三峽庫區(qū)庫水位加卸載動力作用規(guī)律研究

三峽庫區(qū)庫水位加卸載動力作用規(guī)律研究

0庫水位變化對滑坡體穩(wěn)定性影響國內外專家對水庫蓄水的風險進行了大量的持續(xù)研究，取得了許多成果。如廖紅建等研究了庫水位下降對滑坡的作用規(guī)律,得到了庫水位下降速度和滲透系數對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律;劉新喜、章廣成等對庫水位變動對滑坡穩(wěn)定性的影響進行了研究;GRIF-FITHS、鄭穎人等研究了庫水變動下滑坡浸潤線變化規(guī)律。庫水位對滑坡體的穩(wěn)定性變化主要是由于庫水位在升降過程中對滑坡體產生加卸載作用,所以研究水位升降對滑坡的加卸載作用規(guī)律對滑坡的穩(wěn)定性研究有很大的意義。為此,本文以三峽庫區(qū)為背景,采用有限元分析軟件Geo-Slope,研究庫水位在145~175m之間漲落時滑坡的穩(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之比即k/v比值,對滑坡穩(wěn)定性的影響,對岸坡穩(wěn)定性的研究有一定的參考意義。1影響滑動穩(wěn)定性的因素分析1.1庫水對沉積層邊坡穩(wěn)定性的影響分析三峽工程修建后,庫水對坡體的穩(wěn)定性影響不可低估。庫水對岸坡的作用表現在以下四個方面:浪蝕作用、流水作用、浮力減重、浸泡軟化作用。1.2穩(wěn)定性驗算庫水主要是通過滲流對滑坡體強度和坡體內應力場的作用來影響邊坡穩(wěn)定性的。由于堆積層滑坡的物質組成比較特殊,具有較強的親水性,這就致使堆積層滑坡對地下水的作用比較敏感,所以對于該類滑坡來說,庫水位升降所形成的滲流場是一種極其復雜的水動力條件。1.3堆積體的形狀堆積層滑坡的滑體為剛柔組合體,對于該類滑坡,滑體即是斜坡上部的堆積體,堆積體的形狀的不同對滑坡整體的穩(wěn)定性亦有不同的影響。坡體的厚度、長度及坡角不同,在庫水作用下,滲透力不同,產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,坡體形狀對滑坡的穩(wěn)定性有一定的影響。2堆積層滑坡體水岸結構根據三峽庫區(qū)堆積層滑坡的基本特征,本文建立的理論模型為雙層結構,且上層堆積物為等厚度坡體,剖面模型水平方向為X方向,長度為590m,豎直方向為Y方向,高度為330m。上層為淺層堆積物,下層為基巖面。坡外為動態(tài)水庫水位,坡外庫水位在145~175m之間波動,根據對三峽庫區(qū)多個典型堆積層滑坡體物理力學參數的對比分析,選取材料參數如表1所示,理論模型如圖1所示。邊坡的地下水位會隨水庫水位變化而發(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水位接觸的坡面邊界,計算水庫水位上升和下降兩種工況情況。建立理論模型見圖1。3堆積體飽和滲透系數k的變化對于三峽庫區(qū)非飽和滑坡體的土體物理性狀研究,借鑒諸多前輩對其已做出的研究,將工程類比法作為理論根據,綜合類比千將坪、樹坪等堆積層滑坡的地質情況,得出三峽庫區(qū)堆積體飽和滲透系數K的范圍,其在1×10-4m/s(即8.64m/d)與1×10-6m/s(即0.0864m/d)量級之間變化。調查研究三峽水庫的調度過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庫水位上升時,穩(wěn)定性系數隨立地時間的變化選取庫水位上升、下降速率分別為1m/d、2m/d、3m/d。