泄洪雾化现象及对边坡稳定性的影响

王凤娇

(成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610059)

0 引言

1988年龙羊峡水电站泄洪时,雾化降雨导致了下游虎山坡发生了规模很大的滑坡,滑体为百万立方米级。这一实际问题的发生从根本上更新了国内学者对泄洪产生的雨雾危害的认识,从此,对大坝挑流雨雾诱发岸坡变形或失稳的研究越来越多,泄洪雾化现象得到了普遍重视。泄洪雾化是指水利工程泄洪时,下游局部地区出现较大规模雨雾的一种现象。泄洪雾化产生的降雨比自然降雨大得多,在高强度的雾化降雨作用下,下游边坡的地质条件发生改变,边坡的结构面软化;岩土体的物理力学性能减弱,边坡的下滑力增大,而抗滑力减小,导致边坡稳定性下降。随着我国水电工程的不断发展,越来越多的高水头、大泄洪量、高功率的水库电站被建在高山峡谷中,所以,研究泄洪雾化现象及其对岸坡稳定性的影响具有重要的意义。

1 泄洪雾化现象

1.1 泄洪雾化的机理

泄洪雾化是一个复杂的物理现象,涉及气液两相流的问题。早期开展研究的学者刘宣烈和梁在潮等对雾化现象的成因、雾化源、分区及影响范围进行了探索研究,后来的学者在此基础上添加了新的研究与理解,目前,对泄洪雾化现象有了较为深入的研究与界定。

水利工程采用的泄洪消能方式主要有底流消能和挑流消能,其中,挑流消能会引起严重的雾化现象。刘宣烈等[1]通过研究发现挑流消能时雾化源有两个：水舌扩散掺气破碎和水舌落水喷溅,这两个雾化源对应了泄洪雾化的的形成过程的两个阶段。第一阶段为水舌空中掺气扩散,水利工程泄洪时,挑流水舌受周围环境的影响,水流内部发生紊动失稳,失稳的水体破碎成水滴,其中,粒径较大的水滴降落成雨,粒径较小的水滴漂浮在空中成雾;第二阶段为水舌入水喷溅,这一阶段又可根据水舌运动形态分为3个阶段——撞击阶段,溅水阶段和流动阶段,大部分水体与下游水体相撞产生喷溅现象,飞溅出的大水滴在重力场和风速场的作用下形成降雨,飞溅出的小水滴漂浮在空中成雾,并在风速场的作用下流动形成雾流[2]。

1.2 泄洪雾化的研究方法

目前,研究泄洪雾化现象主要有原型观测、物理模型试验和数学模型等三种方法。

原型观测方法是在大坝泄洪雾化现场使用仪器测量相关物理量,并分析观测数据的方法[3]。此方法在早期的研究中运用得比较多,我国学者对乌江渡、鲁布革、湾塘、白山、二滩、溪洛渡等多个水电站进行了原型观测研究[3-8],累积了大量的原型观测数据,通过分析这些数据,对泄洪雾化产生的原因机理、影响范围和降雨分布有了一定认识。

物理模型试验是指在室内建立原工程等比例缩小的模型,模拟泄洪雾化过程,监测各物理量的大小,并通过相似比尺预测原工程的雾化雨分布[3]。我国学者建立了小湾、江垭、溪洛渡、乌江渡等水电站室内水工模型[9-15],对泄洪雾化的雨强及范围进行了预测。

数学模型方法是在原型观测或者物理模拟的基础上,运用数学方法求解泄洪雾化的相关物理力学参数,根据所用方法的不同,可将其分为数值模拟和理论分析方法。数值模拟方法是依靠计算机对泄洪雾化的过程进行数学描述和表达,采用对应的求解方法,实现物理力学过程的数值再现[3];理论分析方法是利用记录的数据,借助量纲分析、随机喷溅模型、神经网络等数学分析方法,提出泄洪雾化相关的经验公式,建立数学预测模型,进而预测泄洪雾化的范围和雨强[16-20]。

2 泄洪雾化对边坡稳定性的影响

2.1 雾化雨诱发边坡失稳的机理

在对泄洪雾化现象和边坡稳定性研究的基础上,国内学者们对雾化雨边坡的稳定性问题进行了一系列相关研究,分析雾化雨入渗对边坡稳定性的影响。雾化雨对边坡的影响主要有两方面：一是形成地表径流,带走坡表的岩土体;二是入渗到边坡内部。

