三峡库区库水位加卸载动力作用规律研究

三峡库区库水位加卸载动力作用规律研究

0库水位变化对滑坡体稳定性影响国内外专家对水库蓄水的风险进行了大量的持续研究，取得了许多成果。如廖红建等研究了库水位下降对滑坡的作用规律,得到了库水位下降速度和渗透系数对边坡稳定性的影响规律;刘新喜、章广成等对库水位变动对滑坡稳定性的影响进行了研究;GRIF-FITHS、郑颖人等研究了库水变动下滑坡浸润线变化规律。库水位对滑坡体的稳定性变化主要是由于库水位在升降过程中对滑坡体产生加卸载作用,所以研究水位升降对滑坡的加卸载作用规律对滑坡的稳定性研究有很大的意义。为此,本文以三峡库区为背景,采用有限元分析软件Geo-Slope,研究库水位在145~175m之间涨落时滑坡的稳定性变化规律,探讨水位升降速率、渗透特性、滑坡体形状以及水位升降速率与渗透性系数之比即k/v比值,对滑坡稳定性的影响,对岸坡稳定性的研究有一定的参考意义。1影响滑动稳定性的因素分析1.1库水对沉积层边坡稳定性的影响分析三峡工程修建后,库水对坡体的稳定性影响不可低估。库水对岸坡的作用表现在以下四个方面:浪蚀作用、流水作用、浮力减重、浸泡软化作用。1.2稳定性验算库水主要是通过渗流对滑坡体强度和坡体内应力场的作用来影响边坡稳定性的。由于堆积层滑坡的物质组成比较特殊,具有较强的亲水性,这就致使堆积层滑坡对地下水的作用比较敏感,所以对于该类滑坡来说,库水位升降所形成的渗流场是一种极其复杂的水动力条件。1.3堆积体的形状堆积层滑坡的滑体为刚柔组合体,对于该类滑坡,滑体即是斜坡上部的堆积体,堆积体的形状的不同对滑坡整体的稳定性亦有不同的影响。坡体的厚度、长度及坡角不同,在库水作用下,渗透力不同,产生的孔隙水压力不同,那么坡体的抗滑力及下滑力是不同的,所以,坡体形状对滑坡的稳定性有一定的影响。2堆积层滑坡体水岸结构根据三峡库区堆积层滑坡的基本特征,本文建立的理论模型为双层结构,且上层堆积物为等厚度坡体,剖面模型水平方向为X方向,长度为590m,竖直方向为Y方向,高度为330m。上层为浅层堆积物,下层为基岩面。坡外为动态水库水位,坡外库水位在145~175m之间波动,根据对三峡库区多个典型堆积层滑坡体物理力学参数的对比分析,选取材料参数如表1所示,理论模型如图1所示。边坡的地下水位会随水库水位变化而发生改变,流量边界条件即后部边界条件,水头边界即前部与库水位接触的坡面边界,计算水库水位上升和下降两种工况情况。建立理论模型见图1。3堆积体饱和渗透系数k的变化对于三峡库区非饱和滑坡体的土体物理性状研究,借鉴诸多前辈对其已做出的研究,将工程类比法作为理论根据,综合类比千将坪、树坪等堆积层滑坡的地质情况,得出三峡库区堆积体饱和渗透系数K的范围,其在1×10-4m/s(即8.64m/d)与1×10-6m/s(即0.0864m/d)量级之间变化。调查研究三峡水库的调度过程以及汛期水位变化情况,水位变化速率可取1m/d、2m/d、3m/d。3.1库水位上升时,稳定性系数随立地时间的变化选取库水位上升、下降速率分别为1m/d、2m/d、3m/d。饱和渗透系数取K=1×10-5m/s。模拟结果见图2、图3。从图2、图3可以看出,水位上升时,稳定性系数是增大的,这是因为库水位上升时坡体的下滑力减小,抗滑力相对增加。由于对边坡施加一定的加载或卸载作用,导致边坡稳定性系数减小或增大,那么反过来,稳定性系数出现增大趋势反映了库水位上升对边坡来说是卸载作用,而且上升速率越大,稳定性系数的增大速率越小;水位下降时,边坡稳定性系数呈减小趋势,分析其变化趋势原因是库水位下降坡体下滑力出现增大,抗滑力则相对减小,说明库水位下降对边坡来说是加载作用,而且下降速率越大,稳定性系数减小速率越大。3.2分析结果分析选取饱和渗透系数分别为K=1×10-4m/s,K=1×10-5m/s,K=1×10-6m/s;库水位上升、下降速率为1m/d,其他的参数不变,进行研究。结果分析见图4、图5。将图4与图5进行对比分析可得出,岸坡渗透特性不同会导致水位升降时其稳定系数的变化规律不同。渗透性较小的,稳定性系数与水位变化呈正比,即水位上升时稳定性系数增大,相当于对岸坡进行了卸载,水位下降时稳定性系数减小,相当于对岸坡进行了加载。相反,渗透性较大的岸坡在水位上升和下降情况下稳定性系数有先减小后增大的趋势,因此存在一个最危险水位,此时岸坡稳定性系数最小。所以渗透性较大的滑坡,在水位上升或下降时,都分别存在加载过程与卸载过程。3.3模拟分析结果选取堆积层坡体厚度分别为10m,30m,50m,饱和渗透系数取为K=1×10-5m/s,库水位升降速率取1m/d,其他的参数不变,单独改变坡体厚度,分别建立模型进行分析研究。模拟分析结果见图6、图7。由图6、图7可知,当库水位上升时,坡体的下滑力减小,抗滑力相对增加,坡体的稳定性系数呈上升趋势,对坡体相当于一个卸载过程,而且坡体厚度越小对滑坡越有利。