强降雨对水库高边坡稳定性影响模拟分析

汪生宝

(贵溪市水利局，江西 贵溪 335400)

0 引言

随着我国水利工程事业的高速发展，水库建设项目数量不断增多，对水库建设质量与安全要求日益提高。高边坡工程作为水库建设工程重要组成部分，其质量对整个水库建设与运行质量存在直接影响。因此，加强水库高边坡研究，具有非常重要的现实意义。多数研究表示，边坡失稳是水库高边坡常见问题，也是水库滑坡、水库边坡泥石流、地裂缝、崩塌等地质灾害重要诱因。导致水库边坡失稳的因素众多，强降雨则是典型代表。研究发现，降雨过程中，基于雨水渗流作用，边坡内部土体发生性质发生改变，如孔隙水压力增加、岩土体滑动距离增大、抗剪强度减低等，从而降低高边坡稳定性。本研究联系某水库高边坡工程，采用FLAC3D数值模拟软件探究了强降雨对水库高边坡稳定性存在的影响，旨在加强对降雨因素的认知，并为水库高边坡稳定性研究提供指导。

1 水库高边坡工程概述

某水库边坡高陡，坡顶高程达到70 m以上，坡面高程范围55～80 m，坡脚范围30°～50°，坡宽范围115～180 m，台阶坡面角度范围40°～65°。该水库高边坡工程做出地区地貌属于构造剥蚀丘陵地貌，岩石结构分布情况主要为“3～30 m第四系+900～1350 m沙溪庙组”。拟建现场拥有较为丰富的地下水，多为孔隙水。边坡表层以结构松散的松填土、碎石土弃渣为主，底层以砂质与泥质砂岩为主。本工程所在地区属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温(17±2)℃，年平均降水量(1 200±200) mm。对近些年地方水文气象资料进行调查分析，可知项目所在地区70%以上降水集中在每年5-9月，日最大降水量可达到266 mm以上。

2 水库高边坡有限元模型建立

2.1 模型网格划分

根据水库高边坡工程项目实际情况联系以往工作经验与已有科学研究成果，可利用FLAC3D软件、Midas GTS NX软件构建水库高边坡有限元模型。就FLAC3D软件而言，有限元模型构建过程中，可按照“网格建模→本构模型→参数赋值→边界条件设置→重力场施加→模型求解”流程操作。根据数值类型合理选择单元模拟，如边坡土体采用Zone单元模拟。为提高模型计算精确度，可利用尺寸控制法处理水库高边坡坡面单元，形成如图1所示水库高边坡模型。

图1 水库高边坡模型

2.2 模型参数选取

为提高模型分析结果准确性，需要保证所构建模型与工程项目实际情况相符。对此，在模型构建过程中，结合工程项目地质水文特征，采用摩尔-库伦本构模型进行水库高边坡弹塑性特征模拟，模型主要参数见表1。由于本次研究的目的是探究强降雨对水库高边坡稳定性的影响，对此需要对降雨工况进行模拟。参照项目所在地区气候气象特征，将降雨强度划分“小雨(10 mm/day)、中雨(25 mm/day)、大雨(50 mm/day)、暴雨(100 mm/day)、特大暴雨(>250 m/day)”五个个等级。其中大雨、暴雨、特大暴雨属于强降雨[1]。考虑到降雨时间对水库边坡模型存在的影响，模拟了降雨0 d、降雨1 d、降雨2 d、降雨4 d、降雨6 d、降雨8 d边坡的稳定性。此外，在边坡为稳定性分析中，考虑到雨水渗入对土体含水率的影响以及非饱和土特征，需要明确渗透系数、含水率与水头存在的关系。对此，设计采用van Genuchten模型进行计算分析。

2.3 边坡本构模型

边坡稳定性问题属于岩土工程问题，适采用摩尔—库伦本构模型进行探究。因此，在对水库高边坡稳定性问题进行探究时，利用摩尔—库伦本构模型构建水库高边坡土体材料本构模型，得到如图2所示关系。涉及到的公式主要为土的抗剪强度公式(τf=σtanφ+c)与有效应力公式(σ=σ+m[(x-1)Pa-xP])，式中：Pa表示大气压；P表示孔隙水压力；τ表示土抗剪强度；φ表示摩擦角；X表示有效应力系数，当土体处于饱和状态时X取1，当土体处于完全干燥状态时X取0；m表示二阶单位张量；σ表示有效应力，σ表示总应力[2]。

表1 模型主要参数

图2 摩尔—库伦本构关系

2.4 耦合分析实现

依据流固耦合理论构建降雨工况模型，根据垂直渗入理论、土水势理论、比奥固结理论、质量守恒定律、裘布依-福希海默公式等，可得到流固耦合控制方程：

(1)

式中：k表示渗透张量；α表示比奥系数；p表示孔隙内流体压力；G表示剪切模量；λ表示拉梅常数；t表示试件；K表示饱和多孔介质体积模量；φ表示孔隙率；μf表示粘滞系数；ρ表示流涕不可压缩密度；z=(0，0，1)[3]。通常情况下，在数值分析过程中，为实现 流固耦合分析，可根据工况情况进行渗流—应力—边坡分析与完全渗流—应力耦合分析，前者适用于施工阶段边坡稳定新探究，后者适用于水库建成后边坡稳定性探究。值得注意的是，两种分析均需要对边界条件具有明确掌握。

