水位下降对岩质边坡应力应变特性影响

陈 园

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 背景

我国工程地质水文地质条件十分复杂，随着工程建设出现了大量涉水边坡，而河水流量受季节影响很大，河水高程不断发生变化，给两岸高陡边坡稳定性造成了极大影响。因此，研究水位变化条件下的岩质边坡稳定性具有十分重要的现实意义［1-3］。

坡前水位降落引起的坡内复杂渗流状态，使得坡内渗流场及应力场相互影响比较明显。由于坡前水位降落，使得坡内水位明显滞后与坡外水位，坡内孔隙水来不及消散，产生孔隙水压力差。坡内外形成的水头差引起渗流运动，渗流产生的动水力以渗透体积力和静止水压力的形式作用于岩土介质［4-7］。渗流场对岩土场的影响，会直接使岩土体介质应力场发生变化，造成的位移场变化会进一步影响土体介质孔隙率，进而影响岩体内部的各项渗流特性，同时改变了渗流分布规律［8-11］。

本文结合典型的库岸岩质边坡工程实例，分析库区滑坡的分布及其特征，建立蓄水运行条件下的边坡稳定性计算模型，基于渗流场对坡体进行稳定性计算，分析水库运行过程中边坡的稳定性演变趋势及其影响因素。

2 边坡地质条件及参数

库岸岩质边坡地貌属低山峡谷区，山峦叠嶂，峰高谷深，山脉多呈南北或北东走向，与构造线展布方向大体一致，属于典型的顺层高陡岩质边坡。该公路边坡研究区覆盖层为第四系全新统填筑土（Qm4e）、坡残积碎石土（Qd4l+el），下伏基岩为寒武系下统梅林寺组（∈m1）。

根据工程地质勘查报告，获取了该涉河公路边坡各岩层的力学参数建议值，如表1。

表1 边坡有限元力学参数建议值

3 研究方法

本次边坡的稳定计算采用有限元软件PLAXIS［12］，使用渗流模块和边坡稳定计算模块。

边坡稳定采用目前流行的有限元强度折减法。计算模型选取的应力场边界条件为：①边坡底部采用水平和竖直方向的完全约束条件；②左右采用水平约束条件；③进行渗流场与应力场的耦合分析时，有限元划分网格中的每个节点都创建了3个方程，2个平衡方程（位移），1个渗流连续方程（孔隙水压力）。

在耦合固结分析中，平衡和渗流方程同时被求解。计算模型如图3。

图1 边坡有限元模型网格划分

4 计算结果及分析

4.1 坡内应力场分布规律

对坡前标高水位在601~560m之间降落的过程中边坡应力场进行研究。

图2和图3给出了水位标高为601m初始稳定渗流状态及坡前水位降落至591，581，571，560m坡内平均有效应力等值线云图。

图2 不同水位坡体平均有效应力分布等值线

从初始稳态平均有效应力等值线云图计算结果可知，符合一般斜坡有效应力分布特征，量级合理，表明本次数值模拟结果合理。平均有效应力方向基本平行坡面方向，随着坡体深度增加，平均有效应力不断增大；随着水位下降，平均有效应力不断增多，水位降低41m时，平均有效应力达3.86×103kN/m2。

图3 不同坡前水位坡体孔隙水压分布

由图3可知，孔隙水压随航道水位降低而不断减小，当水位保持稳定时，孔隙水压分布较均匀，渗流趋于稳定。

4.2 坡内变形场分布规律

在坡内应力场变化规律分析基础上，研究坡内变形场变化。分析水位降低过程左岸边坡变形场变化，规定水平位移以顺坡向位移为正（向右），逆坡向位移为负（向左）；垂直位移为向下为负，向上为正。

图4、图5分别给出了水位降落不同时刻的坡体增量位移。库水位从初始最高水位下降10m后，边坡发生沿边坡走向位移（向左），最大值8.37×10-6m，数值较小，集中分布在浅水面附近一定深度及水位线以上部分表层岩体。随着水位继续下降，水面附近岩体继续发生向左的水平位移，当下降20，30，41m时，造成水平向增量位移极值分别达7.18×10-6，34.10×10-6，51.30×10-6m，增大趋势明显。

图4 不同水位水平向变形等值线

图5 不同水位竖向变形等值线

随着水位降低，灰色集中区域逐渐往下发展，范围减小，如水位下降41m后，仅有水位线上碎石土发生较大水平位移，说明水位下降后期，前期发生较大位移的上部岩体已基本稳定，受后期水位变化影响小。

如图5，库水位从初始最高水位下降10m后，边坡发生垂直位移，最大值33.81×10-6m，相对水平向更大，集中分布在降水水面上，即由于降水而出露部位。当水位下降20m后，水位降由10~20m之间较陡坡面出露，垂直位移集中区域范围增加，如图5（b）。

