水位升降速度对岩质岸坡变形及稳定性的影响

余志刚 莫勇刚 蒋博林 阴可

摘要：为研究水位升降速度时岩质岸坡变形及稳定性的影响，以某水库高陡边坡的库水位升降为背景，采用Geo-Studio系列有限元分析软件，对库水位升降进行了全过程缓变、全过程急变、单独急速降水及单独急速升水4种条件下的流固耦合数值模拟，研究库水位升降全过程中升降速度对岸坡岩体变形位移、“近似蠕变”及稳定安全系数的影响效应，单独升、降库水位条件下升降速度对岸坡岩体变形位移、稳定安全系数的影响规律。结果表明：增大库水位升降全过程速度对观测点位移极值、敏感性及变化普遍规律几乎无影响，但对位移变化速率影响较大，“近似蠕变”规律与各测区整体位移变化规律类似，但其位移曲线斜率较大，稳定安全系数在水位上升阶段及最高恒水位阶段整体表现较大，在下降阶段及最低水位阶段整体表现较小;增大单独下降速度时，位移极值几乎一致，稳定安全系数较小，曲线斜率较大;增大单独升高速度时，位移极值几乎一致，稳定安全系数较大，曲线斜率较大;岸坡稳定性评价应将稳定安全系数与观测点位移综合起来分析。

关键词：岩质岸坡;水位升降;变形;位移;岸坡稳定性

中图分类号：TV139.1;TU457 文献标志码：A

影响岸坡变形及稳定性的因素主要有岸坡的地形地貌、地质构造、地层岩性、水文地质条件及库水位升降速度等。王士天等[1]认为库岸滑坡有两种：一种是库水位达到敏感水位后滑坡岩体内孔隙水压力分布达到新的平衡过程中产生的滑坡;另一种是发生在库水位降落，特别是快速降落期。诸多研究表明地下水对边坡稳定性影响较大，日本约60%的库岸滑坡发生在库水位骤降期间，其余的40%发生在库水位上升时期，包括初期蓄水[2]。GHIASSIAN等[3]对渗流条件下饱和砂土边坡稳定性的研究表明，渗透作用下饱和砂土边坡稳定性取决于水流方向和水力坡度。HODGE等[4]及IVERSON等[5]对地下水渗流与边坡稳定性关系的研究表明，地下水渗流方向对边坡稳定性有重要影响。LIU等[6]定量分析了地下水对滑坡的作用，认为地下水位对边坡稳定性将起到越来越关键的作用。目前对库水位升降引起的边坡失稳机理及稳定系数变化特征的较多研究均表明，库水位升降对岸坡稳定性影响较大[7-19]。买合木提·巴拉提[7]对海州露天矿拟建水库库区边坡体的数值计算表明，库水位的涨落对边坡稳定性影响较大。BERILGENIBl对临水边坡的稳定性研究表明，高边坡稳定性的变化取决于土壤的渗透性及水位变化速度。汪斌[9]对库水位下降引起滑坡变形失稳机理的研究认为，孔隙水的流动与土体的变形是相互作用、相互制约的，库水位作用下必须考虑其流固耦合作用。

水位升降速度是影响岸坡稳定的重要因素，为保护水库运行期间岸坡的稳定，应该合理控制水位升降速度，虽然以“库水升降作用……”作为命名的相关文献较多，但其内容在降水阶段方面的研究都是假定降水前边坡状态一致而计算初始应力场，涉及升降速度在升降水全过程中对边坡变形及稳定性影响研究的相关文献较少。本文选用Geo-Studio系列有限元软件SLOPE/W、SEEP/W和SIGMA/W进行耦合模拟，研究升降水全过程中升降速度对岸坡岩体变形位移、“近似蠕变”及稳定安全系数的影响效应，以及单独升、降水条件下升降速度对岸坡岩体变形位移、稳定安全系数的影响规律。

1 饱和与非饱和渗流模型

各向异性的二维饱和与非饱和渗流控制方程[11]为式中：k_x和k_y分别为水平方向x和垂直方向y的饱和渗透系数;ρ_w为水的密度;g为重力加速度;m_w为比水容量，定义为体积含水量θ_w对基质吸力（p_a-p_w）偏导数的负值，即，p_a、p_w分别为孔隙气压力和孔隙水压力;t为时间;h为水头。

2 数值模拟

2.1 渗流计算模型

某水库边坡数值模拟计算模型见图1。裂隙Xl倾角75°～85°，裂隙宽度为15～35cm，周边裂隙较密集，局部黏土充填;裂隙X2最大宽度约为45cm，内洞深约为44m，裂面方向延伸长度约45m，基本无充填。岸坡地层岩性主要为粉砂岩和页岩。

2.2 渗流计算参数

库水位升降速度、岩土物理力学性质参数见表1、表2。计算水位基面采用库底位置作为计算水位的零点，最高上升水位为98m，经常变动水位为53～98m，在53m、98m水位持续365d内，虽然库水的坡面应力不变，但岸坡岩体有一定的渗流力作用，故將该阶段岩体变形称为“近似蠕变”。

2.3 渗流计算条件

数值模拟计算条件见表3。渗透系数分区域取值，即弱透水层顶界线以下的岩体渗透系数取10_-4cm/s，弱风化线底界线与弱透水层顶界线之间的岩体渗透系数取10^-3cm/s，弱风化线底界线以上的岩体渗透系数取10^-2cm/s。本文计算中水的密度、重力加速度、渗透系数、表2中的数据在Geoslope软件材料特性相应位置直接输入，时间、水头是在软件边界条件相应位置输入相应函数，比水容量软件随计算步骤进行而获得，因为主要研究的是速度影响效应，所以仅改变时间函数即可。

