水位下降条件下水库边坡稳定性和变形分析

刘 伟

(九江市水利电力规划设计院，江西 九江 332000)

拓林水库位于我国江西省九江市永修县和武宁县之间，是在永修柘林镇筑坝拦截修水而形成的以防洪、发电、灌溉、养殖为主要功能的大型水库[1]，位于全国土坝水库前列。拓林水库多年平均年径流量80.60亿m3，水库正常蓄水位 65.0 m，相应库容50.17亿m3。近年来，随着需水量的急剧增加，水库水位发生了急剧变化。因此，快速下降期间的稳定性分析是管理者需要考虑的重要因素。

研究者通常采用极限平衡法和有限元法来评估边坡比的安全性(安全系数FS)[2-3]。在路堤材料缓慢排水(短期)的情况下，分析中使用的参数为总应力(总应力分析)[4]。在路堤材料快速排水(长期)的情况下，分析中使用的参数为有效应力(有效应力分析)[5]。对于水位下降条件下的边坡稳定性分析，可以使用这两个参数。通常情况下，由于孔隙水压力的计算较为困难，因此总应力的应用更为广泛。

本文利用有限元软件PLAXIS 2D 2012(岩土工程通用有限元分析软件)对拓林水库进行边坡稳定性分析。根据水位降深比、压降速率和荷载条件等因素，在考虑路堤材料弹塑性特性的基础上，采用强度折减法计算路堤安全系数。

1 横截面测量和土壤特性试验

1.1 土壤特性试验

拓林水库布局如图1所示。为了了解土壤的性质和不同深度的土壤强度，本研究采用现场十字板剪切试验进行了勘探钻孔和土壤取样。图1中显示了FV-01～FV-12共12个采样点的位置，以及BH-01～BH-12深度约为30 m的12个勘探钻孔测量位置。采用标准贯入试验(SPT)，在静态条件下(原状土样)采集软黏土的土壤样品，以及在转换条件下(扰动土样)采集硬黏土的土壤样品时，使用钻机进行勘探钻孔来采集土壤样品。本文利用钻孔BH-01和BH-02的数据，以拓林水库分支路堤边坡为例(如图1所示)，分析了路堤边坡的稳定性和变形情况。

图1 拓林水库的布局

对于路堤边坡来说，从顶部-2～0 m有一层复垦土壤。从-10～-2 m有一层从非常软到中等硬度的黏土，土壤中水分含量高，可塑性高。从-19～-10 m有一层硬黏土，土壤水分低，可塑性低。从-30～-19 m有一层坚硬黏土，土壤中水分低，可塑性低。

无侧限压缩试验结果表明(见图2)，从深度-8～0 m，两个钻孔中土壤的抗剪强度相似。从深度-8 m向下，土壤的抗剪强度增加。标准贯入试验结果表明(见图3)，从-19～-12 m，土壤强度随深度增加而增加。从-19 m开始，强度变得稳定。本文收集了用于分析边坡稳定性的各种参数数据，如表1所示。

图2 不同深度土壤的抗剪强度

图3 不同深度的土壤强度

表1 分析中使用的参数

1.2 地下水位观测

地下水位对边坡的稳定性起着关键作用。因此，测量不同钻孔的地下水位非常重要。值得注意的是，在所有用于测量水位的钻孔中都要安装水位探测计(立管压力计)。测量水位的钻孔直径约为100 mm，深度约为5 m。将直径为55 mm的PVC管插入4 m深处，该管用于定期检查水位。

本研究分别在2014年10月31日、2014年11月21日和2015年3月19日对拓林水库中的水位进行了立管压力计测试。如图4所示，从平均海平面到调查土壤中池塘表面测量的地下水位分别为1.75 m、1.71 m和1.36 m。据观察，拓林水库地下水位变化约为0.40 m。

图4 地下水位

2 路堤边坡变形和稳定性分析

本文对拓林水库分支边坡进行了变形和稳定性分析。根据水位下降率(R)，采用有限元法对两种不同情况进行分析。在水位快速下降条件下，下降率为0.30 m/d，路堤边坡的地下水位最初高于海平面，当池内水量减少时，超孔隙压力导致水不能及时排出，应考虑短期不排水材料性能(不排水)。在水位缓慢下降条件下，下降率为0.10 m/d，应考虑长期排水材料性能(排水)。在这两种情况下，设置水位相对于海平面从+2.00 m 降低至-2.00 m。当水位下降比(水位下降比=L/H，L为下降水位；H为初始水位)等于1.00、0.75、0.50和0.25时，通过计算安全系数以检查路堤边坡的稳定性和变形情况。在PLAXIS 2D 2012程序中，采用三角形单元在二维(平面-应变)中对路堤边坡进行网格划分，如图5所示。孔隙压力分析由主动孔隙压力和超孔隙压力两部分组成，如图6和图7所示。两者都会发生在路堤边坡上，从而影响着边坡的稳定性。

