數也就上升得越快。

3 結 論

基于ABAQUS有限元軟件模擬了水位變化對水庫邊坡的穩定性影響，可以得到以下結論：

1) 孔隙水壓力會隨著水庫水位的下降而下降。對于頂部觀察點來說，水位下降的速度對孔壓變化的影響差別不大；對于中部觀察點和底部觀察點來說，水位下降得越快，孔壓也就下降得越快。反之，當水位上升時3個觀察點的孔壓會持續升高，頂部觀察點受水位上升速度影響較低。

2) 水位下降時，水庫邊坡的安全系數會隨時間先降低后升高，水位下降的速度越大，安全系數下降的越快。反之，當水位上升時，邊坡的安全系數會先升高后降低，水位上升的速度越大，安全系數上升得越快。

3) 水庫水位升降對水位線以下土體孔隙水壓力的影響較大，對水位線以上的孔壓影響較小，水位升降對水庫邊坡孔壓和安全系數的影響規律是正好相反的。