飽和滲透系數取K=1×10-5m/s。模擬結果見圖2、圖3。從圖2、圖3可以看出,水位上升時,穩(wěn)定性系數是增大的,這是因為庫水位上升時坡體的下滑力減小,抗滑力相對增加。由于對邊坡施加一定的加載或卸載作用,導致邊坡穩(wěn)定性系數減小或增大,那么反過來,穩(wěn)定性系數出現增大趨勢反映了庫水位上升對邊坡來說是卸載作用,而且上升速率越大,穩(wěn)定性系數的增大速率越小;水位下降時,邊坡穩(wěn)定性系數呈減小趨勢,分析其變化趨勢原因是庫水位下降坡體下滑力出現增大,抗滑力則相對減小,說明庫水位下降對邊坡來說是加載作用,而且下降速率越大,穩(wěn)定性系數減小速率越大。3.2分析結果分析選取飽和滲透系數分別為K=1×10-4m/s,K=1×10-5m/s,K=1×10-6m/s;庫水位上升、下降速率為1m/d,其他的參數不變,進行研究。結果分析見圖4、圖5。將圖4與圖5進行對比分析可得出,岸坡滲透特性不同會導致水位升降時其穩(wěn)定系數的變化規(guī)律不同。滲透性較小的,穩(wěn)定性系數與水位變化呈正比,即水位上升時穩(wěn)定性系數增大,相當于對岸坡進行了卸載,水位下降時穩(wěn)定性系數減小,相當于對岸坡進行了加載。相反,滲透性較大的岸坡在水位上升和下降情況下穩(wěn)定性系數有先減小后增大的趨勢,因此存在一個最危險水位,此時岸坡穩(wěn)定性系數最小。所以滲透性較大的滑坡,在水位上升或下降時,都分別存在加載過程與卸載過程。3.3模擬分析結果選取堆積層坡體厚度分別為10m,30m,50m,飽和滲透系數取為K=1×10-5m/s,庫水位升降速率取1m/d,其他的參數不變,單獨改變坡體厚度,分別建立模型進行分析研究。模擬分析結果見圖6、圖7。由圖6、圖7可知,當庫水位上升時,坡體的下滑力減小,抗滑力相對增加,坡體的穩(wěn)定性系數呈上升趨勢,對坡體相當于一個卸載過程,而且坡體厚度越小對滑坡越有利。在整個下降過程中穩(wěn)定性系數呈下降規(guī)律,分析其變化趨勢原因是庫水位下降坡體下滑力出現增大,抗滑力則相對減小,該過程對于坡體的作用是一個加載的過程,且坡體厚度越大對滑坡越不利。而且對于滑坡來說,單獨坡厚的變化不會影響加卸載過程的劃分。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,飽和滲透系數取為K=1×10-5m/s,庫水位升降速率取1m/d,其他的參數不變,僅改變坡體的長度,分別選取為150m,300m,450m,分別建立模型進行研究。模擬分析結果見圖8、圖9。由圖8、圖9可知,不同的坡體長度對岸坡的穩(wěn)定性的影響是不同的。當庫水位上升時,坡體的下滑力減小,抗滑力相對增加,坡體的穩(wěn)定性系數呈增大趨勢,坡體長度越大對滑坡越有利;當庫水位下降時,滑坡體的穩(wěn)定性系數是逐漸減小的,分析其出現減小趨勢的原因是庫水位下降坡體下滑力出現增大,抗滑力則相對減小,而且坡體長度越小對滑坡的穩(wěn)定性越不利。庫水位上升過程對于滑坡體是一個卸載過程,水位下降對滑坡體是一個加載過程,而且單獨變化坡體長度亦不能改變加卸載作用過程的劃分。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,飽和滲透系數取為K=1×10-5m/s,庫水位升降速率取1m/d,其他的參數不變,僅改變坡角,分別選取為5°,15°,25°,分別建立模型進行研究。模擬結果見圖10、圖11。由圖10、圖11可知,對于較緩的堆積層滑坡而言,庫水位上升時,穩(wěn)定性系數的變化呈增大趨勢;庫水位下降時,穩(wěn)定性系數先出現增大而后減小。