趙 山

（沂水縣跋山水庫(kù)管理中心,山東 沂水 276400）

1 引言

降雨對(duì)邊坡穩(wěn)定具有較大的影響,降雨對(duì)邊坡破壞的主要作用是通過(guò)滲流引起巖質(zhì)邊坡容重增大,進(jìn)而影響巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布,使得產(chǎn)生位移或失穩(wěn)破壞,甚至使得巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū),這對(duì)于邊坡的穩(wěn)定極其不利。

目前,降雨或其它水對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響的研究已經(jīng)較為廣泛地開(kāi)展,并取得了較為豐碩的成果：黃濤等［1］分析了地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的因素進(jìn)行了較為詳盡的分析；劉才華等［2］從力學(xué)角度分析了水進(jìn)入邊坡內(nèi)部后對(duì)邊坡力學(xué)參數(shù)的影響；何滿潮等［3］對(duì)邊坡巖體本身進(jìn)行了分析,將巖體劃分為不同種介質(zhì)材料,并分別對(duì)每種介質(zhì)材料的力學(xué)及滲透特征進(jìn)行研究；王輝等［4］分析了邊坡穩(wěn)定性與坡體壓力水頭值的關(guān)系,并對(duì)降雨滲流作用與邊坡巖體的巖質(zhì)特性關(guān)系進(jìn)行研究；楊治林［5］分析了邊坡水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并結(jié)合實(shí)際工程給出了邊坡破壞界限的計(jì)算公式；陳志堅(jiān)等［6］分析了巖質(zhì)邊坡巖性與地下水分布的關(guān)系,進(jìn)而提出保證巖體穩(wěn)定性的計(jì)算公式；胡其志等［7］運(yùn)用數(shù)值分析的方法,研究了在不同內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的巖質(zhì)邊坡中,巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的判定依據(jù)；張卓等［8］結(jié)合實(shí)際工程案例,分析了巖質(zhì)邊坡中內(nèi)部應(yīng)力與滲透性的關(guān)系。

2 模型建立

由于Geostudio軟件在巖體邊坡穩(wěn)定性研究中應(yīng)用廣泛,且適用性強(qiáng),對(duì)巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖、邊坡滲流、邊坡降雨破壞的研究具有很好的模擬效果,因而本研究采用Geostudio軟件對(duì)某大沂河水利樞紐工程邊坡建立數(shù)值分析模型,邊坡網(wǎng)格模型圖見(jiàn)圖1,模型假設(shè)該邊坡巖體為均勻連續(xù)介質(zhì),巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型服從M-C準(zhǔn)則,利用極限平衡法則計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究主要分析降雨條件下降雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。研究中巖體的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Hock-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,巖體的力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體的力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡網(wǎng)格模型圖

模型邊界條件的選取如下：上部邊界為坡體后緣平臺(tái),坡體擋水面邊界為河道中心線,下部邊界為河床面以下,應(yīng)力邊界只考慮重力作用,水頭邊界為河床面以下以及遠(yuǎn)離擋水面截面。

3 降雨條件下數(shù)值模擬分析

3.1 降雨條件下巖質(zhì)邊坡滲流分析

由該區(qū)域原始地質(zhì)資料顯示,該區(qū)域?qū)儆诎敫珊祬^(qū)域,年降雨量較少,年平均降雨量為430.6 mm,降雨期主要為7 月、8 月兩月,對(duì)于降雨的模擬設(shè)計(jì)三種工況,見(jiàn)表2,分別對(duì)表2中的三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)其進(jìn)行滲流分析,得到其壓力水頭分布,見(jiàn)圖2。

表2 降雨條件下工況設(shè)計(jì)

