水库水位升降对边坡稳定性影响分析

沈 阳

(赫章县水务局，贵州 赫章 553200)

0 引 言

水库水位升降对水库边坡的稳定性存在影响。一方面，水库边坡渗流进入边坡土体会对土体颗粒产生渗流力的作用，这将使土颗粒重新排列，甚至会产生细颗粒流失。另一方面，土中水的增加会使边坡非饱和土体的渗透性发生改变，降低边坡土体的抗剪强度，使非饱和土体中的负孔压减小甚至消失。对非饱和土边坡及其渗流规律的研究已有不少。林鸿州等[1-2]通过试验、软件模拟和理论推导等方法研究了非饱和土体的水土特征，发现土体的渗透性受到土体的饱和度影响，并给出影响规律。林鸿州等[3-5]通过直剪试验研究了土中水的含量与抗剪强度参数的关系，发现土中水越多土体的抗剪强度会下降。付宏渊等[6-7]考虑了土中水的渗流和渗流对岩石的软化作用对边坡进行了稳定性分析，发现与常规的降雨过程不同的稳定性变化。姚海林等[8-9]研究了在降雨过程中裂缝对非饱和土边坡稳定性的影响，发现裂缝的存在会影响土体的渗流场。张社荣等[10-11]采用数值模拟法研究了降雨强度对边坡稳定性的影响，表明降雨强度越大边坡滑坡出现的变形就越大，并且非滑移区的稳定系数也越低。廖红建等[12]考虑了水库水位下降对水库边坡的稳定性影响，并结合工程实际进行数值模拟计算，得到水位下降对边坡土体渗透系数和稳定系数的影响规律。

本文基于前人的研究成果，结合工程实例，研究水库水位升降对水库边坡的孔压及稳定性影响。采用大型有限元软件ABAQUS，分析6种不同水位升降工况下边坡的孔压变化和稳定性，以期为实际工程提供参考和建议。

1 工程概况

该边坡防护工程位于湖北省武汉市某水库东岸，所在地区为侵蚀构造的低山区。该护坡工程东侧约200 m处有公路穿过，交通方便。该边坡的纵向存在多级平台，在一些区域形成阶梯状的地形，前部缓，后缘较陡，高度30～40 m不等，坡度约为30°，在坡面上发现大小不一的卵石和碎块石。

该边坡主要由粉质黏土构成，坡体岩层性质主要通过现场采样和室内试验分析得到。室内试验所得数据见表1。

表1 土体物理力学参数

2 基于有限元数值模型的边坡稳定性分析

2.1 数值模型的建立及计算工况

基于实际工程的水库边坡建立有限元数值模型，模型对边坡的地形地质条件作了一定简化处理，以方便计算。该边坡由均质的粉质黏土构成，基于ABAQUS建立二维边坡模型，边坡的示意图见图1，网格图见图2。

图1 边坡示意图(单位：m)

图2 边坡网格图

边坡的本构关系采用M-C屈服准则。模型的几何参数如下：边坡宽52 m，高30 m，坡度约为30°，在边坡顶部和底部分别设置宽度为25和10 m的平地。模型的边界条件如下：模型的底部约束X和Y方向的位移，模型的左右边缘约束X方向的位移，模型顶面包括坡面和两个平地面为自由边界。网格类型为双线性位移和孔压下的四结点平面应变四边形单元(CEP4P)，共有752个单元，812个结点。

水库水位的变化会对水库边坡的稳定性有一定影响。当水位上升时，水库中的水会通过渗流进入到边坡土体中；当水位下降时，边坡土体中的水在重力的作用下会回流到水库中。无论水位上升还是下降，水流在土体中的渗流都会带动边坡土体中的细颗粒，使边坡土颗粒重新排列，甚至产生土体细颗粒流失，从而影响边坡土体的稳定性。根据当地水文调查可知，边坡水位的变化为10～20 m，边坡顶部的初始地下水位在坡顶以下10 m处。为分析水库水位的升降对水库边坡稳定性的影响，设置了6种不同的水位升降工况，见表2。在不同的工况中设置了不同的水位升降速度，以分析边坡在不同水位升降下的稳定性。在边坡模型中选取了靠近坡面的3个不同位置的观察点，以观察这3个点的孔隙水压力变化，并利用强度折减法计算不同工况下的边坡安全系数，以量化水库水位升降对边坡的稳定性影响。

