水库滑坡变形特征的数值分析
时间：2023-03-10 11:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
付传林
(青海省海晏县农牧水利综合服务中心，青海 海晏 812299)
随着我国经济的飞速发展，对基础建设的要求日益增高，其中对于水库滑坡的相关要求也越来越高。水库滑坡不同于普通山体滑坡，其极易受到水位波动的影响，但由于水库滑坡的特殊性与广泛性，水库滑坡的变形特征成为亟待解决的难题。
为此，许多学者针对水库滑坡变形特征进行了研究。郑莉等[1]通过实验室模拟室外滑坡，研究水库滑坡在冲击力作用下的变化特征，揭示水库滑坡压力类型、作用特点及分布情况。朱致远等[2]以工程实践为例，通过室内模拟滑坡渗流场，对滑坡稳定性系数进行计算，并对其稳定性影响进行分析。丁志洋等[3]以实际水库滑坡工程为例，对滑坡渗流场进行模拟，分析不同条件下滑坡稳定性的影响。张国荣等[4]根据资料计算和实地考察，分析高水位下反滤棱体出现堵塞现象原因。黄宇云等[5]基于工程实例，通过数值模拟，分析水库滑坡横断面形态和入水角度的影响。姚纪华等[6]以某水库滑坡群为研究对象，利用遥感技术对水库滑坡群进行调查、监测和风险评估。周桂云[7]基于数值模拟，建立滑坡涌浪数值模型，通过控制方程对模型进行求解与验证。范志强等[8]通过对黄土滑坡滑带土进行环剪试验，得出其基本力学特征，探讨在不同工况下，临滑强度不同的原因。
综上可知，虽然我国对于水库滑坡变形特征进行了许多研究，但由于水位会发生波动，由此改变水力边界条件，从而引起坡体内渗流场的非稳定渗流，使得传统方法难以得出其变化规律。因此，本文基于有限元数值模拟，进行边坡稳定性动态模拟分析、滑坡变形破坏特征定量研究分析和渗透系数影响分析，得出水库边坡变形破坏特征，为工程实践提供参考。
本文通过数值模拟对水库滑坡现象进行建模，探究其稳定性，并通过持续减低岩土强度，直到模型达到极限而发生破坏。岩土中采用的莫尔-库仑材料，其强度折减安全系数公式如下：
(1)
当滑坡出现破坏时，数值模拟程序会根据结果得到破坏面，由此得到强度贮备安全系数。
模型稳定性计算之后，由于水库滑坡稳定和变形破坏特征需基于坡体内渗流场特征，因此对其渗流场进行分析。滑坡水力边界条件会因为水位波动发生改变，需对每个时间段坡内浸润情况进行研究。通过数值模拟，在水位变化、降雨和抽水等条件下，进行饱和与非饱和土中水位非稳定渗流计算。
在稳定分析和渗流分析之后，对模型进行变形计算。利用时间外推，可以有效预测出特征点随时间变化情况，由此作出预判，滑坡变形过程存在蠕变特点，主要由于变形是随时间不断变化。因此计算过程中，通过使用数值模拟的软土蠕变模型，输入参数主要为土体重度γ、黏聚力c、内摩擦角φ，以及3个模型刚度参数分别为模型修正膨胀系数k*、模型修正压缩系数λ*和模型修正蠕变指标μ*。
本文以某水库滑坡施工工程为例，通过数值模拟建立模型，该水库边坡区域的模型计算范围为435 m×115 m。计算区域边界利用水平约束，底部使用固定约束，根据平面应变条件因素进行网格划分，其物理力学和蠕变参数见表1。
表1 物理力学参数
续表1
为了形象观测变形破坏特征，在坡面选取3个水平位移观测点，分别为点A、点B和点C。其中，点A地势较高，点B地势适中，点C地势最低。
3.1 水位下降速度条件下边坡稳定动态分析
采用不同水位下降速度条件下，对边坡稳定进行动态分析，水位下降速度取值为0.5、1.0和2.0 m/d。水位降幅取值为30 m，并设置水位下降时间分别为60、30、15和10 d，从水位下降开始计算，整个计算时间为200 d。由此，得出不同水位下降速度安全系数与时间关系曲线，见图1。
图1 下降速度安全系数与时间关系曲线
从图1可知，水位下降速度安全系数随时间推移呈先减小后增大的变化趋势。由图1可知，时间在0～40 d时，所有水位下降速度的安全系数均达到最低值。安全系数最低值代表各水位下降速度最不利水位，最不利水位在边坡工程中可以校核边坡稳定性。但由于时间间隔过大，因此以3 d为时间间隔，对0～42 d边坡稳定性进行研究，其安全系数计算结果见图2。