随着水位继续下降，边坡继续向下位移，当水位下降30m和41m时，垂直向增量位移极值分别为72.26×10-6，111.65×10-6m。 云图灰色集中区域逐渐往下发展，范围逐渐缩小，达到最低水位时，仅有最低水面线上碎石层发生较大垂直位移。此阶段边坡岩体发生沉降，数值比水平向更大，分布范围出现先增加后减小趋势。

结果表明，云图随水位变化趋势基本与垂直增量位移趋势相同，说明水位下降对边坡垂直变形影响比水平向更明显。

4.3 坡体安全系数分析与评价

边坡稳定性分析主要采用安全系数进行反映。因此，在考虑渗流作用基础上，采用有限元强度折减法计算不同水位下边坡的安全系数。右岸边坡安全系数随水位降落分布如表2。

由表2可知，边坡安全系数呈现先减小后增加趋势，后期安全系数增幅相比左岸明显；库水位下降初期（20m内），安全系数减小不明显，但降落后期，安全系数迅速减小，当水位降至最低通航水位41m时，安全系数达最小值1.218，之后水位继续降落至谷底过程安全系数分布在1.29，逐渐稳定。

右岸坡体折减计算破坏区域如图6。

表2 水位降低过程坡体安全系数

图6 右岸坡体折减计算破坏区域

由图6可知，破坏滑裂面位于地势陡峭的表层堆积碎石层。最高通航水位（降41m）右岸部分碎石层淹没在水下，安全系数相对较大，可达1.592；水位下降到20m后，淹没碎石层出露，受到坡体渗透力及有效应力增大作用，而且碎石层本身抗剪强度较低，造成安全系数迅速降低，最低通航水位时仅有1.218。同样，最低通航水位降至谷底时，危险位置也出现在碎石层上部较陡峭部位，由于后期水位下降时已经远离危险位置，所以边坡稳定性波动较小，安全系数均在1.29。

5 结语

（1）水位下降过程中，坡体平均有效应力方向基本平行坡面方向，随着坡体深度增加，平均有效应力不断增大；随着水位下降，平均有效应力不断增多，水位降低41m时，平均有效应力达3.86×103kN/m2。孔隙水压随水位降低而不断减小，当水位保持稳定时，孔隙水压分布较均匀，渗流趋于稳定。

（2）随着水位下降，边坡发生位移变形区域逐渐往下发展，范围逐渐缩小，达到最低水位时，仅有最低水面线上碎石层发生较大垂直位移。此阶段边坡岩体发生沉降，数值比水平向更大，分布范围出现先增加后减小趋势。

（3）边坡安全系数随着水位降落均呈现先减小后增加趋势，但总体表现为随水位降低安全系数减小。

［1］柴军瑞，李守义.三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（8）：1280-1284.

［2］刘才华，陈从新，冯夏庭.库水位上升诱发边坡失稳机理研究［J］.岩土力学， 2005，26（5）：669-773.

［3］张文杰，詹良通，凌道盛.水位升降对库区非饱和土质岸坡稳定性的影响［J］.浙江大学学报（工学版）， 2006，40（8）：1365-1370，1428.

［4］LANE P A，GRIFFITHS D V.Assessment of stability of slopes under drawdown conditions［J］.Journal of Geotechnical and Geo-environmental Engineering， 2000， 126（5）： 443-450.

［5］年廷凯，万少石，蒋景彩，等.库水位下降过程中土坡稳定强度折减有限元分析 ［J］.岩土力学， 2010， 31（7）：2264-2269.

［6］STIANSON J R， FREDLUND D G， CHAND.Threedimensional slope stability based on stresses from a stressdeformation analysis ［J］.Canadian Geotechnical Journal，2011， 48（6）： 891－904.

［7］黄斌，郭冲，冯宇.岩土质互层高边坡开挖的稳定性分析［J］.公路， 2013（2）：10-15.

［8］郑颖人，时卫民，孔位学.库水位下降时渗透力及地下水浸润线的计算［J］.岩石力学与工程学报， 2004， 23（18）：3203-3210.

［9］崔洁.不同库水位升降速度对大坝边坡稳定性的影响研究［J］.水利水电技术， 2017， 48（2）：155-159.

［10］王世梅，刘佳龙，王力，等.三峡水库库水位升降对谭家河滑坡影响分析［J］.人民长江， 2015（8）：83-86.

［11］孔郁斐，周梦佳，宋二祥，等.利用PLAXIS软件计算考虑降雨的边坡稳定性［J］.水利水运工程学报，2014（3）：70-76.

［12］唐晓松，郑颖人，邬爱清，等.应用PLAXIS有限元程序进行渗流作用下的边坡稳定性分析 ［J］.长江科学院院报，2006， 23（4）：13-16.