库水位骤降条件下某土质滑坡渗透稳定性分析

江赵平 谢东亚

摘要：为研究库水位骤降条件下某滑坡体深层与浅层的渗透特性以及相应的稳定性，根据非饱和渗流原理，利用有限元软件Geo-slope对该滑坡体在降雨和库水位骤降工况下的孔压变化以及安全系数变化规律进行了模拟。计算结果表明：库水位下降速率越大，滑坡体内部孔压下降幅度与下降速率越大，但滑坡体上部的孔压下降幅度较下部要小;滑坡体上部浅层安全系数随着时间逐渐增大，下部浅层和深层滑坡安全系数呈现先减小后增大的趋势;滑坡体下部浅层发生失稳，然后引起深层整体滑动，而上部浅层较为稳定。研究成果可为库水位骤降条件下滑坡失稳机理的认识提供一定参考。

关键词：滑坡稳定性;库水位骤降;土质滑坡;深层滑坡;浅层滑坡

中图法分类号：TU43

文献标志码：A

库水位变动是影响滑坡稳定性的重要因素，滑坡在库水位作用下的失稳机理主要体现在以下几个方面：①库水位骤降导致滑坡上的附加水压突然卸载，引发滑坡失稳;②库水位骤降导致滑坡内部水位线出现“滞后”效应，指向滑坡体外部的渗流力加剧滑坡失稳几率。滑坡失稳后的危害主要体现在以下几点：①对库区周围居民的生命财产安全造成危害;②减小水库有效库容，影响水库正常稳定运行;③对滑坡周围的水工建筑物造成一定危害。因此，针对库水位骤降下的滑坡渗透特性以及稳定性研究显得很有必要。

针对库水位骤降下的滑坡稳定性研究，国内外学者进行了很多有益探讨，如鲁芃等对白家包滑坡不同库水位日降幅条件下滑坡渗流场及应力应变进行了数值模拟;郭子正利用灰色模型对三峡库区某堆积滑坡体进行了库水位骤降下的安全性评价;钟启明基于非饱和理论计算了某黏土心墙坝在库水位骤降情况下的上游坝坡稳定系数。然而，这些研究均未涉及滑坡在库水位骤降下的深层浅层滑动面稳定性分析，事实上，对于滑坡体失稳形式来说，在降雨工况下已有研究表明，滑坡过程表现为先发生前期的浅层失稳然后是后期的整体滑动，然而对于库水位骤降下深层、浅层滑坡的研究较少，对相应的规律还没有一个清晰的认识。

本文以恩施州鹤峰县境内坪江电站滑坡体为研究对象，利用Geo-slope软件的Seep/w和Slope/w对滑坡在库水位骤降条件下深层浅层滑坡渗流特性以及稳定性进行了研究，为相关工程治理提供了一定的参考。

1计算理论

1.1非饱和渗流理论

非饱和渗流的控制方程写成张量的形式为式中，Kij为饱和渗透张量;Kr为相对透水率;hc为压力水头;Q为源汇项;C（hc）为容水度;0为与压力水头相关的函数;n为土体内部的孔隙率;Ss为单位贮水量。

土水特征曲线是衡量土体内部渗透系数（体积含水量）与基质吸力之间的关系，比较广泛使用的是Fredlund&Xing模型，体积含水量函数可以表达为其中，修正函数Cw采用下式计算：式中，Ow为体积含水量;0s为饱和体积含水量，m与残余含水量相关;n与体积含水量函数拐点斜率相关;a为与体积含水量拐点处的基质吸力;w为基质吸力;w为残余含水量对应的基质吸力。

得出体积含水量之后，根据渗透系数函数，便可得出渗透系数随基质吸力的变化曲线：式中，kw为土体内部对应与不同基质吸力下的实时渗透系数;ks为土体内部饱和渗透系数;y代表负孔隙水压力算法的虚拟变量;？为最小负孔隙水压力;N为最终函数所描述的最大负孔隙水压力。

1.2非饱和抗剪强度理论

土体强度理论采用Fredlund双应力变量公式：式中，t为土体实时抗剪强度;c'与0'为有效强度参数;0n为法向总应力与孔隙气压力的差值;ua为孔隙空气压力;uw为孔隙水压力;0b为由负孔隙水压力提高的强度。

