水动力型滑坡堆积体渗流稳定性数值分析

王如宾 夏 瑞 祁 健 李学政

(1.河海大学 岩土工程科学研究所,南京 210098;2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京 210098;3.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014)

随着我国众多大型水电工程的竣工,高坝大库的蓄水,每年汛期强降雨都会诱发大量的库区滑坡灾害.尤其是新建水库蓄水至高水位初期3～5年内,将集中产生新生滑坡、塌岸和部分老滑坡的复活并伴有相应的入江涌浪灾害[1-2],究其原因,除了周期性的库水位变化外,强降雨及其引起的地下水位变化是诱发库区水动力型滑坡堆积体变形复活另一个主要因素[3-8].因此,必须重点关注汛期强降雨诱发库区水动力型滑坡变形宏观表现与前兆信息,进而揭示库区滑坡渗流稳定的演化机制,以便及时掌握和判断库区滑坡体变形发展趋势,提前做好库区滑坡灾害防治.

水库运行初期蓄水后,汛期强降雨逐渐变成诱发库区滑坡灾害的最主要因素[2-3,5].童富果等[9]研究了大气降雨时斜坡的饱和-非饱和降雨入渗问题,分析了降雨入渗规律;王建新、王恩志等[10]详细分析了完整降雨入渗过程中坡体内部渗流场的分布特征.但是上述研究只是分析了饱和-非饱和条件下降雨入渗规律和入渗模型,未涉及边坡渗流稳定性研究.周家文等[11]降雨入渗过程中考虑基质吸力对滑动面抗剪强度影响,研究了降雨对边坡稳定性的影响;代贞伟等[12]揭示了持续降雨影响对大型反倾岩质滑坡失稳破坏机理;尚敏等[13]研究了降雨渗流场变化对库区滑坡变形的影响机制;阚露和胡鹏[14]揭示了库水位不变情况下不同降雨过程对滑坡稳定性的影响.上述成果显示,降雨入渗对于浅层滑坡、土体均质滑坡、裂隙岩体滑坡的影响最为明显,但是对于西南水电工程库区广泛分布的深厚堆积体边坡,由于其滑面上覆堆积层深厚,一般降雨很难从滑坡体直接下渗到滑动面,因此,非常需要深入揭示汛期降雨对库区深厚滑坡堆积体稳定性的影响机理.

本文结合清水江三板溪水电站库区东岭信滑坡堆积体工程,通过分析水库稳定蓄水后深厚滑坡堆积体地下水分布特征,揭示降雨对深厚滑坡堆积体稳定性影响机理;研究降雨和排水措施下滑坡堆积体地下水渗流场变化,揭示降雨入渗和排水措施对滑坡体稳定性的影响规律,为重大水电工程库区水动力型深厚堆积体滑坡灾害治理与防范提供参考.

1 研究区概况

本文选择的研究区域为清水江三板溪水电站库区东岭信滑坡堆积体工程,如图1所示.该滑坡工程为中低山峡谷区,地形坡度25°左右.滑坡堆积体的滑体部分主要由含碎、块石粉质粘土夹层,块石、碎石夹粉质粘土层以及碎裂岩体层组成.滑坡堆积体前缘铅直厚度35～69 m,中部铅直厚度89～145 m,估计体积约1 800×104m3.

图1 库区典型滑坡堆积体前缘现场照片

三板溪水电站2006年1月下闸蓄水,2007年7月坝前蓄水位最高达到472 m,与正常蓄水位仅差3 m.东岭信滑坡堆积体表面裂缝最早发现于2007年7月下旬,地面裂缝主要出现于滑坡体后缘高程665～700 m范围内,如图2所示.截止目前,水库已正常蓄水12年,其中2010～2014年间在堆积体中后部施工完成两条排水洞.根据最新现场勘察资料,堆积体整体变形速率减小,地表裂缝张开宽度无明显变化,堆积体内部地下水位一定程度降低,排水洞措施明显,堆积体整体处于基本稳定状态.

