水位升降对库岸大坝边坡稳定性影响三维数值模拟研究

黄 亮

(江西省宜春市水利水电工程监理有限公司，江西 宜春 336000)

0 引 言

水位变化对于边坡稳定而言具有重要的影响，而蓄水条件下库岸边坡对于水位变化则更为敏感，极易引起大大小小的失稳滑坡灾害。而滑坡主要由人类工程建设活动和强降雨、地震等自然环境影响引起，且可能导致巨大的人员伤亡和财产损失。国内诸多学者也注意到这个问题，对其进行了相关研究，但具体工程存在较大差异，且相关研究停留在二维或简化模型层面[1-3]。为进一步更好研究水位升降对库岸边坡的稳定性影响，提高水库的安全管理水平，文章综合使用场地三维BIM软件及FLAC3D有限元软件分别计算针对江西省新建水库项目为例开展三维数值模拟研究，通过研究确定边坡在暴雨及蓄水位变化作用下的稳定性，为今后类似工程的安全预警提供参考。

1 工程概况

新建水库在勘察的区域之内，基本上为丘陵斜坡的相关地貌特征。其北区处在边坡的中间部位，具有东边高西边低的总体特征，由于受到放坡的影响而呈现出阶梯状的形式，对应于1°-31°范围的地形坡角。此外，具有259.88m-196.55m的地形标高，以及值为63.33m的相对高度差。

调查结果表明，该区域在龙王洞背斜的西翼位置，整体上被覆盖层所覆盖，当前所开展的勘察主要是在其南东侧实验测定其岩层产状，发现其裂隙岩层总体上呈现出单斜状产出的基本特征，而且岩层产状具体如下：273°-290°∠51°-58°，在该区域之中没有断层通过，具有相对简单的构造地质条件。在实地勘察周边区域中的基岩出露地段之后发现，局部的岩石层面上含有一定的泥质薄膜，它有着较为平直的外表面，整体上结合不佳，为一种硬性的结构面。

勘察区属亚热带气候，温暖湿润，雨量充沛。具冬暖春早，夏热秋凉，秋雨连绵，无霜期长特点。具有值为1094.6 mm的年均降雨量，在1968年时出现值为1 378.3mm的年最高降雨量，在1961年则出现值为783.2mm的年最低降雨量，降雨一般集中在5-9月，占全年降雨量的2/3。场区内无河流、溪流通过，环场地外侧发育一天然溪沟蹬子河，宽约6m，常年有流水，勘察期水位197.50m，据访其丰水期水位约202.0m，为场区最低侵蚀基准面。规划大坝长约147m，高28m，规划水库正常蓄水位为218.20m，水库死水位为205.80m。

2 场地三维BIM模型建立与岩土三维数值模拟

为定量分析场地边坡由降雨引起的变形破坏范围和变形破坏模式，采用三维BIM软件犀牛(Rhinoceros 5)建立三维边坡图的地质信息模型，并通过相关插件生成岩土三维数值模拟软件FLA C3D来进行模型识别且进行导入，通过变形理论为基础的边坡稳定性分法来对降雨蓄水之前及之后边坡上应力-应变特征进行实验模拟。

2.1 计算模型及参数

在该模型的前缘边界区域上是拟开工建设道路高程带，而在其顶部边界上则是新址坡体的后缘到其坡顶的区域。对于边坡的三维模型而言，需要尽可能地将坡体结构清晰地体现出来。在下伏基岩中，主要为侏罗系中统沙溪庙组的泥岩(为粉砂质的)及互层。此外，对于址区砂岩而言，需对强风化界线进行充分的考虑。其坡体整体上为粉质黏土以及素填土等。在该模型中，其X向及Y向分别是东西以及南北的相关方向，而该模型中的Z向则对应于垂向。其力学边界主要是通过X向及Y向来进行双向性的约束，而在模型的底面(也就是Z向)上，则通过垂向来进行约束，此外，其地表则是一个自由面。基于这些基本原则将边坡的三维模型成功构建起来，且开展网格化(具体见图1)。在开展模拟计算的过程中，需对边坡所发生的整体变形予以充分的考虑，当前的模拟工作侧重于在强降雨的情况之下边坡的稳定性。根据地质勘察报告，并结合现场调查，给出计算使用边坡下伏基岩及堆积层的物理力学参数取值(表1、表2)。