圖2 壓力水頭分布

對(duì)比分析圖2中的三種工況,分析可得：

（1）對(duì)于降雨量大且降雨持續(xù)時(shí)間較短,第四系覆蓋層和邊坡坡腳位置的壓力水頭值有明顯增大,其中第四系覆蓋層壓力水頭值變化最大,其余部分壓力水頭值有變化但不明顯,且在第四系覆蓋層和邊坡坡腳位置有部分區(qū)域的巖體出現(xiàn)暫態(tài)飽和；

（2）邊坡基巖部分壓力水頭隨著降雨量的不同基本沒(méi)有變化；

（3）各工況條件下,對(duì)于內(nèi)部基巖部分的地下水位變化不明顯,而邊坡坡腳位置的地下水位有明顯上升,且降雨量大且降雨持續(xù)時(shí)間較短的工況1上升最為明顯。

分析以上現(xiàn)象可得：巖質(zhì)邊坡滲流作用受降雨的影響較大,當(dāng)總降雨量相同時(shí),每小時(shí)降雨量越大,巖質(zhì)邊坡坡體壓力水頭值越大,且在部分位置易出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)；當(dāng)每小時(shí)降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間均相同時(shí),巖質(zhì)邊坡坡體滲流作用效果與該部分邊坡的滲透系數(shù)呈正相關(guān)。

對(duì)于該巖質(zhì)邊坡,坡體基巖部分滲透性小,巖石較為完整且風(fēng)化程度低,在降雨作用下,滲透量幾乎為0,因而對(duì)基巖部份壓力水頭值和地下水位的影響極小；第四系覆蓋層位于坡頂位置,且其滲透系數(shù)大,降雨入滲作用較強(qiáng),其壓力水頭值和地下水位的影響較大；坡面位置覆蓋有一層較為松散的覆蓋層,其表面風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈,巖體完整性較低且有裂隙存在,因而具有很強(qiáng)的滲透性,壓力水頭值和地下水位變化較為明顯,且在坡面位置存在有較為軟弱的巖體分布,其密實(shí)性較低,易受水侵蝕作用,因而在該部分易出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū),且隨著降雨強(qiáng)度增加以及降雨持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng),暫態(tài)飽和區(qū)的巖體范圍逐漸擴(kuò)大,同時(shí)地下水位上升也較為明顯,上身幅度主要取決于每小時(shí)降雨量、持續(xù)時(shí)間以及該部分巖體的滲透系數(shù)；對(duì)于邊坡坡腳位置的巖體由于存在風(fēng)化裂隙,在淺層位置處壓力水頭值和地下水位的影響較大。

3.2 降雨條件下巖質(zhì)邊坡應(yīng)力應(yīng)變值分析

對(duì)于降雨條件下,巖質(zhì)邊坡應(yīng)力應(yīng)變值分析主要包含以下部分：最大主應(yīng)力分析、最小主應(yīng)力分析、邊坡巖體剪應(yīng)力分析、邊坡坡體位移。

3.2.1最大主應(yīng)力分析

分別對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到最大主應(yīng)力分布圖,見(jiàn)圖3。

圖3 最大主應(yīng)力分布圖

分析模擬結(jié)果,工況1中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應(yīng)力值為0.1 MPa~2.0 MPa,工況2中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應(yīng)力值為0.1 MPa~1.6 MPa,工況3中邊坡坡腳潛在滑移面上方最大主應(yīng)力值為0.1 MPa~1.0 MPa。降雨條件下相較于蓄水對(duì)邊坡滲流的影響較小,但降雨條件下巖體滲流會(huì)增加巖體的容重,進(jìn)而使得巖體的最大主應(yīng)力發(fā)生變化,比較工況1與工況2,雖然兩工況下降雨量相同,但工況1降雨強(qiáng)度較大,降雨時(shí)間短,降雨入滲入巖體后排除相較于工況2困難,因而增加了工況1條件下的巖體容重,使得邊坡坡體最大主應(yīng)力大于工況2；比較工況2與工況3,雖然兩工況下降雨時(shí)間相同,但工況2降雨強(qiáng)度較大,降雨滲入巖體后排除相較于工況3困難,因而增加了工況2條件下的巖體容重,使得邊坡坡體最大主應(yīng)力大于工況3。因而三種工況下邊坡巖體最大主應(yīng)力值由大到小順序?yàn)椋汗r1、工況2、工況3。