2.4 观测点

位移观测时将坡面高度划分为3个部分：坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度。对每个部分观测点进行编号：从高至低依次选取14个点，即第1～14观测点，相邻高差4～5m。坡面上部1/3高度、坡面中部1/3高度及坡面下部1/3高度的观测点坐标分别为（300，333）～（483，269）、（483，269）～（507.692，205）及（507.692，205）～（540，142）。裂隙X2观测点坐标从高至低依次为（481，234）～（493，180），相邻高差8～9m，其左、右侧从高至低分别有8、7个观测点。坡面中部1/3高度内位移观测点见图2。

3 数值模拟结果分析

3.1 位移分析

选取坡面中部1/3高度内第1、12、14观测点的水平位移进行分析，其水平位移—时间曲线见图3。所有观测点的位移极值见表4。

增大升降水全过程速度的影响：与CS时对比，单从观测点位移极值及敏感性看，C1-R时对观测点位移几乎无影响，坡面中部1/3高度内的观测点整体都表现为越低越敏感。x方向（水平）位移变化：在水位上升阶段及最高恒水位阶段（水位98m持续365d）逐渐增大，在水位下降阶段先逐渐减小再逐渐增大，在最低水位阶段（水位0m持续365d），先减小再逐渐稳定。y方向（竖向）位移变化：在水位上升阶段及最高恒水位阶段逐渐增大，在水位下降阶段逐渐减小，在最低水位阶段，先减小再逐渐稳定。但从观测点位移随水位升降的变化速率看，对岸坡观测点位移影响较大，5398m上升阶段及98-53m下降阶段位移曲线斜率增大都较大，变化较快。其他观测点与上述情况类似，对观测点位移极值、敏感性及变化普遍规律几乎无影响，对变化速率影响较大。坡面下部1/3高度内、裂隙X2左侧及右侧的观测点整体表现为越高越敏感，坡面上部1/3高度内的观测点整体表现为越低越敏感，坡面下部1/3高度内观测点最敏感。

“近似蠕变”段的变化规律：与CS时对比，在15～380d及389～754d时间段内，增大全过程升降水速度对其影响规律与上述情况类似，但“近似蠕变”段的位移曲线斜率较大。其自身变化规律为;x方向的位移都随时间增加而增大;y方向的位移，除坡面中部1/3及下部1/3高度内在最高恒水位阶段随时间增加而减小外，其他随时间增加而增大。

增大单独降水速度的影响：与CS时对比，C2-R时曲线极值几乎一致，但在降水阶段曲线斜率较大，降水速度越快，位移减小速度越快，但在水位下降到0m时，观测点x、y方向位移值普遍较大。

增大单独升水速度的影响：与C1-R时对比，C3-R时曲线极值几乎一致，但在升水阶段曲线斜率很大，升水速度越快，位移增大速度越快，但在水位上升到98m时，观测点x、y方向位移值普遍较小。

3.2 岸坡稳定安全系数分析

典型状态的渗流场和滑动面：C1-R时第754 d的孔隙水压力等值线、渗流场及第778d的最危险滑动面分别见图4，图5。模拟采用软件中Seep/W模块定义滑动面可能出现的人口及出口范围，该模块计算时会在定义的范围内自动搜索危險滑动面，再计算稳定安全系数。在已有经验的基础上，进行多次尝试后，选取坡面人口范围为点坐标（242，333）～（498，240），出口范围为点坐标（516，175）～（612，142）。采用极限平衡分析法中的摩根斯顿-普赖斯法（Morgenstern-Price）[20]进行岸坡稳定计算，稳定安全系数一时间曲线、稳定安全系数—水位曲线见图6、图7。

增大升降水全过程速度的影响：与CS时对比，对安全系数曲线整体变化特征影响很小。C1-R时：①上升阶段安全系数较大，增大速度较快;②最高恒水位阶段安全系数较大，降低速度较快;③下降阶段安全系数较小，降低速度较快;④最低水位阶段安全系数整体表现较小。

增大单独降水速度的影响：稳定安全系数较小且减小速度较快，曲线斜率较大。增大单独升水速度影响：稳定安全系数较大且增大速度较快，曲线斜率较大。如表4所列，观测点位移极值都较大，以C2-R为例，坡面下部1/3高度内观测点水平、竖向位移最大值分别达58.6mm、43.7mm，但安全系数仍普遍大于1.6。笔者认为坡面中部及下部28～72m高程内坡面附近岩体位移值较大，稳定性较差，其他坡面附近岩体及坡体内岩体整体稳定性较好。

4 结论

（1）增大升降水全过程速度的影响：从观测点位移极值、敏感性及变化普遍规律看，对观测点位移几乎无影响，但从变化速率看，对观测点位移影响较大;“近似蠕变”规律与各测区整体位移变化规律类似，但其位移曲线斜率较大;对稳定安全系数曲线整体变化特征影响很小，稳定安全系数在水位上升阶段及最高恒水位阶段整体表现较大，在下降阶段及最低水位阶段整体表现较小。

（2）增大单独降水速度的影响：位移极值几乎一致，位移值减速较快，水位下降到0m时位移值普遍较大;稳定安全系数较小，减速较快，曲线斜率较大。

（3）增大单独升水速度的影响：位移极值几乎一致，位移值增速较快，水位上升到98m时位移值普遍较小;稳定安全系数较大，增速较快，曲线斜率较大。

（4）岸坡在前期升水及持水过程中，升水速度客观上一直对岸坡产生影响，所以今后在水库运行期间应该重视升降水速度在升降水全过程中对岸坡的“全动态过程”影响。

（5）不能仅仅依赖岸坡稳定安全系数的求解来进行岸坡稳定性评价，应将稳定安全系数与观测点位移综合起来分析。

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