三峡库区典型土质岸坡稳定性分析

三峡库区典型土质岸坡稳定性分析

1水位下降的影响据不完全统计，库姆库175m水位范围内有190多条尺寸边坡，随时都在分布。特别是三峡水库运营过程中,库水位在145～175m间周期涨落时,库水位的周期性变化必将引起地下水位的波动,从而影响库区内岸坡的稳定性。三峡库区水位下降对滑坡稳定性的影响是当前滑坡研究领域十分重要的研究课题。目前对三峡库区岸坡渗流自由面变化规律研究较多。90年代毛昶熙、沙金煊提出求解水库水位下降时土坝中渗流自由面的位置;2004年郑颖人提出水库水位下降时坡体渗流自由面的理论解析方法,考虑到非饱和渗流场,并建立了求解数学物理方程。渗透系数对渗流自由面的影响程度大,渗流自由面变化直接影响岸坡饱和-非饱和区域,从而影响岸坡的稳定性。本文从水库水位降速、渗透系数和岸坡稳定系数着手,研究不同水位降速下,渗流特性对岸坡稳定性的影响。2地下水位的降低会导致水库边缘坡度的稳定地下水对土质岸坡稳定性的影响主要表现在以下3个方面。2.1潜在滑动面抗剪参数降低水库蓄水后,一方面岩土体饱和软化,由于水的润滑作用,土颗粒间的摩阻系数及胶结能力降低,边坡潜在滑动面抗剪参数降低,进而降低了坡体的抗剪力;另一方面,当水库运行时,库水位反复升降,使得坡体内出现循环的渗流作用,地下水渗流作用对坡体产生融滤作用,即细小颗粒在地下水的作用下发生运移,坡体出现侵蚀现象,坡体潜在滑动面出现细观或宏观上的孔穴,从而使得潜在滑动面的抗剪强度降低。2.2结晶、沉淀型地下水对岩土的化学性质劣化是溶解岩土体的矿物成分、胶结物或使某些成分结晶、沉淀,导致岩土的孔隙率、土颗粒的排列方式等微观结构发生变化,改变土质性状,使岩土体天然的强度、变形特性等发生变化,影响岸坡的稳定性。2.3临界应力强度因子岩土体中的地下水压力,主要表现水压力和渗透力,水压力作用效果使岸坡中结构面裂隙尖端的应力强度因子增加,当达到临界应力强度因子时,结构裂隙扩展、贯通,从而使结构面上的黏结面积减少,土体的抗滑力劣化,岸坡的稳定性降低;库岸边坡在库水位陡降时发生失稳破坏,除了因为土体由于浮托力消失而有效重度增加,导致坡体稳定性发生变化外,水位陡降引起岩土体内地下水渗流运动,产生渗透力是导致岸坡失稳的一个重要因素,见图1。3sini+dicosi-i+fi2i的物理意义岸坡稳定性计算有多种方法,如有限元、FLAC及极限平衡法等等,其中极限平衡法为最常用的方法,下面介绍极限平衡法中常用的不平衡推力法。见图2。假定条间的作用方向与上一条块的滑面方向平行,用图2中的Di取代土条中的水重及周边静水压力。由条块的静力平衡条件得:Ni=(w1i+w′2i)cosαi-Disin(αi-βi)+Fi-1sin(αi-1-αi)(1)Ti=(w1i+w′2i)sinαi+Dicos(αi-βi)+Fi-1cos(αi-1-αi)-Fi(2)由摩尔库仑准则得:Ti=[cili+Nitanφi]/Fs(3)由上面的等式可以得到:Fi=[(w1i+w′2i)sinαi+Dicos(αi-βi)]-{cili+[(w1i+w′2i)cosαi-Disin(αi-βi)]}/Fs+Fi-1[cos(αi-1-βi)-sin(αi-1-βi)tanφi/Fs](4)传递系数:λi-1=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi/Fs(5)可得到:Fi=[(w1i+w′2i)sinαi+Dicos(αi-βi)]-{cili+[(w1i+w′2i)cosαi-Disin(αi-βi)]}/Fs+Fi-1λi-1](6)式中,Di=γwhwiLicosαisinβi,其物理意义是土条中的水的重量乘以水力坡降sinβi,大小等于渗透压力;w1i为浸润线以上部分条块的重量,取天然重量;w′2i为浸润线以下的部分条块重量,取土条浮重。式(6)中右边第1项为本条下滑力,第2项为本条的抗滑力,第3项为上一条传下来的不平衡推力,对于第1条块,最后一项为0,用上述公式逐条计算,直到最后一条块的剩余下滑力为0,由此确定稳定性系数Fs。