3.2.2最小主應(yīng)力分析

分別對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到最小主應(yīng)力分布圖,見(jiàn)圖4。

圖4 最小主應(yīng)力分布圖

分析模擬結(jié)果,工況1中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應(yīng)力值為0.1 MPa~0.55 MPa,工況2中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應(yīng)力值為0.1 MPa~0.65 MPa,工況3中邊坡中斷層破碎帶上方最小主應(yīng)力值為0.1 MPa~0.50 MPa。隨著降雨滲入巖質(zhì)邊坡坡體,降雨對(duì)邊坡最小主應(yīng)力值具有較大的影響。降雨量相同的情況下,降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),最小主應(yīng)力增大幅度越大,降雨持續(xù)時(shí)間相同的情況下,每小時(shí)降雨量越大,最小主應(yīng)力增幅越大。

3.2.3剪應(yīng)力分析

分別對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到剪應(yīng)力分布圖,見(jiàn)圖5。

圖5 剪應(yīng)力分布圖

分析模擬結(jié)果,中斷層破碎帶上方的剪應(yīng)力值最大的為工況1,其次為工況2,最小的為工況3。同一種工況下,巖質(zhì)邊坡坡體剪應(yīng)力分布為：由左側(cè)坡體向右側(cè)坡體的剪應(yīng)力逐漸減小。分析其原因,主要是由于隨著降雨的入滲,降雨沿著破碎裂隙進(jìn)入邊坡巖體,進(jìn)而增大了巖體容重,使得邊坡巖體滑移面上方的巖體逐漸飽和,沿著巖體豎向方向剪應(yīng)力增大,滑移的趨勢(shì)逐漸增大。

3.2.4位移分析

分別對(duì)三種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到位移值分布圖,見(jiàn)圖6。

圖6 位移值分布圖(單位：mm)

由模擬結(jié)果可得,工況1中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.06 mm~0.35 mm,工況2中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.03 mm~0.25 mm,工況3中邊坡坡腳潛在滑移面上方位移為0.015 mm~0.10 mm。由于巖質(zhì)邊坡坡體存在節(jié)理裂隙,降雨沿著邊坡逐漸進(jìn)入到巖體內(nèi)部,增大了巖體的容重,隨著雨水的不斷滲流,邊坡局部區(qū)域形成暫態(tài)飽和區(qū),又由于裂隙與破碎帶的存在,巖質(zhì)邊坡整體性降低,進(jìn)而出現(xiàn)由右側(cè)向左側(cè)區(qū)域位移逐漸增大的變化趨勢(shì),且降雨強(qiáng)度越大,降雨時(shí)間越長(zhǎng),巖質(zhì)邊坡坡體的位移越大。

4 結(jié)論

本研究以大沂河水利樞紐工程邊坡為研究對(duì)象,通過(guò)Geostudio軟件建立數(shù)值分析模型,分析降雨條件下巖質(zhì)邊坡的滲流、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移,主要得到以下結(jié)論：

（1）巖質(zhì)邊坡滲流作用受降雨的影響較大,當(dāng)總降雨量相同時(shí),每小時(shí)降雨量越大,巖質(zhì)邊坡坡體壓力水頭值越大,且在部分位置易出現(xiàn)暫態(tài)飽和區(qū)。

（2） 當(dāng)每小時(shí)降雨量和降雨持續(xù)時(shí)間均相同時(shí),巖質(zhì)邊坡坡體滲流作用效果與該部分邊坡的滲透系數(shù)呈正相關(guān)。

（3） 降雨量相同的情況下,降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),最小主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移均越大,且降雨持續(xù)時(shí)間相同的情況下,最小主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移值與降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)。