泄洪雾化降雨入渗的物理过程和自然降雨入渗是相同的,雨水在重力和基质吸力的作用下,从坡体表面向下运动,进入岩土体的非饱和区域,最终到达潜水面。但雾化雨的入渗是一个饱和-非饱和、非恒定渗流的过程,具有降雨量大,降雨分布及强度极不均匀的特点。雾化雨暴雨区的雨强远远超过自然降雨,此外,雾化雨的雨强随着距离和高程的变化而变化,从而使得入渗边界的入渗量变化大。根据雾化雨入渗的过程和特点,泄洪雾化对边坡稳定性的影响可以总结为以下两个方面：

(1)通过入渗坡体的软弱结构面影响边坡稳定性

雾化雨入渗对坡体的软弱结构面产生影响,从而使得边坡沿软弱结构面变形破坏。尤其是岩质边坡,其失稳受软弱结构面的控制。李瓒等[21]通过对龙羊峡水电站下游右岸虎山坡进行工程地质条件分析,得出了该边坡发生滑坡的主控因素是断层F306,在水雾的长期入侵下断层的水文地质条件发生改变,从而诱发滑坡的发生;刘明等[22]通过对锦屏水电站Ⅳ～Ⅵ级边坡进行工程地质条件分析,指出雾化对该段岸坡稳定性影响的关键是深部裂缝充水而导致荷载增加;巨能攀等[23]还从泄洪雾化对边坡岩体的作用机制入手,发现雨雾主要沿着顺倾坡外拉裂面入渗,影响结构面力学特性,从而降低边坡的稳定性。

(2)通过降低岩土体的物理力学性质影响边坡稳定性

雾化雨入渗的影响降低岩土体的物理力学性质,可能使边坡发生浅表层滑动或者推移式滑坡。发生浅表层滑动的机理是：在雾化雨的不断入渗过程中,坡体的岩土体发生软化,物理力学性质降低,或是坡体内的非饱和岩土体的基质吸力逐渐减小,形成一些暂态饱和区,使得岩土体的抗剪强度降低,下滑力增大,从而导致边坡的稳定性降低。此外,由于雾化雨的雨强从坡脚到坡顶呈逐渐减小的特点,边坡前缘的岩土体软化现象更加明显,并可能在前缘形成多个暂态饱和区,所以雾化边坡可能发生从前缘向后缘的解体式滑动,从而形成推移式滑坡。

学者们通过对雾化边坡进行渗流计算分析,发现雾化雨入渗会在坡面浅表层、或坡度较平缓处和坡脚处形成暂态饱和区,并使出逸面附近岸坡的地下水位上升,得出雾化雨对边坡稳定性的影响主要是降低基质吸力和形成暂态饱和区的结论[24-27]。

2.2 研究方法

2.2.1 定性分析

定性分析是对滑坡现场进行监测获取相关参数来研究雾化雨影响下边坡的稳定性,或者基于对工程地质条件的分析来评价雾化雨边坡的稳定性。朱济祥等[28]根据长期变位监测资料,分析雾化雨诱发龙羊峡水电站下游右岸虎山坡失稳机理;周雄华等[29]根据雾化雨诱发边坡失稳的机理和边坡的工程地质条件,分析了锦屏水电站坝址区岸坡的结构特征和变形破坏模式,并分区评价了岸坡的稳定性;刘明等[22]从深部裂缝发育和坡脚阻抗段岩体单薄等结构特点出发,定性分析边坡的变形机制及稳定性;杨银辉等[30]通过分析边坡工程地质条件和泄洪雾化,判断雾化雨对二滩电站下游边坡的变形破坏模式并采取治理措施。