所以,庫水位上升對于滑坡體是卸載過程,水位下降對滑坡體先起到卸載作用,后來是加載過程。3.6升降速率v比值對邊坡穩(wěn)定性的影響由以上各因素對滑坡體穩(wěn)定性影響分析的結果可知,水位升降速度、滲透性系數及坡角對滑坡體穩(wěn)定性的影響比較大;滲透性系數k與水位升降速率v比值的不同對邊坡穩(wěn)定性有一定的影響即k/v<1、k/v=1和k/v>1情況下,坡角對滑坡的穩(wěn)定性影響不同。根據三峽庫區(qū)水庫的蓄水及運行情況,水位升/降速率取為1m/d,選取滲透系數分別為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°。分別對兩種因素進行模擬分析,模擬結果見圖12~圖17。3.6.1庫水位上升過程中穩(wěn)定性系數的變化由圖12至圖14可看出,庫水位上升時,當k/v=0.5,滲透系數小于庫水位上升速率,坡內地下水位滯后于庫水位的上升速率,這時岸坡受到向著坡內的滲透壓力,庫水位上升越高,該滲透壓力越大,所以隨著庫水位的上升該岸坡的穩(wěn)定性系數越來越大。在這種工況下,對坡體來講相當于是一個卸載過程。當k/v=1.5,滲透系數大于庫水位上升速率,坡體內外水位基本持平,基質吸力大幅度降低,水位上升初期,基質吸力對岸坡穩(wěn)定的貢獻相對較少,而且滲透壓力幾乎為零。所以,庫水位上升初期,岸坡的穩(wěn)定性系數呈下降趨勢,此時,庫水位對滑坡體來說是加載過程。隨著庫水位繼續(xù)上升,浮力對岸坡穩(wěn)定性起主導作用,岸坡穩(wěn)定性系數開始緩慢增大,該階段庫水位對坡體是卸載作用。當k/v=1,滲透系數等于庫水位上升速率,坡體內外的水位基本持平,穩(wěn)定性系數的變化規(guī)律與k/v=1.5情況下大致相同。3.6.2滑坡體穩(wěn)定性系數的變化規(guī)律由圖15至圖17可知,庫水位下降作用下,當k/v=0.5時,滲透系數小于庫水位的下降速率,坡內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,而且此時基質吸力卻增加不多,所以坡體的穩(wěn)定性系數呈減小的規(guī)律,這個過程對滑坡體來說是一個加載過程。當k/v=1.5時,滲透系數大于庫水位的下降速率,當坡外水位下降時,坡內水位與庫水位下降基本同步,基質吸力增大,但是坡體所受的浮力減小幅度也很大,此時浮力的貢獻較大,從而坡體穩(wěn)定性系數相應減小。這個過程對岸坡相當于一個加載的過程。隨著水位繼續(xù)下降,基質吸力對坡體穩(wěn)定起主要作用,穩(wěn)定性系數逐漸增大。這個過程相當于一個卸載的過程。所以,滑坡體的穩(wěn)定性系數呈先減小后增大的規(guī)律。當k/v=1時,滲透系數等于庫水位上升速率,坡體內外的水位基本持平,穩(wěn)定性系數的變化規(guī)律與k/v=1.5情況下大致相同。由圖12至圖17可看出,對于緩坡,坡角對滑坡體穩(wěn)定性的影響表現為坡角越大越不利于滑坡體的穩(wěn)定性。4水位上升穩(wěn)定性系數對邊坡加載作用的影響通過數值模擬分析,得到了庫水位升降速率、滲透性系數、坡體厚度、坡體長度以及坡角這幾個因素對滑坡穩(wěn)定性系數的影響,以及庫水位升降過程中,對滑坡體的加卸載作用過程。從以上分析可以得出以下結論:(1)庫水位上升穩(wěn)定性系數增大,對邊坡來說是卸載作用;庫水位下降穩(wěn)定性系數減小,對邊坡是加載作用。(2)滲透性較小的岸坡,其安全系數與水位的變化呈正比,也即水位上升