表2 数值计算水位升降工况

要分析水位变化对边坡的稳定性影响，需要将边坡土体考虑为非饱和土，即需要考虑土体的含水率与基质吸力及土体含水率与渗透系数之间的关系。通过室内试验可得该边坡粉质黏土的水土特征曲线，见图3和图4。

图3 渗透系数与基质吸力关系函数

图4 体积含水量与基质吸力关系函数

2.2 水位下降对边坡孔隙水压力和安全系数的影响

图5-图8为当水位从20 m下降至10 m时选取的边坡上中下3个观察点的孔压和安全系数随时间的变化曲线。

图5 顶部观察点孔压变化曲线(水位下降)

图6 中部观察点孔压变化曲线(水位下降)

图7 底部观察点孔压变化曲线(水位下降)

从图5可以看出，当边坡的水位下降时，坡顶附近观察点的孔隙水压力先缓慢下降，随后孔隙水压力的下降速度越来越快，当分析时间达到10 d左右时下降速度达到最大，之后曲线随时间的发展越来越缓，不同水位下降速度对顶部观察点的影响几乎可以忽略。

从图6和图7可以看出，中部观察点和底部观察点则受水位下降速度影响更大，当水位下降更快时，中部观察点和底部观察点的孔隙水压力明显下降得更快。

对比图5-图7可知，顶部观察点一直都是负孔压，中部观察点的孔压则由正变负，底部孔压由大变小，这是由于边坡内的地下水位下降导致的。根据图6可以推测地下水位在第3 d时经过中部观察点。

从图8可以看出，当边坡水位下降时，边坡安全系数先下降然后升高；当分析时间达到20 d时，不同水位下降速度的安全系数落到不同的地方。当水位下降速度为4 m/d时，最终的边坡安全系数为1.55左右，这与水位下降前的边坡安全系数相当；当水位下降速度为1和2 m/d时，边坡的安全系数则更小。然而边坡安全系数的上升趋势并没有趋于平缓，可以推测当分析时间增加时，边坡的安全系数将继续增大。出现这种现象的原因是土中水渗流对土体会产生渗流力的作用，而渗流力会将土体中的细颗粒带动起来，使土体产生微小的滑移，导致安全系数下降。而后当土中水通过渗流流走之后，土的抗剪强度也随之提升，所以后期边坡的安全系数会上升。

2.3 水位上升对边坡孔隙水压力和安全系数的影响

图9-图12为当水位从10 m上升至20 m时3个不同的观察点孔压与安全系数随时间的变化。

图9 顶部观察点孔压变化曲线(水位上升)

图10 中部观察点孔压变化曲线(水位上升)

图11 底部观察点孔压变化曲线(水位上升)

图12 安全系数随时间变化曲线(水位上升)

由图9-图12可知，当水位上升时，3个观察点的孔压都有一定的上升。随着水库水位上升速度增加，顶部观察点孔压的上升速度并没有太大的变化，所以可认为顶部观察点附近土体的孔压变化与水位上升速度大小关系较小。这是因为顶部观察点附近土体一直处于地下水位线以上，该点处的孔压变化主要来自于土颗粒的毛细作用产生的负孔压。与之相对的是，中部观察点和底部观察点的孔压受到水库水位上升的速度影响更大，水位上升越快孔压变化也就越快，这是由于中部观察点和底部观察点处于地下水位以下，所以影响也更大。

边坡安全系数的变化与水位下降时正好相反，先上升后下降。当水位上升时，土中水的渗流方向是指向边坡内部的，所以这样的渗流力在前期会增强土颗粒之间的连接，使边坡土体更加密实。对比工况4-工况6的安全系数变化可知，当水位上升越快，前期安全系数也就上升得越快。

3 结 论

基于ABAQUS有限元软件模拟了水位变化对水库边坡的稳定性影响，可以得到以下结论：

1) 孔隙水压力会随着水库水位的下降而下降。对于顶部观察点来说，水位下降的速度对孔压变化的影响差别不大；对于中部观察点和底部观察点来说，水位下降得越快，孔压也就下降得越快。反之，当水位上升时3个观察点的孔压会持续升高，顶部观察点受水位上升速度影响较低。

2) 水位下降时，水库边坡的安全系数会随时间先降低后升高，水位下降的速度越大，安全系数下降的越快。反之，当水位上升时，边坡的安全系数会先升高后降低，水位上升的速度越大，安全系数上升得越快。

3) 水库水位升降对水位线以下土体孔隙水压力的影响较大，对水位线以上的孔压影响较小，水位升降对水库边坡孔压和安全系数的影响规律是正好相反的。