水位升降速度對巖質岸坡變形及穩定性的影響

余志剛 莫勇剛 蔣博林 陰可

摘要：為研究水位升降速度時巖質岸坡變形及穩定性的影響，以某水庫高陡邊坡的庫水位升降為背景，采用Geo-Studio系列有限元分析軟件，對庫水位升降進行了全過程緩變、全過程急變、單獨急速降水及單獨急速升水4種條件下的流固耦合數值模擬，研究庫水位升降全過程中升降速度對岸坡巖體變形位移、“近似蠕變”及穩定安全系數的影響效應，單獨升、降庫水位條件下升降速度對岸坡巖體變形位移、穩定安全系數的影響規律。結果表明：增大庫水位升降全過程速度對觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規律幾乎無影響，但對位移變化速率影響較大，“近似蠕變”規律與各測區整體位移變化規律類似，但其位移曲線斜率較大，穩定安全系數在水位上升階段及最高恒水位階段整體表現較大，在下降階段及最低水位階段整體表現較小;增大單獨下降速度時，位移極值幾乎一致，穩定安全系數較小，曲線斜率較大;增大單獨升高速度時，位移極值幾乎一致，穩定安全系數較大，曲線斜率較大;岸坡穩定性評價應將穩定安全系數與觀測點位移綜合起來分析。

關鍵詞：巖質岸坡;水位升降;變形;位移;岸坡穩定性

中圖分類號：TV139.1;TU457 文獻標志碼：A

影響岸坡變形及穩定性的因素主要有岸坡的地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質條件及庫水位升降速度等。王士天等[1]認為庫岸滑坡有兩種：一種是庫水位達到敏感水位后滑坡巖體內孔隙水壓力分布達到新的平衡過程中產生的滑坡;另一種是發生在庫水位降落，特別是快速降落期。諸多研究表明地下水對邊坡穩定性影響較大，日本約60%的庫岸滑坡發生在庫水位驟降期間，其余的40%發生在庫水位上升時期，包括初期蓄水[2]。GHIASSIAN等[3]對滲流條件下飽和砂土邊坡穩定性的研究表明，滲透作用下飽和砂土邊坡穩定性取決于水流方向和水力坡度。HODGE等[4]及IVERSON等[5]對地下水滲流與邊坡穩定性關系的研究表明，地下水滲流方向對邊坡穩定性有重要影響。LIU等[6]定量分析了地下水對滑坡的作用，認為地下水位對邊坡穩定性將起到越來越關鍵的作用。目前對庫水位升降引起的邊坡失穩機理及穩定系數變化特征的較多研究均表明，庫水位升降對岸坡穩定性影響較大[7-19]。買合木提·巴拉提[7]對海州露天礦擬建水庫庫區邊坡體的數值計算表明，庫水位的漲落對邊坡穩定性影響較大。BERILGENIBl對臨水邊坡的穩定性研究表明，高邊坡穩定性的變化取決于土壤的滲透性及水位變化速度。汪斌[9]對庫水位下降引起滑坡變形失穩機理的研究認為，孔隙水的流動與土體的變形是相互作用、相互制約的，庫水位作用下必須考慮其流固耦合作用。

水位升降速度是影響岸坡穩定的重要因素，為保護水庫運行期間岸坡的穩定，應該合理控制水位升降速度，雖然以“庫水升降作用……”作為命名的相關文獻較多，但其內容在降水階段方面的研究都是假定降水前邊坡狀態一致而計算初始應力場，涉及升降速度在升降水全過程中對邊坡變形及穩定性影響研究的相關文獻較少。本文選用Geo-Studio系列有限元軟件SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W進行耦合模擬，研究升降水全過程中升降速度對岸坡巖體變形位移、“近似蠕變”及穩定安全系數的影響效應，以及單獨升、降水條件下升降速度對岸坡巖體變形位移、穩定安全系數的影響規律。

1 飽和與非飽和滲流模型

各向異性的二維飽和與非飽和滲流控制方程[11]為式中：k_x和k_y分別為水平方向x和垂直方向y的飽和滲透系數;ρ_w為水的密度;g為重力加速度;m_w為比水容量，定義為體積含水量θ_w對基質吸力（p_a-p_w）偏導數的負值，即，p_a、p_w分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力;t為時間;h為水頭。

2 數值模擬

2.1 滲流計算模型

某水庫邊坡數值模擬計算模型見圖1。裂隙Xl傾角75°～85°，裂隙寬度為15～35cm，周邊裂隙較密集，局部黏土充填;裂隙X2最大寬度約為45cm，內洞深約為44m，裂面方向延伸長度約45m，基本無充填。岸坡地層巖性主要為粉砂巖和頁巖。

2.2 滲流計算參數

庫水位升降速度、巖土物理力學性質參數見表1、表2。計算水位基面采用庫底位置作為計算水位的零點，最高上升水位為98m，經常變動水位為53～98m，在53m、98m水位持續365d內，雖然庫水的坡面應力不變，但岸坡巖體有一定的滲流力作用，故將該階段巖體變形稱為“近似蠕變”。

2.3 滲流計算條件

數值模擬計算條件見表3。滲透系數分區域取值，即弱透水層頂界線以下的巖體滲透系數取10_-4cm/s，弱風化線底界線與弱透水層頂界線之間的巖體滲透系數取10^-3cm/s，弱風化線底界線以上的巖體滲透系數取10^-2cm/s。本文計算中水的密度、重力加速度、滲透系數、表2中的數據在Geoslope軟件材料特性相應位置直接輸入，時間、水頭是在軟件邊界條件相應位置輸入相應函數，比水容量軟件隨計算步驟進行而獲得，因為主要研究的是速度影響效應，所以僅改變時間函數即可。

