碧流河水庫庫區(qū)上游滑坡體多級(jí)虹吸排水技術(shù)研究

張學(xué)偉，鄭向輝

（建昌縣水利局，遼寧葫蘆島125300）

1 工程背景

碧流河水庫位于大連市與營(yíng)口市交界處的碧流河干流上，距大連市區(qū)175 km，集水面積2 085 km2，最大庫容9.34 億m3[1]。碧流河水庫是一座以城市供水為主要功能，兼具防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚、灌溉、旅游等多種功能的多年調(diào)節(jié)大（2）型水利樞紐工程[2]。水庫主體工程由 1 座主壩、3 座副壩、3 處泄水建筑物（溢洪道、輸水洞、放水底孔）及壩后式水電站組成。水庫建成之后一直是大連市的主要供水水源地，自建成投入運(yùn)行以來，已經(jīng)累計(jì)向大連市供水 25 億 m3。

庫區(qū)壩址區(qū)上游約4.5 km 位置存在一個(gè)古滑坡體，長(zhǎng)期以來一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。為了提高庫區(qū)的交通狀況，當(dāng)?shù)卣?guī)劃修建了一條穿越滑坡體邊坡部位的公路。由于公路在施工過程中需要對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，造成部分區(qū)域的巖土體發(fā)生明顯的變形破壞，并伴有數(shù)條比較明顯的裂縫。由于碧流河水庫庫區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，且位于遼東半島迎風(fēng)坡，氣候濕潤(rùn)，夏季多短時(shí)強(qiáng)降雨。因此，豐富的邊坡地下水可以使邊坡坡體的抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)而造成下滑力增大，是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要原因[3]。因此，及時(shí)排除坡體內(nèi)的地下水，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性，保證庫區(qū)和修建公路安全具有重要意義。

目前，排泄坡體內(nèi)地下水的常用方案是設(shè)置傾斜式排水孔。但是這種方案存在比較明顯的缺陷：一是排水過程中夾帶的泥沙經(jīng)常會(huì)造成排水孔堵塞；二是排水過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)回滲現(xiàn)象，影響排水效果[4]?；诖?，相關(guān)學(xué)者提出了虹吸管邊坡排水方案，也就是將虹吸管通過下斜孔深入邊坡內(nèi)部，在邊坡內(nèi)的地下水沿著鉆孔下滲到孔底之后，再通過虹吸管排出坡外。由于邊坡內(nèi)的地下水位只有上升到一定高度時(shí)才會(huì)發(fā)生虹吸排水，因此可以有效克服傾斜式排水孔的回滲和堵塞問題[5]。因此，擬在碧流河水庫上游邊坡治理中采用虹吸管排水方案，控制地下水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的負(fù)面影響。下文主要通過數(shù)值模擬的方法，分析虹吸管的位置、角度和級(jí)數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，為工程設(shè)計(jì)提供支持。

2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

根據(jù)對(duì)研究區(qū)岸坡的野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)及工程設(shè)計(jì)資料的整理和分析，得到岸坡內(nèi)部空間分布情況，進(jìn)而建立有限元計(jì)算模型。該模型的海拔高程差為50 m，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的海拔高程分別為135 m和185 m。研究中，利用GeoStudio 軟件進(jìn)行岸坡計(jì)算模型的構(gòu)建[6]，該模型的優(yōu)勢(shì)在于添加或改變虹吸管的位置之后，模型可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐趾驼{(diào)整，而不需要對(duì)邊界條件進(jìn)行改變。同時(shí)該軟件中已經(jīng)內(nèi)置了多種極限平衡方程的算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡極限平衡的自動(dòng)分析[7]。鑒于該段滑坡內(nèi)部的C-C1 斷面穿越邊坡內(nèi)部的斷層破碎帶，地質(zhì)條件最差，為最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞的部位，因此研究中以該斷面為基礎(chǔ)建立二維有限元模型，對(duì)各種計(jì)算工況下的邊坡穩(wěn)定性展開分析研究，其幾何模型的示意圖如圖1 所示。在模型構(gòu)建過程中以指向左岸的方向?yàn)閄軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閅軸正方向。模型在X軸方向的分別為105 m，Y軸方向的高度為50 m。在模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，選擇四邊形和三角形組合單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)虹吸結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行加密處理。在沒有設(shè)置虹吸結(jié)構(gòu)的模型下，獲得1 457 個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，1 024 個(gè)網(wǎng)格單元。模型的X軸方向的兩側(cè)需要施加應(yīng)力邊界條件；模型的上部為自由邊界條件；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)資料確定初始應(yīng)力場(chǎng)。因此，研究中將模型的底面視為不透水面；模型的X軸方向?yàn)橐阎^邊界。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

極限平衡法是目前工程地質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的常用方法，同時(shí)也是出現(xiàn)最早、發(fā)展最為完善的計(jì)算分析方法[8]。該方法的基本思路是對(duì)具有滑動(dòng)趨勢(shì)的邊坡土體進(jìn)行劃分，將其剖分為一定數(shù)量的小塊體，然后對(duì)每個(gè)塊體的受力情況進(jìn)行分析，再基于平衡條件構(gòu)建起整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性平衡方程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算分析。由于該方法具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、適用性廣的優(yōu)勢(shì)，在水利工程邊坡穩(wěn)定性分析過程中具有較為廣泛的應(yīng)用。因此，此次研究利用軟件中自帶的極限平衡法對(duì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 邊坡原始穩(wěn)定狀態(tài)分析

