库水升降作用下水库库岸滑坡稳定性分析

曾 刚

(三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

三峡库区是滑坡等地质灾害多发地带.据不完全统计,三峡库区在175m库水位影响的范围内共有大小滑坡2000余个,各类变形体分布更是广泛[1-2].自2003年135 m蓄水开始,到 2006年水库蓄水达到156m以来,绝大多数滑坡经受到了库水位缓慢上升和稳定库水长时间浸泡的考验没有复活[3-4].但随着2009年三峡大坝基本完工,三峡水库开始正常运营,三峡水库坝前水位将在短时间内在145 m-175m-145m之间波动,水位变幅为30 m.滑坡短时间内经历水位频繁升降且幅度之大是此前从未经历过的.库水位波动不仅降低岩体力学强度、减轻岩体有效重力,而且还改变库岸边坡内地下水位分布,在三峡库水位升降过程中很可能使原己稳定的滑坡再度失稳.目前三峡库水位升降过程对滑坡的稳定性和变形破坏失稳的影响机理仍为迫切需要解决的重要应用课题之一.本文运用非饱和土中的渗流和抗剪强度理论,采用边坡稳定性分析软件Geo-slope软件对滑坡的非饱和区和暂态饱和区进行模拟,得出滑坡的稳定性变化规律.

1 非饱和土渗流和抗剪强度理论[5-7]

1.1 饱和-非饱和渗流理论

因为滑坡体的浸润线以上为非饱和区,浸润线以下是饱和区,库水位变动使得滑坡土体在饱和与非饱和状态之间不断转化,导致坡体内渗流场、应力场随之发生变化.采用水头H作为控制方程的因变量,得到非稳定流控制方程-Richards方程

式中,kx和ky为x和y方向的渗透系数.对于饱和土kx和ky为饱和渗透系数,对于非饱和土kx和ky为总水头uw的函数,需要引入渗透性函数;Q为施加的边界流量;mw为释水系数,指含水量随孔隙水压力的变化,需要引入土体的土-水特征曲线;γw为水的重度.

1.2 非饱和土抗剪强度理论

Fredlund非饱和土抗剪强度公式是由饱和土的Mohr-Coulomb强度公式引申而来,其表达式为

式中,τf为破坏面上的抗剪强度;c′为有效粘聚力;φ′为有效内摩擦角;σ和σ-ua分别为破坏面上的总法向应力和净法向应力;uw为破坏面上的孔隙水压力;φb为抗剪强度随基质吸力ua-uw增加而增加的参数.

2 库水位升降作用下滑坡渗流场和应力场数值模拟

2.1 滑坡基本概况

兴山县位于湖北省西南部,长江北岸,东靠宜昌市,南临秭归县,西抵巴东县,北与神农架林区、保康县接壤,距宜昌市154km,地域跨东经 110°25′～ 111°06′,北纬 31°04′～ 31°34′,东西长 66 km,南北宽 54 km,总面积约2327km2,耕园地50.86万亩,总人口约19万.

武装部柑桔园滑坡位于长江支流香溪河右岸,坡脚被三峡水库145～175 m水位淹没深达17～47 m,距三峡大坝63km,距香溪河口30km,属三峡库区湖北省兴山县峡口镇白鹤村四组,地理坐标:X=3446250,Y=19478550.岩性主要有侏罗系(J)和三迭系巴东组(T2)砂岩、泥岩、泥砂岩及其他时代的砂页岩等组成,该岩组一般为相对隔水层,但在断裂构造带、风化裂隙发育段,常有地下水赋存,但因岩性泥质含量高,地下水赋存条件差.地下水水量极小.该类地下水主要接受大气降水和上部孔隙水的补给,近源快速排泄,一般为散户居民饮用水,未见泉水出露.

武装部柑桔园滑坡属堆积层土质滑坡.滑体物质主要为崩坡积、残积物及河流冲积组成的碎石土,土石比4∶6～5∶5,碎石砾径一般3～20 cm,大者达50～100cm,成分为砂岩、灰岩等.滑带为堆积层与基岩接触带,以碎石土为主,在滑体两侧冲沟处见其露头.碎石砾径0.5～1.5cm,土石比 7∶3～8∶2.滑床岩体主要为侏罗系下统聂家山组砂岩、泥岩地层,产状258°∠46°,逆坡向产出,具弱透水性.

2.2 计算模型确定

根据柑橘园滑坡的地质报告,模型的X方向上最大长度为512 m,模型后缘Y方向上最大高程为316m,模型前缘Y方向上最大高程112m.模型计算范围为0＜X＜512m,0＜Y＜316m.将模型简化为3个材料区:滑体、滑带以及滑床(即基岩),在Ansys中建立模型得到柑橘园滑坡的计算模型和有限元网格,共剖分网格单元1892个,节点1999个.将所得的节点和单元信息导入到边坡稳定性分析Geo-slope软件中进行模拟,如图3所示.