在整个下降过程中稳定性系数呈下降规律,分析其变化趋势原因是库水位下降坡体下滑力出现增大,抗滑力则相对减小,该过程对于坡体的作用是一个加载的过程,且坡体厚度越大对滑坡越不利。而且对于滑坡来说,单独坡厚的变化不会影响加卸载过程的划分。3.4模型建立与分析选取坡体厚度为30m的浅层堆积层滑坡,饱和渗透系数取为K=1×10-5m/s,库水位升降速率取1m/d,其他的参数不变,仅改变坡体的长度,分别选取为150m,300m,450m,分别建立模型进行研究。模拟分析结果见图8、图9。由图8、图9可知,不同的坡体长度对岸坡的稳定性的影响是不同的。当库水位上升时,坡体的下滑力减小,抗滑力相对增加,坡体的稳定性系数呈增大趋势,坡体长度越大对滑坡越有利;当库水位下降时,滑坡体的稳定性系数是逐渐减小的,分析其出现减小趋势的原因是库水位下降坡体下滑力出现增大,抗滑力则相对减小,而且坡体长度越小对滑坡的稳定性越不利。库水位上升过程对于滑坡体是一个卸载过程,水位下降对滑坡体是一个加载过程,而且单独变化坡体长度亦不能改变加卸载作用过程的划分。3.5不同坡角的堆积层稳定性选取坡体厚度为30m的浅层较缓堆积层滑坡,饱和渗透系数取为K=1×10-5m/s,库水位升降速率取1m/d,其他的参数不变,仅改变坡角,分别选取为5°,15°,25°,分别建立模型进行研究。模拟结果见图10、图11。由图10、图11可知,对于较缓的堆积层滑坡而言,库水位上升时,稳定性系数的变化呈增大趋势;库水位下降时,稳定性系数先出现增大而后减小。所以,库水位上升对于滑坡体是卸载过程,水位下降对滑坡体先起到卸载作用,后来是加载过程。3.6升降速率v比值对边坡稳定性的影响由以上各因素对滑坡体稳定性影响分析的结果可知,水位升降速度、渗透性系数及坡角对滑坡体稳定性的影响比较大;渗透性系数k与水位升降速率v比值的不同对边坡稳定性有一定的影响即k/v<1、k/v=1和k/v>1情况下,坡角对滑坡的稳定性影响不同。根据三峡库区水库的蓄水及运行情况,水位升/降速率取为1m/d,选取渗透系数分别为0.5m/d、1m/d、1.5m/d,那么k/v比值分别为0.5、1和1.5;坡角分别取20°、25°、30°。分别对两种因素进行模拟分析,模拟结果见图12~图17。3.6.1库水位上升过程中稳定性系数的变化由图12至图14可看出,库水位上升时,当k/v=0.5,渗透系数小于库水位上升速率,坡内地下水位滞后于库水位的上升速率,这时岸坡受到向着坡内的渗透压力,库水位上升越高,该渗透压力越大,所以随着库水位的上升该岸坡的稳定性系数越来越大。在这种工况下,对坡体来讲相当于是一个卸载过程。当k/v=1.5,渗透系数大于库水位上升速率,坡体内外水位基本持平,基质吸力大幅度降低,水位上升初期,基质吸力对岸坡稳定的贡献相对较少,而且渗透压力几乎为零。所以,库水位上升初期,岸坡的稳定性系数呈下降趋势,此时,库水位对滑坡体来说是加载过程。随着库水位继续上升,浮力对岸坡稳定性起主导作用,岸坡稳定性系数开始缓慢增大,该阶段库水位对坡体是卸载作用。当k/v=1,渗透系数等于库水位上升速率,坡体内外的水位基本持平,稳定性系数的变化规律与k/v=1.5情况下大致相同。3.6.2滑坡体稳定性系数的变化规律由图15至图17可知,库水位下降作用下,当k/v=0.5时,渗透系数小于库水位的下降速率,坡内水位的下降速率滞后于坡外水位的下降速率,随坡外水位下降向坡外的渗透压力逐渐增大,而且此时基质吸力却增加不多,所以坡体的稳定性系数呈减小的规律,这个过程对滑坡体来说是一个加载过程。当k/v=1.5时,渗透系数大于库水位的下降速率,当坡外水位下降时,坡内水位与库水位下降基本同步,基质吸力增大,但是坡体所受的浮力减小幅度也很大,此时浮力的贡献较大,从而坡体稳定性系数相应减小。这个过程对岸坡相当于一个加载的过程。随着水位继续下降,基质吸力对坡体稳定起主要作用,稳定性系数逐渐增大。这个过程相当于一个卸载的过程。所以,滑坡体的稳定性系数呈先减小后增大的规律。当k/v=1时,渗透系数等于库水位上升速率,坡体内外的水位基本持平,稳定性系数的变化规律与k/v=1.5情况下大致相同。由图12至图17可看出,对于缓坡,坡角对滑坡体稳定性的影响表现为坡角越大越不利于滑坡体的稳定性。4水位上升稳定性系数对边坡加载作用的影响通过数值模拟分析,得到了库水位升降速率、渗透性系数、坡体厚度、坡体长度以及坡角这几个因素对滑坡稳定性系数的影响,以及库水位升降过程中,对滑坡体的加卸载作用过程。从以上分析可以得出以下结论:(1)库水位上升稳定性系数增大,对边坡来说是卸载作用;库水位下降稳定性系数减小,对边坡是加载作用。(2)渗透性较小的岸坡,其安全系数与水位的变化呈正比,也即水位上升