水位升降下库岸土质边坡破坏机理

水位升降下库岸土质边坡破坏机理

黄鹏

合肥工业大学  安徽省合肥市230000

摘要：利用 GeoStudio有限元程序，研究了水库水位涨落过程中库岸土质边坡的变形与稳定。结果表明，随着水库水位的升高，坡前岸滩发生了垂直向下的变形，斜坡在坡体中发生了有方向的水平位移；水库水位的升高使得边坡的稳定性在初期得到了很大的提高，随着渗透的进行，边坡的稳定性又得到了很大的提高。在水库水位降低的过程中，由于斜坡前缘水压力的降低，使斜坡发生了卸载回弹，坡前岸滩发生了垂直向上的变形，而斜坡外侧则发生了水平方向的变形。水库水位的降低使得边坡的稳定性在初期急剧降低，随后又随着渗透的进行而急剧上升，最终达到稳定状态；水库水位的突然下降对滑坡的稳定是非常不利的。

关键词：水位升降；水库；土质边坡；破坏机理

引言

水库岸边坡具有与常规边坡相同的特点，但又具有一定的特殊性。这一特点是由于其受力状况与库水的涨落密切相关，而库水的涨落又是引起库岸斜坡不稳定的一个重要因素。国内外出现了很多，因为苦按边坡失稳而出现的灾害：日本约有60%的库区滑坡是在库区水位下降期间产生的，剩余的40%是在库区水位上涨期间产生的。在我国，湖南柘溪水库唐岩广滑坡等对人民群众的生命财产造成了极大的损失。

1计算模型及土性参数

本次选择了一个典型的水库岸边坡剖面作为地质原型，这个边坡坡高6 m，坡率1:1.75，岩性是粉土，进行了有限元的划分，在此基础上，进行了分析。

2计算方案

SLOPE/W在水库水位上升和下降期间的计算步骤设定为：在此基础上，对该计算模型进行了在上升之前，在枯水期自然状态下，对岸坡的稳态进行分析，在此基础上，对斜坡中的渗透场随时间发生的急剧升高、急剧降低等瞬时过程进行了瞬态分析；在水位下降结束后，对边坡体进行了长期的渗透瞬态分析，以保持边坡体渗透场的稳定性。在 SLOPE/W模块在计算完毕之后，将会被 SIGMA/W模块调用，这两个模块将会进行耦合的计算，利用 SLOPE/W软件对库岸斜坡进行了模拟，并进行了库岸斜坡在水库水位波动作用下的稳定性分析。

3计算结果分析

3.1库水位上升过程

（1）初始状态。在枯水期，坡前水库的水位比坡底高1 m；斜坡中的孔隙水压力和水头的分布、斜坡中的孔隙水压力和稳定性系数，在此基础上，对该边坡在初始条件下的稳定性进行了分析，得出了该边坡的稳定性系数为1.610。(2)水库的水位以每小时0.5米的速度升高。分析了在每小时陡然上升0.5 m时，边坡的孔隙水压、变形等参数。在1小时的水库水位陡然上升0.5 m的瞬间，坡体内部的孔隙水还没有来得及渗流，只有表面的孔隙水进入坡体。坡前岸滩因水位升高而引起的斜坡前缘水力压力增加，在斜坡中形成垂直向下的斜坡，并在斜坡中形成水平方向的变形；结果表明，在水库蓄水过程中，由于水库水位上升，斜坡前端的水压急剧增加，导致了斜坡稳定性的急剧上升，其稳定系数达到了1.649。

在库水上涨过程中，土坡的变形与渗透过程有很大关系，以坡脚位移为例，研究了库水上涨0.5 m时，土坡的变形规律。在水库水位上涨的最初0-1个小时之内，坡脚下很快发生了大的变形，最大值出现在1 h；伴随着渗流过程的不断深入，坡体内外水头差逐渐减小，边坡的变形也随之减少，在30 h左右，该边坡的变形达到了一个相对稳定的状态，并且该状态下的边坡形变量很小，其稳定的水平位移和垂直位移分别为0.20 mm和0.03 mm。

