水电工程水文地质崩塌数值分析研究

杜华宇

摘 要：本研究建立水电工程崩塌地之地层滑动与水文地质条件之关联性，并了解水文地质因素及特性对工程地滑动之影响。结果发现，水力-力学特性之异质性与异向性，对于水电工程暴雨诱发之滑动扮演重要角色。

关键词：水电工程 崩塌地 水文地质 数值模型 研究

中图分类号： TV221 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0048-01

1 研究方法

本研究根据工程现场调查、钻探岩心纪录及岩心粒径分析资料，以建立研究区地质剖面之现况水文地质概念模型，藉由现地水压计监测资料校正现况水文地质概念模型与地层水力参数。并利用校正后之水文地质数值模式与地层水力参数进行崩塌前之渗流模拟及第一阶滑动情形边坡稳定逆分析以校正地层强度参数。校正后之地层水力参数及强度参数，再经由第二阶边坡滑动及第三阶边坡滑动水文地质数值模式再行验证，以确保水文地质概念模型与地层水力参数、强度参数之合理性。

2 数值程序简介

Seep/W为有限元素程序可分析饱和与未饱和状态下土壤渗流问题，其将土壤所具有水力传导值、体积含水量值与孔隙水压力之关系以联续性函数呈现且藉此进行分析运算。于Seep/W运算分析方式分为不考虑时间之稳态分析和考虑时阶之瞬时分析两种。稳态分析之结果，即为达到长期稳定状态之结果；瞬时分析之结果，则为依设定时阶（TimeStep）运算出特定时间之结果。

Seep/W渗流分析中需输入土壤参数为水力传导函数及体积含水量函数，此二参数彼此相互关联影响；边界条件之设定有：总水头值、压力水头值、总通量值及单位通量值等四种，而边界条件可以函数输入如降雨条件之输入或变水头条件等，此函数称之为边界条件函数，分析结果呈现方式分别为水头、总通量及单位通量与时间之关系式并可显示水流路径、流速大小及地下水水位面可依需求加以设定。

Slope/W为边坡稳定分析程式，可分析简单或复杂的边坡稳定问题，其分析原理系采二维极限平衡理论，主要以切片法进行边坡分析与安全系数计算。极限平衡法采用静力方程式来求解安全系数，其中以力矩平衡或力平衡及适当之假设可以推导出边坡之安全系数。而切片法可视为此极限平衡法的特例，对于所选定的滑动面而言，安全系数即为一个用来折减土体剪力强度的系数，以便使土体进入极限平衡状态。

3 现况水文地质概念模式的建立

3.1 研究剖面选定

地质剖面为本研究之剖面边坡，本剖面地形可分为三阶非同时发生之不联续崩滑体，依序由下而上可分为第一阶滑动、第二阶滑动与第三阶滑动。针对某水电工程塌地之水文地质进行探讨，考量地下水渗流方向、来源、现地地层渗流边界及地形、地层特征，地质剖面向北延伸至背斜位置形成L-L地质剖面，以确保水文地质及渗流之完整。本研究将以延伸后之L-L剖面为探讨对象及分析之代表剖面。

3.2 边界条件

（1）三处边界。

本分析之L-L剖面最右边（L5-L6）已延伸至背斜位置，因背斜之地层特征及水文特性，假设背斜轴为渗流之最顶处，越过背斜轴无渗流流入剖面中来，即为无渗流行为其总渗流量皆为零之不透水边界。底部边界（L1-L5）设定于底部之砂岩SS4与厚层泥岩SM2交界面往下10 m之深度为底部边界位置（L1-L6），主要考量厚层泥岩SM2其水力传导系数甚小（k=1×10-7 cm/sec），原假设为无渗流行为，但实际进行分析时发现厚层泥岩仍有少许渗流，因此本分析将厚层泥岩SM2加入本分析中，分析深度设定左侧边界往下10 m位置后（L1）水平延伸至L6位置。剖面最左边为河道中央视为地下水流之分界线，亦视为一不透水边界。

（2）边坡坡面。

崩积层坡面则视为自由面或渗透面，主要考量为降雨落于红土砾石层其渗透较快能迅速渗入坡面内而影响渗流状态，而落于崩积层时其渗透较慢，降雨部分转为表面径流再渗入坡面内，相对而言速率较慢，为简化分析乃假设崩积层坡面为自由面或渗透面。

4 地层初始水力参数

可采用有限元素Seep/W渗流分析程序之瞬时渗流分析进行数值模拟输入之地层水力参数除饱和水力传导系数，必需再输入地层之水力传导函数及体积含水量函数。此二函数皆可由地层之粒径分析曲线求得，本研究采用Seep/W程序内定之摸组由粒径分析曲线推求出各地层之水力传导函数及体积含水量函数，其方法如下。

（1）体积含水量函数（u）各地层之体积含水量函数（u）（或体积含水量特征曲线可利用材料之粒径分布曲线推求而得，其中u为降雨期间材料之参流孔隙水压。各地层之体积含水量函数及藉由各地层材料之粒径分布曲线，再依据其饱和体积含水量假设值sat（=S×n=100%×n）；并假设土粒与流体皆为不可压缩，则地层材料之体积压缩系数mv可视为零（S=100%，mv=mw，mw=孔隙水体积压缩系数）。此时，土体之体积含水量函数即可利用物理经验评估模式推求而得。由此方法所推求之体积含水量函数较符合现地材料之特性。

各层次之粒径分布曲线来源主要以补充钻探之BH3钻孔岩心取样进行筛分析而得，其中砂岩岩心取用BH3钻孔8.15 m处砂岩段岩心，泥岩取用BH3钻孔15.30 m处泥岩段岩心，砂泥岩互层取用BH3钻孔38.95 m处砂泥岩互层段岩心进行筛分析而得，崩积土则采砂岩、泥岩混合后再重做所得之结果。

（2）水力传导函数K（u）地层在降雨期间临时前，地下水水位之上方土壤可能呈现未饱和状态，此时之水力传导系数为未饱和水力传导系数，且其值将在降雨期间伴随地层的饱和度而变化，因此，此时地层之水力传导系数非为定值。可将水力传导系数K表示为孔隙水压u之函数K（u）。为配合降雨期间，雨水由地表入渗之情况，采用水力传导函数进行分析。

因此，各地层次地层材料之水力传导函数K（u）～u可选用各层次各地层材料之饱和水力传导系数Ksat，再利用土壤含水特征曲线（u）～u评估调整求得。

5 结语

针对地质区地滑活动，可经由适当假设得到对地滑现象影响甚巨之地下水压值、地层水力参数及强度参数，可以利用渗流逆分析及边坡稳定逆分析简单而有效的方式得到，可供整治工程设计参考，用以取代现有靠经验之假设之地下水位。供一般工程设计时之分析使用。

参考文献

[1] 易立新.水文地质结构与水库诱发地震[J].水文地质工程地质，2004（2）.

[2] 辜明清.大桥水库主要工程地质问题的分析与评价[J].四川水力发电，2003（2）.endprint