王代兵
(深圳市深水兆業(yè)工程顧問有限公司,廣東 深圳 518000)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國用電量需求顯著增大。而水電站建造位置較為偏僻,多數(shù)位于山區(qū)。水電能源的獲取是通過水電站的蓄水與排水實(shí)現(xiàn)的,在蓄水與排水過程中,水位的變化位置與變化速度會影響水電站坡體的穩(wěn)定性,從而引發(fā)自然災(zāi)害。因此,針對水電站的坡體穩(wěn)定性展開研究,對我國水電能源的獲取及自然災(zāi)害的防治具有重要意義。
鄒德玉[1]分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響,并利用軟件進(jìn)行建模,分析土體水利特性對邊坡穩(wěn)定性的影響。裴智超[2]利用軟件模擬水庫水位變化過程,分析了水位升降對邊坡穩(wěn)定性的影響。夏怡等[3]采用飽和-非飽和滲流分析法,對降雨條件下的邊坡進(jìn)行有限元模擬,分析了降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響。劉彥等[4]采用3種不同極限平衡方法,對比分析了不同工況下棄土場邊坡穩(wěn)定性。簡文彬等[5]以岸坡為研究對象,分析了水位對邊坡穩(wěn)定性影響。高詩欽等[6]以巖質(zhì)邊坡為研究對象,基于JRC-JMC模型,分析了各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響。葉帥華等[7]根據(jù)基本假設(shè)和幾何關(guān)系,提出了分析邊坡穩(wěn)定性的方法。呂建航等[8]以加筋膨脹土邊坡為研究對象,開展模型試驗(yàn),分析了內(nèi)土壓力、含水率等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。
上述研究主要采用飽和滲流理論,但未考察基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響。本文以國內(nèi)某地區(qū)水電站庫區(qū)邊坡為主要研究對象,以飽和-非飽和滲流分析法為理論基礎(chǔ),通過剖析水位的變化速率、滲透性以及黏聚力等各種因素對邊坡穩(wěn)定性的影響,為我國自然災(zāi)害的有效預(yù)防工作奠定理論基礎(chǔ)。
由于庫區(qū)邊坡同時受非飽和及飽和區(qū)地下水相互作用,需同時考慮二者之間的統(tǒng)一性。滲流理論控制方程如下:
(1)
式中:kx為水平滲透系數(shù);h為水頭高度;ky為豎向滲透系數(shù);mw為比水容量;ρw為水密度;g為重力加速度。
邊坡穩(wěn)定性采用極限平衡法進(jìn)行計(jì)算,主要考慮條間剪力和法向應(yīng)力對邊坡的影響。利用Morgenstern-Price法,根據(jù)力的平衡條件,邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Ff計(jì)算公式如下:
(2)
根據(jù)力矩平衡,穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算公式如下:
(3)
式中:c為黏聚力;φ為摩擦角;α為土體底部傾斜角;μ為孔隙水壓力;N為條塊底部法向力;D為線荷載;β、ω、R、x、f、d為幾何參數(shù)。
以國內(nèi)某地區(qū)水電站庫區(qū)邊坡為研究對象,取其邊坡斷面特征進(jìn)行有限元分析,并對其土質(zhì)-水分特性曲線進(jìn)行擬合,見圖1。隨著基質(zhì)吸力的增加,碎石土和強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量逐步下降,而強(qiáng)風(fēng)化砂泥石的體積含水量則整體高于碎石土的體積含水量。
圖1 土-水特征曲線
采用Van-Genuchten模型,得到滲透系數(shù)曲線,見圖2。
圖2 滲透系數(shù)曲線
由圖2可知,隨著基質(zhì)吸力的增大,體積含水率逐漸減少,強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的體積含水率整體大于碎石土的體積含水率。
采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型作為有限元計(jì)算模型。邊坡橫向長度為340 m,邊坡高度最低處為48 m,最高處為184 m。碎石土與強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖參數(shù)見表1。
本研究考慮庫水位升降速度、滲透系數(shù)、黏聚力對安全系數(shù)的影響,計(jì)算方案見表2。
表1 材料物理力學(xué)參數(shù)