2计算模型及参数

2.1计算模型

某滑坡体位于恩施州鹤峰县坪江水电站库岸，滑坡坡度约为200～30°，滑坡体长约83.7m，平均厚度11.3m。该库区死水位高程1095m，正常蓄水位高程1125m，地质剖面图如图1（a）所示，滑坡典型剖面图如图1（b）所示，相应的网格剖分图如图1（c）所示。全局单元尺寸约为8m，整个模型一共剖分为1988个节点，1901个单元。

2.2初始条件以及边界条件

（1）初始条件。模型左侧边界为1140m定水头边界，右侧为175m的定水边界，计算所得的渗流场为整个计算工况的初始条件。

（2）边界条件。ef为定水头边界;abc为水位变动边界;如为降雨人渗的流量边界;af，de为不透水边界;边界上流量Q为0。

2.3土体参数及计算工况

根据室内试验和工程地质勘测结果综合确定土体参数，滑体和滑床的物理力学参数见表1。

土水特征曲线如图2所示。

为研究不同速率库水位骤降下的滑坡体深层浅层渗透稳定性规律，特取库水位下降速率为0.5，1m/d和1.5m/d这3种工况进行数值模拟研究。

3计算结果分析

3.1孔压变化规律

为定量研究库水位骤降下滑坡体内不同位置孔压变化规律，特取如图l（a）所示的两个监测断面，即上部监测断面与下部监测断面，实时监测库水位骤降过程中的孔压变化，不同监测面的孔压变化规律如图3—5所示。

由图可见：孔压随深度呈现线性变化。随着库水位的降低，坡体内部孑L压逐渐降低，工况l上部孔压在计算时间内平均降低0.06%，下部孔压平均降低32.61%。滑坡体上部孔压变化幅度要远小于下部孔压，这也就解释了以往文献中库水位骤降情况下坡内浸润线出现“延迟”的现象，即距离岸边浸润线下降幅度较大而远离岸边浸润线变化幅度较小。纵向来看，工况1～3上部监测点孔压在计算时间内平均降低幅度分别为0.061%，0.068%和0.075%，而下部监测点在计算时间内的平均降幅分别为32.61%，35.87%和38.83%，可見库水位降低速率越大，滑坡体内部的孔压下降幅度也越大。

3.2滑坡穩定性规律

不同库水位骤降速率下的安全系数变化规律见图6。

由图可见，①上部浅层滑坡随着库水位下降，安全系数呈现不断升高趋势。这是因为滑坡体上部孔压变化幅度较小，随着库水位的降低，上部地下水位线逐渐降低，土体强度不断增加，从而安全系数呈现逐渐增大趋势。同时，库水位下降速率越大，安全系数越小。②下部浅层滑动面安全系数变化规律与深层滑动面安全系数变化规律较为一致，库水位下降速率越大，最小安全系数出现的时刻越早，同时，最小安全系数也越小。这是因为库水位下降速率越快，上下孔压形成的差值也就越大，从而出现浸润线“延迟”现象，向下的渗流力加剧了滑坡的不稳定，使最小安全系数更小。③库水位下降后安全系数在计算时间内最终大于初始安全系数。这是因为滑坡体内部的水位降低，土体的强度增加，从而安全系数比初始状态下更高。④下部浅层的最小安全系数要小于同工况下的深层滑动最小安全系数。这说明了在库水位骤降的情况下，首先发生的是滑坡体下部浅层滑动，然后才会引发深层滑动，而滑坡体上部浅层滑动面较为稳定，不会发生失稳破坏。

4结论

（1）库水位下降速率越大，滑坡体内部孔压下降幅度与下降速率越大，但是滑坡体上部的孔压下降幅度较下部要小。

（2）滑坡体上部浅层安全系数随时间逐渐增大，而下部浅层和深层滑坡安全系数呈现先减小后增大的趋势。

（3）总体而言，最小安全系数从小到大的排序为：下部浅层最小安全系数、深层滑坡最小安全系数、上部浅层最小安全系数。说明滑坡体的下部浅层先发生失稳，然后引起深层整体滑动，而上部浅层较为稳定。因此，在实际工程中应该注意着重对滑坡体下部采取相应的治理措施。

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