水位升降对红土边坡的稳定性影响

朱启雄

（赫章县水务局,贵州 赫章 553200）

0 引言

对于水库水位升降对临库边坡的影响的研究已经很多了,对于临湖边坡必须要考虑渗流分析,这是由于水库水位的变化会导致水库临近边坡的地下水位的变化,从而使边坡土体受到水的渗流作用的影响,土颗粒的结构可能会被水流破坏而重新排列,而边坡的稳定性将会受到影响。分析边坡稳定性的方法有很多,有极限平衡法、有限元分析法等[1～3]。边坡的渗流分析是一个复杂的问题,涉及到边坡饱和—非饱和耦合的问题,而在现实中,降雨、地下水升降、临近河流水库的边坡必须要考虑渗流问题[4～6]。朱岳明[7]等通过数值模拟分析了三维饱和—非饱和渗流模型,给出了三维渗流数值分析计算问题的解决方案。夏琼[8]等研究了不同降雨条件下的边坡渗流场的变化,得出了不同降雨模式对路基边坡的稳定性的影响不同。黎水泉[9]提出了一种随压力的变化而变化的介质非线性渗流模型。王恩志[10]不考虑岩体的渗透性的条件下提出了三维裂隙渗透网络模型。朱文彬[11]等则在将不同土质的土体考虑成多孔介质来进行渗流计算,提出了非稳态的二维模型。本文参照目前边坡渗流的研究成果,结合实际工程,利用Geo-stvdio有限元仿真软件分析水库水位升降时临库红土边坡由于渗流而导致的孔压和渗透坡降等变化。

1 工程概况

该边坡位于福建省某县,属于低洼地带,亚热带季风气候,降雨充沛,夏长冬短,春夏分明。水库的常水位在104 m左右。山坡多为缓形,坡度在30°左右。经过调查,该边坡主要由红土构成,其物理力学参数通过室内试验获得,见表1。

表1 红土边坡物理参数表

2 水库水位升降时渗流场对红土边坡稳定性的影响

2.1 数值模拟工况研究

水库水位的升降对库边红土边坡的稳定性有重要的影响,水位的升高会对土体产生渗流场的作用,且会使土体含水率提高,水位的下降同样会产生渗流场,并且使边坡土体含水率有所下降。红土边坡相比一般土层构成的边坡对含水率更为敏感,红土的干密度和含水率是影响红土边坡稳定性的重要指标。为了分析红土边坡干密度和含水率对红土边坡稳定性的影响,首先研究了初始含水率为28%,干密度为1.0 g·cm-3、1.1 g·cm-3、1.2 g·cm-3、1.3 g·cm-3和1.4 g·cm-3,然后分析干密度为1.3 g·m-3初始含水率为22%、24%、26%、28%和30%这两组变量共9 个工况,以分析这两个重要指标对临库红土边坡的稳定性影响。在模型中,将边坡的高度设置为60 m,将模型观测点的坐标设置为（30,5）、（40,5）、（50,5）、（60,5）和（70,5）,根据当地水文调查,水库的最大蓄水高度为边坡高度的80%,所以高度为60 m的临库边坡的最大蓄水高度分别为48 m。根据相关资料以及当地水文调查,可以知道该水库的许多边坡的水位升降速率为1 m/d左右,因此在数值模拟中将临库红土边坡的水位升降速度统一设置为1 m/d。根据土工试验可以确定不同干密度和不同初始含水率的红土材料物理力学参数,见表1,模型计算工况见表2。

图1 边坡模型及观测点示意图（单位：m）

表2 模型计算工况

2.2 数值模拟结果分析

如图2 所示,可知边坡红土的干密度大小对边坡土体渗流场的影响很大,当边坡水位上升至最高点时,干密度越大的土体边坡,其浸润线与边坡的夹角也就越小,此时浸润线左右两边的端点值也就差异越大。同时也可以知道各个观测点的孔隙水压力沿着水流流线在不断变小,当孔压减小至0时,就到达了浸润线处,可知水流流线的长度即为渗流的方向。当水库的水位上升至最高点时,边坡上各个点的孔隙水压力与浸润线上面的孔隙水压力之间的差值为一个定值。而当土体的干密度越大时,边坡的地下水在土体内部渗流时遇到的阻力也就越大,渗流路径也就越短。当渗流路径越短时,浸润线和边坡坡面的夹角会变小,浸润线就越接近边坡。如图3 所示,当干密度为1.4 g·cm-3时,边坡的浸润线与边坡坡面非常靠近。

