降雨条件下含裂缝岸坡渗流稳定特性研究

宋欣玲,陈文蛟

（1.河南省豫东水利工程管理局，河南 开封 475000；2.河南省平顶山水文水资源勘测局，河南 平顶山 467000）

0 引言

许多科研工作者对水库边坡渗流稳定性问题开展了一系列的研究，并取得了丰硕的科研成果。库岸边坡渗流稳定性问题已成为当前研究热点之一。

基于某水库边坡场景，利用有限元软件建立边坡模型，分析了降雨过程中库岸边坡稳定性变化情况。系统研究降雨强度、降雨时长对库岸边坡的影响，深入探讨了裂缝位置、裂缝角度的影响。

1 工程概况

某水库位于株洲县三门镇的红色盆地，研究区内阶地发育宽阔，阶地宽度200～1 100 m，长度3 500 m，高程36～41 m，高于库水面8.00～12.50 m。水库西面为丘岗阻隔，东面是湘江干流。水库主要土层上部为粘土层，下部为砂砾石层。该研究区属亚热带湿润季风气候，年均降雨量140 cm。降雨主要集中在春夏两季，4-6月雨多季节，湘江水位上涨较多，对库岸边坡稳定性影响显著。

2 三维模型建立

选取水库典型剖面，根据现场地勘报告，建立水库数值模型如图1所示，土层参数如表1所示。在建模过程中，将裂缝两边设置边界以模拟边坡裂缝的存在。模型的边界条件如下：模型底部和模型两侧设为不透水且固定边界条件，模型表面设为透水及自由边界条件。

表1 土层参数表

图1 库岸边坡模型图

3 计算结果分析

3.1 降雨强度和降雨时长的影响

图2给出了不同降雨强度下库岸边坡稳定性系数变化曲线，降雨时长为48 h。①降雨初期边坡稳定性系数迅速减小，随后减小幅度减缓，最终趋于稳定。初始阶段边坡入渗能力好，自重变大，强度变小，导致稳定性迅速变差。随着土体内部积水变多且逐渐饱和，以致稳定性变化缓慢且逐渐趋于稳定。②降雨强度越大，边坡稳定性系数降低速率更快。超过一定范围，降雨强度会超过土体渗透能力，渗入土体的水量和速度相差不大。③相同降雨强度下，含裂缝边坡稳定性系数下降速率更快。

图2 不同降雨强度下边坡稳定性系数图

图3给出了不同降雨历时下库岸边坡的稳定性系数变化曲线，降雨强度为5.80×10-7m/s。①库岸边坡的稳定性系数前期迅速降低，后期出现回升。降雨初始阶段，边坡入渗能力强，导致边坡稳定性迅速变差。当降雨停止后，边坡稳定性系数进一步减小，而没有出现回升。这是因为降雨停止后雨水仍继续深入边坡土体，深部土层被软化，从而导致边坡稳定性持续变差。当稳定性系数减小到一定值后出现反弹，但是反弹速率很低。②含裂缝库岸边坡，降雨时长分别为0.50 d、2.00 d和4.00 d时，降雨过程中最小稳定性系数分别为1.21、1.20和1.16，20天后的最终稳定性系数分别为1.17、1.22和1.24。可见，降雨时长的增大会导致边坡稳定性越差，且稳定性恢复更慢。③相同降雨强度下，含裂缝边坡的稳定性会更差。

图3 不同降雨历时下边坡稳定性系数图

3.2 裂缝位置的影响

图4建立三种不同裂缝位置模型：坡顶、坡中和坡脚位置（裂缝深度均为2 m）。

图4 不同裂缝位置边坡稳定性系数图

①降雨过程中，边坡稳定性系数初期迅速降低，随后缓慢并一直持续。②裂缝在坡中位置的边坡稳定性系数减小幅度最大，其次是坡脚位置，最后是坡顶位置，且均大于无裂缝边坡。③当降雨强度为2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s时，裂缝位置对边坡稳定性的影响较降雨强度为1.16×10-7m/s工况更为显著。降雨强度较小时，裂缝的存在对土体入渗能力影响有限，从而裂缝不同位置对边坡稳定性的影响更小。

3.3 裂缝角度的影响

图5建立三种不同裂缝角度模型：内斜、竖直和外斜，倾斜45°，坡中位置，深度均为2 m。①降雨初期，边坡稳定性系数迅速降低，随后减小速率降低，并随着降雨持续降低。②降雨强度为2.30×10-6m/s和5.80×10-7m/s时，同样裂缝角度对边坡稳定性的影响较降雨强度为1.16×10-7m/s工况更为显著。③降雨对裂缝为外斜的边坡稳定性影响更为显著。降雨初期阶段，竖直裂缝边坡的稳定性系数变化大，降雨一段时间后，内斜裂缝边坡的稳定性系数变化更大。竖直裂缝有利于雨水渗入，降雨初期竖直裂缝边坡的稳定性变化更大。降雨后期竖直裂缝边坡土体率先饱和，边坡稳定性降低幅度减小。相反，内斜裂缝边坡因前期雨水渗入慢，后期稳定性变化会更大。

图5 不同裂缝角度边坡稳定性系数图

4 结论

综上可知，①降雨初期边坡的稳定性系数迅速减小，随后减小幅度减缓，最终趋于稳定。降雨强度越大、降雨时长越长，边坡稳定性越差，且相同降雨条件下，裂缝存在影响边坡的稳定性。②不同降雨强度下，裂缝位置对库岸边坡稳定性的影响规律相似，裂缝在坡中位置的边坡稳定性系数减小幅度最大，其次是坡脚位置，最后是坡顶位置，且均大于无裂缝边坡。③降雨条件下，裂缝角度对边坡稳定性影响显著。在降雨过程中，含外斜裂缝的边坡的稳定性更好，含内斜裂缝的边坡和竖直裂缝的边坡稳定性影响呈现交叉过程。降雨前期竖直裂缝的边坡影响大，降雨后期内斜裂缝的边坡影响更大。