不同降雨条件下刘家垅水库边坡的稳定性研究

2022-11-28曹永宏

河南水利与南水北调 2022年10期

关键词：吸力安全系数孔隙

曹永宏

（濂溪区水利局，江西九江 332001）

1 引言

文章采用现场调查以及降雨实时监测数据联合数值有限元开展研究，详细地分析了不同工况下的降水条件对土体孔隙水压和入渗规律，进一步得到了边坡的破坏特征。

2 工程概况及研究方法

2.1 工程概况

刘家垅水库坐落于九江市濂溪区莲花镇谭畈村，大坝所处地理位置东经116°01'45″，北纬29°39'15″，距九江市区8.70 km，属长江流域八里湖水系沙河支流，亚热带潮湿天气亚热带季风气候区，夏季湿热多雨，冬季风寒天冷。年均气温16.90 °C；年平均相对湿度80%；年平均蒸发量为1195 mm；多年平均最大风速15.0 m/s，风向多为东北风；年均降水量为1 412.40 mm，年日照时数1 939.70 h，年无霜期227-298 d。

刘家垅水库总库容41×104m3，工程等别为Ⅴ等，永久性主要建筑物为5级，次要建筑物属5级。设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200 年一遇。水库正常蓄水位103.00 m（黄海高程，下同），设计洪水位104.50 m（P=5%），校核洪水位105.20 m（P=0.50%），总库容41×104 m3。（均为本次设计复核成果）设计灌溉面积67 hm2，实际灌溉面积60.30 hm2，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、供水等综合效益的小⑵型水库。所研究的水利边坡位于水库周边，为三级高边坡，边坡高为30 m，坡度均约为45°，其中第一级、第二级和第三级边坡高度分别为6、10和14 m。研究区地处沟谷区，强降水多集中于夏季，并可能进一步导致边坡的失稳破坏。

2.2 研究方法

研究区春季少雨干旱，夏季多雨湿润，根据历史统计数据（1954-1990年），研究区1-6 月份占全年雨量的23.50%，7-9月份占全年雨量的62.40%。年降水量大于600 mm 以上时间占27. 90%，最大日降雨量可达97.50mm。与实际情况更为接近，文章根据研究区50 年降水情况和考虑近些年极端暴雨天气，分别模拟计算不同降水强度下的雨水入渗规律以及边坡在不同降水条件下的稳定性，具体模拟工况如表1所示。

表1 边坡计算工况表

文章采用PLAXIS将非饱和土渗流计算与应力计算进行耦合，建立边坡三维模型。数值模拟中关于土体计算参数和本构模型见表2。

表2 土层计算参数表

模型边界条件为：两侧法向约束，底部边界全约束。模拟时，假定基质吸力在水面以上一定范围内呈线性分布，为了与实际相结合，再向上则基质吸力保持不变。

3 理论研究基础

3.1 水土特征曲线

在饱和-非饱和渗流中，水土特征曲线通常用来确定土体的渗透系数和基质吸力之间的关系。该曲线一般通过Van Genuchgen确定：

式（1）（2）中：为孔隙气压力和孔隙水压力分别用ua和uw表示；θr和θw分别代表残余体积含水量和体积含水量；θs为饱和体积含水量；ψ和ks分别代表土体的基质吸力和饱和渗透系数；m、n、α为待定参数；Sr和kr分别代表饱和度和相对渗透系数；其中素填土的渗透性函数与土水特征曲线如图1所示。

图1 素填土的渗透性函数和土水特征曲线图

3.2 强度折减理论

采用目前比较成熟的强度折减理论进行计算。强度折减理论的基本思想是通过降低土体的抗剪强度（如内摩擦角和内聚力）直至边坡发生破坏为止。通常，安全系数定义为土体的实际抗剪强度与破坏时抗剪强度的比值：

式中：cm为土体折减后的黏聚；φm土体折减后的内摩擦角；c为土体折减前黏聚力；φ土体折减前的内摩擦角；Fr为边坡的安全系数。

4 计算结果与分析

4.1 不同降雨条件下孔隙水压力的变化

图2 得到了不同降水强度下降水入渗深度下边坡负孔隙水压力的变化规律，结果表明，不同工况下的负孔隙水水压力随时间变化规律基本相同，但不同的降水强度在不同深度处的最大孔隙水压了达到峰值所用的时间不同。在降水强度为50 mm下，表面达到最大孔隙水压力需要1.10 d，而增大降水强度至100 mm时，仅需半天即可达到最大。在日降水强度分别为75 mm和100 mm 下，孔隙水压力由负值变为正值，即降水强度达到某一数值时，边坡可能出现暂态积水。此时土体体积含水率迅速增加，渗透系数同时也增大。此外，不同降水条件下土体的入渗规律表明，入渗速度随降水强度的增大而增大。在降水50 mm 时，10 d 的降水影响深度为4 m，增大至100 mm 时，10 d 入渗深度达到10 m。这可表明，增大降雨强度会增加雨水入渗的深度。

图2 不同降雨强度下孔压变化图

4.2 相同降雨强度下孔隙水压力分析

图3 结果表明，降水强度不变时，雨水入渗土体的速率越来越小。在降水50 mm 时，雨水入渗1.00 m 所耗费的时间为1.10 d，而入渗至2 m 时需耗费2.20 d，入渗至3 m 时需要3.80 d。可见随入渗深度增大，雨水入渗相同距离所需时间变长。这主要是由于在雨水入渗过程中，一部分雨水会被土颗粒拦截阻挡，这会导致土体的负孔隙水压力与未降水时不同。与此同时，随着下渗量不断减小，负孔隙水压力增速变小。因此，相同降水强度条件下，雨水入渗相同的时间所耗费的时间变长。

4.3 不同降雨时间下边坡的破坏分析

选取降水强度为100 mm下的边坡破坏形式进行分析，强度折减计算结果表明，降水发生的第一天，边坡的破坏最开始发生于表面的下级，与此同时产生潜在滑动面，随着降水进一步增加，变形逐渐向内部扩展，且滑面逐渐向上一级发展。至降水第3 d后，边皮形成贯通滑裂面。降水停止后，随着时间增加，雨水入渗深度进一步增加，滑面仍然向深部扩展，边坡的破坏形式逐渐由浅层破坏转变为深层破坏。究其原因主要是在随着降水持续进行，边坡土体含水率逐渐增大，导致土体基质吸力下降，同时降低了土体的力学参数。随着降水和时间的增大，逐渐形成贯通滑裂面。降水停止后，入渗深度进一步增大，下渗土体基质吸力锦衣降低，因此导致滑裂面向深处扩展贯通。

4.4 边坡稳定性分析

图3汇总得到采用强度折减法的边坡稳定性系数与时间的关系。可以看出在不同日降水条件下，稳定性系数会随时间变化规律基本相同，均是先减小后增大。相同降水工况下，雨水入渗导致边坡土体基质吸力降低，造成边坡的稳定性降低。在降水结束后，部分雨水通过土体孔隙排水，此时土体强度有所恢复，进一步提高了边坡稳定性。以降水强度50 mm为例，日降水75 mm时边坡的安全系数比日降水量50 mm减小幅度增大了12.30%。而日降水量100 mm时边坡的安全系数比日降水量安全系数减小幅度增大了27.80%。因此，降水强度会大大影响边坡安全系数。降水强度越大，安全系数减小越大。在降水阶段，边坡的破坏形式易发生浅表层破坏，当降水结束后，随雨水进一步入渗，边坡的潜在滑动门进一步向下发展，但边坡安全系数有所增加。可见在降水阶段内浅层滑坡最容易发生。