图2 工况1～5边坡孔隙水压力云图

与水库水位上升相对应的是,当水库水位下降至最低点时,红土边坡的干密度越大,浸润线与坡面的夹角会越小,当水位下降到极限时,边坡的浸润线和坡面将会近似相切,即边坡坡面与浸润线的夹角为0,此时渗流会从边坡顶部出现,而最容易由于渗流而破坏的位置为浸润线与边坡重合的地方。出现这种现象的原因是由于边坡土体的干密度越大,渗流时对水流的阻碍作用也就越大,反过来说,水流对土体的渗透压力也就越大,这导致了浸润线与边坡的夹角变小。而且渗流力越大,边坡越容易因此而破坏。从图中可以看出,边坡坡脚处是渗流集中的区域,这说明了当边坡水位下降时,边坡内部的水流将会在坡脚处产生集中效应,因此最容易发生渗流破坏的点是坡脚,而后破裂面从坡脚向上延伸,造成边坡的整体失稳。当浸润线与坡面的夹角为0°时,浸润线左端的水力坡降为最大值,其值的大小与边坡坡度一致,这就表明较小边坡的坡度可以有效限制水位下降时边坡水力坡降的最大值,从而有效降低边坡因为渗流而破坏的可能性。

从图3还可以看出,当水库的水位上升至最大值时,边坡的干密度越大,各观测点的孔压值也就越大,这说明边坡内部各点的孔隙水压力受到边坡土体干密度的影响较大。离边坡越远的观测点,边坡土体的干密度对其影响越大,这表明离边坡距离越远的土体受到孔隙水压力的影响越明显。当库区水位降到最低点时,各个观测点的孔隙水压力随着干密度的提高而增大,而且离边坡越远的地方孔压随着干密度的增加幅度也就越大,这也说明距离边坡越远的土体其孔隙水压力受到干密度的影响越明显。

图3 水库水位升降时工况1～5观测点孔隙水压力变化

图4给出了孔隙水压力随着干密度变化的云图,图5给出的是不同初始含水率下的边坡孔隙水压力曲线图。从图中可以看出,当水库水位升高至最大值时,初始含水率的增大会导致浸润线与边坡坡面的夹角变小,而且浸润线会越来越低。这是由于红土边坡的初始含水率的增大会影响红土的渗透系数,使红土的渗透系数变小,因此在相同的水力坡降的情况下水流受到土体的阻碍会更大,所以相对的土体受到的渗透力也就越大。然而从图5中可以看出,越靠近边坡的浸润线会随着初始含水率的变化而变化,但是这种现象并不十分明显,因而可以认为初始含水率的变化会引起红土边坡渗流场的变化,而对红土边坡的稳定性并没有很大影响。

图4 工况4及6～9边坡孔隙水压力云图

图5 水库水位升降时工况4及工况6～10观测点孔隙水压力变化

图6为水库水位上升至最高点时各个观测点的渗透水力坡降随边坡土体干密度的变化曲线图。从图中可以看出,当随着红土边坡的干密度增大,各个观测点的水力渗透坡降会越来越大,其受到的渗透力也会变大。距离坡面较远的观测点受到土体干密度的影响较大。当水库的水位下降时,红土边坡的干密度越大,且距离边坡坡面越近的观测点的水力坡降将越大。这说明边坡的红土干密度的变化对边坡内部各个观测点的孔隙水压力有着重要的影响。当水库的水位降低,在边坡坡脚处将会有流线的集中区域,这表明临库边坡发生渗流破坏的危险点是坡脚位置。

图6 水库水位升降时各观测点渗透坡降随干密度变化曲线图

图7为水库水位上升至最高点时各个观测点的渗透坡降随着初始含水率的变化曲线图。可以知道,当水库水位升高至最高点时,初始含水率越高各个观测点的渗透水力坡降越大,土体受到的渗透压力越大。当水库水位下降至最低点时,红土边坡的初始含水率越大,各个观测点的渗透坡降越大,其水力坡降越大。可见初始含水率越大,红土边坡土体越容易受到渗透力的作用而在坡脚发生破坏。

图7 水库水位升降时各观测点渗透坡降随干密度变化曲线

3 结论

采用有限元软件Geo-stvdio模拟不同工况下的临库红土边坡的孔隙水压力和浸润线变化,可以得出以下结论：

（1）当水库的水位上升时,红土干密度的变化对红土边坡孔隙水压力的影响大于初始土体含水率对边坡孔压的影响,当水库水位上升时,随着边坡土体干密度的增加,各个观测点的孔隙水压力会不断变小,而且随着观测点离边坡坡面距离越远,这种变化越大。

（2）当水库水位下降时,随着红土边坡土体的干密度增大,各个观测点的孔隙水压力也会变大,而且距离边坡越近,孔压的变化幅度越不明显。

（3）随着土体的初始含水率的增加,红土边坡的孔隙水压力也会随之发生变化,但是其变化幅度并不大,而且距离边坡坡面越近的点越不明显。

（4）随着土体干密度和初始含水率的增加,边坡土体的渗透坡降都会增大,而且这种现象在水库水位下降时更加明显,观测点距离边坡越近,渗透坡降的增幅越大,越容易由于水力渗透而发生破坏。