动力作用下水利边坡失稳形态研究

王 婧

(河北省唐山水文勘测研究中心,河北 唐山 063000)

0 引 言

近年来,随着水利工程的建设与发展,水利边坡在保障工程运行的同时也给周边环境带来安全隐患。水利边坡的失稳事故不仅会造成重大人员伤亡和财产损失,还会对社会经济和生态环境带来巨大影响。因此,研究水利边坡的失稳形态,对提高水利工程的安全性和可靠性具有重要意义。

目前,许多学者对动力作用下水利边坡的失稳形态开展了相关研究。陈凯[1]以河道堤防工程边坡为例,利用FLAC有限差分数值模拟软件,分析了河道堤防工程边坡在降雨作用下的变形破坏过程,结果表明其失稳机制是由超孔隙水压导致的,且该边坡处于不稳定状态。孙文等[2]通过振动台试验和小波包变换分析方法,研究了不同坡度黄土边坡地震失稳过程中PGA的变化特征,结果表明坡度差别会影响失稳形态,突发型失稳可划分为3个阶段,渐进型失稳可划分为3个阶段,地震波的低频部分起主要作用,第一频段的能量占比E1和第二频段的能量占比E2的变化可作为判断边坡地震变形损伤情况的依据。赵兰浩等[3]研究分析了地震荷载引起的孔隙水压力变化对水库堤坝边坡动力稳定性的影响,结果表明考虑孔压变化的耦合效应会对稳定性分析结果产生较大差异,孔压的累积效应可能是造成边坡动力失稳的关键因素。王建明等[4]基于断裂力学理论,研究了爆破和降雨对边坡失稳的影响,结果表明表面裂缝起裂的根本动力为降雨、爆破以及二者的共同作用,中部锁固段长度为控制边坡失稳的关键因素,可通过控制爆破药量来控制边坡失稳。刘洋等[5]利用三维数值模拟手段,研究了王家坡震裂山体在强震和暴雨等极端工况下的动力响应全过程,并比较了天然工况下的情况,结果表明坡体上部全强风化层可能出现局部失稳,可为红石岩水电库区建设及王家坡震裂山体边坡治理提供参考。

为了研究地震扰动和降雨湿化在不同顺序下对边坡稳定性的影响,本文以唐山地区滑坡为例,基于综合结构势理论的原理和方法,采用GEOSTUDIO软件,模拟土结构演变对边坡稳定性的影响,包括降雨、地震和地震后降雨3种工况,为该地区滑坡危险研究提供技术参考。

1 地震对斜坡的影响

地震对边坡的力学影响主要体现在叠加效应,导致边坡土壤逐渐损伤和结构逐渐减少。在地震作用下,土壤处于循环拉伸-剪切状态,拉伸和剪切效应削弱了土壤颗粒之间的排列和关联,结构状态的不断变化导致土壤的力学性质发生改变。同时,在地震作用下,土壤单元中的超静孔隙水压力瞬时增加,孔隙水压力在短时间内无法消散,从而破坏了土壤的黏聚力。因此,在地震作用下,结构性土壤表现出不同程度的排列和黏聚力变化。

大多数边坡并不会整体瞬时崩塌,边坡结构在地震前保持良好的结构性能。随着地震对土壤产生不同程度的影响,土壤的结构力学性质发生变化,最初在扰动较强的位置形成局部损伤,随着地震的进行逐渐扩大,生成滑动区,最终形成滑动面。当发生相对小幅度的地震时,地震加速度小且持续时间短,土壤的结构损伤面轻微,因此产生的弱面不会滑动。如果地震的持续时间长,土壤的结构破坏面也会逐渐增加,扰动敏感性强的土壤单元会被破坏,损伤范围将会进一步增加,最终产生滑动区。见图1。

图1 水平地震波加速度时间曲线

经过一次完整的地震后,结构性土壤的力学性质将会向重塑土壤转变。当地震强度较低时,只有一部分土壤的结构性质会在地震过程中被破坏,此时的土壤力学性质介于完整土壤和重塑土壤之间。根据地震对土壤结构可能产生的影响,本文假设在完全扰动后土壤的结构性能将会完全丧失,土壤的力学性质接近于重塑土壤。

在进行数值模拟之前,本文通过进行直剪试验,得到边坡上的原位黄土和重塑黄土在无侧限试验下的最大抗压强度,并获得不同含水率的原位黄土和重塑黄土的力学性质,见表1。原位黄土和重塑黄土在不同含水率下的土壤性质指标见图2。

表1 原位黄土和重塑黄土的剪切强度变化

图2 含水率对抗剪强度的影响

由表1可知,原位黄土的黏聚力随含水率的增加而减小,而内摩擦角变化较小,含水率对黏聚力的影响更为显著。由图2可知,原位黄土的黏聚力均大于重塑黄土。

此外,根据表1,原位黄土在含水率增大过程中的折减因子以及原位黄土在地震扰动下过渡到重塑黄土的折减因子,可以应用于地震和降雨影响下黄土边坡强度折减的数值模拟。

2 算例分析

2.1 算例概况

本文以唐山地区发生滑坡的边坡为例,该坡坡宽约174m,长375m。滑坡的土壤类型属于黄土,土壤的基本物理性质见表2。本文对该边坡进行地震前降雨、地震和地震后降雨条件的模拟。

表2 滑坡土壤的基本物理性质

2.2 模型建立及参数选择

以该滑坡边坡为原型,建立简化的二维有限元几何模型,其网格划分见图3。模型的水平长度、滑坡高度以及垂直高度的边界尺寸分别为40、25及20m。

进行数值计算时,地震波的主震和余震的地震加速度大小分别为0.15g和0.05g。本文采用具有代表性的EI波进行模拟,选取前10s进行分析。降雨条件根据该地区的实际降雨情况进行确定,本次模拟中最大降雨强度选择50mm/d。在本次数值模拟中,选择的渗透方程如下:

