水位上升过程中边坡稳定性分析

苏广泉　李艳坤　赵伟强

摘 要：水库蓄水对边坡的土体材料参数有着显著的影响，进而影响到边坡的整体稳定。本文采用有限元强度折减法，考虑边坡土体的非饱和-非稳定渗流过程，从水位上升速率和土体的渗透系数两个方面研究了水位上升对边坡稳定性的影响。结果表明，水位上升过程中边坡安全系数随水位上升速率的增加而先升后降，随土体渗透系数的增大而减小。

关键词：水库蓄水；边坡稳定；有限元强度折减法；PLAXIS

引言

三峡水库蓄水后，周边地区形成大量的涉水岸坡，水位的上升将会改变这些岸坡的地质条件，降低土体的抗剪强度，引起坡体内地下水的非稳态渗流，影响坡体的整体稳定[1-2]。Riemer对60个水库滑坡实例进行了统计，发现85%的滑坡发生在水库建设或蓄水初期[3]；在日本，40%的滑坡发生在水位上升时期，包括水库蓄水初期[4]。此类边坡失稳给当地造成了巨大的损失。

库水位升降时，坡体会受到非饱和非稳定渗流作用，而强度折减有限元分析方法是分析此种情况下边坡稳定性的比较有效的方法。本文采用PLAXIS 3D有限元分析程序，应用有限元强度折减法，通过算例对边坡的稳定性进行计算，探讨水位上升速率和土体渗透系数对边坡稳定性的影响。

1 有限元计算理论

1.1 非饱和渗流材料模型

1.2 安全分析

2 算例分析

2.1 模型的建立

考虑边坡的一般性，取文献[5]中的边坡作为计算模型，边坡土体为均质各向同性。该边坡的坡高为10m，坡底厚10m，初始水位0.0 m，见图1。坡体的底面和两侧均采用不透水边界条件，材料参数为：γsat=20KN/m3，E=100MPa，φ=36°，ν=0.3。模型的土体本构模型采用摩尔-库伦准则，土体单元采用8节点六面体等参单元，模型坡的总节点数30272个，总单元数19946个。

2.1 影响参数的选取及模拟方案

本文数值模拟研究考虑的影响因素共有两项：不同的水位上升速率和土体的渗透系数。通过研究这两种工况下岸坡安全稳定性变化的规律，得到岸坡稳定性与这两个影响因素之间的关系。

计算中土体的渗透系数取k=0.01m/d～0.04m/d四种方案（考虑水上升速率v=1m/d，其他参数不变的情况），水位上升速率取v=0.1m/d～0.4m/d四种方案（考虑土体渗透系数k=0.01m/d，其他参数不变的情况），水位上升的幅度为8m。

3 计算结果分析

计算结果得出了不同水位上升速率和不同土体渗透系数下边坡的安全系数，如图3～4，反映出边坡稳定性在这两种工况下的变化规律：

（1）图3是不同水位上升速率下边坡安全系数的关系曲线。由图中可以看出，在库水位上升速率增加的过程中，在孔隙水压力作用下，边坡安全系数曲线整體呈先升后降的趋势。在水位上升速率为0.1m/d时，边坡稳定性系数最小。随着库水位上升速率的增加，边坡安全系数缓慢增长，当库水位上升速率达到所设最大值0.5m/d时，边坡安全系数迅速下降。由图中还可以看出，不同渗透系数下，曲线的变化曲线是相似的。

（2）图4是不同土体渗透系数下边坡安全系数的关系曲线。由图中可以看出，在土体渗透系数变大的过程中，边坡安全系数曲线整体呈下降趋势。由此可见，在相等的水位上升速率下，对于渗透系数较大的边坡，其稳定性较差。

4 结论

通过有限元强度折减法，本文得到以下结论：

（1）对具有相同渗透系数的边坡，在水位上升速率增加的过程中，受坡面水压力和渗透体积力的有利影响，边坡安全系数曲线为上升下降型。

（2）坡体的渗透系数对坡体的稳定性影响较大。当水位上升时，渗透系数较大的坡体稳定性较差，在设计时应考虑坡体材料参数的影响。

除了本文所考虑的水位上升速率和土体渗透系数两个因素外，土体内摩擦角、边坡坡度等其他因素对边坡的稳定性也会造成一定的影响。由于地质地貌的多样性，在实际工程中应该针对具体的工程采取相应措施来防止边坡失稳。

[参考文献]

[1]唐晓松，郑颖人，叶海林.涉水岸坡稳定性分析相关问题的研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（10）：1585-1589.

[2]唐建红，高石夯，盛谦等.渗透系数与库水位变化对边坡稳定性的影响[J].西安交通大学学报，2006，40（1）：88-92.

[3]Riemer，W.Landslides and reservoirs （keynote paper）[A].In：Proceedings of the 6th international Symposium on landslides[C].Christchurch：1992，1373-2004.

[4]中村浩之.论水库滑坡[J].水土保持通报，1990，10（1）：53-64.

[5]方少石.涉水边坡稳定性的三维强度折减有限元分析[D].大连理工大学.2009.

作者简介：苏广泉（1989—），男，职称，研究方向（或主要从事工作）：水利工程 。