表2 計(jì)算方案
根據(jù)前人研究成果,確定不同水位升降速度,分別為0.5、1、2、2.5、3、5 m/d,研究其對安全系數(shù)的影響。水位升降速度與安全系數(shù)關(guān)系曲線見圖3、圖4。
圖3 蓄水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖
由圖3可知,隨著蓄水速度的增大,其安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)水庫蓄水時,水庫安全系數(shù)與其水位高程呈正相關(guān)關(guān)系,隨著高程的增大,安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)蓄水速度為0.5 m/d時,安全系數(shù)有最小值,為1.225;當(dāng)蓄水速度為5 m/d時,安全系數(shù)有最大值,為1.456。當(dāng)庫水位高程一致時,蓄水高度由0.5 m/d增長至5 m/d時,其最小安全系數(shù)增幅為2%。在水的滲流作用下,坡體自重應(yīng)力增大,且受到孔隙水壓力及孔隙水浮力的作用,使其摩擦力減小,土體易發(fā)生滑動,導(dǎo)致安全系數(shù)降低。在蓄水速度較小的情況下,水位上升速度較小,水在土體內(nèi)的滲流作用較為充分,導(dǎo)致坡體易發(fā)生損害。所以,當(dāng)蓄水速度較大時,其安全系數(shù)大于蓄水速度較小時的安全系數(shù)。
圖4 放水速度與安全系數(shù)關(guān)系圖
由圖4可知,隨著放水速度的增大,其安全系數(shù)逐漸減小。當(dāng)放水速度一定時,隨著水位高程的增大,其安全系數(shù)呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)放水速度為0.5 m/d時,坡體安全系數(shù)最大;當(dāng)放水速度為5 m/d時,坡體安全系數(shù)最小,降幅約為6%。當(dāng)水位下降時,土體內(nèi)孔隙水減少,所受的摩擦力增大,所受的孔隙水壓力與浮力減小,使其安全系數(shù)降低。當(dāng)放水速度越大時,土體中的孔隙水來不及排出,自重應(yīng)力增大,摩擦力減小,土體易發(fā)生滑動,導(dǎo)致安全系數(shù)降低。因此,當(dāng)放水速度較大時,其安全系數(shù)小于放水速度較小時的安全系數(shù)。
由上述分析可知,為保證坡體安全性,當(dāng)水庫蓄水時,蓄水速度宜較大;當(dāng)水庫放水時,放水速度宜較小。
不同滲透系數(shù)對坡體安全系數(shù)影響見圖5。
圖5 滲透系數(shù)對安全系數(shù)影響圖
由圖5可知,隨著時間的增大,坡體的安全系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)排水速度較小時,曲線整體較為平緩;當(dāng)排水速度較大時,曲線的安全系數(shù)差異較大。當(dāng)放水速度一致時,滲透系數(shù)越小,其安全系數(shù)越小。當(dāng)滲透系數(shù)越大時,坡體的滲透性越好,使得排水過程中坡體內(nèi)的水可以被及時排出。由于坡體內(nèi)孔隙水減少,孔隙水壓力減小,坡體所受力減少,使得安全系數(shù)提高,坡體穩(wěn)定性得以保證。當(dāng)滲透系數(shù)較小時,坡體內(nèi)的水不能被及時排出,在排水過程中受孔隙水壓力與浮力的影響,使其摩擦力減小,容易發(fā)生滑動,坡體穩(wěn)定性較差,其安全系數(shù)較小。
在3種不同排水速度下,同一時間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨排水速度的增大而增大,當(dāng)排水速度越大時,最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。
由上述分析可知,若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性,需采用滲透性較好的材料,或控制其排水速度,使其排水速度較小,使其安全系數(shù)增大,從而保證坡體的穩(wěn)定性。
為研究不同抗剪強(qiáng)度對坡體穩(wěn)定性的影響,抗剪強(qiáng)度取值分別為10.4、12.8、15.8、19.6和24.2 kPa。取c=15.8 kPa,φ=30.2°。根據(jù)式(4)、式(5),計(jì)算黏聚力和內(nèi)摩擦角。
(4)
式中:c為黏聚力;c′為折減黏聚力;Ks為折減系數(shù)。
(5)
式中:φ為內(nèi)摩擦角;φ′為折減內(nèi)摩擦角。
黏聚力與安全系數(shù)曲線見圖6。
圖6 黏聚力與安全系數(shù)關(guān)系圖
