原标题：

库水位升降下三峡库区滑坡堆积体渗流滞后性研究

摘 要：

三峡水库库区涉水滑坡较多,滑坡渗流特征及滞后性对水库滑坡稳定性分析评价具有非常重要的意义。为此,采用数值模拟方法对三峡库区涉水滑坡体在库水位升降作用下的渗流滞后性特征进行了研究,提出将滑体饱和渗透系数与库水位升降速率的比值定义为滞后系数作为评价滞后性的重要指标,从而得出滞后系数与水位变动带坡度为影响滑坡渗流滞后性的主要因素,并给出了计算其渗流滞后时间的简便方法。研究结果表明:饱和-非饱和界面的基质吸力是渗流滞后性产生的主要原因,可将滞后系数35近似作为渗流滞后型与同步型的界限值,滞后系数1.67与2.5作为区分滑坡滞后性强、中、弱等级的划分值;当库水位下降速率保持0.6 m/d时,库区45.7%的滑坡渗流为强滞后型,当增大库水位下降速率为1.2 m/d时,强滞后型滑坡数量达到64.4%。

关键词：

三峡水库; 滑坡体; 滞后性; 滞后系数; 渗流;

作者简介：

杨何(1985—),男,高级工程师,博士,研究方向为地质灾害评价与预测。E-mail:yanghexq@163.com;

*汤明高(1978—),男,教授,博士,主要从事工程地质与岩土工程教学与科研工作。E-mail:tomyr2008@163.com;

基金：

国家自然科学基金面上项目(41977255);

三峡后续工作地质灾害防治研究(0001212015CC60 005);

引用：

杨何，汤明高，许强． 库水位升降下三峡库区滑坡堆积体渗流滞后性研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 12) : 9-15.

YANG He，TANG Minggao，XU Qiang． Study on seepage hysteresis of landslide mass in Three Gorges Ｒeservoir Area under fluctuation ofreservoir water level［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 12) : 9-15

0 引 言

三峡库区地质灾害众多,据调查显示全库区共有崩塌滑坡4664个,其中涉水滑坡2619个。在经过三次阶段蓄水后,一部分涉水滑坡已被库水完全淹没,一部分危险性较大的滑坡进行了工程治理,一部分滑坡由于人类工程活动而灭失,少数滑坡因外界因素变化而发生了下滑入江。三峡水库蓄水以来,经统计其中有674个滑坡出现过明显变形,有较大影响的下滑入江的滑坡共计8个,即千将坪滑坡、龚家坊滑坡、川主村滑坡、土狗子洞滑坡、黄莲树滑坡、曾家棚滑坡、杉树槽滑坡、红岩子滑坡。经分析,这8个滑坡发生滑动的原因与库水位升降关系密切。三峡库区涉水滑坡受到库水位升降的作用必然引起滑体地下水渗流场出现周期性改变。

许多学者对库水位涨落作用下的滑坡渗流场以及滑坡稳定性系数的变化进行了大量研究。如刘新喜等采用Geo-studio软件对三峡库区库水位下降条件下的滑坡渗流场进行了分析,得出当降速小于滑体土的饱和渗透系数时,滑坡中渗流浸润线变化较平缓,以渗透系数8.64m/d与0.864m/d区分渗流同步下降、缓降、骤降,随着降速的增大,发生骤降的渗透系数的下限也将减小。廖红建等研究了在库水位骤升情况下库区堤坝内的渗流场的变化规律,随着水位的上升,靠近坝坡侧的浸润线随之抬升,其上升趋势在堤坝深处逐步减缓。朱大鹏考虑库水作用下堆积层滑坡的变形特征及作用模式,将库水作用划分为浮托减重、渗透力、浮托减重+渗透力(混合)三类,以滑体渗透系数1.0×10-4 m/s对浸润线同步与滞后进行了区分,渗透性越小,滞后效应越明显。魏学勇等以万州区安乐寺古滑坡前缘松散堆积体为例,利用FLAC对滑坡渗流场变化特征进行了数值模拟分析,得出由于滑坡体渗透系数小于库水位的升降速度,在蓄水过程中渗流场属于内排型;库水位下降过程中渗流场属于外排型。夏敏等以三峡库区石榴树包滑坡为例,采用有限元法模拟,得出滑体渗透系数小于1.0×10-6 m/s时,库水位下降表现为骤降;渗透系数为1.0×10-4～1.0×10-5 m/s时,库水位下降表现为缓降;渗透系数大于1.0×10-4 m/s时,渗流浸润线与库水位基本保持同步下降。杨帆和任俊谦采用3种土的非饱和经验曲线对库水位变动下渗流场变化及滞后性也进行了相应地分析。易庆林等提出降雨与库水位对滑坡变形的影响均表现出一定的“滞后效应”,滞后期一般为5～10d。易武等在滑坡监测分析的基础上基于变形时间的滞后性将三峡库区滑坡变形模式分为蓄水滞后型、蓄水同步型、退水滞后型、退水同步型4种类型。

