不同影响因素对库岸边坡稳定性的影响研究

赵红梅

(清河县水务局,河北 邢台 054800)

0 引 言

水库工程作为水资源调控、洪水防治和发电的重要手段,已经成为人类生存和发展的重要基础设施[1]。库岸边坡是水库周围地形地貌的重要组成部分,其稳定性直接影响着库区的安全性[2]。因此,深入研究不同因素对库岸边坡稳定性的影响,对于提高水利工程的安全性、减少灾害风险以及优化工程设计具有重要意义。

目前,许多学者对库岸边坡稳定性进行了相关研究并取得显著进展。周春梅等[3]研究发现滑带土含水量变化敏感地影响其抗剪强度、变形模量和边坡稳定性,随着含水量增加,边坡稳定性系数先增大后减少。简文彬等[4]提出了河水水位的升降对岸坡稳定性有重要影响,在河水上涨时水流难以进入,下降时孔隙水不易排出;频繁的水位升降会导致岸坡排水困难,孔隙水增加,稳定性降低。仉文岗等[5]通过数值计算与稳定性分析,考虑了不同工况条件下渗流场中孔隙水压力的变化。结果表明,库区水位下降对边坡稳定性有显著影响,坡度、坡体渗透系数和水位下降速率的变化都会导致边坡稳定系数的变化。

本文基于某大型水库河岸边坡,通过室内试验,研究边坡土体物理力学特性。同时,采用数值手段分析细粒含量、库水位变化、降雨等因素对库岸边坡稳定性的影响。

1 工程概况

本文以某大型水库河岸边坡为研究对象,该边坡后缘高程约300m,前缘高程约140m,纵向长度约5 500m,其中从边坡前缘至后缘约500m长期被地下水浸没。边坡附近有公路穿过,且有民房、水利设施等。根据地质勘查报告可知,坡体土层主要有碎块石土层、砂岩层和泥岩层。该地区属于亚热带季风气候,年平均气温20℃,年均降雨量1 300mm左右,最高1 600mm,每年的6-8月份月降雨量较大,最高约295mm。水库从2004年开始蓄水,水库水位长期在80～140m上下波动,自2010年至今,水库水位升高并逐渐稳定,最高水位180m,最低水位150m。由于库岸边坡长期被库水淹没并受库水的冲刷和侵蚀,坡体位移逐年增加,对附近居民的生命财产安全及水利设施的正常运行造成严重威胁。

2 有限元模型及材料参数

有限元软件包含多个模块,每个模块针对不同的地质工程问题提供特定的功能和工具。其中,SEEP/W是主要用于分析地下水、饱和及非饱和土壤中水的渗流问题,可以模拟不同条件下的渗透、地下水流、渗漏问题等;SLOPE/W模块支持对不同几何形状和土壤特性的边坡进行建模,模拟土体的变形和应力分布,以评估边坡的稳定性,并预测滑坡或崩塌风险。本文采用软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块对水库河岸边坡在降雨入渗、水位升降、不同细粒含量滑带土情况下的边坡稳定性进行模拟。

根据实地考察及测量数据,借助CAD软件绘制库岸边坡模型图,将其导入Geo-Studio软件中,将模型划分为滑带、滑体、滑床3个区域,并分别赋予材料参数,河岸边坡模型见图1。选用三角形和四边形组合对模型进行网格划分,其中包括4 340单元、4 390节点。为了模拟水位升降,将模型左侧240m定义为定水头,模型右侧180m设置为变水头,降雨以降雨强度的形式施加在坡面上,模型底面视为不透水界面。

图1 河岸边坡数值模型

土体的材料参数主要包括土水特征曲线、非饱和渗透系数以及土体的黏聚力及内摩擦角。其中,土水特征曲线及非饱和时渗透系数曲线通过室内试验测得;土体饱和含水率及饱和时渗透系数通过Fredlund and Xing模型预测得到;土体抗剪强度参数借助GDS三轴仪对土样进行固结不排水三轴试验得到。土水特征曲线和渗透系数曲线分别见图2和图3。

图2 体积含水量函数

图3 渗透系数函数

将细粒含量为70%、80%、90%和100%的滑带土编号为HD70、HD80、HD90、HD100,岩土物理力学参数见表1。随着滑带土细粒含量由70%增加至100%,其黏聚力呈逐渐增加趋势,由33.22kPa增加至36.34kPa,而内摩擦角呈逐渐减小趋势,由18.54°减小至12.76°。细粒含量的增加增强了土颗粒之间的胶结作用,但细颗粒充斥在大颗粒之间,使土颗粒间的摩擦力减小,导致土体的黏聚力增加,内摩擦角减小。

表1 岩土物理力学参数

此外,根据不同细粒含量土样的土水特征试验及渗透性试验结果可知,随着细粒含量的增加,土体渗透系数减小,且相同基质吸力下土体体积含水量增大。这是由于细粒含量增加,土体中细粒颗粒比例增加,孔隙直径变小导致渗透系数减小,同时细粒含量增加导致土体孔隙结构变得更加复杂,形成更多的微观孔隙,能够吸附和保持更多的水分。

