不同降雨条件下坝坡渗流与稳定性影响分析

姜旭新

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐830000）

在我国许多库区，库水的变化通常会造成有些坡体发生失稳破坏，对航道造成很大影响。

研究及统计资料表明，影响库岸边坡稳定性失稳破坏的重要因素是地下水。地下水的渗流作用会影响边坡内的渗流场变化，并随之影响岸坡的稳定性［1-3］。为了确定浸润面位置，众多学者采用解析方法［4］对其进行了研究。目前多采用数值模拟方法［5-7］对其进行工程计算。

本文利用Phase2软件，对带塑性混凝土心墙的坝体进行分析，对不同降雨条件下的坝体进行渗流和稳定性进行分析。

1 基本渗流理论

地下水的流动可以通过达西定律进行描述［9］，在x-y平面上可写成：

其中，总水头μ可写成式（2）：

式中 μ为总水头值；y为竖直高度；p为孔隙水压力；γw为水的重度。

除此之外，还定义了一个孔隙水压力水头μp：

当进行瞬态分析时，其连续性方程为：

式中 kx，ky分别为土体x，y方向的渗透系数；Q为边界流量；t为试件参数；c为有效容量。

上式左端第三项中把水头值的变化通过有效容量c和单元体内含水率的变化联系起来，与饱和土不同的是，非饱和土的有效容量c和非饱和土渗透系数的大小取决于土体中含水率和毛细力的大小。

有效容量c和渗透系数张量K的表达式为：

2 模型的建立及模型参数

某坝段库岸在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下，处于不稳定状态，可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸，产生塌岸破坏在所难免。因此，开展该段库岸的治理十分必要。图1为库岸全貌图。

图1 库岸全貌图

对研究区勘察资料进行整理，选取库岸的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，图2为库岸断面结构。

图2 库岸地质剖面

图2库岸岸坡为塑性混凝土心墙坝体，依据相关试验及规范［8］，对岩土体相关物理参数进行经验取值，如表1。

表1 坡体相关物理力学参数

利用Phase2有限元软件，对不同降雨条件下的坝体进行渗流和稳定性分析。

3 降雨强度对坝体影响

通过对当地的水文资料调查，将降雨量设置为100，200，300，400mm/d， 分析4种不同降雨工况下的岸坡孔隙水压力分布。图3为孔隙水压力分布图。

图3 不同降雨强度下坝体内孔隙水压力

从图3中可以看出，降雨强度不同，坝坡孔隙水压力有明显区别。降雨强度从100mm/d增长到300mm/d时，坝坡负孔隙水压力一直减小。从图3（c）和3（d）中可看出，当降雨强度达到一定时，坝坡孔隙水压力几乎不会发生变化，这是由于当降雨量达到一定程度时，土体的入渗能力不足以消耗所产生的降雨，没有入渗到土体的那部分降雨将会在坝坡表面形成径流，也就不会再产生水头压力。

不同降雨强度对坝坡的稳定性也有一定影响。本文利用Phase2对坝坡进行有限元强度折减法分析其稳定性的计算结果，如表2。

表2 坝坡稳定计算结果

表3 降雨持续时间

表4 安全系数计算结果

从表2中可看出，降雨强度越大，坝坡安全系数越小，单位时间内降雨越多，坝坡负孔隙水压力一直减小，坝坡越容易失稳。

4 降雨持续时间对坝体影响

研究降雨持续时间对坝坡稳定性的影响，从两方面进行分析。

4.1 降雨强度

降雨时间越长，降雨量越大。

4.2 降雨量

降雨强度越大，降雨时间越短。降雨持续时间如表3。

假定降雨量800mm/d，在相同降雨量时，分析坝体的孔隙水压力。图4为不同降雨强度下坝坡孔隙水压力分析图。

图4 相同降雨量下坝坡孔隙水压力

从图4中可看出，在降雨量一定时，降雨持续时间越长，降雨强度越小时，降雨入渗时间越长，在土体渗流中，基质吸力会大面积减少。在降雨达到一定程度时，坝坡会形成径流，负孔隙水压力减小直至为零，基质吸力也随之消失。

当降雨时间较短时，降雨强度很大时，降雨在坡表会形成径流，而不会渗透到土体内，坡体内表层土体含水率会增加，而深层土体含水率几乎没有变化。因此，土体内的含水率越大，土体的抗剪强度越低，坡体越容易发生失稳滑移破坏。

本文利用有限元强度折减法，对坝坡进行稳定性分析，求解坝坡的安全系数，如表4。

由表4看出，降雨量一定时，降雨强度越小，降雨时间越长，坝坡的安全系数越小，这是因为当降雨强度越大时，土体的渗透能力不足以满足降雨速度，导致坝坡表面会形成地表径流，只有坝坡表层土的抗剪强度降低，深层土的抗剪强度无明显变化；当降雨强度不大，但降雨持续时间较长时，土体渗透能力能够满足降雨速度，降雨大部分会渗透到土体中，会渗透到坝体的深层土体，导致坝体整体抗剪强度降低，坡体更容易发生失稳。

5 降雨雨型对坝体的影响

在雨季来临时，大多数情况下，降雨强度随降雨大小发生变化，因此降雨量也时而大时而小，本节将研究雨型对坝坡稳定性的影响。

假定降雨总量400mm，降雨时间为4h，最大降雨强度（峰值）100mm/h，最大降雨持续时间1h。图5为降雨雨型示意图。

图5 降雨雨型示意图

在图5中，设计了4种雨型方式，分别为等强、单峰、双峰、三峰，等强为1d中降雨强度是一样的，单峰为1d中有1h降雨强度达到100mm/h，双峰为1d中有2h降雨强度达到100mm/h，三峰为1d中有3h降雨强度达100mm/h。在降雨总量一定的情况下，降雨峰值强度持续的时间越多，其余时间降雨强度就越小。

针对不同雨型条件下的坝坡，利用有限元强度折减法，计算坝坡的安全系数。表5为安全系数计算结果。

表5 安全系数计算结果

在降雨量和降雨持续时间一定的情况下，降雨强度峰值时间越长，坝坡安全系数越大，这是由于峰值降雨强度大，持续时间长，土体的渗透能力不足以渗透降雨，导致一部分降雨在坡表形成径流，没有渗透到坝体内，对坝坡的渗流场和稳定性影响较小，而等强型的降雨形式，大部分降雨能够渗透到土体中，导致坝体内大部分土体的含水率降低，坝坡越容易发生滑移失稳。

6 结语

（1）利用有限元Phase2软件，对带塑性混凝土心墙的坝体进行分析，研究不同降雨条件下的坝坡渗流和稳定性影响分析。

（2）降雨强度越大，坝坡负孔隙水压力一直减小，坝坡安全系数越小，坝坡越容易失稳。降雨量一定时，降雨强度与降雨时间为反相关的关系，降雨时间越长，降雨强度越小，坝坡的安全系数越小。在降雨量一定时，降雨期间的峰值强度个数越多，坡体安全系数越大。

［1］郑慧，邵子叶，韩文喜，等.暴雨与库水位变化条件下晒盐坝滑坡渗流和稳定性数值模拟 ［J］.地质灾害与环境保护， 2012， 23（1）： 58-63，95.

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［8］GB50330—2013，建筑边坡工程技术规范［S］.