动态水位诱导下库岸边坡稳定性分析

杨金林, 吴国宏, 周延国

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

动态水位诱导下库岸边坡稳定性分析

杨金林, 吴国宏, 周延国

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

水库建成蓄水后,为满足防洪和发电的要求,水位将在最低正常水位和最高正常水位之间反复升降,库水位的变动很可能诱导库岸变化的失稳。因此,有必要对动态水位诱导下库岸边坡稳定性进行分析。采用数值模拟方法,结合小浪底水库运营方式,分析不同库水位升降及不同升降速率下库岸边坡稳定性演化规律,研究成果为库岸的稳定分析及防护提供了有益的依据。

动态水位;库岸稳定性;数值模拟

水库建成蓄水后,库区岩土体边坡大面积受库水的浸泡,逐渐出现变形、塌岸等地质灾害,水是诱发库区各种地质灾害最主要的因素[1-3]。据资料统计[4],库水位上升期间库岸发生失稳约占40%～49%,消落期约占30%,其中,库区较大的滑坡或岸坡多数发生在库区最高水位消落期。为了研究水库运营期库周岸坡的稳定性问题,一些学者从理论、试验和数值模拟方面对库岸边坡稳定性进行了研究。

朱冬林等人[5-6]研究发现,随着库水位的上升和下降,库区滑坡安全系数出现由大到小、再由小到大的变化规律;Griffiths等人[7]基于强度折减法分析了库水位变化对库岸边坡安全系数的影响,研究结果表明库岸安全系数随着库水位的上升出现先变小后增大的规律;贾官伟等[8]、李绍军等[9]、姜海西等人[10]利用模型试验研究了库水位升降对岩质边坡的稳定性及变形破坏特征;李会中等人[11]对千将坪滑坡与库水位升降的关系进行了系统研究,认为滑坡复活的根本原因是库水位的抬升和持续的强降雨;刘才华等人[12]研究了地下水对边坡失稳的影响,研究表明地下水作用下边坡的岩土体物理力学性质降低,坡体内渗透力和库水浮托力是影响岸坡稳定性的重要因素。

库岸岸坡的失稳是库水反复升降造成的结果,但以上研究中,分析库岸稳定性和变形往往重点考虑单次水位上升和下降对边坡的力学效应影响及岩土体饱和状态下强度参数折减,在库水位不同降速下库岸岩土体质量的累计损伤却很少考虑到。因此,本文拟利用三维数值模拟软件分析,结合小浪底水库的运营方式,分析不同水位上升、下降及不同降速工况下库岸岸坡安全系数的演化变化规律。

1 计算模型及参数

1.1 计算模型

图1 数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model

1.2 计算参数

为查明工程区的岩土体物理力学性质,本次勘察在工程区进行了岩土取样室内物理力学试验,根据试验物理力学指标,提出以下岩土体物理力学指标,见表1。

表1 亳清河岸坡岩土体的物理力学建议值

1.3 计算工况

结合小浪底水库运营方式,为全面模拟动态水位诱导下库岸边坡稳定性演化规律,设置了工况A、工况B、工况C,工况信息详见表2。为了研究库水位降速对库岸边坡稳定性的影响,分别设置库水位降速为0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d等5种工况。

表2 水位升降时岸坡稳定性分析计算工况

2 结果分析

2.1 不同水位升降工况下岸坡稳定性分析

工况A为库水位从235 m上升到275 m再下降到235过程中库岸岸坡的安全系数随库水位升降演化规律图。图2表明:随着库水位的上升,库岸岸坡的安全系数随着库水位的上升而增大;随着库水位的下降,安全系数总体呈减小趋势且减小的速率高于增大的速率。库水位由235 m上升到275 m,安全系数由235 m水位下的1.53增大到275 m水位下的1.832;库水位由275 m下降到235 m,安全系数由1.832下降到1.345后增大到1.401。安全系数在库水位由245 m下降到235 m过程中,安全系数略有增大。动态水位诱导下,岸坡的安全系数整体上随着库水位的上升呈现增大的规律,随着库水位下降出现较小的规律且下降的速率高于上升的速率。

图2 工况 A稳定性系数变化曲线图Fig.2 Change curve of stability coefficient of condition A

图3 工况B稳定性系数变化曲线图Fig.3 Change curve of stability coefficient of condition B

图4 工况C稳定性系数变化曲线图Fig.4 Change curve of stability coefficient of condition C

工况B是为库水位从255 m上升到275 m再下降到235过程中,库岸岸坡的安全系数随库水位升降演化规律图。图3表明:随着库水位的上升,库岸岸坡的安全系数随着库水位的上升而增大,随着库水位的下降,安全系数总体呈减小趋势且减小的速率高于增大的速率。库水位由255 m上升到275 m，安全系数由255 m水位下的1.417增大到275 m水位下的1.696;库水位由275 m下降到235 m,安全系数由1.696下降到1.336后增大到1.357。安全系数在库水位由245 m下降到235 m过程中,安全系数略有增大。动态水位诱导下,岸坡的安全系数整体上随着库水位的上升呈现增大的规律,随着库水位下降出现较小的规律且下降的速率高于上升的速率。