(a)边坡三维模型及网格划

表1 边坡基岩力学参数综合取值表

表2 边坡堆积层强度参数综合取值表

2.2 暴雨作用下边坡变形特征

在图2中，详细地列出了在暴雨的情况之下所对应的三维位移云图的相关结果。由图片可发现，此时潜在的变形位移出现在边坡的北侧上陡坎之处(共计2处)，而在其它的位置上不会出现位移。对于其X及Y向的位移而言，都出现在陡坎土体周边的区域之中，最大的位移则出现在前缘部位的Z向上。

(a)X向

2.3 考虑库岸三维空间地下水位面及蓄水工况的数值模拟分析

当前的模拟工作仅分析了在普通的蓄水位条件以及发生水位暴跌(最终到其死水位)的条件之下的相关问题，对于蓄水位和斜坡体内浸润线之上及之下的边坡而言，分别选用的是自然条件下力学参数以及长期饱和强度值参数。在图3中，详细地展示了在上述两种条件之下分别对应的边坡速度云图结果。根据图3(a)的结果可发现，对于普通的蓄水条件，前缘蓄水位的高程周边区域是出现边坡位移的重要位置，边而在其它的位置上则不存在位移的趋势。根据总位移速度场的相关云图结果可发现，具有最大速度场的是坡体前缘(208m-217m高程带)。X方向为坡体临空方向，变形趋势明显，Y方向最大位移位于堆积体靠近南侧前缘，Z方向位移相对较小。由图3(b)可以看出，水位暴跌至死水位线工况下，在原址区堆积体的前缘，自前缘至后缘，边坡位移逐渐减小，主要变形区位于边坡北侧前缘207m-215.2m高程带，造成了临空方向上的一定变形，最早出现变形失稳现象的是一部分边坡前缘，进而朝着边坡的向方逐渐地进行垮塌。

图4为普通蓄水条件之下的稳定性系数和最高剪应变增量相关结果，可得其长期稳定性系数等于0.986，处在不稳定的状态之中，由此可知，体边坡在长期的浸泡条件之下将会逐渐地发生失稳。根据最大剪应变增量的相关结果可知，坡体前缘第四系堆积体在受到库水浸泡后，其下伏粉砂质泥岩层对潜在失稳底边界具有控制作用。

图5为水位暴跌至死水位线条件之下的稳定性系数和最高剪应变增量相关结果，可得其长期稳定性系数等于0.957，同样说明正常蓄水后的库水位陡降工况下，原址区堆积体边坡将失稳。由最大剪应变增量云图和塑性区张破坏与剪破坏分布示意图可以预测该厂址所在边坡在陡降水位工况下其北侧前缘涉水高程范围内的局部陡坡存在垮塌风险，建议在正常蓄水前开展治理工程措施，预防边坡体失稳。

3 结 论

文章以江西省新建水库工程为依托，通过FLAC3D来进行了边坡三维数值分析模型的成功构建，进而模拟了库岸边坡的稳定性。主要结论有：

1)在天然的工况条件之下，边坡整体上为稳定的；如果是在暴雨的条件之下，则厂区边坡由于存在西向临空，稳定性系数为1.22，处于基本稳定状态。然而因为在边坡中没有相互贯通的潜在滑面得以形成，所以也存在着边坡出现局部性垮塌的可能性。其中坡体的前缘是发生失稳的最可能位置，尤其是边坡的中部陡坎带以及边坡的北侧前缘最有可能出现失稳。除此之外的其它区域基本上是稳定的。

2)在蓄水的工况之下，高于常规蓄水位的坡体不会受到显著的影响，但坡体前缘涉水带陡坎范围，且位于正常蓄水位以下，在长期浸泡作用下，坡体内粉砂质泥岩对堆积体位移具有控制作用，临空方向则存在着较为显著的变形趋势，且从其前缘逐渐朝着后缘进行降低，对于常规蓄水位以及水位陡降的条件之下，所对应的坡体稳定性系数分别等于0.986以及0.957。可以知道，在蓄水的工况之下，将会出现边坡的失稳现象，最早出现变形失稳的部位为边坡的前缘，进而朝着后方进行垮塌。同样北侧东部陡坎需要重点注意，该侧相对稳定性较弱。