水位變動速度對堆積體穩定性的影響

在國庫水位上升或下降的過程中，水庫兩側斜坡上（不同河流體積的差異）地下水滲流場及其物理力學性質的變化是一個動態適應過程。在這個過程中，如何預測地下水滲流場和邊坡巖石物理力學性質的動態變化，以及對邊坡穩定性的影響一直是工程和學術界面臨的一個重要問題。針對庫水位升降對庫區斜坡穩定性的影響,近年來國內外眾多學者展開了一些探索和研究,取得了一定的成果。如張文杰、柳群義、馬崇武等從非飽和土理論角度探討了水位升降對斜坡滲流場及其穩定性的影響;李邵軍等對水位升降條件下斜坡失穩模式展開了離心試驗研究;曹玲等以千將坪滑坡為例,研究了水位升降過程中干-濕循環條件下滑坡滑帶土強度特性及其變形特性;徐文杰等從流-固耦合的角度采用數值計算方法對庫水位升降條件下斜坡穩定性狀況進行了分些和探討;何曉英等對周期性浸泡條件下松散堆積體的微觀物性特征進行了試驗研究。綜合目前研究成果,國內外學者認為庫水位升降對斜坡穩定性的影響主要表現在以下幾個方面:1)水位升降對斜坡滲流場的影響;2)水位升降對斜坡物理力學性質的影響;3)水位升降對斜坡失穩破壞模式的影響。既然庫水位升降是一個動態過程,其對斜坡滲流場、物理力學性質等方面的影響是一個動態過程,那么不同的水位升降速度對斜坡滲流場、物理力學性質的影響程度也應該存在一定差別,目前關于水位升降速度對斜坡穩定性影響的研究成果鮮見報道。中國許多水庫都需要承擔發電、防洪以及調解徑流量的綜合功效,因此如何合理地控制庫水位升降速度,在保證發揮其最大社會經濟效益的同時,避免庫區斜坡出現影響沿岸生產、生活活動的大規模失穩破壞事件成為一項重要課題。作者以瀾滄江某電站庫區巨型堆積體為例,探討庫水位升降速度對其地下水滲流場及其穩定性的影響,以期拋磚引玉,為相關研究提供參考。瀾滄江某電站庫區發育一巨型冰水堆積體,堆積體距大壩500m的常年回水區(或變動回水區),沿河方向寬約800m,垂直河流方向長約460m,總方量約6.6×106m3(如圖1所示)。電站設計死水位為2150m,正常蓄水位為2250m,堆積體前緣大部位于庫水位變動范圍內。由于堆積體所在河段在水位變動過程中沿庫縱向水流速度較小,因此忽略沿水庫縱向的水流速度對堆積體穩定性的影響。堆積體物質構成主要是形成于第四系上中更新統的冰水堆積物,下伏基巖為二疊系下統吉東龍組砂板巖。1堆積體物理力學性質應是由水位動一般在庫水位上升或下降過程中,對庫區上述堆積體穩定性所構成的影響主要表現在兩個方面,一是庫水位變動所導致的堆積體滲流場的調整和變化,二是水位變動過程中,伴隨庫水浸入、地下水浸潤線抬升或地下水排出、地下水浸潤線下降引起的堆積體物理力學性質的變化?；谏鲜稣J識,探討庫水位變動速度對堆積體穩定性影響的思路可分述為以下兩個部分。1.1基于gler東南角加權余量法的二維滲流方程庫水位變動期間,地下水滲流場的調整是一個非常復雜的過程,國內外眾多學者在這方面進行了廣泛研究,然而在確定地下水浸潤線時大多是建立在半經驗、半理論基礎上,因此不同的人和單位提出的計算方法和公式往往缺乏普適性,并且計算得出的結果大多是庫水位變動到某一水位穩定下來后的地下水穩定滲流浸潤線。有限元方法的引入為解決這一問題提供了一條可行途徑,尤其是在求解庫水位變動期間,地下水瞬時滲流場時具有獨到的優勢。Fredlund等提出對于各向同性巖土體非穩定滲流場的控制性微分方程可描述為:??x(k?H?x)+??y(k?H?y)+Q=mwγw?H?t(1)??x(k?Η?x)+??y(k?Η?y)+Q=mwγw?Η?t(1)式中,k為滲透系數;H為水頭,隨時間而變化;Q為邊界滲流量;mw為水土特征曲線的斜率;γw為水容重。根據上述微分方程,采用Glerkin加權余量法可推導出適合有限元計算的2維滲流方程:τ∫A([B]T[C][B])dA{H}+τ∫A(λ〈B〉T〈N〉)dA[H],t=qτ∫L〈N〉TdL。