某水利枢纽工程库岸边坡渗流特性数值模拟研究

文成禄

(连州市水务工程建设管理中心，广东 连州 513400)

库岸边坡常因降雨入渗而导致失稳下滑，造成航道堵塞或者人员伤亡，对经济发展及财产安全产生较大威胁[1- 2]。降雨入渗对边坡的稳定性影响主要表现在以下方面：降雨会导致边坡土体含水量增加，增大边坡自重，从而提高下滑力；降雨会导致土体软化，抗剪强度降低甚至丧失，降低边坡抗滑力；当降雨在坡体内形成渗流时，会导致坡体内孔隙水压增大，降低正应力，并产生一定的动水压力，进一步导致边坡稳定性下降[3]。因此，研究边坡内部降雨导致的渗流变化规律，对于边坡稳定性评价具有重要意义[4]。付伟等[5]采用岩土有限元软件，研究库水位升降过程中边坡变形特征和稳定性，结果表明，库水位上升会导致边坡稳定系数先增大后减小；赵志阳等[6]以Scoops 3d数字模拟软件计算降雨入渗过程，结果表明库岸边坡的稳定性受降雨影响明显；曾润忠等[7]以ABAQUS软件为例，研究不同降雨强度下渗流场特征，结果表明，降雨强度越大或者水位变化速率越大，库岸边坡稳定性越差；张文双[8]采用模型试验方法，研究水位降速对边坡稳定性的影响，结果表明，坡体由内向外的渗流是导致边坡失稳破坏的主要因素。

以上研究均针对库水位升降或降雨对边坡稳定性的影响，较少涉及降雨渗流在边坡内的演化规律。本文以某库岸边坡为例，通过数值模拟软件，分析降雨在边坡内渗流变化规律及影响因素，对于降雨作用下边坡稳定性分析具有一定的研究意义，为相关工程设计提供了参考。

1 工程概况

某水利枢纽是综合治理与开发长江的关键性工程，工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、养殖、旅游、保护生态、净化环境、开发性移民、供水灌溉等效益。因河床开阔，两岸花岗岩基坚硬、完整，工程选址在这里。根据现场勘察及室内岩土实验结果，该边坡为花岗岩残积土边坡，坡体主要为花岗岩残积土，底部为基岩。边坡土体物理力学参数见表1。

表1 边坡土体物理力学参数

2 边坡渗流数值模拟

强降雨工况下，滑坡形成机理及影响因素与土体中的降水入渗特性密切相关。为分析边坡土体中降水入渗过程及分布特征，建立倾角分别为30°、40°和50°的3种边坡渗流数值模型，进行降雨条件下饱和土体渗流分析。

2.1 计算原理

FLAC 3D中采用有限差分法进行数值求解。计算过程中，对每个质点状态参数如速度、加速度、应力状态参数进行记录，从而模拟整个研究对象的力学特征。在对边坡降雨入渗进行模拟的过程中，首先建立与边坡实际尺寸一致的几何模型及相应的边界条件，然后选取与边坡土体力学特性相一致的本构模型，并保证应力加载及降雨入渗条件相同，最后对边坡力学参数进行求解。

2.2 边坡计算模型建立

边坡坡角的不同会对土体渗流的水力梯度产生影响，为分析边坡坡角对降雨入渗的影响，分别设置倾角为30°、40°和50°的边坡，并在坡面上、中、下3个监测点设置孔隙水压力传感器。在同一监测点，由上至下分别设置3个孔隙水压力传感器，相邻传感器间距为1m，共9个监测点，如图1所示。

图1 不同倾角降雨入渗模型(单位:m)

在降雨入渗过程中，分别对边坡进行渗流计算和稳定性计算，记录各监测点孔隙水压力及边坡稳定系数。

在进行数值计算前，对模型进行如下设置：模型的底部设置为隔水边界，并将地下水水位设置为固定水头。在力学计算过程中，首先约束模型左右边界的水平位移，然后约束模型底部边界的水平和垂直位移。最后，将模型的坡面和两侧地下水位以上的边界分别设置为降雨入渗边界和定流边界，从而得到初始渗流场，如图2所示。

图2 边坡初始渗流场

由图2可以看出，边坡内同一高度处初始地下水位处于同一高度，初始饱和度及孔隙水压力均随地下水位的变化而变化。边坡地下水位以下区域处于饱和状态，孔隙水压力为正，地下水位以上区域处于非饱和状态，孔隙水压力为负[9- 10]。