3 强降雨对水库高边坡稳定性的影响

3.1 降雨历时影响

在降雨强度一定条件下(300 mm/day)，利用有限元模型探究降雨历时(降雨0 d、1 d、2 d、4 d、6 d、8 d)对水库高边坡稳定性存在的影响。结果显示：降雨后，随着降雨时间的延长，水库高边坡土体含水量逐渐增多。由于水库高边坡上层土负空隙水压力较大，因此随着含水量增多其数值将发生较大改变，本工程中持续降雨8d后，边坡上层土体内孔隙水压力值的改变幅度达到20～50 kN/m2，水库高边坡上层土最大负孔隙水压力超过-2 700 kN/m2。统计分析不同降雨历时边坡饱和区发展情况，发现未降雨时，水库高边坡饱和区占整体边坡的10%左右，降雨1 d后水库高边坡饱和区占比达到14%左右，降雨4 d后水库高边坡饱和区占比超过20%，降雨8 d后水库高边坡饱和区占超过28%，可见降雨时间越长，边坡土体的饱和度越高，对边坡稳定性的影响越大。统计分析边坡坡脚水平位移情况，发现边坡坡脚水平位移量随着降雨时间的延长而增大，计算边坡安全系数，发现降雨时间越长边坡安全系数越低，当降雨时间长达6 d时，边坡安全系数已经低于1.25，处于不稳定状态(见表2)。

表2 边坡安全系数与降雨历时关系，边坡稳定性状态与安全系数关系

3.2 降雨强度影响

降雨历时(降雨4 d)一定情况下，探究不同降雨强度(0 m/day、0.01 m/day、0.025 m/day、0.05 m/day、0.10 m/day、0.25 m/day、0.35 m/day)对水库高边坡稳定性的影响，结果显示降雨强度不同对水库高边坡稳定性的影响也不同，边坡入渗量随着降雨强度等级的提高而增大，而边坡入渗量越大，边坡土体空隙内含水率越大，导致孔隙水压力发生改变。统计分析降雨4 d，降雨强度为0.35 m/day时，高边坡安全系数，发现高边坡安全系数由降雨前的2.35降低至1.24，与降雨强度300 mm/day持续降雨6 d结果相同，高边坡处于不稳定性状态。

表3 降雨强度与渗入深度负孔隙水压力关系

3.3 降雨后的影响

强降雨后，渗入到边坡内部的雨水仍会对边坡产生影响。因此，在分析强降雨对水库高边坡稳定性影响时，不仅需要对降雨时的情况进行探究，也需要对降雨后的情况进行分析。在边界条件一定情况下，构建雨停后一个月高边坡渗流稳定性模型，结果显示雨停之后边坡安全系数逐渐发生改变，随着雨停时间的延长而增加，强降雨停止10～12天时，水库高边坡安全系数逐渐稳定，约为1.37，此时边坡处于稳定状态，但相对于降雨前的2.35，降雨后水库高边坡安全系数降低。

3.4 地下水位影响

研究表示降雨可在一定程度上影响边坡地下水位，而地下水位的改变可在一定程度上影响高边坡稳定性。这就需要对不同低下水平对水库高边坡稳定性的影响情况进行探究。基于数值模拟分析，发现地下水位越高，边坡安全系数越低，在降雨条件一定情况下，地下水位达到20 m时，边坡安全系数降低至1.76，此时边坡处于稳定

状态。相对于降雨本身的影响，地下水位对边坡稳定性的影响较小。

3.5 其他因素影响

本工程项目高边坡因上层为土体，下层为基岩，故当下层基岩倾角发生改变时，将对上层土体产生影响，从而降低边坡整体稳定性[4]。故在分析强降雨对边坡稳定性存在的影响时，需要考虑强降雨条件下，基岩倾角变化对边坡稳定性的影响。以0.3 m/day强度持续降雨8 d后，分析不同基岩倾角孔隙水压力，发现基岩倾角≤20°时，竖直方向边坡孔隙水压力分布基本一致，并呈从上至下逐渐减少变化态势；基岩倾角达到30°时，水库高边坡部分土体孔隙水压力为正。观察5°～30°基岩倾角，边坡最大剪应力云图，发现最大剪应力随着基岩倾角加大而增加(见表4)，且最大剪应力多出现在边坡坡脚。当基岩倾角增大到一定程度后，边坡上层土体最大位移将逐渐由坡脚向坡面转变，开始对稳定性产生影响，增加边坡崩塌剂量。

表4 基岩倾角与边坡最大剪应力关系

4 结语

水库高边坡稳定性问题是水库工程建设与管理关注重点问题，影响水库高边坡稳定性的因素较多，这就需要相关企业以及工作人员能够对水库高边坡稳定性影响因素及其影响情况具有全面、正确认知，以便做好相关防控措施。本研究通过模拟分析强降雨对水库高边坡稳定性影响，降雨强度等级越高，水库高边坡滑坡风险越高；降雨强度一定条件下，短时间降雨对水库高边坡稳定性影响较小，而长时间降雨对水库高边坡稳定性影响较大；降雨强度一定条件下，高边坡稳定性也会受到地下水位、基岩倾角等因素影响。针对降雨影响，建议加强边坡支护设计，改善施工现场地质水平条件，做好雨季水库边坡稳定性监测与管理工作。