姜旭新

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊830000）

在我國許多庫區(qū)，庫水的變化通常會造成有些坡體發(fā)生失穩(wěn)破壞，對航道造成很大影響。

研究及統(tǒng)計資料表明，影響庫岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會影響邊坡內(nèi)的滲流場變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性［1-3］。為了確定浸潤面位置，眾多學者采用解析方法［4］對其進行了研究。目前多采用數(shù)值模擬方法［5-7］對其進行工程計算。

本文利用Phase2軟件，對帶塑性混凝土心墻的壩體進行分析，對不同降雨條件下的壩體進行滲流和穩(wěn)定性進行分析。

1 基本滲流理論

地下水的流動可以通過達西定律進行描述［9］，在x-y平面上可寫成：

其中，總水頭μ可寫成式（2）：

式中 μ為總水頭值；y為豎直高度；p為孔隙水壓力；γw為水的重度。

除此之外，還定義了一個孔隙水壓力水頭μp：

當進行瞬態(tài)分析時，其連續(xù)性方程為：

式中 kx，ky分別為土體x，y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；t為試件參數(shù)；c為有效容量。

上式左端第三項中把水頭值的變化通過有效容量c和單元體內(nèi)含水率的變化聯(lián)系起來，與飽和土不同的是，非飽和土的有效容量c和非飽和土滲透系數(shù)的大小取決于土體中含水率和毛細力的大小。

有效容量c和滲透系數(shù)張量K的表達式為：

2 模型的建立及模型參數(shù)

某壩段庫岸在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能產(chǎn)生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸，產(chǎn)生塌岸破壞在所難免。因此，開展該段庫岸的治理十分必要。圖1為庫岸全貌圖。

圖1 庫岸全貌圖

對研究區(qū)勘察資料進行整理，選取庫岸的某個典型斷面進行分析，對坡面進行適當簡化，圖2為庫岸斷面結(jié)構(gòu)。

圖2 庫岸地質(zhì)剖面

圖2庫岸岸坡為塑性混凝土心墻壩體，依據(jù)相關(guān)試驗及規(guī)范［8］，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進行經(jīng)驗取值，如表1。

表1 坡體相關(guān)物理力學參數(shù)

利用Phase2有限元軟件，對不同降雨條件下的壩體進行滲流和穩(wěn)定性分析。

3 降雨強度對壩體影響

通過對當?shù)氐乃馁Y料調(diào)查，將降雨量設(shè)置為100，200，300，400mm/d， 分析4種不同降雨工況下的岸坡孔隙水壓力分布。圖3為孔隙水壓力分布圖。

圖3 不同降雨強度下壩體內(nèi)孔隙水壓力

從圖3中可以看出，降雨強度不同，壩坡孔隙水壓力有明顯區(qū)別。降雨強度從100mm/d增長到300mm/d時，壩坡負孔隙水壓力一直減小。從圖3（c）和3（d）中可看出，當降雨強度達到一定時，壩坡孔隙水壓力幾乎不會發(fā)生變化，這是由于當降雨量達到一定程度時，土體的入滲能力不足以消耗所產(chǎn)生的降雨，沒有入滲到土體的那部分降雨將會在壩坡表面形成徑流，也就不會再產(chǎn)生水頭壓力。

不同降雨強度對壩坡的穩(wěn)定性也有一定影響。本文利用Phase2對壩坡進行有限元強度折減法分析其穩(wěn)定性的計算結(jié)果，如表2。

表2 壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果

表3 降雨持續(xù)時間

表4 安全系數(shù)計算結(jié)果

從表2中可看出，降雨強度越大，壩坡安全系數(shù)越小，單位時間內(nèi)降雨越多，壩坡負孔隙水壓力一直減小，壩坡越容易失穩(wěn)。

4 降雨持續(xù)時間對壩體影響

研究降雨持續(xù)時間對壩坡穩(wěn)定性的影響，從兩方面進行分析。

4.1 降雨強度

降雨時間越長，降雨量越大。

4.2 降雨量

降雨強度越大，降雨時間越短。降雨持續(xù)時間如表3。

假定降雨量800mm/d，在相同降雨量時，分析壩體的孔隙水壓力。圖4為不同降雨強度下壩坡孔隙水壓力分析圖。

圖4 相同降雨量下壩坡孔隙水壓力

從圖4中可看出，在降雨量一定時，降雨持續(xù)時間越長，降雨強度越小時，降雨入滲時間越長，在土體滲流中，基質(zhì)吸力會大面積減少。在降雨達到一定程度時，壩坡會形成徑流，負孔隙水壓力減小直至為零，基質(zhì)吸力也隨之消失。