综上所述,根据滑体渗流曲线的不同变化特征,可将滑体渗流场变化特征分为滞后型、同步型两种。渗流同步型为当滑体水位变动带渗透性较强时,水库水位升降与滑体内地下水位线升降速度基本一致,不存在内外水头差。渗流滞后型指当滑体水位变动带渗透性较弱时,水库水位升降与滑体内地下水位线升降速度不一致,存在内外水头差。当库水位上升时产生指向滑坡体内的动水压力,滑坡体内的渗流场呈现向内向下凹的形态;当库水位下降时滑体内地下水无法及时排出,产生向滑坡外逐步释放的动水压力,滑体内的渗流场呈现向外向上凸的形态。然而以往分析研究中仍存在如下不足:

(1)所用的非饱和渗透参数多是直接采用黏土、粉土、砂土、砾砂的经验曲线,这与三峡库区滑坡土体的非饱和特征有较大差别;

(2)未充分考虑滑坡体渗透系数、库水位升降速率及坡体形态的综合影响,且未考虑渗透系数与库水位升降速率之间的相互关系;

(3)渗流同步型与渗流滞后型如何定量区分,滞后性强弱如何划分。

针对以上问题,本文结合前期对土石混合体非饱和参数的研究及库区滑坡土体的饱和渗透参数分布特征,采用数值模拟的方法对三峡库区滑坡体的渗流滞后性及滞后性强弱进行较为准确全面地研究。研究成果对水库滑坡灾害形成机理及防灾减灾具有重要价值。

1 研究方案

为研究库水位变动对三峡库区滑坡滞后性的影响,建立概化模型,采用Geo-studio中的seep/w程序软件通过数值分析方法进行滞后特征分析。库水位上升阶段产生的滞后性对滑坡稳定性有利;而库水位下降阶段受滞后性产生的动水压力作用影响滑坡出现失稳的可能性较大,因此本文只对库水位下降阶段的滞后特性进行研究。

1.1 滞后性影响因素分析

影响滑坡渗流滞后性的因素较多,主要有如下几个方面:滑坡饱和渗透系数、滑坡非饱和渗透参数、库水位升降速率、滑体中渗流路径长度、坡面形态。这些因素影响的一般规律是,当饱和渗透系数越小、库水位升降速率越大、渗流路径越长、坡面越缓其渗流滞后性越强。不同饱和渗透系数对应着不同的非饱和渗透参数。因此,在进行数值分析时,对于不同的饱和渗透系数,依据非饱和参数变化规律取得对应的非饱和渗透参数,之后再进行相关分析。饱和渗透系数与库水位升降速率是一对共轭的参数,两个因素相互影响,相辅相成。若滑坡饱和渗透系数较小,但是当库水位升降速率也非常小时,其渗流滞后性将表现得较弱,甚至可能出现渗流同步。相反,即使饱和渗透系数较大,当库水位升降速率较大时,其渗流也可能会出现滞后性。因此,采用

K

/

ΔV

的比值

h

为滞后系数这一指标进行综合分析。

K

表示滑体饱和渗透系数,

ΔV

表示库水位升降速率。坡面形态越缓,一般其渗流路径越长。

1.2 模型建立

模型计算剖面设定为3种类型(见图1)。为了研究渗流路径对滞后性的影响,在模型中对滑体厚度进行了改变。为了研究滑坡坡面坡度对滞后性的影响,考虑了坡度的变化,根据调查,三峡库区滑坡前缘坡度多为15°～30°,则模型1在滑体内渗流路径设定约为74 m,坡度设为24°;模型2在滑体内渗流路径变为约49 m,坡度保持不变为24°;模型3在滑体内渗流路径设定约为74 m,坡度变为19°。采用Geo-studio二维有限元数值模拟软件中seep/w模块建立计算模型,加密滑体计算网格精度。

图1 计算模型

1.3 计算工况

根据三峡水库实际运行调度情况,水位从175 m下降至159 m时降速按0.114 m/d计算,159 m以下下降速率有0.6 m/d、1.2 m/d、2.0 m/d三种情况。水位降至145 m后保持200～300 d的不变水位运行。滑坡后缘边界水头设置为定值220 m。按此计算可分为3种工况,具体如表1所列。

表1 渗流计算工况

1.4 参数选取

1.4.1

滑体参数设定

渗流数值分析除了饱和渗透系数外,还涉及土-水特征曲线与非饱和渗透系数的函数,后两者是表述土体非饱和渗透特性的重要参数。饱和渗透系数的选取,根据对三峡库区滑坡土体饱和渗流参数的统计以及滑坡体渗透等级划分,选取其中的界限饱和渗透系数和特征系数值作为滑体的计算参数(见表2)。土-水特征曲线根据饱和渗透系数大小选取参数值,采用Fredlund-Xing参数公式计算得到(见表2)。非饱和土-水特征参数可以根据饱和渗透系数的大小依据特征参数变化规律进行设定,非饱和渗透系数采用Geo-seep提供的经验公式计算如下

