三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位加卸載動(dòng)力作用規(guī)律研究

0庫(kù)水位變化對(duì)滑坡體穩(wěn)定性影響國(guó)內(nèi)外專家對(duì)水庫(kù)蓄水的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了大量的持續(xù)研究，取得了許多成果。如廖紅建等研究了庫(kù)水位下降對(duì)滑坡的作用規(guī)律,得到了庫(kù)水位下降速度和滲透系數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律;劉新喜、章廣成等對(duì)庫(kù)水位變動(dòng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究;GRIF-FITHS、鄭穎人等研究了庫(kù)水變動(dòng)下滑坡浸潤(rùn)線變化規(guī)律。庫(kù)水位對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性變化主要是由于庫(kù)水位在升降過(guò)程中對(duì)滑坡體產(chǎn)生加卸載作用,所以研究水位升降對(duì)滑坡的加卸載作用規(guī)律對(duì)滑坡的穩(wěn)定性研究有很大的意義。為此,本文以三峽庫(kù)區(qū)為背景,采用有限元分析軟件Geo-Slope,研究庫(kù)水位在145~175m之間漲落時(shí)滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律,探討水位升降速率、滲透特性、滑坡體形狀以及水位升降速率與滲透性系數(shù)之比即k/v比值,對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)岸坡穩(wěn)定性的研究有一定的參考意義。1影響滑動(dòng)穩(wěn)定性的因素分析1.1庫(kù)水對(duì)沉積層邊坡穩(wěn)定性的影響分析三峽工程修建后,庫(kù)水對(duì)坡體的穩(wěn)定性影響不可低估。庫(kù)水對(duì)岸坡的作用表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:浪蝕作用、流水作用、浮力減重、浸泡軟化作用。1.2穩(wěn)定性驗(yàn)算庫(kù)水主要是通過(guò)滲流對(duì)滑坡體強(qiáng)度和坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的作用來(lái)影響邊坡穩(wěn)定性的。由于堆積層滑坡的物質(zhì)組成比較特殊,具有較強(qiáng)的親水性,這就致使堆積層滑坡對(duì)地下水的作用比較敏感,所以對(duì)于該類滑坡來(lái)說(shuō),庫(kù)水位升降所形成的滲流場(chǎng)是一種極其復(fù)雜的水動(dòng)力條件。1.3堆積體的形狀堆積層滑坡的滑體為剛?cè)峤M合體,對(duì)于該類滑坡,滑體即是斜坡上部的堆積體,堆積體的形狀的不同對(duì)滑坡整體的穩(wěn)定性亦有不同的影響。坡體的厚度、長(zhǎng)度及坡角不同,在庫(kù)水作用下,滲透力不同,產(chǎn)生的孔隙水壓力不同,那么坡體的抗滑力及下滑力是不同的,所以,坡體形狀對(duì)滑坡的穩(wěn)定性有一定的影響。2堆積層滑坡體水岸結(jié)構(gòu)根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)堆積層滑坡的基本特征,本文建立的理論模型為雙層結(jié)構(gòu),且上層堆積物為等厚度坡體,剖面模型水平方向?yàn)閄方向,長(zhǎng)度為590m,豎直方向?yàn)閅方向,高度為330m。上層為淺層堆積物,下層為基巖面。坡外為動(dòng)態(tài)水庫(kù)水位,坡外庫(kù)水位在145~175m之間波動(dòng),根據(jù)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)多個(gè)典型堆積層滑坡體物理力學(xué)參數(shù)的對(duì)比分析,選取材料參數(shù)如表1所示,理論模型如圖1所示。邊坡的地下水位會(huì)隨水庫(kù)水位變化而發(fā)生改變,流量邊界條件即后部邊界條件,水頭邊界即前部與庫(kù)水位接觸的坡面邊界,計(jì)算水庫(kù)水位上升和下降兩種工況情況。建立理論模型見(jiàn)圖1。3堆積體飽和滲透系數(shù)k的變化對(duì)于三峽庫(kù)區(qū)非飽和滑坡體的土體物理性狀研究,借鑒諸多前輩對(duì)其已做出的研究,將工程類比法作為理論根據(jù),綜合類比千將坪、樹(shù)坪等堆積層滑坡的地質(zhì)情況,得出三峽庫(kù)區(qū)堆積體飽和滲透系數(shù)K的范圍,其在1×10-4m/s(即8.64m/d)與1×10-6m/s(即0.0864m/d)量級(jí)之間變化。調(diào)查研究三峽水庫(kù)的調(diào)度過(guò)程以及汛期水位變化情況,水位變化速率可取1m/d、2m/d、3m/d。3.1庫(kù)水位上升時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)隨立地時(shí)間的變化選取庫(kù)水位上升、下降速率分別為1m/d、2m/d、3m/d。飽和滲透系數(shù)取K=1×10-5m/s。模擬結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。從圖2、圖3可以看出,水位上升時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)是增大的,這是因?yàn)閹?kù)水位上升時(shí)坡體的下滑力減小,抗滑力相對(duì)增加。