3 模拟结果分析

3.1 不同细粒含量滑带土对边坡稳定性的影响

图4为不同细粒含量滑带土在水库水位由180m降至150m工况下边坡稳定系数的变化情况。由图4可知,不同细粒含量的滑带土边坡稳定系数随着水位骤降天数的增加均呈先减小后增加的趋势。这是因为当水库水位降低时,库岸边坡上方的水重力作用减少,水的重力作用可以增加边坡上的有效应力,有效应力使土颗粒保持平衡状态不发生运动。因此,水位下降前期,边坡稳定性降低,当水位下降至一定深度时,原本淹没在水中的土体暴露在空气中,使其由饱和状态转变为非饱和状态,孔隙水压力减小,基质吸力增加,因此稳定系数增大。

图4 不同细粒含量滑带土边坡稳定系数变化

此外,随着滑带土细粒含量的增加,边坡稳定系数逐渐减小,当细粒含量为100%时,边坡稳定系数最小值为0.91。这是由于细颗粒具有较大的表面积和较强的吸水能力,细粒含量越高,边坡孔隙水压力增加幅度越大,且随着细粒含量增加,土体密实度增加,导致边坡的总重量增加,使其稳定系数减小。

按照表2中稳定系数数值大小对边坡稳定性状况进行评估,HD70、HD80、HD90及HD100对应边坡的稳定性状况分别是稳定、基本稳定、欠稳定和失稳。

表2 稳定系数对应的边坡稳定性状况

3.2 不同水位升降速率下对边坡稳定性的影响

图5为在不同水位骤降速率下边坡稳定系数随水位下降时间的变化。由图5可知,在水位下降速率为0.5、1.0和1.5m/d三种工况下,边坡稳定系数均呈先下降后增加的趋势,且水位下降速率越大,稳定系数减小速率越大,最小值越小;在稳定系数回升过程中,水位下降速率越快,稳定系数回升幅度越大。需要指出的是,在0.5、1.0和1.5m/d三种工况下,边坡安全系数减小至最小值的天数分别是25、21和17天,均未出现在水位降至150m的天数。这是由于在水位下降过程中,边坡土体体积含水率降低,孔隙水压力减小,有效应力及抗剪强度增大,增强了边坡的稳定性,而且这种增强作用大于由于水位下降导致的土体有效应力降低对边坡稳定性的削弱作用。

图5 不同水位骤降速率边坡稳定系数变化

在第80天,水库水位不再下降处于稳定状态后,不同速率下的边坡稳定系数均比水位下降前的大。其中,1.5m/d下降速率的边坡稳定系数最大为1.15;1.0m/d次之为1.145;0.5m/d的最小为1.132。这是由于水位不再下降后,边坡内部水分渗流状态变为稳态渗流,水分从土体内排出,坡体土壤含水率降低,土体自重减小,抗滑力增大,边坡稳定系数随之增加;而水位下降速率越快,处于水位以上土体暴露在空气中的时间越长,其体积含水率及孔隙水压力减小幅度越大,因此边坡稳定系数回升幅度相对较大。3种水位骤降速率工况下的最小稳定系数均在1.05～1.15之间,因此3种工况下边坡均为基本稳定状态。

3.3 降雨叠加水位骤降对边坡稳定性的影响

图6为降雨分别发生在水位骤降的0～10、10～20和20～30天的边坡稳定系数变化。由图6可知,在降雨发生的时间段内,边坡稳定系数出现突降;在降雨停止后,边坡稳定系数变化趋于平缓并逐渐回升。降雨发生时间越早,边坡稳定系数出现最小值的时间越早,其中降雨发生在水位骤降10～20天,边坡稳定系数最小值达到最低为1.052。这是由于在前期水位骤降的0～10天,边坡土体有效应力减小,稳定性已经受到一定程度的影响,但尚未达到最小值,降雨使边坡内部土体的体积含水率增加,导致土壤重量增加、抗剪强度降低;在水位骤降10～20天期间发生降雨,导致稳定系数继续下降,达到最小值。

图6 降雨发生在水位骤降不同时段的边坡稳定系数变化

此外,对比降雨叠加水位骤降和仅水位骤降工况下边坡稳定系数的变化可知,降雨叠加水位骤降工况下的边坡稳定系数均小于仅水位骤降工况下的稳定系数。降雨出现在不同水位骤降时段的最小边坡稳定系数均在1.05～1.15之间,因此边坡稳定性状态均为基本稳定状态。

4 结 论

为了开展库岸边坡稳定性的敏感性分析,以某水库边坡为背景,通过室内试验和数值模拟,探究了不同工况下河岸边坡稳定系数的变化。结论如下:

1)不同细粒含量的滑带土边坡稳定系数随着水位骤降天数的增加均呈先减小后增加的趋势,随着滑带土细粒含量的增加,边坡稳定系数逐渐减小,当细粒含量为100%时,边坡稳定系数最小为0.91。

2)水位下降速率越大,稳定系数减小速率越大,且最小值越小;在稳定系数回升过程中,水位下降速率越快,稳定系数回升幅度越大;水库水位处于稳定状态后,不同速率下的边坡稳定系数均比水位下降前的大。

3)降雨叠加水位骤降工况下的边坡稳定系数均小于仅水位骤降工况下的稳定系数,在降雨发生的时间段内,边坡稳定系数出现突降;降雨发生在水位骤降10～20d,边坡稳定系数最小值达到最低为1.052;在降雨停止后,边坡稳定系数变化趋于平缓,并逐渐回升。