2.3 边坡降雨方案

降雨条件下，边坡渗流主要受2种因素影响：降雨特征因素，如降雨强度、历时、梯度变化等；边坡土体岩性、高度、坡度等。气象部门根据24h降雨量，将降雨强度划分为：小雨(24h降雨量<10mm)、中雨(24h降雨量10～24.9mm)、大雨(24h降雨量25～49.9mm)、暴雨(24h降雨量50～99.9mm)、大暴雨(24h降雨量100～249.9mm)、特大暴雨(24h降雨量≥250mm)。根据研究区降雨资料，并考虑到极端情况，选取不同降雨强度进行模拟，具体参数见表2。

表2 降雨条件参数

3 数值模拟结果

3.1 降雨强度对渗流场的影响

边坡倾角为50°时，不同降雨方案各监测点孔隙水压力随降雨历时的变化曲线如图3所示。

图3 不同降雨方案孔隙水压力随降雨历时变化曲线

由图3(a)可以看出，在降雨方案1a1处，随着降雨的开始，坡体底部孔隙水压力从0逐渐增加，最终保持在约50kPa，达到饱和状态，此过程历时11h；降雨方案3中，a1处历时17h孔隙水压力从0增加到50kPa，达到饱和状态。在图3(b)降雨方案1中，a1处历时10h孔隙水压力从0增加到50kPa，而降雨方案3中，a1处历时16.5h孔隙水压力从0增加到50kPa，达到饱和状态。在图3(c)中，降雨方案1a1处历时9.5h孔隙水压力从0增加到50kPa，降雨方案3a1处历时16h孔隙水压力从0增加到50kPa。由于方案1降雨强度小于方案3，说明降雨强度对孔隙水压力变化有直接影响，降雨强度越大，孔隙水压力变化越快。同时，在图3(a)中，降雨方案3中a2、a3处在降雨结束后，孔隙水压力最大为35kPa，未达到饱和状态，说明离坡面较远处，孔隙水压力受降雨强度影响较小，在降雨结束后仍未达到饱和状态。

3.2 不同坡度对渗流场的影响

边坡渗流分析不仅必须考虑外部降雨条件是如何设置的，还必须考虑边坡本身的坡度。

降雨方案1条件下，降雨持续12和24h 3组边坡孔隙水压力场和饱和度变化情况如图4所示。

图4 不同倾角下边坡孔隙水压力场和饱和度变化情况

由图4(a)中可以看出，边坡倾角为30°时，斜坡上部孔隙水压力在10～30kPa之间，随着降雨持续时间的增加，孔隙水压力由坡面向坡体内部逐渐增大，在坡脚处孔隙水压力从10kPa增加到20kPa。斜坡水平面以下6～8m处孔隙水压力为0，以此处为分界线，在该平面以上孔隙水压力受降雨影响较明显，分界线以下孔隙水压力保持不变。图4(b)中边坡倾角为40°时，坡内孔隙水压力在10～40kPa之间，最大孔隙水压力大于30°倾角条件，说明倾角增大导致孔隙水压力变化更大，入渗作用更强烈；同时，在斜坡水平线以下8～11m处孔隙水压力变化不受降雨影响，说明随着斜坡倾角增大，降雨入渗深度更大。图4(c)中，边坡倾角为50°时，坡顶处孔隙水压力30kPa，大于倾角为30°和40°时的情况，说明倾角大有助于降雨入渗，从而导致坡面孔隙水压力迅速增加。

对比图4(a)、(b)、(c)3个图中孔隙水压力变化前后的结果，可以看出，对于不同倾角的边坡，边坡中部和底部的孔隙水压力变化基本相同，均在10～40kPa之间。边坡中不同的位置对降雨量的变化反应不同，变化程度存在一定的滞后效应。孔隙水压力增长的变化在坡顶处更为明显，由初始值0变化为平均20～30kPa之间，变化幅度较大；其次是斜坡中部，孔隙水压力变化值为10～20kPa；在斜坡坡脚处变化最不明显，变化幅度在10kPa以内。分析是由于降雨运动速度随着斜坡倾角的增加而增加，但在坡脚处，孔隙水入渗速率较坡顶处小，因此坡脚处孔隙水压力变化幅度也更小。

4 结论

本文以某库岸边坡为例，采用数值模拟软件，分析不同降雨强度和边坡倾角条件下的降雨入渗规律，得到如下结论。

(1)降雨强度对边坡土体孔隙水压力变化有直接影响，在降雨强度分别为250mm/d和150mm/d时，边坡坡顶处孔隙水压力达到饱和状态50kPa所用时间分别为10h和16.5h。

(2)边坡倾角对土体孔隙水压力有较大影响。在相同降雨条件下，不同倾角边坡中部和底部的孔隙水压力变化基本相同，而边坡顶部孔隙水压力变化逐渐增大，倾角大有助于降雨入渗。

(3)降雨作用下边坡稳定性分析具有一定的研究意义，但降雨在边坡内渗流变化规律及影响因素较复杂，需进一步研究。