基于極限平衡法的水庫滑坡穩定性分析

1基于極限平衡法的穩定性評價在水庫運行過程中，水庫上游的洪水站不僅受到水庫調節水位的影響，而且上游浸泡在水中的部分成為水滴水體，其失穩概率在一定程度上增加，這不僅是因為滑動帶的巖石參數減少，水壓上升，還因為滑動帶的巖石壓力系統在傾斜滑動的山坡上浸泡。如長江支流青干河上千將坪滑坡(2003年7月13日)發生在三峽水庫蓄水43d后;2007年6月15日,當清江水布埡水庫蓄水至342m,庫區巴東縣清太平鎮發生了大堰塘滑坡。三峽水庫就有大量的涉水崩塌滑坡,其穩定性的變化與水下巖土體受力體系和穩定性的變化緊密相關。水對滑坡穩定性主要體現在3個方面,物理作用、化學作用以及力學作用(包括靜水壓力和動水壓力作用),這些作用導致巖土體的力學性質的改變和受力體系的改變,其中針對涉水滑坡的力學作用而言,主要為重力、動水壓力及靜水壓力的改變,水壓力及滲透力的考慮方面已有很多的研究成果。丁秀麗、莫偉偉等指出:周邊水壓力與滲透力之間的轉換關系交待不清,既考慮靜水壓力,又考慮滲透力,造成靜水壓力的重復計算是極限平衡法進行穩定性評價時存在的主要問題之一。極限平衡法中在水壓力的考慮方面可以概括為兩種方法:一種是把滑動土體中的土骨架作為研究對象,分析滑動土體中土骨架的力的平衡時考慮滲透力,重力采用浮重度計算;另一種是把土體(包括土骨架和孔隙中的流體)作為整體,對于每一個條塊考慮3邊(兩側及底邊)的靜水壓力,重力采用飽和重度計算。兩種計算方法的結果是等效的,滲透壓力(或動水壓力)與土條中的水重和周邊的靜水壓力是一對平衡力。以上這些成果基本上都是針對庫水位之上滑坡巖土體內存在浸潤線的情況,但對于滑坡巖土體位于庫水位以下,即水下滑體的水壓力計算探討較少。水庫庫岸涉水滑坡在水庫蓄水時總會有部分滑體或全部滑體浸沒在水下,水下滑體的水壓力計算是穩定性分析的重要組成部分。本文在分析極限平衡法中水上巖土體水壓力及滲透力計算研究成果的基礎上,通過水下滑體土條周邊水壓力分析,探討了傳力系數法中位于水下土條的抗滑力、下滑力及穩定性的計算方法。2土壤周圍水壓力分析2.1水下三角形土條在采用傳力系數法進行滑坡穩定性計算時,條分后條塊的形狀一般為四邊形,當對于滑坡最前緣的條塊和最后緣的條塊,其形狀往往為三角形,水下三角形土條的受力見圖1,以dc邊為滑面,以水平方面為x軸,以豎直方向為h軸,將土條周邊的水壓力沿豎直于dc方向進行分解,合力為S1:式中:rw為水的重度。上式經變形和幾何關系的轉化,可以得出:即:將土條周邊的水壓力沿平行于dc方向進行分解,合力為S2:上式經變形和幾何關系的轉化,可以得出:即:2.2土條周邊的水壓力和合水下四邊形土條的受力見圖2,以dc邊為滑面,以水平方面為x軸,以豎直方向為h軸,將土條周邊的水壓力沿豎直于dc方向進行分解,合力為S1:上式經變形和幾何關系的轉化,可以得出:即:將土條周邊的水壓力沿平行于dc方向進行分解,合力為S2:上式經變形和幾何關系的轉化,可以得出:即:3浮重力和滑面傾角對于水下滑體,不管是三角形土條,還是四邊形土條,以dc邊為滑面,以水平方面為x軸,以豎直方向為h軸,將作用在土條上的力沿豎直于dc和平行于dc方向進行分解:豎直于dc方向:平行于dc方向:上兩式中:W1為土條的飽和重力;N為dc面上的正壓力;T為dc面上的下滑力。根據式(4)、式(12)和式(17):根據式(8)、式(16)和式(18):式中:W2為土條浮重力(飽和重力與浮力之差)。根據式(19)和式(20),水下塊體受到的垂直于滑面方向的力和平行于滑面方向的力只與塊體浮重力和滑面傾角有關系,和塊體在水下的位置、庫水位的深淺及水壓力的大小沒有關系,只要其位于水位以下,所受合力不隨浸沒在水下深度的變化而變化。根據式(19),土條的抗滑力為:滑坡穩定性計算的傳力系數法穩定系數可表示為對于水下條塊,Ri和Ti可以分別用式(20)和式(21)來表示,其動水壓力為0,采用式(20)和式(21)進行穩定性計算時大大簡化了水壓力的計算。綜合以上計算,對于水下滑體或滑坡的水下部分,在利用傳力系數法求解穩定性計算中抗滑力和下滑力時,只需要將重力采用浮重度計算即可,不需要考慮頂面、底面和兩側面的靜水壓力或土條內的動水壓力。4重力和水下滑體模型(1)水庫庫岸涉水滑坡水庫運營過程中,會有部分滑體或全部滑體浸沒在水下,在采用傳力系數法進行滑坡穩定性計算時,水下土條的抗滑力和下滑力可以采用周邊水壓力進行計算,即三角形條塊要計算3邊水壓力,四邊形條塊要計算4邊水壓力,但此時必須將重力采用飽和重度進行計算,這種方法直觀明了,但計算過程非常復雜;另外一種方法只須將重力采用浮重度進行計算即可,無須考慮任何水壓力,這種方法非常簡單,建議在傳力系數法計算穩定性采用此法。兩種方法是完全等效的。(2)水下滑體抗滑力和下滑力計算結果與庫水位的深淺沒有關系,只要其位于水位以下,則抗滑力和下滑力不隨浸沒在水下深度的變化而變化。(3)針對水下三角形和四邊