库水水位下降对平顶水库边坡稳定性的影响

赵 飞

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 概 述

库水水位下降对边坡稳定具有重要的影响，水库蓄水改变了水库边坡的内部环境，而水位的升降会导致土体内部孔隙水的流动，进而影响库岸边坡的稳定性能。

许多专家学者对于库岸边坡稳定性进行了研究，并取得了丰硕的研究成果。刘磊等[1]建立了降雨渗透模型，分析了不同降雨强度及降雨时长下坡体的稳定性；江强强等[2]结合模型试验分析了降雨与水位升降耦合作用下，对三峡水库库岸边坡的滑动特性进行研究；董金玉等[3]采用现场试验的分析方法得到水电站库区的边坡力学参数，结合FLAC 3D数值分析模型分析了水库水位升降对边坡失稳破坏的影响机理；吴琼等[4]利用理论分析的研究方法，分析了在降雨与水位升降作用下，库岸边坡坡体的浸润线的变化范围；王腾飞等[5]利用理论分析与三轴压缩试验相结合的研究方法，分析了土体在水的作用下抗剪强度的变化特征；梁学战等[6]通过构建模型试验的研究方法，研究了水库边坡在蓄水作用下，坡体裂隙的时空变化特征；罗红明等[7]将土水特征曲线的多项式约束优化模型与饱和-非饱和渗流数值模型相结合，分析了库水位涨落对水库边坡地下渗流场的影响；莫伟伟等[8]基于水岩相互作用机理,分析了库水涨落对滑坡岩土体的影响。

基于以上的研究成果，本文拟对平顶水库库岸边坡建立三维数值分析模型，分析边坡坡度、渗透系数、水位下降速率对坡体孔隙水压力的影响以及库岸边坡稳定系数的影响。

2 模型建立

本研究以贵州省赫章县安乐溪乡平顶村境内的平顶水库为研究对象，该水库一年中水位升降幅度为30 m。针对研究对象建立FLAC数值分析模型，根据相关资料，设坡高为h时，当坡脚与左边边界的距离为1.5 h、坡顶与右边边界的距离为2.5 h、上边界与下边界的距离大于2 h时，建立的模型计算结果准确度较高。建立网络模型，见图1，模型边界的选取为：坡顶位置、水位以上位置为渗流边界，其余边界为自由水头边界，初始状况下的水头高度为60 m，模拟水位下降过程采用水位均匀下降的方式。

图1 计算网格单元

根据现场测量，该库岸边破的渗透系数变化范围为8.64×10-2～8.64 m/d，库水水位下降的速率变化范围为1～2 m/d。本研究以该库岸边坡的实际状况为例，分析在不同参数条件下的边坡稳定性，主要参数为：渗透系数分别取8.64×10-2、8.64×10-1、8.64 m/d，库水水位下降的速率分别取1、1.5、2 m/d，库岸边坡坡度分别取15°、20°、30°，库岸边坡岩土结构的内摩擦角为23°，黏聚力为24 kPa。

3 计算结果分析

3.1 相流对边坡稳定性计算结果的影响

边坡坡体的相关参数取值为：渗透系数8.64 m/d，库水水位下降速率2 m/d，库岸边坡坡度30°，分析两相流与单向流作用下边坡稳定性系数与水位下降量高度的结果，见图2。

分析图2中的数据可以看出，当库水水位下降高度相同时，两相流的计算结果比单向流计算结果稍大。这主要是由于两相流计算模式下基质吸力不同所引起的，两相流计算模式下，边坡坡体内部的渗流场与孔压场发生了变化，进而引起在上部坡体内部出现较大范围的非饱和状态区，在该区域内，基质吸力增大，从而该区域内抗破坏能力增强，稳定性提高，两相流的基质吸力作用与实际更加符合。因而，本研究采用两相流计算模式对平顶水库边坡稳定性进行分析。

3.2 不同工况下渗流分析

在库水水位下降过程中，为了分析不同影响因素对平顶水库边坡稳定性的作用效果，将孔隙水压力作为研究对象，设计以下3种工况进行数值模拟计算。3种工况下的参数取值见表1。

表1 不同工况下对应的参数取值

工况一的3种不同库水水位下降速率条件下的模拟结果见图3。在水位下降过程中，坡体外部的水压力值降低，引起坡体内部的水压力值大于坡体外部，水在坡体内部流动，从而改变坡体内部的孔隙水压力。同时，由于水压力的作用下，坡体内部逐渐由饱和状态变为非饱和状态，导致坡体内部出现负孔隙水压力，对于不同库水水位下降速率的模拟结果，在边坡相同位置处孔隙水压力之相差不大。因而，在合理的库水水位下降速率调配下，对渗流作用的土体孔隙水压力影响不大。