库岸外侧的水流在坡面上逐步向坡面内渗流，在坡面上产生了导向性的动水压，导向性的动水压对岸坡的稳定性起到了有利的作用。但在此过程中，当水进入土壤后，土壤中的渗透线会升高，在此过程中，土壤会产生一种浮力，从而导致滑坡的有效质量降低，而在坡面的前缘阻滑部位则会降低，这对边坡的稳定性不利。而在此过程中，由于水分的浸润，边坡从未饱和变成了饱和，从而导致了边坡的剪切强度下降，从而影响了边坡的稳定性。在孔隙水渗透、坡体土体变饱等多种因素的作用下，相对于陡峭的上升，整体斜坡的抗滑移能力在瞬间降低，当库水位上升速度达到0.5 m/h时，斜坡的稳定系数发生了改变。库容在12和24个小时内，其稳定性系数分别为1.628和1.620。同时，在陡峭的水位上升之后，坡体的位移也会随著渗流过程的变化而变化；随着水库水位的升高，在坡脚产生了指向坡体的水平变形，在渗透作用下，先是急剧上升，然后又急剧下降，最后达到一个稳定的水平；而在坡脚附近则出现了垂直向下的变形，其变化也是在初期急剧增加，随后又急剧减少，最终达到一个稳定状态。库水位的上升，使得边坡稳定系数先快速增大，后随着渗流过程的进行，再急剧减小，最终达到稳定的程度，但总的来说，库水位的上升并没有对边坡稳定性造成不良的影响。

3.2库水位 下降过程

(1)初始状态。在丰水期，坡前水库的水位比坡底高4米。边坡孔隙水压出现水头分布，在此条件下，边坡的孔隙水压力和稳定性系数为1.608。（2）水库的水位以每小时0.5米的速度急剧下降。在1小时内，水库水位骤降0.5 m的瞬间，孔隙水压、变形和稳定性如图8所示。在库水位1小时陡降0.5m瞬时，只有表面孔隙水向坡体内部渗入，且坡体内部的水位比坡体外部的水位有一定的延迟。随着水位的降低，斜坡前缘的水压降低，从而导致了边坡的卸载回弹。坡前岸滩在垂直方向上发生了垂直方向的变形，而在斜坡方向上则发生了横向方向的变形。

当水库水位降低时，坡体的变形与渗透过程也有很大的关系，以坡脚处位移为例，库水位按0.5 m/h下降会导致坡脚处位移发生变化，具体情况。在库水位降低的最初0-1个小时之内，坡脚下会快速发生较大的变形，最大值出现在1 h，其水平和垂直方向的最大值分别为0.32和0.60 mm；后期，随著渗透过程的进行，坡身内部与外部的水头差异逐渐降低，使得边坡的变形也随之降低；大约在6个小时之后，边坡的变形达到了一个稳定的状态，稳定水平位移为0.25 mm，边坡失稳后的垂直位移仅为0.08 mm，边坡失稳后的变形很少。当水库水位突然下降时，斜坡前端的水压突然下降，导致斜坡的稳定性急剧下降，在这种情况下，边坡的稳定性是最差的，其稳定系数是1.454。

在每小时下降0.5米后，在坡面上，动水压力在坡面上形成，在斜面方向上施加的动水渗透压对斜面的稳定性不利。但是，与此同时，当水分从坡体中向外渗透出土体之后，坡体内的浸润线就会降低，土体在浮力的作用下也会降低，从而增加了滑坡的有效质量，并在斜坡的前缘形成了一种阻滑带，在此过程中，滑体的抗滑能力得到了提高，而在此过程中，坡体土也从饱和变成了非饱和，土体的剪切强度增加，从而提高了边坡的稳定性。在孔隙水向坡外渗透、坡体变得非饱和等多种因素的作用下，相对于陡降处，整体斜坡的抗滑移性能有明显提高。水库水位下降12、24 h后，坡体稳定性系数为1.515、1.521；与此同时，在水位骤降之后，边坡的位移会随着水的渗透流动过程而不断地进行调整，在此过程中，坡脚产生了一种沿坡外方向的水平变形，其水平位移先是急剧增加，随后又急剧减少，最终达到一个稳定状态；在土体渗透过程中，土体在坡底产生了一种垂直向下的变形，垂直向下的位移量先是急剧增加，然后又急剧减少，最终达到了一个稳定的水平。在库水位的降低过程中，导致了边坡的稳定系数先是急剧降低，之后，在渗透的过程中，又会急剧增加，最终达到稳定状态，但总的来说，水库水位的骤降是最不利于滑坡稳定的，尽管滑坡后的稳定性有所恢复，但是渗透稳定后的滑坡稳定性比水库水位未降低之前的滑坡稳定系数要小。

结束语

水库水位的降低对水库堤岸的稳定有很大的影响，特别是在突然的骤降过程中。在实际应用中，必须针对不同的运行条件，采取不同的应急处置措施。

参考文献：

[1]张安琪. 水流淘刷作用下土质边坡稳定性研究[D].东北农业大学,2017.

[2]孙树志. 内河大水位差下港口岸坡时变稳定特性研究[D].重庆交通大学,2016.

[3]黄坤. 基于室内模型试验的土质边坡失稳模式研究[D].华北水利水电大学,2013.