水库水位波动及降雨作用下库区边坡稳定性分析

计培强

（宁夏回族自治区固原市原州区水土保持工作站,宁夏 固原 756000）

1 引言

库区滑坡是我国滑坡灾害最严重的地区之一,并经常造成人员伤亡[1]。造成库区滑坡的因素很多,如地形、地质构造、地层岩性、降雨、地震和人工开挖等,然而,大量的证据表明,降雨和库水位变化是库区滑坡的主要原因[2-4]。郑颖人等[5]利用X 射线衍射揭示了滑带土抗剪强度的衰减机理,结果表明,随着地下水位或降雨量的变化,边坡土的抗剪强度在吸水膨胀和失水收缩的循环过程中很容易降低；乔建平等[6]通过对天然黄土坡面的人工降雨试验,研究了黄土滑坡对降雨的响应。结果表明,降雨过程中黄土边坡孔隙水压力和位移的变化可分为孔隙水压力增加、边坡运动加速和边坡孔隙水压力迅速下降三个阶段；霍志涛等[7]利用Fisher 判别规则建立了滑坡降水预报方程,研究水库滑坡灾害与前期降水的关系,结果表明,该滑坡前1 天或前5 天暴雨的发生和前10 天降水与滑坡的发生密切相关；余学祥等[8]采用工程地质分析、有限元等方法研究汶川地震区万家中学滑坡宏观地质特征及破坏过程,研究发现,在自重、自重+暴雨、自重+地震条件下,塑性区主要出现在边坡中部或后缘,并未完全穿透深部边坡；陈静等[9]通过GeoStudio 软件数值模拟,研究了5 种降雨类型和3 种降雨强度下的边坡稳定性,结果表明,在降雨历时和总降雨量相等的条件下,前峰降雨对边坡的危害最大。崔云等[10]通过建立水动力力学模型,对降雨作用下滑坡失稳机理进行分析,结果表明,降雨的水动力作用包括坡体剪切,失稳滑动,剧烈滑动三个不同阶段。

以上研究多为对水库滑坡的形成机理研究,然而,对边坡在降雨和水库水位波动条件下的稳定性研究较少。GeoStudio 软件在分析非饱和渗流、边坡稳定性、地震响应等方面具有很好的适用性,可以同时分析渗流、稳定性和动力效应。本研究采用 SEEP/W、SIGMA/W 和 SLOPE/W 分析降雨和水库水位波动条件下边坡的渗流、应力变形和稳定性,探讨降雨条件下边坡稳定性的变化过程。

2 工程概况

滑坡体如图1 所示,该滑坡有3 个子滑坡体（I 滑坡体、II 滑坡体和III 变形体）。滑坡边界清晰,Ⅰ、Ⅱ级滑坡体与Ⅲ级滑坡变形体由沟壑隔开。Ⅰ、Ⅱ滑坡体的右边界为东西向的沟壑,前后边缘的坡度比较陡,中间的坡度比较平缓。Ⅰ型滑坡体和Ⅲ型变形体后部的基岩零星出露,残余和斜坡沉积物层较薄,厚度约几十厘米,倾角为35°～55°。中部滑坡坡度平缓,倾角为10°～20°。II、III 滑坡变形体前缘坡度为20°～30°。

图1 滑坡分区图

滑坡体以砾石土为主,土质呈黄色或灰黑色。滑坡体上部的砾石土中含有丰富的粉砂岩。下部砾石土壤包括灰黑色碳质泥岩和薄煤层。砾石含量一般为20%～60%,直径为2 cm～8 cm。它的形状是棱角分明的。岩性主要为强风化砂岩和粉质粘土,其力学参数见表1。

