水庫水位波動及降雨作用下庫區邊坡穩定性分析

計培強

（寧夏回族自治區固原市原州區水土保持工作站,寧夏 固原 756000）

1 引言

庫區滑坡是我國滑坡災害最嚴重的地區之一,并經常造成人員傷亡[1]。造成庫區滑坡的因素很多,如地形、地質構造、地層巖性、降雨、地震和人工開挖等,然而,大量的證據表明,降雨和庫水位變化是庫區滑坡的主要原因[2-4]。鄭穎人等[5]利用X 射線衍射揭示了滑帶土抗剪強度的衰減機理,結果表明,隨著地下水位或降雨量的變化,邊坡土的抗剪強度在吸水膨脹和失水收縮的循環過程中很容易降低；喬建平等[6]通過對天然黃土坡面的人工降雨試驗,研究了黃土滑坡對降雨的響應。結果表明,降雨過程中黃土邊坡孔隙水壓力和位移的變化可分為孔隙水壓力增加、邊坡運動加速和邊坡孔隙水壓力迅速下降三個階段；霍志濤等[7]利用Fisher 判別規則建立了滑坡降水預報方程,研究水庫滑坡災害與前期降水的關系,結果表明,該滑坡前1 天或前5 天暴雨的發生和前10 天降水與滑坡的發生密切相關；余學祥等[8]采用工程地質分析、有限元等方法研究汶川地震區萬家中學滑坡宏觀地質特征及破壞過程,研究發現,在自重、自重+暴雨、自重+地震條件下,塑性區主要出現在邊坡中部或后緣,并未完全穿透深部邊坡；陳靜等[9]通過GeoStudio 軟件數值模擬,研究了5 種降雨類型和3 種降雨強度下的邊坡穩定性,結果表明,在降雨歷時和總降雨量相等的條件下,前峰降雨對邊坡的危害最大。崔云等[10]通過建立水動力力學模型,對降雨作用下滑坡失穩機理進行分析,結果表明,降雨的水動力作用包括坡體剪切,失穩滑動,劇烈滑動三個不同階段。

以上研究多為對水庫滑坡的形成機理研究,然而,對邊坡在降雨和水庫水位波動條件下的穩定性研究較少。GeoStudio 軟件在分析非飽和滲流、邊坡穩定性、地震響應等方面具有很好的適用性,可以同時分析滲流、穩定性和動力效應。本研究采用 SEEP/W、SIGMA/W 和 SLOPE/W 分析降雨和水庫水位波動條件下邊坡的滲流、應力變形和穩定性,探討降雨條件下邊坡穩定性的變化過程。

2 工程概況

滑坡體如圖1 所示,該滑坡有3 個子滑坡體（I 滑坡體、II 滑坡體和III 變形體）。滑坡邊界清晰,Ⅰ、Ⅱ級滑坡體與Ⅲ級滑坡變形體由溝壑隔開。Ⅰ、Ⅱ滑坡體的右邊界為東西向的溝壑,前后邊緣的坡度比較陡,中間的坡度比較平緩。Ⅰ型滑坡體和Ⅲ型變形體后部的基巖零星出露,殘余和斜坡沉積物層較薄,厚度約幾十厘米,傾角為35°～55°。中部滑坡坡度平緩,傾角為10°～20°。II、III 滑坡變形體前緣坡度為20°～30°。

圖1 滑坡分區圖

滑坡體以礫石土為主,土質呈黃色或灰黑色。滑坡體上部的礫石土中含有豐富的粉砂巖。下部礫石土壤包括灰黑色碳質泥巖和薄煤層。礫石含量一般為20%～60%,直徑為2 cm～8 cm。它的形狀是棱角分明的。巖性主要為強風化砂巖和粉質粘土,其力學參數見表1。

