水库水位上升条件下渗透系数对顺层滑坡的稳定性分析

王 幸 林

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆　400016)

1　概述

顺层边坡在自然界十分常见，当顺层边坡处于水库库岸时，就形成了顺层库岸边坡。顺层库岸边坡在水库水位变化时非常容易发生滑坡，是工程上最为关注的岩质边坡类型，其稳定问题复杂而突出。国内外对滑坡的调查结果表明：水库水位变化时滑坡体内瞬态孔隙水压力的时空分布对滑坡体的变形及稳定性起着至关重要的作用，水库水位的上升导致部分滑带饱水后强度降低，滑动面上的有效应力降低[1，2]。由于库岸顺层滑坡在水库水位变化时的失稳机制较复杂，破坏后的危害性较大，因此其稳定性的研究对水库库岸地区的工程建设具有重大工程意义[1，2]。

因此，为了分析水库水位上升对顺层库岸滑坡稳定性产生的不利影响，本文以某典型顺层库岸岩质滑坡为工程背景，采用GEO-SLOPE有限元计算软件，通过研究不同渗透系数下的边坡岩土体在水库水位上升条件下边坡体内渗流场的变化，并在此渗流场的基础上，对顺层滑坡的稳定性进行了数值计算，并对计算结果进行了分析，得到了顺层滑坡在水库水位变化条件下的安全系数和边坡岩土体的渗透系数之间的关系，为顺层库岸滑坡的边坡稳定性分析提供了可靠依据。

2　计算分析理论与方法

2.1　渗流计算理论

非饱和土的渗流系数K不是常量，而是饱和度的函数[3]。在多孔介质中的流体流动中应用质量守恒原理，可得到其连续方程。结合连续方程和达西定律可推导出水分在多孔介质中运动的基本方程。

2.2　稳定性计算理论及方法

本文采用GEO/SLOPE/W有限元分析软件，计算顺层滑坡在水库库水位上升时的边坡稳定性。计算时选用的方法理论为极限平衡法中同时考虑力和力矩平衡的较完备的摩根斯坦—普莱斯法[3]。

3　计算模型及参数确定

3.1　顺层边坡计算模型的简化

根据顺向层状岩质边坡的结构特点，数值模拟采用了如图1所示的简化边坡模型。假定边坡内部存在如图1所示的层间错动带。其中α为岩层倾角，α=31°，边坡倾角θ=40°。计算模型共3 325个节点，3 211个四边形单元，其计算网格图如图2所示。

3.2　计算参数的确定

本文根据《实用土木工程标准规范》中的渗透等级分类[4]，选取渗透性为中等、弱、微、极微4种情况，选择了渗透系数从5e-4 m/s～1e-7 m/s的4个数量等级，8种不同的渗透系数分别为：1)5.0e-4和1.0e-4；2)5.0e-5和1.0e-5；3)5.0e-6和1.0e-6；4)5.0e-7和1.0e-7。其他各层岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1　顺层滑坡的物理力学参数表

本文分析所采用土—水特征曲线见图3。在此基础上，采用工程类比法[5-8]，根据渗透系数推导出的渗透性函数如图4所示。

3.3　计算工况和边界条件

本文按照水库运营时的水位调节方案，选择库水位从145 m以2 m/d的上升速率上升至175 m的工况作为计算工况[9-12]。

计算模型的边界条件为：选取底面为不透水边界，左边界初始地下水位线以下为定水头边界，右边界从底部至175 m水位线之间为水位随时间变化的变水头边界。

4　数值计算与分析

4.1　初始地下水位线的确定

本文采用稳定渗流模型来获得初始渗流场条件。在库水位由145 m上升到175 m过程中，假设边坡左边界高程H=145 m以下为固定水位边界，计算其渗流场作为的初始条件。

4.2　计算结果

通过计算，可获得水库水位以2 m/d的速率从145 m上升到175 m时各时间内滑坡体内的渗流场，为了便于观看，仅给出第0天、第1天、第5天、第10天和第15天时的地下水位线。为了使模拟结果得到更清晰的显示，在图中对关键部分进行放大显示。

图5,图6分别为水库水位上升速率为2 m/d条件下，K=5e-4 m/s和K=5e-7 m/s两种不同渗透系数的边坡岩土体的渗流场的变化。不同地下水位线上的数字表示水库水位上升后对应的时间(按天计)，0为初始地下水位线。

从图5，图6可以看出，渗透系数对顺层库岸滑坡的渗流场有明显的影响，渗透系数越大，滑坡前部地下水位线整体形态上升变化幅度越大，变化越明显。

对于渗透系数为K=5e-4 m/s的边坡岩土体，当库水位从145 m上升到175 m完成时，边坡的前部地下水位线上升幅度非常大，变化非常明显，地下水位线能够迅速的同库水位快速上升，其变化过程与库水位变化过程具有同步特点。而随着渗透系数的减小，前部地下水位线上升变化越来越缓慢，地下水位上升幅度也变得越来越小，当渗透系数减小到K=5e-7 m/s时，在库水位从145 m上升到175 m完成时，前部地下水位线上升变化非常小，地下水位上升幅度也变得非常不明显，说明地下水位变化具有明显的滞后特点。

渗透系数对边坡岩土体的渗流场有明显的影响，同时也对库岸边坡的安全系数有重要的影响。结合SEEP/W的计算水位，应用SLOOPE/W算出边坡在库水位上升至175 m时，不同渗透系数条件下的边坡安全系数如表2所示。根据计算结果绘制出渗透系数—安全系数曲线见图7。

表2　水位上升至175 m时不同渗透系数的边坡安全系数表

从图7可知：在库水位上升时，随着渗透系数的逐渐增大，边坡的安全系数逐渐的减小。这是由于随着渗透系数的逐渐增大，边坡的前部地下水位线也在逐渐的抬高，导致边坡岩土体的浸水面积增加，滑动面上的有效应力降低，部分顺层滑坡的上层岩土体饱水后强度降低，不利于稳定，从而导致边坡岩土体内的安全系数逐渐的减小。

5　结论

1)渗透系数对边坡岩土体的渗流场有明显的影响，渗透系数越大，边坡岩土体的渗透性越来越好，边坡的前部地下水位线整体形态上升变化幅度越大，变化越明显。当渗透系数较大时，边坡的前部地下水位线变化非常明显，地下水位上升幅度非常大，地下水位线能够迅速的同库水位快速上升，其变化过程与库水位变化过程具有同步特点。而随着渗透系数的减小，前部地下水位线上升变化越缓慢，地下水位上升幅度也变得越来越小，具有明显的滞后现象。

2)渗透系数同时也对库岸边坡的安全系数有重要的影响。滑坡体稳定性的变化趋势与其渗透系数密切相关，对于不同渗透系数的库岸边坡岩土体，在库水位上升到相同的位置时，渗透系数越小，则安全系数越高。即渗透系数对于库岸边坡的稳定性影响，并不是简单的认为渗透系数越小，则安全系数越低，而应该结合库岸边坡的水位变化情况来定。因此，岩土体的渗透性差对库岸边坡的稳定性影响并不总是不利的，这与传统的认为渗透系数越小，则安全系数越低的论断是不同的。