(2)式中,[B]為水力梯度矩陣,[C]為單元導水率矩陣,{H}為水頭向量,〈N〉為插值函數向量,q為單元邊界單位滲流量,τ為單元厚度,t為時間,λ值為mwγw,A為單元面積,L為單元邊長。根據上述理論,采用SEEP/W有限元計算軟件,計算出不同水位變動速度條件下,不同庫水位、不同水位變動時刻的堆積體內瞬時地下水浸潤線以及堆積體內地下水滲流場的變化特征。1.2土體浸漬線含水層穩定性計算方法水位變動期間堆積體穩定性計算模型可概括為如圖2所示,穩定性計算可分為兩部分,對于庫水位以上坡體考慮滲流壓力,而對于庫水位以下坡體,將坡面以上水體看成一種有重度無強度的特殊材料,根據該思路,按簡化Bishop條分法,堆積體穩定性系數可按下式計算:ks={∑i=1n1mai[cilicosαi+(W1i+W2i′+Disinβi)tanφi]+∑j=n+1m1mai[cjljcosαj+(W1j+W2j?Uj)tanφj]}/{∑i=1n[(W1i+W2i′)sinαi+Dicos(αi?βi)]+ks={∑i=1n1mai[cilicosαi+(W1i+W2i′+Disinβi)tanφi]+∑j=n+1m1mai[cjljcosαj+(W1j+W2j-Uj)tanφj]}/{∑i=1n[(W1i+W2i′)sinαi+Dicos(αi-βi)]+∑j=n+1m(W1j+W2j)sinαj}∑j=n+1m(W1j+W2j)sinαj},ma=cosα+tanφkssinα。ma=cosα+tanφkssinα。式中,c為土體內聚力;φ為內摩擦角;W1i為條塊浸潤線以上土體重量;W2i′為條塊浸潤線以下土體浮重量;W1j為條塊上覆庫水重量;W2j為條塊飽和重量;α為滑面傾角;β為地下水浸潤線傾角;l為條塊滑面長度;n為庫水位以上坡體條塊數量;m坡體條塊總數;D為滲流壓力,D=γwhwlcosαsinβ。按照該計算方法,將根據1.1節方法得到的地下水瞬時浸潤線導入穩定性計算模型中,進行穩定性計算,即可獲得在不同水位變動速度條件下,不同庫水位、不同水位變動時刻堆積體的穩定性系數。通過對地下水瞬時滲流場和穩定性計算成果的分析,得出水位變動速度對堆積體穩定性影響的基本認識。水位變動過程中,隨著堆積體內地下水的浸入和排出,其物理力學性質的變化將是一個復雜的動態過程,目前關于這方面的研究成果仍不夠成熟,因此沒有討論水位變動期間,堆積體在飽和與非飽和變化過程中巖土體強度的變化及其對堆積體穩定性的影響,在分析過程中,為方便起見,假設地下水瞬時浸潤線以上巖土體的物理力學參數取天然值,瞬時浸潤線和庫水位以下的巖土體取有效值。2不同水位變動速度下根據相關試驗資料,計算過程中巖土體的滲流參數見表1。計算過程中通過改變庫水位的上升或下降速度,從而計算得到不同水位變動速度條件下,不同庫水位、不同水位變動時刻的堆積體內瞬時地下水浸潤線,計算過程中設定庫水位變動速度分別為:0.5、1、2、3和5m/d。2.1水位上升過程中的水力梯度圖3~5是堆積體在不同水位上升速度條件下地下水瞬時浸潤線的變化、調整過程和規律,以及水位變動過程中堆積體瞬時浸潤線平均水力梯度與時間、水位之間的關系。根據計算結果,可以看出水位上升過程中水位上升速度對堆積體滲流場的影響主要表現在以下幾個方面:1)水位上升過程中,受地下水滲流影響,在達到正常蓄水位之前,堆積體內瞬時浸潤線的抬升明顯滯后,瞬時浸潤線呈明顯上凹型,并且隨著水位上升速度的增大這種特點愈發強烈。2)從圖4、5可以看出(圖中水力梯度負值表示地下水流動方向指向堆積體坡內),隨著庫水位上升速度的增大,在達到正常蓄水位2250m以前,堆積體瞬時浸潤線的反向滲透平均水力梯度隨時間增大和庫水位的升高呈逐漸增大趨勢,在達到正常蓄水位滯后,平均水力梯度隨著時間的增大逐漸降低。另外圖6還表明,2210m水位似乎是一個臨界水位,在達到此水位之前,水力梯度隨水位增長的速度較平緩,但超過該水位后,水力梯度隨水位進入陡增階段,并且水位上述速度越大,趨勢越明顯。處于2210m水位時,坡體浸水深度約位于坡高的1/3。