由于對(duì)邊坡施加一定的加載或卸載作用,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小或增大,那么反過(guò)來(lái),穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)增大趨勢(shì)反映了庫(kù)水位上升對(duì)邊坡來(lái)說(shuō)是卸載作用,而且上升速率越大,穩(wěn)定性系數(shù)的增大速率越小;水位下降時(shí),邊坡穩(wěn)定性系數(shù)呈減小趨勢(shì),分析其變化趨勢(shì)原因是庫(kù)水位下降坡體下滑力出現(xiàn)增大,抗滑力則相對(duì)減小,說(shuō)明庫(kù)水位下降對(duì)邊坡來(lái)說(shuō)是加載作用,而且下降速率越大,穩(wěn)定性系數(shù)減小速率越大。3.2分析結(jié)果分析選取飽和滲透系數(shù)分別為K=1×10-4m/s,K=1×10-5m/s,K=1×10-6m/s;庫(kù)水位上升、下降速率為1m/d,其他的參數(shù)不變,進(jìn)行研究。結(jié)果分析見(jiàn)圖4、圖5。將圖4與圖5進(jìn)行對(duì)比分析可得出,岸坡滲透特性不同會(huì)導(dǎo)致水位升降時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律不同。滲透性較小的,穩(wěn)定性系數(shù)與水位變化呈正比,即水位上升時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)增大,相當(dāng)于對(duì)岸坡進(jìn)行了卸載,水位下降時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)減小,相當(dāng)于對(duì)岸坡進(jìn)行了加載。相反,滲透性較大的岸坡在水位上升和下降情況下穩(wěn)定性系數(shù)有先減小后增大的趨勢(shì),因此存在一個(gè)最危險(xiǎn)水位,此時(shí)岸坡穩(wěn)定性系數(shù)最小。所以滲透性較大的滑坡,在水位上升或下降時(shí),都分別存在加載過(guò)程與卸載過(guò)程。3.3模擬分析結(jié)果選取堆積層坡體厚度分別為10m,30m,50m,飽和滲透系數(shù)取為K=1×10-5m/s,庫(kù)水位升降速率取1m/d,其他的參數(shù)不變,單獨(dú)改變坡體厚度,分別建立模型進(jìn)行分析研究。模擬分析結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。由圖6、圖7可知,當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí),坡體的下滑力減小,抗滑力相對(duì)增加,坡體的穩(wěn)定性系數(shù)呈上升趨勢(shì),對(duì)坡體相當(dāng)于一個(gè)卸載過(guò)程,而且坡體厚度越小對(duì)滑坡越有利。在整個(gè)下降過(guò)程中穩(wěn)定性系數(shù)呈下降規(guī)律,分析其變化趨勢(shì)原因是庫(kù)水位下降坡體下滑力出現(xiàn)增大,抗滑力則相對(duì)減小,該過(guò)程對(duì)于坡體的作用是一個(gè)加載的過(guò)程,且坡體厚度越大對(duì)滑坡越不利。而且對(duì)于滑坡來(lái)說(shuō),單獨(dú)坡厚的變化不會(huì)影響加卸載過(guò)程的劃分。3.4模型建立與分析選取坡體厚度為30m的淺層堆積層滑坡,飽和滲透系數(shù)取為K=1×10-5m/s,庫(kù)水位升降速率取1m/d,其他的參數(shù)不變,僅改變坡體的長(zhǎng)度,分別選取為150m,300m,450m,分別建立模型進(jìn)行研究。模擬分析結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。由圖8、圖9可知,不同的坡體長(zhǎng)度對(duì)岸坡的穩(wěn)定性的影響是不同的。當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí),坡體的下滑力減小,抗滑力相對(duì)增加,坡體的穩(wěn)定性系數(shù)呈增大趨勢(shì),坡體長(zhǎng)度越大對(duì)滑坡越有利;當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí),滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)是逐漸減小的,分析其出現(xiàn)減小趨勢(shì)的原因是庫(kù)水位下降坡體下滑力出現(xiàn)增大,抗滑力則相對(duì)減小,而且坡體長(zhǎng)度越小對(duì)滑坡的穩(wěn)定性越不利。庫(kù)水位上升過(guò)程對(duì)于滑坡體是一個(gè)卸載過(guò)程,水位下降對(duì)滑坡體是一個(gè)加載過(guò)程,而且單獨(dú)變化坡體長(zhǎng)度亦不能改變加卸載作用過(guò)程的劃分。3.5不同坡角的堆積層穩(wěn)定性選取坡體厚度為30m的淺層較緩堆積層滑坡,飽和滲透系數(shù)取為K=1×10-5m/s,庫(kù)水位升降速率取1m/d,其他的參數(shù)不變,僅改變坡角,分別選取為5°,15°,25°,分別建立模型進(jìn)行研究。模擬結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。由圖10、圖11可知,對(duì)于較緩的堆積層滑坡而言,庫(kù)水位上升時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)的變化呈增大趨勢(shì);庫(kù)水位下降時(shí),穩(wěn)定性系數(shù)先出現(xiàn)增大而后減小。所以,庫(kù)水位上升對(duì)于滑坡體是卸載過(guò)程,水位下降對(duì)滑坡體先起到卸載作用,后來(lái)是加載過(guò)程。