由圖6可知,當(dāng)排水速度一致時,安全系數(shù)隨著時間的變化趨勢呈先減小后增大的趨勢。對比不同黏聚力對安全系數(shù)的影響,當(dāng)排水速度不變時,在相同的時間下,安全系數(shù)隨著黏聚力的增大而增大。取時間為30 d、排水速度為1 m/d,當(dāng)黏聚力為10.4 kPa時,其安全系數(shù)為1.151;當(dāng)黏聚力為24.2 kPa時,其安全系數(shù)為1.251,兩種不同黏聚力的安全系數(shù)相差9%左右。黏聚力與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,黏聚力越大,其安全系數(shù)越高。當(dāng)黏聚力較大時,坡體內(nèi)各物質(zhì)之間的相互吸引力較大,顆粒間互相膠結(jié),使土體間相互作用力較大,摩擦力增大,所以坡體安全系數(shù)較大,穩(wěn)定性較好。
取黏聚力為24.2 kPa,當(dāng)排水速度為5 m/d時,坡體最小安全系數(shù)為1.213;當(dāng)排水速度為1 m/d時,坡體最小安全系數(shù)為1.265。不同排水速度下,安全系數(shù)差值約為4.3%。
由上述分析可知,當(dāng)黏聚力較大時,坡體安全系數(shù)較大,穩(wěn)定性較強(qiáng)。因此,可以通過提高黏聚力,來增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。
內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)曲線見圖7。
圖7 內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系圖
由圖7可知,內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)關(guān)系趨勢較為平緩,總體呈先下降后上升的趨勢。當(dāng)排水速度為1 m/d時,內(nèi)摩擦角與安全系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。隨著內(nèi)摩擦角的增大,坡體的安全系數(shù)逐漸增大。當(dāng)時間為30 d時,最小安全系數(shù)為0.813,最大安全系數(shù)為1.523,二者之間相差85.6%。表明內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響,內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系。
當(dāng)內(nèi)摩擦角相同時,取內(nèi)摩擦角為41.6°,取時間為10 d,當(dāng)排水速度為1 m/d時,坡體安全系數(shù)為1.8;當(dāng)排水速度為5 m/d時,坡體安全系數(shù)為1.55。坡體安全系數(shù)與排水速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著排水速度的增大,坡體的安全系數(shù)逐漸減小。
由上述分析可知,若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性,需提高土體的黏聚力,提高其內(nèi)摩擦角,降低排水速度,使其安全系數(shù)增大,從而保證坡體的穩(wěn)定性。
1) 隨著放水速度的增大,其安全系數(shù)逐漸減小。隨著蓄水速度的增大,其安全系數(shù)逐漸增大。為確保坡體安全性,當(dāng)水庫蓄水時,蓄水速度宜較大;當(dāng)水庫放水時,放水速度宜較小。
2) 在3種不同排水速度下,同一時間最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)分別相差3.5%、8.4%和10.5%。安全系數(shù)的差值隨著排水速度的增大而增大,當(dāng)排水速度越大時,最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)的差值越大。若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性,需采用滲透性較好的材料,或控制其排水速度,使其排水速度較小,使其安全系數(shù)增大,從而保證坡體的穩(wěn)定性。
3) 內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響,內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系;內(nèi)摩擦角對坡體安全系數(shù)有顯著影響,內(nèi)摩擦角與坡體穩(wěn)定
性呈正相關(guān)關(guān)系。若想提高庫區(qū)坡體的穩(wěn)定性,需提高土體的黏聚力,提高其內(nèi)摩擦角,降低排水速度,使其安全系數(shù)增大,從而保證坡體的穩(wěn)定性。