2.2地下水在死水位之前的水力梯度變化從圖6~8所示水位下降過程中,隨著水位下降速度的變化,堆積地下水滲流特點可發現以下規律:1)水位下降過程中,受地下水滲流的相對滯后性影響,在達到設計死水位前,地下水瞬時浸潤線斜率(即水力梯度)一般呈逐漸增大特點,一旦達到設計死水位,隨著時間增長逐漸減小,直至形成穩定滲流場。2)從圖8所示的水位下降速度與瞬時浸潤線平均水力梯度曲線來看,并不是水位下降速度越大,坡體瞬時浸潤線水力梯度越大,而是存在一個臨界水位下降速度值,使得在不同水位條件下,瞬時浸潤線的水力梯度獲得最大值,從該堆積體來看,該水位下降速度臨界值為2m/d,超過該臨界值后,隨著水位下降速度的增大,平均水力梯度反而減小。3地下水水土流失對斜坡穩定性的影響水位變動期間,影響堆積體穩定性的因素多且復雜,如水位上升期間有庫水位以下坡體孔隙水壓力增大、水位以上地下水反向滲流、地下水位線抬升導致的巖土體強度降低等等;水位下降期間,有滲透壓力增大、地下水排出巖土體強度恢復、庫水位以下坡體孔隙水壓力降低等等。在這些因素中,有些對斜坡穩定有利,而有些則是不利的,水位變動期間斜坡穩定性狀況就是這些因素綜合作用的結果。根據對堆積體坡體結構特征的分析,結合穩定性計算結果表明,水位變動期間堆積體可能的失穩模式有兩種,一種是沿基覆界限整體滑移,一種是堆積體前緣出現局部失穩,據相關試驗成果,堆積體物理力學參數如表2所示。3.1水位上升過程中穩定性系數的變化從圖9、10可見,水位上升期間,當水位上升速度較小時,堆積體局部和整體穩定性系數都表現出先降低后升高,至最高水位達到最大值,而后又隨時間逐漸減小,而當水位上升速度較大時,穩定性系數一般表現為先升高,至最高水位達到最大值,而后隨時間減小,對于該堆積體而言,該臨界水位上升速度約3m/d。堆積體穩定性系數一般在最高水位形成穩定性滲流場后達到最小值,但當水位上升速度非常小時(<0.5m/d)堆積體前緣局部穩定性系數在蓄水至2210m左右取得最小值。圖11、12表明(計算結果為水位上升至不同水位時穩定性系數,不包括形成穩定性滲流期間穩定性系數的變化),在水位以較低速度(<3m/d)上升過程中,堆積體穩定性系數取得最小值的水位隨著水位上升速度減小逐漸增大。上述分析結果說明,水位上升速度較大對堆積體穩定性有利,過小的水位上述速度(<0.5m/d)更易導致堆積體前緣失穩。水位上升期間,當速度較大時,應注意蓄水初期的穩定性狀況,而速度較小時,堆積體在較高水位的穩定性狀況往往較差。3.2堆積體穩定性與水位的關系從水位下降至形成穩定性滲流場期間堆積體穩定性系數的變化來看(圖13、14),隨著水位下降,堆積體穩定性系數都表現出降低趨勢,且隨著下降速度的增大,穩定性系數下降越強烈,達到最低值后,隨著時間增長,堆積體穩定性系數逐漸回升。圖15、16所示的堆積體穩定性與水位關系曲線表明(計算結果為水位下降至不同水位時穩定性系數,不包括形成穩定性滲流期間穩定性系數的變化),水位下降過程中,普遍存在一中間水位取得堆積體穩定性系數的最小值,超過該水位后,隨著水位進一步下降,堆積體穩定性系數逐漸回升,僅當水位下降速度很小時(<0.5m/d),上述中間危險水位才會消失。并且隨著水位下降速度增大,堆積體穩定性系數取得最小值的水位逐漸降低?？傮w而言,水位下降速度增大對堆積體穩定性不利,水位下降速度由0.5m/d增大至5m/d,堆積體穩定性系數可降低15%~20%,堆積體穩定性系數最小值往往出現在水位下降至堆積體下部1/3~1/5坡高處。4水位下降過程中堆積體穩定性最小值采用有限元數值計算和剛體極限平衡分析相結合的方法,對瀾滄江某堆積體在水位變動期間的水位變動速度對穩定性的影響進行了初步探討,結果表明較大的水位上升速度對其穩定性有利,當速度較小時,水位上升過程中堆積存在危險水位,若水位上升速度過小(<0.5m/d),堆積體穩定性最小值并不是出現在最高水位處,而是出現在中間過程的2210m水位。較小的水位下