表1 滑坡巖土體物理力學參數

3 邊坡穩定性分析

根據現場勘察報告,利用CAD 繪制滑坡剖面圖,以保證滑坡幾何形態準確性。將該CAD 幾何剖面圖導入GeoStudio數值模擬軟件中,得到滑坡剖面力學模型見圖2。

圖2 滑坡數值模型示意圖

如圖2 所示,邊坡模型共有節點1981 個,單元1898 個。利用GeoStudio 軟件中 SEEP/W 模塊計算水庫水位從139 m上升到 175 m 后,再下降到145m 過程中邊坡的滲流場,然后將計算結果導入SLOPE/W 和SIGMA/W 中,從而實現滲流場與應力場的耦合。數值模擬得到該滑坡剪應力云圖,X 向位移云圖以及邊坡塑性區范圍結果見圖3～圖5。

圖3 滑坡剪應力云圖

圖4 滑坡X 向位移云圖

圖5 邊坡塑性區云圖

如圖3 所示,該邊坡XY 平面上剪應力范圍在-76.3 kPa～563.9 kPa 之間,剪應力最大位置分布在碎石土與基巖分界面處。當水庫水位從139 m 上升到175 m 時,水位上升對坡面產生壓應力,且土體含水量、重力和土體在滑動面上的剪應力都增加,導致其抗剪強度和邊坡安全系數降低。當水庫水位從175 m 下降到145 m 時,土體含水量下降較慢,飽和重度下降較慢,土體中將產生超孔隙水壓力,且土體在滑動面上的抗剪強度降低,從而導致邊坡安全系數降低。

如圖4 所示,當水庫水位從139 m 增加到175 m 時,坡腳最大水平位移從0.175 m 增加到2 m。在此過程中,邊坡安全系數由1.66 下降到1.04,邊坡即將發生滑移破壞,說明水庫水位升高會降低邊坡穩定性。隨著水庫水位從175 m下降到145 m,坡腳最大水平位移從2 m 上升到4 m,邊坡安全系數從1.04 迅速下降到0.88,表明邊坡失穩滑動。汛期水位175 m 時,坡腳處土體最大水平位移增加較小,非汛期水位145 m 時也會出現同樣的現象,說明降雨對土體水平位移影響不大。

如圖5 所示,當水庫水位從 139 m 上升到175 m 時,坡面塑性區逐漸增大,但滑動面上的塑性區不連通。在此過程中,邊坡安全系數由 1.66 下降到 1.04,邊坡狀態由穩定轉為不穩定,發生滑動破壞。隨著水庫水位從175 m 下降到145 m,滑動面上的塑性區幾乎連通,連通長度超過滑動面長度的50%,邊坡穩定性由1.04 下降到0.88,邊坡由欠穩定變為不穩定,說明隨著水位下降發生滑動破壞。汛期水位175 m,邊坡塑性區的大小顯著增加,主要集中在斜坡的后緣,但滑動面上的塑性區略有增加,邊坡的安全系數由 1.04 下降到1.02。非汛期水位145 m 時,坡面塑性區和滑動面塑性區大小沒有明顯變化,邊坡安全系數由0.88 降低到0.87,說明降雨對邊坡塑性區大小有一定影響,但對滑面塑性區大小和邊坡穩定性影響不大。

4 結論

本文以三峽庫區某滑坡為例,在對滑坡進行現場勘察的基礎上,采用數值模擬軟件分析該滑坡在庫水位變化以及降雨條件下,滑坡的變形破壞特征及穩定性,主要結論如下：

（1）庫水位變化對邊坡的變形及位移有重要影響,當水庫水位從139 m 上升到175 m 時,坡腳最大水平位移從0.175 m增加到2 m,當水庫水位從175 m 下降到145 m 時,坡腳最大水平位移從2 m 上升到4 m,并隨之發生失穩下滑。

（2）庫水位變化會導致邊坡穩定性明顯下降。當水庫水位從139m 增加到175 m 時,坡面塑性區逐漸增大,邊坡安全系數由1.66 下降到1.04,水庫水位從175m 下降到145 m,滑動面上的塑性區連通長度超過滑動面長度的50%,邊坡穩定性由1.04 下降到0.88,由穩定狀態變為不穩定狀態。

（3）汛期和非汛期水位時,坡腳處土體最大水平位移增加較小,且塑性區變化不明顯,說明降雨對土體水平位移影響不大。