图2 不同水位下降速度条件下42 d安全系数的计算结果
由图2可知，水位下降速度越快，其安全系数越低，但安全系数均未低于1.0。其中，当水位下降速度为0.5 m/d时，最低安全系数需要经过30 d后才能达到最低安全系数；
而水位下降速度为1和2 m/d时，两种条件下的最低安全系数大致相似，说明水位下降系数不超过1 m/d时，其最低安全系数均相对较高。其对应不同时间滑坡滑面，开始阶段滑坡破坏主要是边坡坡体中后部沿滑带局部失稳。随着水位持续下降，破坏特征从沿滑带局部失稳到沿滑带的整体失稳。
3.2 滑坡变形破坏特征定量分析
对滑坡变形破坏特征进行定量分析，研究在0.5、1.0和2.0 m/d共3个水位下降速度下，3个水平位移观测点随时间变化规律，见图3。
图3 水平位移随时间变化曲线
由图3可知，各点水平位移在开始阶段，其水平位移迅速上升，出现陡升的现象。随着时间推移，水位下降速度越快，水平位移增长距离越大。而水平位移在增长过程中逐渐趋于稳定，各点水平位移随随时间变化，水平位移几乎没有较大波动。结合图2不同水位下降速度条件下42 d安全系数的计算结果，由于水位下降导致边坡稳定性受到影响，安全系数低于1.01主要出现在0～12 d之间，对应图3陡升现象，图2中安全系数随时间先降低后增大阶段对应图3无波动段。这说明安全系数越低，水平位移越大；
反之，安全系数越高，水平位移越小。并且点C水平位移明显大于点A和点B，主要由于在水位下降阶段，滑坡破坏主要是坡体中后部，而点C位于滑体上，使其水平位移明显高于点A和点B。由于该点水平位移最大，其水平位移变化规律可以准确反映边坡变形破坏特征，因此点C可以作为特征点。
综上所述，对于水库滑坡破坏变形特征，可通过特征点水平位移随时间变化规律得出水库滑坡变形破坏特征，将数值模拟所得结果与监测数据相结合进行预测，为工程实际应用提供指导。
3.3 渗透系数的影响
水库滑坡渗透系数也对边坡变形破坏有着重要影响。分别对0.5、1.0 和2.0 m/d共3个水位下降速度采用不同的渗透系数1×10-4、1×10-5和5×10-6m/s，分析渗透系数大小对边坡变形破坏特性影响。见表2。
表2 不同渗透系数条件下安全系数的计算结果
续表2
由表2可知，在不同水位下降速度条件下，安全系数随时间增加呈先减小后增大的变化规律，且安全系数降低速度随渗透系数减小而减小。由表2还可知，安全系数只有当2.0 m/d水位下降速度情况下，安全系数才可能低于1.0，说明水位下降速度对边坡安全系数有较为明显影响。由表2中数据可知，渗透系数越大，安全系数越大。由此，水库滑坡渗透系数越大，对边坡变形破坏影响越小。
基于数值模拟对水库滑坡变形破坏特征进行研究，通过对模型水位下降速度条件下的边坡稳定动态分析、滑坡变形破坏特征定量研究以及渗透系数的影响分析，结论如下：
1) 水位下降速度安全系数随时间推移呈先减小后增大的变化趋势。时间在0～40 d时，所有水位下降速度的安全系数均达到最低值，并且水位下降速度越快，其安全系数越低，但安全系数均未低于1.0。
2) 水平位移在初始阶段迅速上升，出现陡升的现象；
随着时间推移，水位下降速度越快，水平位移增长距离越大。而水平位移在增长过程中逐渐趋于稳定，各点水平位移随随时间变化，水平位移几乎没有较大波动。并且安全系数越低，水平位移越大；
反之，安全系数越高，水平位移越小。
3) 水位下降阶段，由于滑坡破坏主要是坡体中后部，测点位于滑点上水平位移易达到最大，可以准确反映边坡变形破坏特征。将数值模拟所得结果与监测数据相结合进行预测，可为工程实际应用提供指导。
4) 不同水位下降速度条件下，安全系数随时间增加呈先减小后增大的变化规律，且安全系数降低速度随渗透系数减小而减小。水位下降速度对边坡安全系数有较为明显影响，并且水库滑坡渗透系数越大，对边坡变形破坏影响越小。
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