3.6升降速率v比值對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響由以上各因素對(duì)滑坡體穩(wěn)定性影響分析的結(jié)果可知,水位升降速度、滲透性系數(shù)及坡角對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響比較大;滲透性系數(shù)k與水位升降速率v比值的不同對(duì)邊坡穩(wěn)定性有一定的影響即k/v<1、k/v=1和k/v>1情況下,坡角對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響不同。根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)的蓄水及運(yùn)行情況,水位升/降速率取為1m/d,選取滲透系數(shù)分別為0.5m/d、1m/d、1.5m/d,那么k/v比值分別為0.5、1和1.5;坡角分別取20°、25°、30°。分別對(duì)兩種因素進(jìn)行模擬分析,模擬結(jié)果見(jiàn)圖12~圖17。3.6.1庫(kù)水位上升過(guò)程中穩(wěn)定性系數(shù)的變化由圖12至圖14可看出,庫(kù)水位上升時(shí),當(dāng)k/v=0.5,滲透系數(shù)小于庫(kù)水位上升速率,坡內(nèi)地下水位滯后于庫(kù)水位的上升速率,這時(shí)岸坡受到向著坡內(nèi)的滲透壓力,庫(kù)水位上升越高,該滲透壓力越大,所以隨著庫(kù)水位的上升該岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)越來(lái)越大。在這種工況下,對(duì)坡體來(lái)講相當(dāng)于是一個(gè)卸載過(guò)程。當(dāng)k/v=1.5,滲透系數(shù)大于庫(kù)水位上升速率,坡體內(nèi)外水位基本持平,基質(zhì)吸力大幅度降低,水位上升初期,基質(zhì)吸力對(duì)岸坡穩(wěn)定的貢獻(xiàn)相對(duì)較少,而且滲透壓力幾乎為零。所以,庫(kù)水位上升初期,岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈下降趨勢(shì),此時(shí),庫(kù)水位對(duì)滑坡體來(lái)說(shuō)是加載過(guò)程。隨著庫(kù)水位繼續(xù)上升,浮力對(duì)岸坡穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用,岸坡穩(wěn)定性系數(shù)開(kāi)始緩慢增大,該階段庫(kù)水位對(duì)坡體是卸載作用。當(dāng)k/v=1,滲透系數(shù)等于庫(kù)水位上升速率,坡體內(nèi)外的水位基本持平,穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律與k/v=1.5情況下大致相同。3.6.2滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律由圖15至圖17可知,庫(kù)水位下降作用下,當(dāng)k/v=0.5時(shí),滲透系數(shù)小于庫(kù)水位的下降速率,坡內(nèi)水位的下降速率滯后于坡外水位的下降速率,隨坡外水位下降向坡外的滲透壓力逐漸增大,而且此時(shí)基質(zhì)吸力卻增加不多,所以坡體的穩(wěn)定性系數(shù)呈減小的規(guī)律,這個(gè)過(guò)程對(duì)滑坡體來(lái)說(shuō)是一個(gè)加載過(guò)程。當(dāng)k/v=1.5時(shí),滲透系數(shù)大于庫(kù)水位的下降速率,當(dāng)坡外水位下降時(shí),坡內(nèi)水位與庫(kù)水位下降基本同步,基質(zhì)吸力增大,但是坡體所受的浮力減小幅度也很大,此時(shí)浮力的貢獻(xiàn)較大,從而坡體穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)減小。這個(gè)過(guò)程對(duì)岸坡相當(dāng)于一個(gè)加載的過(guò)程。隨著水位繼續(xù)下降,基質(zhì)吸力對(duì)坡體穩(wěn)定起主要作用,穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大。這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)卸載的過(guò)程。所以,滑坡體的穩(wěn)定性系數(shù)呈先減小后增大的規(guī)律。當(dāng)k/v=1時(shí),滲透系數(shù)等于庫(kù)水位上升速率,坡體內(nèi)外的水位基本持平,穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律與k/v=1.5情況下大致相同。由圖12至圖17可看出,對(duì)于緩坡,坡角對(duì)滑坡體穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為坡角越大越不利于滑坡體的穩(wěn)定性。4水位上升穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)邊坡加載作用的影響通過(guò)數(shù)值模擬分析,得到了庫(kù)水位升降速率、滲透性系數(shù)、坡體厚度、坡體長(zhǎng)度以及坡角這幾個(gè)因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)的影響,以及庫(kù)水位升降過(guò)程中,對(duì)滑坡體的加卸載作用過(guò)程。從以上分析可以得出以下結(jié)論:(1)庫(kù)水位上升穩(wěn)定性系數(shù)增大,對(duì)邊坡來(lái)說(shuō)是卸載作用;庫(kù)水位下降穩(wěn)定性系數(shù)減小,對(duì)邊坡是加載作用。(2)滲透性較小的岸坡,其安全系數(shù)與水位的變化呈正比,也即水位上升