库水位升降速率对边坡稳定性的影响

2021-10-22裴智超

水利技术监督 2021年9期

裴智超

(江西省水利水电开发有限公司，江西南昌 330000)

滑坡作为地质灾害中最常见的一种，在我国每年发生的地质灾害中占比达到60%。滑坡灾害中最为常见的是库岸滑坡，库岸滑坡会造成水库水位迅速提升，对大坝和周边群众的安全造成严重危害。我国每年因库岸滑坡导致的生命财产损失十分严重，因此有必要对边坡稳定性进行研究。

针对边坡稳定性问题，众多学者已开展了一系列的研究。付宏渊等[1]基于某高速公路边坡，利用有限元软件建立三维模型，研究了连续降雨对边坡稳定性的影响。石诚等[2]基于灰色关联分析法，建立了不同影响因素与边坡稳定性的关联模型，分析了降雨时长、边坡尺寸、降雨强度等对边坡稳定性的影响规律。翁新海等[3]利用有限元软件建立模型，分析了降雨对边坡稳定性的影响。研究表明降雨后的2天内边坡稳定性最差，随后稳定性逐渐增加。蔡亚飞等[4]基于有限元软件，分析了地下水和不同降雨条件对边坡的影响，并获得了水头高度、土体参数、降雨强度等不同因素的影响规律。贾逸等[5]通过数值模拟研究了水位变化对库岸边坡稳定性的影响，获得了水位升降下边坡位移场、应力场和孔隙水压力规律。艾秀峰等[6]基于某库区边坡工程，研究了边坡稳定性与水位变化的关系。宋丹青[7]和韩东海[8]等对葛藤坳水库边坡进行研究，研究表明边坡水位改变速度过快会降低边坡的稳定性。

本文基于GeoStudio计算软件建立库岸边坡模型，研究了库岸水位升降速率变化对浸润线和库岸边坡稳定性的影响。

1 工程概况

1.1 地理位置及水库概况

铜鼓县备用水源工程葛藤坳水库坝址位于铜鼓县城西大沩山林场附近，距铜鼓县城约16km，坝址以上控制流域面积8km2，主河道长7.1km，属于武宁水支流大感桥水流域。最大坝高37.44m，总库容97.3万m3。库岸边坡水下部分宽度为140m，高度为45m，坡度范围33°～39°。

1.2 气象水文

对滑坡影响最显著的气象条件为降水。据该地区气象站多年气象资料统计，区内雨量充沛，雨季多集中在3—9月，暴雨和大雨主要聚集在5—9月。年平均降水日数为158.2d。历史日最大降水量达338.6mm。降雨量与地质灾害发生数量情况往往呈现正相关，随着降雨量的不断增大，地质灾害发生频率随之增大。

2 三维有限元模型

2.1 有限元模型

本文基于GeoStudio有限元软件中的SLOPE/W和SEEP/W模块对该水库边坡进行建模，该软件对边坡稳定性计算方法基于M-P法，模型如图1所示。软件中设置边坡模型的网格尺寸0.5m单元，模型共有5988个节点，5809个单位。土体本构模型采用M-C准则。

图1 模型示意图

2.2 计算参数的选择

依据现场勘探资料，水库边坡土体参数取值见表1。

表1 材料参数表

3 数值模拟结果及分析

3.1 水位上升速率的影响

本节研究库岸边坡水位上升速率对库岸边坡稳定性的影响，分析了2种不同工况的结果。具体工况如下，初始水位为165m，结束水位为175m，水位上升速率分别为：0.5、1.0m/d。

不同水位上升速率的浸润线数值结果(保持初始水位和结束水位不变)如图2所示。从图中可以看出，库岸边坡水位的上升会导致浸润线的上升，并且越靠近库岸边坡坡面浸润线抬升的越高，可见浸润线高度与距库岸边坡坡面距离成反相关，因此浸润线总体为凹型。对比图2(a)—(b)可见，库岸边坡的浸润线的上升速率与水位上升速率成正比，且随着水位上升速率的增大，库岸边坡水位与浸润线的高差更大。导致这一现象的原因是，水库水渗入库岸边坡是一个持续的过程，当上升水位高度一定时，水位上升速率越大，库水渗入库岸边坡的时长越少[9- 10]。

图2 不同水位上升速率下的浸润线

不同水位上升速率下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，稳定性系数变化规律为：随着库岸边坡水位上升，边坡稳定性系数先缓慢减小随后迅速增大直至结束。这是因为水库水位上升的初期，水渗入库岸边坡导致的水浮力对边坡稳定性的增强作用小于土体含水量增大导致抗剪强度降低的不利作用，由此造成库岸边坡稳定性降低；当水库水位上升一定时间后，水渗入库岸边坡导致的水浮力对边坡稳定性的有利影响起主导作用，由此造成库岸边坡稳定性增强[11]。对比两种不同速率的稳定性系数可看出，当上升水位的高度一定时，水位上升越快库岸边坡的最终稳定性越好。因为水位上升速率越快，边坡内部土体浸润线明显滞后于水库水位，导致指向边坡内部的动水渗透压力增大，边坡稳定性增强[12]。

图3 边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线

综上所述，水库在蓄水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位上升初期，应低速提升水库水位；当水位提升到某一高度后，需快速提升水位。

3.2 水位下降速率的影响

本节研究库岸边坡水位下降速率对库岸边坡稳定性的影响，分析了4种不同工况的结果，具体工况如下，初始水位为175m，结束水位为165m，水位下降速率分别为：0.25、0.5、0.75、1m/d。

不同水位下降速率的浸润线数值结果(保持初始水位和结束水位不变)如图4所示。库岸边坡水位的下降会导致浸润线的下降，并且越靠近库岸边坡坡面浸润线下降的越快，可见浸润线降低高度与距库岸边坡坡面距离成反相关，因此水位下降过程中浸润线总体为凸型。对比图4(a)—(d)可见，库岸边坡的浸润线的下降速率与水位下降速率成正比，且随着水位下降速率的增大，库岸边坡水位与浸润线的高差更大。因为水库水渗出库岸边坡是一个缓慢的过程。

图4 不同水位下降速率下的浸润线

不同水位下降速率下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图5所示。从图中可以看出，稳定性系数变化规律为：随着库岸边坡水位下降，边坡稳定性先急速降低随后缓慢增大，最终趋于稳定。这是因为水库水位上升的初期，土体含水量降低导致抗剪强度降低的有利影响远小于坡体内外部分水位差导致的下滑力增大的不利作用，由此造成库岸边坡稳定性急剧下降；当水库水位上升一定时间后，土体含水量降低导致抗剪强度降低的有利影响起主导作用，从而库岸边坡稳定性逐步增强。对比四种不同速率的稳定性系数，当下降水位的高度一定时，水位下降越快库岸边坡的最终稳定性越差。综上所述，水库在排水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位下降初期，应以较低的速率排水；当水位下降到某一高度后，应该加快排水速度。