當降雨時間較短時，降雨強度很大時，降雨在坡表會形成徑流，而不會滲透到土體內(nèi)，坡體內(nèi)表層土體含水率會增加，而深層土體含水率幾乎沒有變化。因此，土體內(nèi)的含水率越大，土體的抗剪強度越低，坡體越容易發(fā)生失穩(wěn)滑移破壞。

本文利用有限元強度折減法，對壩坡進行穩(wěn)定性分析，求解壩坡的安全系數(shù)，如表4。

由表4看出，降雨量一定時，降雨強度越小，降雨時間越長，壩坡的安全系數(shù)越小，這是因為當降雨強度越大時，土體的滲透能力不足以滿足降雨速度，導致壩坡表面會形成地表徑流，只有壩坡表層土的抗剪強度降低，深層土的抗剪強度無明顯變化；當降雨強度不大，但降雨持續(xù)時間較長時，土體滲透能力能夠滿足降雨速度，降雨大部分會滲透到土體中，會滲透到壩體的深層土體，導致壩體整體抗剪強度降低，坡體更容易發(fā)生失穩(wěn)。

5 降雨雨型對壩體的影響

在雨季來臨時，大多數(shù)情況下，降雨強度隨降雨大小發(fā)生變化，因此降雨量也時而大時而小，本節(jié)將研究雨型對壩坡穩(wěn)定性的影響。

假定降雨總量400mm，降雨時間為4h，最大降雨強度（峰值）100mm/h，最大降雨持續(xù)時間1h。圖5為降雨雨型示意圖。

圖5 降雨雨型示意圖

在圖5中，設(shè)計了4種雨型方式，分別為等強、單峰、雙峰、三峰，等強為1d中降雨強度是一樣的，單峰為1d中有1h降雨強度達到100mm/h，雙峰為1d中有2h降雨強度達到100mm/h，三峰為1d中有3h降雨強度達100mm/h。在降雨總量一定的情況下，降雨峰值強度持續(xù)的時間越多，其余時間降雨強度就越小。

針對不同雨型條件下的壩坡，利用有限元強度折減法，計算壩坡的安全系數(shù)。表5為安全系數(shù)計算結(jié)果。

表5 安全系數(shù)計算結(jié)果

在降雨量和降雨持續(xù)時間一定的情況下，降雨強度峰值時間越長，壩坡安全系數(shù)越大，這是由于峰值降雨強度大，持續(xù)時間長，土體的滲透能力不足以滲透降雨，導致一部分降雨在坡表形成徑流，沒有滲透到壩體內(nèi)，對壩坡的滲流場和穩(wěn)定性影響較小，而等強型的降雨形式，大部分降雨能夠滲透到土體中，導致壩體內(nèi)大部分土體的含水率降低，壩坡越容易發(fā)生滑移失穩(wěn)。

6 結(jié)語

（1）利用有限元Phase2軟件，對帶塑性混凝土心墻的壩體進行分析，研究不同降雨條件下的壩坡滲流和穩(wěn)定性影響分析。

（2）降雨強度越大，壩坡負孔隙水壓力一直減小，壩坡安全系數(shù)越小，壩坡越容易失穩(wěn)。降雨量一定時，降雨強度與降雨時間為反相關(guān)的關(guān)系，降雨時間越長，降雨強度越小，壩坡的安全系數(shù)越小。在降雨量一定時，降雨期間的峰值強度個數(shù)越多，坡體安全系數(shù)越大。

［1］鄭慧，邵子葉，韓文喜，等.暴雨與庫水位變化條件下曬鹽壩滑坡滲流和穩(wěn)定性數(shù)值模擬 ［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護， 2012， 23（1）： 58-63，95.

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［8］GB50330—2013，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.