图2 滑坡堆积体后缘表面裂缝特征

2 库区滑坡堆积体地下水分布特征分析

从水文地质条件分析,东岭信滑坡堆积体表部及中部存在有粉质粘土加碎石层为相对含水层,故堆积体上部堆积物中的水主要为地表水和局部上层滞水,含水量丰水期和枯水期变化不大,主要接受大气降水补给;堆积体下部孔隙水存在基本统一的潜水面,受堆积体上部水源补给影响较小,主要接受堆积体后部山体和两侧基岩裂隙水补给,无论是丰水期还是枯水期,潜水水位位于滑面以上10～26 m,水力坡降21°左右,水位变化较小.

滑坡堆积体前缘受库水位变化和汛期强降雨的影响较大.堆积体中粉质粘土层基本隔断了堆积体表面地表水、局部上层滞水与堆积体地下潜水间的水力联系,使得深厚堆积体上部地下水具有分层性.

综合以上分析,引起滑坡堆积体前缘内瞬时孔隙水压力变化的主要因素库水位变化和汛期强降雨,而引起堆积体中后缘孔隙水压力变化的主要因素是降雨引起的堆积体后部山体和两侧基岩裂隙水补给.因此,在堆积体前缘无法进行有效治理情况下,通过堆积体中后部设置排水洞降低地下水位来提高堆积体整体稳定性的治理措施是非常必要的.

3 滑坡堆积体渗流稳定计算模型与工况

3.1 渗流稳定计算模型

综合对比目前渗流分析计算软件,本文选用加拿大Geo-Studio仿真软件对东岭信滑坡堆积体进行降雨入渗非饱和渗流模拟、排水渗流模拟和滑坡稳定性计算.

选取典型工程地质剖面如图3所示,建立渗流及稳定性计算模型如图4所示.在高程500 m和580 m处设置两条排水洞,用以降低堆积体中后部地下水位,提高滑坡堆积体整体稳定性.

图3 东岭信滑坡堆积体典型工程地质剖面图

图4 滑坡堆积体剖面渗流计算模型

滑坡堆积体在降雨入渗条件下的渗流规律满足如下渗流连续性方程:

式(1)为非稳定渗流微分方程一般形式;S s=ρg(α+nβ),称为单位储存量(尺度为1/L),即单位体积饱和土体在水头下降1 m时由于土体压缩(ρgα)和水体膨胀(ρgnβ)所释放出的储存水量.

3.2 计算边界与工况

滑坡堆积体渗流计算边界设置如下:

1)堆积体剖面上部表面为降雨入渗边界,降雨强度为0.1333 m/d,降雨历时为5 d,剖面底部按不透水层处理.

2)堆积体剖面左边为定水头边界,水头高度为正常库水位475 m;

3)堆积体剖面右边为定水头边界,水头高度为边界地下水位704 m;

4)排水洞为定流量边界,根据排水洞实际监测,确定1号排水洞单位宽度排水洞平均流量0.135 m3/d,2号排水洞单位宽度排水洞平均流量0.175 m3/d.

滑坡堆积体渗流稳定性计算工况为:

工况1:正常库水位(475 m)+排水洞排水,此工况不考虑降雨影响,保持正常库水位不变;

工况2:正常库水位(475 m)+强降雨(降雨强度0.133 3 m/d,降雨历时5 d)+排水洞排水,此工况考虑降雨影响,保持正常库水位不变.

3.3 计算参数

滑坡堆积体主要由表部为含碎、块石粉质粘土层、中部块、碎石夹粉质粘土层、碎裂岩体和下部滑带含砾粉质粘土层组成.考虑渗透条件下堆积体稳定性计算时,首先要求解堆积体在不同时间下堆积体内部的渗流场,其渗流计算参数见表1.堆积体物理力学参数见表2,其中位于初始水位以下的堆积体,在计算中采用饱水状态下的参数;位于初始水位以上的堆积体,在计算中采用天然状态下的参数.

表1 滑坡堆积体各层岩体渗透参数

表2 滑坡堆积体土层物理力学参数建议值

4 降雨与排水渗流稳定计算结果分析

4.1 降雨与排水渗流模拟分析

利用Geo-Studio数值计算软件进行了正常蓄水位作用下,不考虑降雨作用的堆积体渗流场与排水过程数值计算模拟分析,计算结果如图5所示.图6为正常蓄水位作用下,考虑强降雨作用的堆积体渗流计算与排水过程模拟结果.

