反倾岩质库岸边坡渗流稳定性数值分析

郑尚涛

(江西省鹰潭市水利电力勘察设计院，江西 鹰潭 335000)

0 引 言

许多研究及统计资料表明，影响库岸边坡稳定性失稳破坏的重要因素是地下水。地下水的渗流作用会影响边坡内的渗流场变化，并随之影响岸坡的稳定性[1-3]。为了确定浸润面位置，众多学者采用解析方法[4]对其进行了研究，目前多采用数值模拟方法[5]对其进行工程计算。

库水水位的变化对坡体稳定性影响很大，水位的变化导致土体孔隙水压力发生变化，而土体的渗透系数也严重影响着土体内部水压力的变化，研究库水水位和土体渗透系数变化对坡体稳定性研究十分重要[6，7]。

本文利用Phase2软件，对反倾岩质库岸边坡进行渗流分析，研究库水水位变化速率和滑体渗透系数对岸坡稳定性的影响。

1 基本渗流理论

地下水的流动可以通过达西定律进行描述，在x-y平面上可以写成：

(1)

其中，总水头μ可以写成下式：

(2)

式中：μ为总水头值；y为竖直高度；p为孔隙水压力；γw为水的重度。

除此之外，还定义了一个孔隙水压力水头μp：

(3)

当进行瞬态分析时，其连续性方程为：

(4)

式中：kx，ky分别为土体x，y方向的渗透系数；Q为边界流量；t为时间参数。

上式中左端第三项中把水头值的变化通过有效容量c和单元体内含水率的变化联系起来。和饱和土不同的是，非饱和土的有效容量c和非饱和土渗透系数的大小取决于土体中含水率和毛细力的大小。

有效容量c和渗透系数张量K的表达式为：

(5)

K=krel(S)·Ksat

(6)

采用有限元程序进行安全系数的求解，可以通过程序提供的强度折减计算功能实现。其方法是不断减小强度参数tanφ和c，直到计算模型发生破坏。此时系数Mfs定义为强度折减系数，其表达式如下：

(7)

式中：φinput，cinput为程序在定义材料属性时输入的强度参数值；φreduced，creduced为在分析过程中用到的经过折减后的强度参数值。

程序在开始计算时默认Mfs=1，然后Mfs按设置的数值递增，直至计算模型发生破坏。此时，非线性有限元静力计算将不收敛，对应的强度折减系数Mfs值即为安全系数值。

2 模型的建立及参数

某库岸在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下，处于欠稳定～不稳定状态，可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸，产生塌岸破坏在所难免。因此，开展该段库岸的治理工作十分必要。图1为滑坡全貌图。

图1 边坡全貌图

图2 坡体地质剖面图

对研究区勘察资料进行整理，选取库岸的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，图2为坡体地质剖面图。

水库蓄水后，库水水位在145.00 m到175.00 m之间变化，库岸边坡每年都会经历一次升降水位变化过程，极大地影响了岸坡的水文地质环境，消落带长期遭受干湿循环作用，岩体强度不断降低，岩体内部结构发生改变，消落带岩体的软化作用将会导致整个坡体的稳定性发生变化。图3为消落带全貌图。

图3 消落带全貌图

消落带以上的岩体由于长期的风化作用，岩土体物理力学参数也出现了一定程度的降低，该库岸边坡的岩体结构主要为灰岩，基岩为弱风化灰岩，风化层为强风化灰岩，依据相关试验以及规范[8]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，表1为坝坡相关的物理力学参数。

表1 坡体相关物理力学参数

设计库水位范围为145.00 m～175.00 m，水位落差为30.00 m，对研究区岸坡某个典型断面进行分析，拟采用有限元软件Phase2对岸坡渗流场进行数值分析，研究库水位升降速率和滑体渗透系数对岸坡稳定性的影响，改变库水位的升降速率和滑体渗透系数，在此将滑体设置为风化层和消落带，库水位的升降速率分别为v=0.20 m/d、v=0.40 m/d、v=0.60 m/d、v=1.00 m/d、v=2.00 m/d，滑体渗透系数分别为k=0.10、k=1.00、k=10.00。图4为有限元计算模型。

图4 有限元计算模型

3 库水位升降速率变化

3.1 库水位上升时

图5 库水位上升时安全系数随时间变化曲线

从图5中可以看出，库水位上升过程中，当水位上升速度一定时，滑体渗透系数越小，岸坡的安全系数越大；岸坡的安全系数随着库水位的上升呈现先增大后减小的趋势，最后趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数大；库水位上升速率一定时，滑体的渗透系数越小，岸坡安全系数的增加速率越大。

3.2 库水位下降时

从图6中可以看出，库水位下降过程中，当水位下降速度一定时，滑体渗透系数越大，岸坡的安全系数也越大；岸坡的安全系数随着库水位的上升呈现先减小后增大的趋势，最后趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数小；滑体的渗透系数越小，岸坡安全系数的减小速率越小。

图6 库水位下降时安全系数随时间变化

4 滑体渗透系数变化

4.1 库水位上升时

从图7中可以得到：库水位上升过程中，滑体渗透系数和库水位上升速率一定时，岸坡安全系数均呈现先增大后减小的趋势，最后安全系数趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数大；当滑体渗透系数一定时，库水位上升速率越大，岸坡安全系数变化越明显。

4.2 库水位下降时

从图8中可以得到：库水位下降过程中，滑体渗透系数和库水上升速率一定时，岸坡安全系数均呈现先减小后增大的趋势，最后安全系数趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数小；当滑体渗透系数一定时，库水位下降速率越大，岸坡安全系数变化越明显。

图8 库水位下降时安全系数随时间变化

5 结 论

利用有限元Phase2软件，对反倾岩质库岸边坡进行渗流分析，研究库水水位变化速率和滑体渗透系数对岸坡稳定性的影响。

当滑体渗透系数和库水位上升速率一定时，库水位上升时，岸坡安全系数呈现先增大后减小的趋势，最后安全系数趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数大；库水位下降时，岸坡安全系数呈现先减小后增大的趋势，最后安全系数趋于平稳，但最终安全系数比最初安全系数小。

当库水位下降速率越大，滑体渗透系数越大时，岸坡最容易发生失稳破坏。

参考文献：

[1] 郑慧，邵子叶，韩文喜，等.暴雨与库水位变化条件下晒盐坝滑坡渗流和稳定性数值模拟[J].地质灾害与环境保护，2012，23(1)：58～63，95.

[2] 刘广宁，黄波林，陈小婷，等.降雨和库水位升降对岩质岸坡的影响[J].长江流域资源与环境，2013，22(3)：353～358.

[3] 周永强，盛谦.库水位变化和降雨作用下付家坪子高陡滑坡稳定性研究[J].长江科学院院报，2014，31(2)：57～61，67.

[4] 吴琼，唐辉明，王亮清，等.库水位升降联合降雨作用下库岸边坡中的浸润线研究[J].岩土力学，2009，30(10)：90～94.

[5] 王小东，戴福初，黄志全.基于DEM的“两段法”水库塌岸预测研究[J].工程地质学报，2016，24(1)：0035～0043.

[6] 郑颖人，唐晓松，赵尚毅，等.有限元强度折减法在涉水岸坡工程中的应用[J].水利水运工程学报，2009，12(4)：0001～0010.

[7] 肖志勇，邓华锋，李建林.库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响[J].长江科学院院报，2016，33(8)：114～119.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑边坡工程技术规范(GB50330-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.