2.2.2 定量分析

定量分析则是通过数值模拟对雾化雨边坡的稳定性进行评价,可总结为三种计算分析方法：计算渗流场、计算应力、渗流场和应力场相互耦合。

对于雾化雨边坡,当前,大多数的研究是通过数值模拟计算边坡的渗流场变化,如水位线的变化、孔隙水压力的变化、饱和区的范围变化等,来评价雾化雨边坡的稳定性。宋晓晨等[31]使用3D-flow对清江水布垭水电站台子上滑坡进行渗流计算,通过计算得到各个时刻地下水位和等势线的分布,分析了雾化雨作用下边坡的稳定性;荣冠、张勇强等[25-26]在雾化边坡稳定性分析中,考虑到非饱和带基质吸力和暂态附加水荷载对岩土体性质的影响,提出了一种改进的SARMA方法来分析考虑雾化雨入渗对边坡稳定性的影响,并通过孔隙水压力的分布变化来评价雾化边坡的稳定性;胡进云等[32]建立了一种分析雾化雨入渗的数学模型,并通过计算压力水头和零压力线位置的变化,分析雾化雨入渗对边坡稳定性的影响;王金龙等[33]则是用坡体饱和区范围及压力水头的变化规律来评价边坡稳定性。

也有部分研究是通过数值模拟计算边坡应力场的变化,分析雾化雨对边坡稳定性的影响。薛玺成等[34]通过三维有限元计算所得的零应力等值线的变化及安全系数K=1的等值线变化,分析滑坡失稳破坏的过程和机理;巨能攀等[23]采用数值模拟的方法计算不同软化系数下边坡剪应力增量分布特征,分析泄洪雨雾入渗后大渡河某水电站边坡的变形破坏趋势;刘继滨等[27]通过数值模拟计算的最大剪应力变化,分析了在天然和泄洪雾化条件下某古滑坡的变形破坏模式。

王环玲等[35]则提出雾化雨入渗是渗流场和应力场相互耦合的问题,并根据裂隙岩体的特点建立了岩体饱和非饱和渗流场和应力场耦合分析的数学模型,编制了相关的三维有限元程序,通过分析耦合后位移应力场的变化来评价边坡在雾化雨影响下的稳定性;李新强等[36]指出对雾化边坡稳定性的计算对渗流场和应力场的耦合问题认识不足,大多停留在岩土体强度降低或者荷载增加,并重新界定了入渗的边界条件,提出了把孔隙饱和度作为强度判定标准的方法。

本文将使用数值模拟计算雾化边坡稳定性的方法总结为以下几个步骤：

(1)模型选择：根据地形和雾化雨的分布选取具有代表性的剖面,并选择合适网格的大小进行有限元网格划分。

(2)参数确定：除了确定饱和渗流参数外,非饱和渗流还需要确定土水特性曲线及非饱和相对渗透系数与饱和度的相应关系,一般是将试验数据拟合为经验公式。

(3)边界条件：根据雾化雨强度分布,可以把整个入渗边界分为水头边界、隔水边界、入渗边界、出逸边界。将边坡正常蓄水工况下计算的稳定渗流场作为初始定水头边界。根据雾化雨的分布、强度和坡表岩土体的渗透性,可将坡表分为定水头边界或者定流量边界,当雾化雨强度小于地表岩土体的饱和渗透系数时,根据雨强设定流量边界;当降雨强度大于地表岩土体的饱和渗透系数时,坡表形成径流,边界条件则为定水头边界。模型底部则为隔水边界。

(4)渗流及应力计算：运用渗流计算结果,考虑降雨入渗对边坡岩土体强度的改变。

(5)结果分析：可以根据零压力线来分析暂态饱和区的变化,零压力线所围成的区域即暂态饱和区;根据不同时刻压力水头与埋深的关系分析渗流场的变化情况;最小主应力“零应力”等值线的左侧为最小主应力的拉应力区,可以用来观察坡体内部应力变化;根据最大剪应力和位移的变化来判别边坡的变形破坏趋势等。

3 结论

近几十年来,学者们对泄洪雾化相关领域进行了广泛的研究,为我国水利工程的泄洪雾化危害防治提供了丰富的理论基础和可靠的技术支撑。通过原型观测、物理模型试验和数值模拟方法,可以更好地理解和预测泄洪雾化的影响,为相关工程提供科学依据。研究雾化边坡稳定性的方法也在不断地丰富和改进,其中,基于工程地质条件分析,建立泄洪雾化数值模型,计算边坡渗流场和应力场的变化,以此来分析雾化对边坡稳定性的影响,是目前分析雾化边坡稳定性的常用方法。