4在库水位下降期间，考虑到河岸走廊饱和非饱和流场值的模拟4.1持续增长速度下,岸坡渗透特征对稳定性的影响为了研究库水位下降对岸坡的渗流自由面变化情况和渗透系数对岸坡稳定性的影响,笔者结合三峡水库的典型土质岸坡、砂岩岸坡和泥岩岸坡为对象,设计库水位175m下降到145m,落差为30m,且分别假定在1、2和4个月期间下降,即降水速度分别为0.25、0.50和1m/d,以此来分析库水位下降速度下,岸坡渗透特征对稳定性的影响。计算中假定每种算例中岸坡土体的渗透系数是相同的,砂质和泥质岩岸坡的材料参数见表1,共选取了表2中的8种渗透系数,计算了土质岸坡在3种不同库水位下降速度下的渗流场,渗流场的计算步长为1d,计算时间分别为30、90和120d。4.2渗流自由面分析。在岸砂岩和泥岩坡体的渗透系数差异较大,水位下降时,砂岩岸坡和泥岩岸坡的渗流自由面都会随时间逐步降低。砂岩岸坡的渗流自由面变化快,因为砂岩的渗透系数大;渗透系数大的岸坡,坡内渗流自由面较平缓,而渗透系数小的岸坡,坡内渗流自由面呈上弯曲状。水位上升时,砂岩岸坡和泥岩岸坡的渗流自由面都随水位上升而上升,而岸坡都会出现“滞后现象”。由图3、图4可知,渗透系数不同,岸坡的滞后效应反应不同,其中砂岩岸坡滞后效应比泥岩岸坡偏弱。5坡体稳定性分析1)砂岩岸坡在不同的库水位下降速度下,渗透系数对岸坡稳定系数的影响曲线,见图5。2)泥岩岸坡在不同的库水位下降速度下,渗透系数对岸坡稳定系数的影响曲线,见图6。砂岩岸坡的透水性好,渗透系数大,水位降低时,坡内的水容易排出,渗流自由面基本上与坡外水位一致。岸坡在水位下降时,稳定系数一般都是“降低-平缓-再降低”的规律,从图5(a)和图5(b)可看出,在下降周期的1/3处,也就是岸坡高度的1/3左右,稳定系数开始有平缓的迹象,然后波动,直到最后的平衡。从图5(c)可见,岸坡的稳定系数一直下降,基本上看不出稳定系数曲线出现平缓状态,归咎原因是图5(c)坡外的水位降低得太快,且渗流自由面下降速度比坡外水位下降速度慢。坡内的水来不及排出坡外,致使滑坡含水量缓慢地减少,从而降低了孔隙中的基吸力大小,坡体孔隙水压力来不及消散同时减少有效主应力,影响滑坡的稳定性。所以图5(c)中的稳定系数普遍比图5(a)、图5(b)低些。不同的渗透系数,对坡体的稳定系数有一定的影响,见图5(c),渗透系数越大,稳定系数偏高,渗透系数越小稳定系数偏低。在水位骤降的工况中,岸坡的稳定系数降得很快,7d时间内稳定系数降低约20%。在7d以后渗透系数小的曲线斜率比渗透系数大的曲线斜率略大些,渗透系数减小则稳定系数的下降速率增大。但渗透系数对岸坡稳定系数影响有限的,从图5(a)和图5(b)可以看出,不同的水位下降速度和渗透系数下,岸坡的稳定系数曲线趋势基本上是一致的。水位降速小于0.5m/d左右,从计算结果可以看出坡内的自由水面与坡外水位步调相近,说明库水位没有骤降,岸坡稳定系数随水位逐步降低。总体来说,稳定系数分3阶段降低:第1阶段,迅速降低阶段,一般发生在前1/3周期时间;第2阶段,震荡阶段,安全降低较缓;最后阶段,平衡稳定阶段。泥岩岸坡的透水性差,渗透系数小,水位降低时,坡内的水不易排出,渗流自由面与坡外水位不同步,有明显的滞留效应。岸坡在水位下降时,稳定系数的变化规律是“降低-回升-再平缓”的规律,从图6(a)～图6(c)可以看出在库水位下降到一半的位置,稳定系数有明显的回升,这个趋势不同于砂岩的平缓下降。不同的水位下降速度下,泥岩岸坡稳定系数跟砂岩的稳定系数总体上相似:库水位降速越快,岸坡的稳定系数有所降低,但降幅不大。从图6(a)～图6(c)可见,渗透系数大的泥岩岸坡,稳定系数曲线的斜率较大。从砂岩岸坡和泥岩岸坡的曲线图比较可以看出,泥岩岸坡的稳定系数在各个阶段的斜率比砂岩岸坡稳定系数的斜率大,特别是水位开始降低的阶段,泥岩岸坡的斜率比砂岩岸坡大1倍多。由此可见,在库水位下降时,泥岩岸坡比砂岩岸坡不稳定,归咎其原因:除了泥岩和砂岩的c值和φ值不同外,泥岩的渗透系数普遍比砂岩小,水位骤降时,泥岩岸坡的孔隙水压力比砂岩岸坡难于消散,降低土体的有效应力,影响土体的抗剪强度,这也是一个重要原因。孔隙水压力没有及时消散时,则岸坡的岩土体抗剪强度为:τ=c+(σ-uw)tanφ′,抗剪强度减少量Δτ=uwtanφ′。式中,c为黏聚力;φ为内摩擦角;uw为孔隙水压力。6付款时1降低泥岩岸坡稳定系数随着岸坡渗透系数的减小,稳定系数下降得幅度越来越快。在