(1)

式中:H为总水头,m;kx、ky分别为X和Y方向的渗透系数,cm/s;Q为施加的边界流量;mw为土水特征曲线的斜率;ϒw为水容量,N/m3;t为时间,s。

2.3 工况计算

2.3.1 地震前降雨条件

采用GEOSTUDIO软件中的SEEP/W模块,建立瞬态渗流分析步骤,在此之前需要考虑滑坡的初始孔隙水压力分布。该地区2020年平均降水量588.4mm,在SEEP/W模块的稳态分析中,在边坡的3个侧面设置单位流量1.89×10-8m/s作为滑坡的初始孔隙水压力;将结果导入瞬态渗流分析步骤,其中在滑坡的3个侧面设置降雨边界条件,降雨强度50mm/d,持续3天;将结果导入SLOP/W模块,基于极限平衡法和强度折减法进行稳定性分析。折减系数采用表1中的数据,用于渗流作用下原位黄土逐渐饱和的过程,见图4。由图4可知,随着含水率的增加,黏聚力折减系数增加,而内摩擦角折减系数基本收敛到1。

图4 震前降雨条件下折减系数

2.3.2 地震条件

采用GEOSTUDIO软件中的QUAKE/W模块,对地震条件进行模拟。首先,建立初始静态地震模型,初始孔隙水压力与稳态渗流结果相连。此外,设置初始地震边界条件:底部边缘固定X和Y方向位移,左右边界固定X方向位移。然后,将分析类型更改为等效线性动态以进行动态地震分析。应力条件与初始静态状态相连,底部边缘固定X和Y方向位移,左右边界固定Y方向位移,并依次插入主震和余震地震波以模拟地震。最后,将地震模型导入SLOP/W模块,并根据强度折减法和NEWMARK方法求解地震后安全系数的变化[6-7]。折减系数采用表1数据,用于在干扰作用下从完整黄土过渡到重塑黄土,在本次模拟中,使用15%含水率的折减系数(即黏聚力折减系数为2.3,内摩擦角折减系数为1.1)。

2.3.3 地震后降雨条件

采用GEOSTUDIO软件的SEEP/W模块,建立瞬态渗流分析步骤,并将初始孔隙水压力和应力与地震后模型相连。在滑坡的3个侧面设置降雨边界条件,降雨强度为50mm/d,持续3天。然后,将地震后降雨结果导入SLOP/W模块,使用极限平衡法和强度折减法进行稳定性分析,系数为表1中用于地震干扰和渗流作用下从饱和到重塑土壤的原位黄土过渡的折减系数,见图5。由图5可知,随着含水率的增加,黏聚力折减系数显著增加,而内摩擦角折减系数基本接近1。

图5 震后降雨条件下折减系数

3 计算结果分析

边坡在自然状态下的安全系数为2.56,相对稳定,不会引发滑坡。边坡在地震前降雨、地震和地震后降雨作用下的安全系数随时间变化情况分别见图6-图8。

图6 震前降雨对安全系数的影响

由图6可知,安全系数随着降雨持续时间的增加而减小,在72h结束时降至2.19,之后出现小幅增加,达到2.23。地震前降雨作用下安全系数减少12.9%,边坡处于稳定状态。

由图7可知,在地震干扰作用下,原位土壤的安全系数随着地震波动,整体呈下降趋势。在主震作用下,边坡的安全系数在2.8s时降至最小值1.33。地震干扰结束后,边坡整体安全系数降至1.62,稳定性下降36.65%。土壤整体稳定性减弱,边坡仍处于稳定状态。在余震作用下,土壤稳定性继续下降,在2.6s时安全系数最小值为1.25,在干扰结束时降至1.39,与主震相比稳定性显著下降14.40%。这是因为土壤在主震干扰下变松散,原有结构被破坏,密实度降低,再次被余震干扰削弱了土壤稳定性。

图7 地震对安全系数的影响

由图8可知,安全系数在地震后降雨作用下显著下降。下降趋势与地震前降雨类似, 最终值降至1.12。稳定性在建成土壤的基础上下降56.15%,在重塑土壤的基础上下降19.19%。边坡的安全系数在降雨72h后降至临界容忍值1.10,之后略有增加,这是由于土壤的自愈功能。地震后降雨破坏了土壤的结构性质,土壤结构在没有破坏性影响的情况下慢慢恢复,导致土壤稳定性增加,尽管效果微小。

图8 震后降雨对安全系数的影响

总之,地震前降雨、地震和地震后降雨都削弱了边坡的稳定性。其中,地震后降雨对边坡稳定性影响最大。这是由于地震干扰后边坡结构变差,以及地震后降雨渗透加速结构衰变。

4 结 论

本文以某水利滑坡为例,基于综合结构势理论的原理和方法,采用GEOSTUDIO软件,模拟土结构演变对边坡稳定性的影响。结论如下:

1)地震强度和持续时间以及降雨引起的湿化产生的干扰,改变了原位黄土的结构状态。结构势能被释放,结构性质逐渐减弱,是黄土滑动区土壤形成的关键点。

2)边坡的稳定状态与土壤的初始结构状态密切相关,原位土壤会比重塑土具有更好的稳定性。

3)通过对某地滑坡的数值模拟,在地震前降雨、地震和地震后降雨作用下,结构边坡的安全系数分别下降12.9%、45.84%和56.15%。由此可见,地震后降雨对边坡稳定性产生了最严重的影响。