表1 滑坡岩土体物理力学参数

3 边坡稳定性分析

根据现场勘察报告,利用CAD 绘制滑坡剖面图,以保证滑坡几何形态准确性。将该CAD 几何剖面图导入GeoStudio数值模拟软件中,得到滑坡剖面力学模型见图2。

图2 滑坡数值模型示意图

如图2 所示,边坡模型共有节点1981 个,单元1898 个。利用GeoStudio 软件中 SEEP/W 模块计算水库水位从139 m上升到 175 m 后,再下降到145m 过程中边坡的渗流场,然后将计算结果导入SLOPE/W 和SIGMA/W 中,从而实现渗流场与应力场的耦合。数值模拟得到该滑坡剪应力云图,X 向位移云图以及边坡塑性区范围结果见图3～图5。

图3 滑坡剪应力云图

图4 滑坡X 向位移云图

图5 边坡塑性区云图

如图3 所示,该边坡XY 平面上剪应力范围在-76.3 kPa～563.9 kPa 之间,剪应力最大位置分布在碎石土与基岩分界面处。当水库水位从139 m 上升到175 m 时,水位上升对坡面产生压应力,且土体含水量、重力和土体在滑动面上的剪应力都增加,导致其抗剪强度和边坡安全系数降低。当水库水位从175 m 下降到145 m 时,土体含水量下降较慢,饱和重度下降较慢,土体中将产生超孔隙水压力,且土体在滑动面上的抗剪强度降低,从而导致边坡安全系数降低。

如图4 所示,当水库水位从139 m 增加到175 m 时,坡脚最大水平位移从0.175 m 增加到2 m。在此过程中,边坡安全系数由1.66 下降到1.04,边坡即将发生滑移破坏,说明水库水位升高会降低边坡稳定性。随着水库水位从175 m下降到145 m,坡脚最大水平位移从2 m 上升到4 m,边坡安全系数从1.04 迅速下降到0.88,表明边坡失稳滑动。汛期水位175 m 时,坡脚处土体最大水平位移增加较小,非汛期水位145 m 时也会出现同样的现象,说明降雨对土体水平位移影响不大。

如图5 所示,当水库水位从 139 m 上升到175 m 时,坡面塑性区逐渐增大,但滑动面上的塑性区不连通。在此过程中,边坡安全系数由 1.66 下降到 1.04,边坡状态由稳定转为不稳定,发生滑动破坏。随着水库水位从175 m 下降到145 m,滑动面上的塑性区几乎连通,连通长度超过滑动面长度的50%,边坡稳定性由1.04 下降到0.88,边坡由欠稳定变为不稳定,说明随着水位下降发生滑动破坏。汛期水位175 m,边坡塑性区的大小显着增加,主要集中在斜坡的后缘,但滑动面上的塑性区略有增加,边坡的安全系数由 1.04 下降到1.02。非汛期水位145 m 时,坡面塑性区和滑动面塑性区大小没有明显变化,边坡安全系数由0.88 降低到0.87,说明降雨对边坡塑性区大小有一定影响,但对滑面塑性区大小和边坡稳定性影响不大。

4 结论

本文以三峡库区某滑坡为例,在对滑坡进行现场勘察的基础上,采用数值模拟软件分析该滑坡在库水位变化以及降雨条件下,滑坡的变形破坏特征及稳定性,主要结论如下：

（1）库水位变化对边坡的变形及位移有重要影响,当水库水位从139 m 上升到175 m 时,坡脚最大水平位移从0.175 m增加到2 m,当水库水位从175 m 下降到145 m 时,坡脚最大水平位移从2 m 上升到4 m,并随之发生失稳下滑。

（2）库水位变化会导致边坡稳定性明显下降。当水库水位从139m 增加到175 m 时,坡面塑性区逐渐增大,边坡安全系数由1.66 下降到1.04,水库水位从175m 下降到145 m,滑动面上的塑性区连通长度超过滑动面长度的50%,边坡稳定性由1.04 下降到0.88,由稳定状态变为不稳定状态。

（3）汛期和非汛期水位时,坡脚处土体最大水平位移增加较小,且塑性区变化不明显,说明降雨对土体水平位移影响不大。