2.4 觀測點

位移觀測時將坡面高度劃分為3個部分：坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度。對每個部分觀測點進行編號：從高至低依次選取14個點，即第1～14觀測點，相鄰高差4～5m。坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度的觀測點坐標分別為（300，333）～（483，269）、（483，269）～（507.692，205）及（507.692，205）～（540，142）。裂隙X2觀測點坐標從高至低依次為（481，234）～（493，180），相鄰高差8～9m，其左、右側從高至低分別有8、7個觀測點。坡面中部1/3高度內位移觀測點見圖2。

3 數值模擬結果分析

3.1 位移分析

選取坡面中部1/3高度內第1、12、14觀測點的水平位移進行分析，其水平位移—時間曲線見圖3。所有觀測點的位移極值見表4。

增大升降水全過程速度的影響：與CS時對比，單從觀測點位移極值及敏感性看，C1-R時對觀測點位移幾乎無影響，坡面中部1/3高度內的觀測點整體都表現為越低越敏感。x方向（水平）位移變化：在水位上升階段及最高恒水位階段（水位98m持續365d）逐漸增大，在水位下降階段先逐漸減小再逐漸增大，在最低水位階段（水位0m持續365d），先減小再逐漸穩定。y方向（豎向）位移變化：在水位上升階段及最高恒水位階段逐漸增大，在水位下降階段逐漸減小，在最低水位階段，先減小再逐漸穩定。但從觀測點位移隨水位升降的變化速率看，對岸坡觀測點位移影響較大，5398m上升階段及98-53m下降階段位移曲線斜率增大都較大，變化較快。其他觀測點與上述情況類似，對觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規律幾乎無影響，對變化速率影響較大。坡面下部1/3高度內、裂隙X2左側及右側的觀測點整體表現為越高越敏感，坡面上部1/3高度內的觀測點整體表現為越低越敏感，坡面下部1/3高度內觀測點最敏感。

“近似蠕變”段的變化規律：與CS時對比，在15～380d及389～754d時間段內，增大全過程升降水速度對其影響規律與上述情況類似，但“近似蠕變”段的位移曲線斜率較大。其自身變化規律為;x方向的位移都隨時間增加而增大;y方向的位移，除坡面中部1/3及下部1/3高度內在最高恒水位階段隨時間增加而減小外，其他隨時間增加而增大。

增大單獨降水速度的影響：與CS時對比，C2-R時曲線極值幾乎一致，但在降水階段曲線斜率較大，降水速度越快，位移減小速度越快，但在水位下降到0m時，觀測點x、y方向位移值普遍較大。

增大單獨升水速度的影響：與C1-R時對比，C3-R時曲線極值幾乎一致，但在升水階段曲線斜率很大，升水速度越快，位移增大速度越快，但在水位上升到98m時，觀測點x、y方向位移值普遍較小。

3.2 岸坡穩定安全系數分析

典型狀態的滲流場和滑動面：C1-R時第754 d的孔隙水壓力等值線、滲流場及第778d的最危險滑動面分別見圖4，圖5。模擬采用軟件中Seep/W模塊定義滑動面可能出現的人口及出口范圍，該模塊計算時會在定義的范圍內自動搜索危險滑動面，再計算穩定安全系數。在已有經驗的基礎上，進行多次嘗試后，選取坡面人口范圍為點坐標（242，333）～（498，240），出口范圍為點坐標（516，175）～（612，142）。采用極限平衡分析法中的摩根斯頓-普賴斯法（Morgenstern-Price）[20]進行岸坡穩定計算，穩定安全系數一時間曲線、穩定安全系數—水位曲線見圖6、圖7。

增大升降水全過程速度的影響：與CS時對比，對安全系數曲線整體變化特征影響很小。C1-R時：①上升階段安全系數較大，增大速度較快;②最高恒水位階段安全系數較大，降低速度較快;③下降階段安全系數較小，降低速度較快;④最低水位階段安全系數整體表現較小。

增大單獨降水速度的影響：穩定安全系數較小且減小速度較快，曲線斜率較大。增大單獨升水速度影響：穩定安全系數較大且增大速度較快，曲線斜率較大。如表4所列，觀測點位移極值都較大，以C2-R為例，坡面下部1/3高度內觀測點水平、豎向位移最大值分別達58.6mm、43.7mm，但安全系數仍普遍大于1.6。筆者認為坡面中部及下部28～72m高程內坡面附近巖體位移值較大，穩定性較差，其他坡面附近巖體及坡體內巖體整體穩定性較好。

4 結論

（1）增大升降水全過程速度的影響：從觀測點位移極值、敏感性及變化普遍規律看，對觀測點位移幾乎無影響，但從變化速率看，對觀測點位移影響較大;“近似蠕變”規律與各測區整體位移變化規律類似，但其位移曲線斜率較大;對穩定安全系數曲線整體變化特征影響很小，穩定安全系數在水位上升階段及最高恒水位階段整體表現較大，在下降階段及最低水位階段整體表現較小。

（2）增大單獨降水速度的影響：位移極值幾乎一致，位移值減速較快，水位下降到0m時位移值普遍較大;穩定安全系數較小，減速較快，曲線斜率較大。

（3）增大單獨升水速度的影響：位移極值幾乎一致，位移值增速較快，水位上升到98m時位移值普遍較小;穩定安全系數較大，增速較快，曲線斜率較大。

（4）岸坡在前期升水及持水過程中，升水速度客觀上一直對岸坡產生影響，所以今后在水庫運行期間應該重視升降水速度在升降水全過程中對岸坡的“全動態過程”影響。

（5）不能僅僅依賴岸坡穩定安全系數的求解來進行岸坡穩定性評價，應將穩定安全系數與觀測點位移綜合起來分析。

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