利用已構(gòu)建的有限元計(jì)算模型，以邊坡滲流計(jì)算結(jié)果為父本，選擇內(nèi)置的摩根斯坦-普萊斯極限平衡法，對(duì)邊坡的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。由圖2 可知，在沒有設(shè)置虹吸排水結(jié)構(gòu)的情況下，邊坡的安全系數(shù)為0.778，顯著小于1，說明該段邊坡處于不安全狀態(tài)，需要采取虹吸排水結(jié)構(gòu)降低邊坡內(nèi)部的地下水位，提高邊坡的穩(wěn)定性。

圖2 未設(shè)置虹吸排水結(jié)構(gòu)的邊坡安全系數(shù)

3.2 虹吸管設(shè)置位置分析

根據(jù)工程實(shí)際，集水井的內(nèi)徑設(shè)置為0.1 m，虹吸管的揚(yáng)程設(shè)定為7.0 m；結(jié)合相關(guān)研究成果，虹吸管入水口和管頂?shù)乃骄嚯x為7.0 m，也就是虹吸管與水平面的夾角為45°。在加入虹吸管之后，需要對(duì)模型附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了研究單級(jí)虹吸管不同設(shè)置位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，設(shè)置虹吸管管頂?shù)母叱谭謩e為245，255，26，275 m 進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計(jì)算，結(jié)果分別為0.785，0.809，0.792，0.780。由結(jié)果可知，設(shè)置虹吸排水結(jié)構(gòu)的條件下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)均有明顯提升，這說明設(shè)置虹吸排水結(jié)構(gòu)對(duì)提升研究邊坡的穩(wěn)定性具有顯著作用。同時(shí)，隨著虹吸排水結(jié)構(gòu)設(shè)置位置高程的增加，邊坡的安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后降低的變化特征，并且在255 m 的位置得到安全系數(shù)的最大值（0.809）。因此，要獲得最佳治理效果，需要將虹吸排水結(jié)構(gòu)設(shè)置在255 m 高程位置。不過，該位置的安全系數(shù)仍小于1，還不能保證邊坡安全。

3.3 虹吸管設(shè)立角度分析

虹吸排水結(jié)構(gòu)中的虹吸管傾斜角度也是影響邊坡安全系數(shù)的重要因素。結(jié)合已有研究成果，在保持155 m 設(shè)置高程不變的情況下，將虹吸管入水口與管頂?shù)乃骄嚯x分別設(shè)置為10.0，13.0，16.0，19.0 m 等不同角度進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計(jì)算，結(jié)果分別為 0.826，0.843，0.869，0.878。由計(jì)算結(jié)果可知，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)會(huì)隨著虹吸管入水口和管頂水平距離的增大而增大，但是增加的速度會(huì)明顯減緩，在19.0 m 的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，會(huì)進(jìn)一步加大水頭損失，進(jìn)而造成氣化和斷流。因此，不宜再增加虹吸管長(zhǎng)度，虹吸管入水口和管頂水平距離取19 m 左右為宜，此次研究中取整為20.0 m。

3.4 多級(jí)虹吸結(jié)構(gòu)的效果分析

由上述研究結(jié)果可知，采用單級(jí)虹吸排水結(jié)構(gòu)并不能在提高邊坡穩(wěn)定性方面起到顯著的作用，因此考慮采用多級(jí)虹吸排水結(jié)構(gòu)。結(jié)合上文的研究成果，設(shè)定虹吸排水管的揚(yáng)程為7.0 m，虹吸管入水口和管頂水平距離取20.0 m，將最低一級(jí)虹吸管設(shè)置在245 m 高程，將最高一級(jí)排水管設(shè)置在275 m 高程，其余虹吸管按照高程均勻分布，對(duì)不同級(jí)數(shù)（2~5 級(jí)）的虹吸管條件下的邊坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果各級(jí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)分別為0.873，0.947，1.089，1.107。由計(jì)算結(jié)果可知，邊坡的安全系數(shù)隨著虹吸排水管級(jí)數(shù)的增加而增大，設(shè)置4 級(jí)虹吸排水結(jié)構(gòu)情況下邊坡的安全系數(shù)已經(jīng)大于1，結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在工程設(shè)計(jì)中采用4 級(jí)虹吸管排水結(jié)構(gòu)，其設(shè)置高程分別為245，255，265，275 m。

4 結(jié)論

研究以碧流河水庫庫區(qū)上游滑坡體為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)多級(jí)虹吸排水技術(shù)進(jìn)行了研究，可以得出：1）設(shè)置虹吸排水結(jié)構(gòu)對(duì)提升研究邊坡的穩(wěn)定性具有顯著作用；2）采用單級(jí)虹吸管條件下，將虹吸排水結(jié)構(gòu)設(shè)置在255 m 高程位置，虹吸管入水口和管頂水平距離取20.0 m 可以獲得最佳效果；3）結(jié)合邊坡穩(wěn)定性和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在工程設(shè)計(jì)中采用4 級(jí)虹吸管排水結(jié)構(gòu)，其設(shè)置高程分別為245，255，265，275 m。