工况C是库水位从275 m下降到235 m过程中，库岸岸坡的安全系数随库水位升降演化规律图。图4表明:随着库水位的下降,库岸岸坡的安全系数逐渐变小,库水位由275 m下降到235 m时,安全系数由1.622下降到1.339后增大到1.364。安全系数在库水位由245 m下降到235 m过程中,安全系数略有增大。

图5 水位升降时各工况稳定性系数变化曲线图Fig.5 Change curve of stability coefficient of each condition in water level variation

图5是工况A、B、C库岸岸坡的安全系数随库水位升降演化规律图。图5表明:在动态水位升降诱导下,三种工况条件下岸坡安全系数的演化规律是一致的。

2.2 不同降速工况下岸坡稳定性分析

图6 不同降速时稳定性系数变化曲线图Fig.6 Change curve of stability coefficient in different deceleration

图6是不同库水位降速(0.1 m/d、0.3 m/d、0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d)条件下库水位由275 m下降到235 m岸坡安全系数变化规律图。由图可知,库水位降速越大,岸坡的安全系数减小越快,代表岸坡失稳的时间越短。

3 结论

本文利用三维数值模拟软件,结合小浪底水库运营方式,分别模拟了动态水位诱导下库岸边坡稳定性演化规律。模拟结果表明:

(1) 库岸岸坡安全系数整体上与库水位升降成线性关系,当库水位上升时,安全系数增大;库水位下降时,安全系数减小。

(2) 同水位高程下,库水位降速越大,岸坡的安全系数减小越快,岸坡失稳的时间越短。

[1] 王士天,刘汉超,张倬元,等.大型水域水岩相互作用及其环境效应研究[J].地质灾害与环境保护,1997,8(1):69-88.

[2] 刁承泰,黄京鸿.三峡水库水位涨落带土地资源的初步研究[J].长江流域资源与环境,1999,8(1):75-80.

[3] 徐千军,陆杨.干湿交替对边坡长期安全性的影响[J].地下空间与工程学报,2005,1(6):1021-1024.

[4] Griffiths D V,Lane P A.Slope stability analysis by finite elements[J].Geotechnique,1999,49(3):387-403.

[5] 朱冬林,任光明,聂德新,等.库水位变化下对水库滑坡稳定性影响的预测[J].水文地质工程地质,2002(3):6-9.

[6] 徐文杰,王立朝,胡瑞林.库水位升降作用下大型土石混合体边坡流—固耦合特性及其稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(7):1491-1498.

[7] Lane P A,Griffiths D V.Assessment of stability of slopes under drawdown conditions[J].Journal of Geotechni-cal and Geoenviromental Engineering,2000,126(5):443-450.

[8] 贾官伟,詹良通,陈云敏.水位骤降对边坡稳定性影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(9):1798-1803.

[9] 李邵军,Knappett J A,冯夏庭.库水位升降条件下边坡失稳离心模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(8):1586-1593.

[10] 姜海西,沈明荣,程石,等.水下岩质边坡稳定性的模型试验研究[J].岩土力学,2009(7):1993-1999.

[11] 李会中,王团乐,孙立华,等.三峡库区千将坪滑坡地质特征与成因机制分析[J].岩土力学,2006,27(增刊):1239-1244.

[12] 刘才华,陈从新,冯夏庭,等.地下水对库岸边坡稳定性的影响[J].岩土力学,2005,26(3):419-422.

(责任编辑：陈文宝)

Stability Analysis on the Bank Landslide Induced by Dynamic Water Level

YANG Jinlin, WU Guohong, ZHOU Yanguo

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

After impoundment,the reservoir water level will fluctuate in normal lower and higher water level in order to meet the requirements of flood control and power generation,which will induce stable bank slope develop to instable probably.Therefore,it’s necessary to make systematic research on the stability of landslide because of dynamic water level.In this paper,evolution of bank landslide stability rules in different water level fluctuation and different lifting rate are analyzed by numerical simulation combining with the Xiaolangdi Dam reservoir operation.The research results can provide useful basis for the stability analysis and protection of bank landslide.

dynamic water level; reservoir bank stability; numerical simulation

2016-04-17;改回日期:2016-05-11

杨金林(1984-),男,工程师,硕士,岩土工程专业,从事工程地质勘察、设计与研究工作。E-mail:yangjl@yrec.cn

TV697.2+3

A

1671-1211(2016)03-0468-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.051

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.004.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24