图3 不同库水水位下降速率的孔隙水压力等值线

工况二的3种不同渗透系数条件下的模拟结果见图4。不同渗透系数对孔隙水压力的影响较大，当渗透系数值k=8.64 m/d时，随着水位的下降，由于渗透系数值较大，孔隙水压力消散较快，因而坡体内外部的孔隙水压力值保持平均水平，孔隙水压力值均值线未出现较大幅度的上下波动，且在坡体上部出现较大范围的负孔隙水压力区；当渗透系数值k=0.086 4 m/d时，随着水位的下降，由于渗透系数值较小，坡体内的水不能及时排出，孔隙水压力消散较慢，土体内存在较大范围饱和区，且坡体上部负孔隙水压力区较小。

图4 不同渗透系数的孔隙水压力等值线

工况三的3种不同库岸边坡坡度条件下的模拟结果见图5。随着边坡坡度增大，库岸边坡底部孔隙水压力等值线分布更加集中，同等高度水压力差逐渐越大，因而边坡坡度越大越有利于坡体内应力的消散。

图5 不同边坡坡度的孔隙水压力等值线

4 正交试验下不同边坡稳定影响因素的分析

库水水位下降会引起边坡坡体内部渗流场出现负的孔隙水压力，同时库水水位下降过程中孔隙水压力消散较慢，进而导致库水边坡的失稳破坏。对于常规3种影响因素的分析会产生27种组合，对于正交试验可以有效减小组合试验的次数，只需要进行9组试验即可，对3种因素分为3个水平等级。见表2。

表2 因素水平分级表

将3个等级的因素进行组合得到9种组合结果，见表3。在不同种组合状况下，平顶水库库岸边坡稳定性系数随水位下降高度变化见图6。

表3 正交试验方案组合

图6 不同组合因素下的稳定系数

分析图6，主要得到以下结果：

1) 9种因素组合下的库岸边坡稳定系数随着水位高度下降均呈现先减小后增大的变化趋势(组合3除外，由于当下降高度逐渐增大时，该因素组合下边坡坡体出现失稳破坏)，随着库水水位下降，边坡坡体稳定性系数总体上是下降的，在H=20 m左右时存在最小值。

2) 分析3种因素对库岸边坡稳定系数的影响，影响效果最大的是库水水位下降的速率v。当该研究边坡的渗透系数k和库岸边坡坡度β均保持不变时，随着库水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同时，库岸边坡稳定性最差。

3) 库岸边坡坡度β的变化直接影响着库岸边坡坡体的初始应力状态。当坡度β由15°增大至30°时，库岸边坡稳定系数由2.68降低至1.63，初始应力状态的改变直接影响着滑坡体内部的稳定状态。

4) 当初始应力状态相同时即库岸边坡坡度β相同的情况下，在其他条件相同的情况下，库岸边坡稳定系数随着渗透系数k的减小逐渐降低，当渗透系数k=0.086 4 m/d时，库岸边坡稳定系数最小。这主要是由于渗透系数小于库水水位下降的速率v时，坡体内水压力产生滞后反应，坡体内部水压力上升，基质吸力增加幅度较小，因而边坡稳定系数也明显降低。对于组合1、6、8，该组合下渗透系数k大于库水水位下降的速率v，该库岸边坡坡体稳定系数明显较其它组合下的库岸边坡稳定系数大。

5 结 论

本文以平顶水库作为研究对象，对该水库库岸边坡建立FLAC数值分析模型，分析了相流对边坡稳定性计算结果的影响、不同工况下的孔隙水压力变化以及采用正交试验对影响边坡稳定的因素进行分析。主要结论如下：

1) 基质吸力是影响岸坡稳定性的关键因素，采用两相流的分析方法，基质吸力作用与实际更加符合。

2) 在合理的库水水位下降速率调配下，对渗流作用的土体孔隙水压力影响不大，渗透系数对孔隙水压力的影响较大，边坡坡度越大越有利于坡体内应力的消散。

3) 库岸边坡稳定系数随着水位高度下降呈现先减小后增大的变化趋势，最小值位于H=20 m左右。随着库水水位下降的速率v增大，水位下降高度相同时，库岸边坡稳定性最差；库岸边坡坡度β是库岸边坡坡体初始应力状态的关键影响因素；渗透系数k与水位下降速率v的相对值是边坡稳定系数的重要影响因素。