图5 工况1下排水历时100d堆积体渗流场分布规律

图6 工况2下排水历时100d滑坡堆积体渗流场分布规律

由图5可知,所施加的两条排水洞明显地降低了堆积体边坡中后缘部分的地下水位;滑坡堆积体前缘,由于受库水位变化影响较大,工况1作用下,排水洞排水过程对于滑坡堆积体前缘渗流规律影响较小.从图6中可看出,堆积体上部堆积物中的水主要为地表水和局部上层滞水,降雨入渗过程相对缓慢,基本隔断了堆积体表面地表水、局部上层滞水与堆积体地下潜水之间的水力联系,使得深厚堆积体上部地下水具有分层性.但是,降雨入渗对堆积体前缘出露的碎裂岩体边坡孔隙水压力分布影响较大,主要是因为碎裂岩体渗透性较大,且相对堆积厚度不深;加上滑坡堆积体前缘受库水位影响也较大,所以,在工况2作用下,滑坡堆积体前缘部分渗流规律受到库水位和降雨入渗的双重作用影响.

4.2 滑坡堆积体渗流稳定性计算结果

图7是滑坡堆积体局部稳定性计算结果,图8为滑坡堆积体整体稳定性计算结果.从图7和图8中可以看出,剖面局部最危险滑面出现在堆积体前缘,滑面高程约580 m;剖面整体最危险滑面位于堆积体中上部,滑坡高程为640 m.排水洞施工排水之前,滑坡堆积体局部和整体安全系数见表3;分布在高程500 m和580 m设置两条排水洞,用以降低堆积体中后部地下水位.滑坡堆积体局部和整体稳定性随排水历时的变化规律如图9～10所示.

图7 滑坡堆积体局部稳定性计算结果

图8 滑坡堆积体整体稳定性计算结果

表3 不排水条件下的滑坡堆积体剖面稳定性安全系数

图9 滑坡堆积体局部稳定性随排水历时的变化规律

图10 滑坡堆积体整体稳定性随排水历时的变化规律

4.3 降雨和排水对滑坡堆积体稳定性的影响分析

从表3不排水条件下的滑坡堆积体剖面稳定性安全系数中可以看出,由于强降雨作用,使得滑坡堆积体的稳定性明显降低,堆积体局部稳定性系数降低了0.046,堆积体整体稳定性降低了0.065,由此可以看出,强降雨入渗作用对滑坡堆积体整体稳定性的影响更为明显,从而验证了水文地质特征分析的结果.

由图9～10所示的堆积体稳定性随排水历时的变化规律可知,随着排水时间的持续,堆积体局部和整体稳定性安全系数均逐渐升高.不考虑强降雨条件下,排水100 d后,局部稳定性安全系数增加了0.082,整体稳定性安全系数增加了0.086;考虑强降雨作用,排水100 d后,局部稳定性安全系数增加了0.026,整体稳定性安全系数增加了0.036.由此看出,降雨入渗对滑坡堆积体整体稳定性的影响大于库水位变化对堆积体整体稳定性的影响;尤其是当汛期降雨和库水位变化联合作用时,汛期降雨对滑坡堆积体稳定状态起关键作用.

5 结 论

1)东岭信滑坡深厚堆积体中后缘孔隙水压力变化主要是降雨入渗引起堆积体后部山体和两侧基岩裂隙水补给;堆积体前缘部分孔隙水压力变化主要受到库水位和降雨入渗的联合作用.

2)设置排水洞措施对提高滑坡堆积体整体稳定性影响明显.不排水条件下,强降雨作用使滑坡堆积体局部和整体稳定性都明显降低,且强降雨入渗作用对滑坡堆积体整体稳定性降低影响明显;排水条件下,不考虑降雨入渗的堆积体稳定性明显高于考虑降雨入渗的堆积体稳定性,且随着排水时间增加,堆积体局部和整体稳定性安全系数均逐渐升高.

3)降雨入渗对东岭信滑坡堆积体整体稳定性的影响大于库水位变化对堆积体整体稳定性的影响;尤其是当汛期降雨和库水位变化联合作用时,汛期降雨对滑坡堆积体整体稳定状态起关键作用.