图3 柑橘园滑坡计算网格

应力边界条件为左、右边界固定水平位移;下边界固定水平、竖直位移;上边界自由;渗流边界条件为左侧边界库水位以下为水头边界,库水位以上为零流量边界;右侧边界为水头边界.渗流的初始条件是根据两侧水头计算出和地质勘察得到的实际地下水位线大致相一致的初始渗流场.

2.3 滑坡模拟工况

三峡水库的运营状况直接影响滑坡的稳定性.本文主要考虑库水位升降对滑坡体渗流及稳定性的影响规律,根据三峡水库调控方案,每年9～10月为水库蓄水期,库水位自145m上升至175m;每年6月份汛期前水库水位又由175 m降落到162m,取以下2个工况:库水位上升速率为1m/d和库水位下降速率为0.67m/d.

2.4 计算参数

库水位变动条件下滑坡的变形破坏数值模拟主要涉及到材料的渗流参数与材料力学参数.

(1)渗流参数.对于三峡库区滑坡非饱和土性状还没有通过实验方法进行研究,因此,滑体和滑带的非饱和渗透系数只能采用工程类比法,根据滑体和滑带饱和渗透系数大小和土的粒径分布规律推求其渗透函数,滑坡体3种材料的渗透性参数分别如下:滑体为滑坡堆积物,结构稍密～密实,具弱透水性,其渗透系数为K=4.0×10-4cm/s,即0.3456 m/d.滑带为含砾粘性土,稍密～密实,弱～微弱透水性,其渗透系数为K=6.2×10-6cm/s,即0.0054 m/d.滑床主要为侏罗系下统聂家山组砂岩、泥岩地层,具弱透水性,其渗透系数为K=4.8×10-8cm/s,即4.15×10-5m/d.

(2)力学参数.滑坡岩土体物理力学参数主要有岩土体变形模量(E)、泊松比(μ)、容重(γ)、凝聚力(c)、摩擦角(μ)等.具体的确定方法为:以地质模型所建议的岩土体物理力学参数为基础,类比其他类似滑坡的物理力学参数综合确定数值模拟计算所需要的岩土体物理力学参数.滑坡计算参数见表1.

表1 滑坡物理力学参数表

3 数值模拟结果及分析

根据设计的两种工况进行渗流及应力应变数值模拟计算,下面分别给出滑坡体地下水位及滑坡稳定性随库水位升降变化的计算结果并进行分析.

由图4可知滑坡体内地下水位随库水位上升而上升,当库水位上升至175m时,滑坡体内地下水位低于库水位,出现库水向滑坡体内“倒灌”的现象.

图4 库水位上升时不同时段地下水位线

由图5可知滑坡体内地下水位随库水位下降而下降,当库水位下降至145m时,滑坡体内地下水位远低于库水位,出现滑坡体地下水向水库渗流的现象.

由图6可知,在库水位上升过程中,稳定性系数随库水上升而减小,这是因为滑坡阻滑段逐渐被淹没且孔隙水压力使土体的抗剪强度降低,滑坡抗滑力不断减小.

图5 库水位下降时不同时段地下水位线

图6 滑坡稳定系数和库水位的关系

库水位下降的过程中滑坡的稳定性系数是先减小后增大的,这是因为在初始阶段,随着水位下降,滑体内地下水相对库水位逐渐形成较高的水头差,从而形成较大的动水压力,滑坡稳定性系数随库水下降而减小,随着库水位的继续下降,滑坡抗滑力不断增大,稳定性系数随库水下降而稍有增大.

4 结 论

库水位的变动会导致滑坡的失稳这是公认的事实,本文通过考虑饱和-非饱和渗流场与应力场耦合,计算快捷,结果更接近实际,并利用非饱和土渗流和抗剪强度理论分析在库水位上升和下降两种工况不同时刻下的滑坡地下水位及稳定性系数的变化规律,通过研究得出如下结论:

(1)滑坡体内地下水位的升降随着三峡库区水位的升降而产生升降,但滑坡体内地下水位升降滞后于库水位.

(2)在库水位上升的过程中,滑坡体内会出现短暂的“倒灌”现象,稳定性系数不断减小;而在库水位下降的过程中,滑坡的稳定性系数先减小后增大.

(3)三峡水库水位变动对柑橘园滑坡的不利影响主要在库水上升初期及库水降落期,特别在库水降落初期稳定系数最小.

[1］孙广忠.中国典型滑坡[M].北京:科学出版社,1998.

[2］陈 飞.长江流域地质灾害及防治[M].武汉:长江出版社,2007.

[3］贺可强,阳吉宝,王思敬.堆积层滑坡位移动力学理论及应用:三峡库区典型堆积层滑坡例析[M].北京:科学出版社,2007.

[4］黄润秋,许 强.戚国庆著降雨及库水诱发滑坡的评价与预测[M].北京:科学出版社,2007.

[5］Fredlund D G.Rahardjo H.Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M].NewYork:Wiley&His Sons,1993.

[6］刘新喜.库水位下降对滑坡稳定性的影响及工程应用研究[D].武汉:中国地质大学,2003.

[7］刘新喜,夏元友,张显书,等.库水位下降对滑坡稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2005(8):1439-1444.