图5 模型的网格(单位：m)

图6 主动孔隙压力分析

图7 超孔隙压力分析

2.1 变形分析

使用PLAXIS 2D 2012程序进行不排水特性分析，用于分析的基本理论来自连续介质力学[6]。假设土壤包含孔隙和孔隙水压力，以有效应力为参数，计算应力和实际水压。材料以非线性弹塑性行为建模，采用莫尔-库仑法模型求解问题。

图8显示了两种情况下路堤边坡沿等高线的变形模式，即水位缓慢下降和水位快速下降。快速下降条件下由于水位降低引起的路堤边坡变形大于缓慢降水条件下的路堤边坡变形，变形分别为0.42 cm和0.34 cm。

图8 路堤边坡的变形

变形高度比和水位下降比(L/H)之间的关系如图9所示。在水位缓慢下降条件下，当降深比等于0.25、0.50、0.75和1.00时，在路堤边坡水平方向上的变形高度比分别为1.150%、2.250%、4.255%和6.250%，在垂直方向上的变形高度比分别为-1.630%、-2.500%、-5.000%和-6.505%。在快速下降条件下，对应于0.25%、0.50%、0.75%和1.00%的下降率，路堤边坡水平方向上的变形高度比分别为1.50%、4.15%、6.00%和7.50%，且垂直方向上的变形高度比分别为-1.75%、-4.00%、-5.75%和-6.50%。可以看出，路堤边坡的变形随着降深比的增大而增大。无论是在水平方向还是垂直方向上，水位快速下降条件下的路堤边坡变形均大于水位缓慢下降条件下的路堤边坡变形。

图9 变形高度比和水位下降比(L/H)之间的关系

2.2 稳定性分析

本文采用PLAXIS 2D 2012软件对路堤边坡稳定性进行了分析。为了根据位移和固结分析结果确定应力，采用了φ-c强度折减法计算安全系数，即计算过程中将土的强度参数(内摩擦角和黏聚力)逐步降低，使结构达到极限状态，土所具有的强度参数值之比，该方法减小了摩擦角的内聚力和切线。

滑坡风险下的边坡稳定性由安全系数表示。采用φ-c强度折减法检验水库分支路堤边坡的稳定性。安全系数(FS)与水位快速下降和水位缓慢下降条件下的降深比(L/H)之间的关系如图10所示。在水位缓慢下降条件下，当降深比分别为0.25、0.50、0.75和1.00时，FS等于1。在水位快速下降条件下，当降深比分别为1.52、1.44、1.32 和 1.26时，FS等于1。研究表明，随着降深比的增大，水位快速下降条件下路堤边坡稳定性的下降幅度比水位缓慢下降条件下路堤边坡稳定性的下降幅度更大。

图10 安全系数FS与水位下降比(L/H)之间的关系

3 结 论

拓林水库路堤边坡地基为软黏土层，厚度约10～12 m，流动性指数(LI)较高，值为0.9～1.0，测得的最大深度为21.41 m。本文通过使用PLAXIS 2D 2012软件，对拓林水库分支路堤边坡的稳定性进行了检查。发现土壤总应力随着水位变化而变化，随后导致土壤液化，从而降低路堤边坡的稳定性，这可能导致潜在的灾害发生。本文研究成果对水位下降条件下水库水位调节和边坡安全控制具有指导意义。

(1)快速下降条件下由水位降低引起的路堤边坡变形(0.42 cm)大于缓慢降水条件下的路堤边坡变形(0.34 cm)。

(2)在水位下降率为0.75的快速下降条件下，安全系数为1.16，小于允许安全值的比率1.3。

(3)在水位下降率为1.00的缓慢下降条件下，安全系数为1.26，也小于允许安全值比率1.3。

这意味着，当需要对拓林水库抽取水时，应严格控制水位下降速率。如果水位下降过快，路堤边坡会经常发生位移和变形，严重影响着路堤的安全。