式中,

Kr

为相对渗透系数;

N

为最终函数描述的最大负孔隙水压力;

j

为最终函数描述的最小负孔隙水压力;

i

为

j

到

N

之间的距离;

y

为负孔隙水压力算法的虚拟变量;

ψ

为对应第

j

步的负孔隙水压力;

Θ

′为方程的起始值;

Kw

为非饱和土的渗透系数;

Ks

为饱和土的渗透系数。

表2 数值分析参数取值

1.4.2

滑床参数设定

由于研究对象区域主要为滑体水位变动带,为了忽略不同岩性滑床渗透性对数值分析结果的影响,故对所选滑床渗透性进行简化处理。假定滑床饱和渗透系数

K

=0.001 5 m/d,非饱和渗透特性曲线如图2所示。

图2 非饱和渗透特性

2 研究结果及分析

2.1 数值计算结果及分析

根据数值模拟计算,得到了3个模型在11个滞后系数值下所对应的滞后时间如表3所列。

表3 模型滞后时间

表3列出了3类模型随滞后系数变化的不同滞后时间,可见,模型1与模型2在滞后系数

h

≥35后,滞后时间为0,表明滑体内渗流与库水位同步下降,渗流特征为同步型。然而,模型3在滞后系数

h

=35时,渗流仍然滞后1 d。通过模型2与模型1数据比较,两者在滞后系数相同的条件下,模型2的滞后时间要短,但非常相近。这说明,滞后时间随着渗流路径的减小而减小,但是减少程度很小,可见渗流路径长度为次要影响因素。模型3与模型1数据比较,在滞后系数相同条件下,模型3的滞后时间大于模型1的滞后时间,且两者之比在1.35～2.75之间。说明,滞后时间随着库水位变动带坡度的减小而增大,而且增大幅度较大。通过三者的比较,说明滞后系数是影响滑坡渗流滞后性的主要因素,临界滞后系数不是唯一的一个确定的值,它会随着滑坡水位变动带的坡度而产生变化,因此水位变动带坡度是影响渗流滞后性的一个重要因素。在滑坡水位变动带的坡度为24°时,同步型与滞后型的临界滞后系数为35。随着坡度的减小,其临界滞后系数增大;随着坡度的增大,其临界滞后系数减小。根据以上分析,三峡库区滑坡在库水位升降情况下的渗流场变化特征分类如图3所示。

图3 三峡库区滑坡渗流场变化特征分类

2.2 滞后性分类

如图4所示,随着滞后系数的增大,其滞后时间随之减少,曲线斜率先陡后缓,呈现指数函数的变化形式。通过上述分析可知,滞后性有大有小,滞后程度不一。滞后性强的滑坡产生较大的渗压力,对稳定性极为不利;而滞后性小的滑坡产生的渗压力几乎为零。因此,有必要对滞后性的强弱进行分类。将图4中的曲线对

X

轴进行对数转换,得到滞后时间随滞后系数的对数的变化曲线如图5所示。

图4 滞后时间随滞后系数变化曲线

图5 滞后时间随滞后系数的对数变化曲线

由图5可见,曲线可以分为三段:首段斜率小而平缓,近似直线;中段斜率大而陡峭,近似直线;尾段线斜率较首段小且更平缓,近似直线;三者在各自范围内都近似直线。根据曲线的该三段特征,滞后性系数1.67与2.5为其界限值,由此将滞后性分为强、中、弱三个类型如表4所列。

表4 三峡库区滑坡体滞后性等级划分

2.3 滞后时间拟合

数据拟合采用MATLAB软件编程进行曲线拟合。由于滞后时间与滞后系数之间的变化关系符合指数函数的形式,因此可以采取指数函数对该曲线进行拟合,得到滞后时间计算公式如下

式中,t为滞后时间(d);h为滞后系数,即K/ΔV;α、β为拟合参数。

滞后时间计算公式拟合参数值及拟合度如表5所列。模型1与模型2由于数据相近,因此拟合参数接近。模型3与模型1相比,参数α增大,参数β增大。水位变动带坡度对公式参数影响按线性考虑。根据不同坡度,通过内插法求出参数α、β。采用上述公式,输入滞后系数值可以简单便捷的得到滞后时间。

表5 拟合公式参数值及关联度

3 滞后性机理分析及应用

3.1 滞后性机理及验证

3.1.1

滞后性机理

人们普遍认为,如果滑坡的渗透系数至少等于库水的升降变化率,则滑坡的渗流与库水水位的变化是同步的。研究发现这是不恰当的,只有当

h

≥35时,滞后时间才几乎为零。为了达到同步,渗透系数和库水位变化率之间的比值必须比1大得多。此外,还受渗流路径长度和坡面形状的影响,这主要是由于饱和-非饱和滑坡材料边界处的土体特性造成的(见图6)。当水库水位下降时,水气界面会产生吸力,从而产生阻力作用,减缓自由落水。相反,当水库水位升高时,水流入有气泡的非饱和区域,这些气泡限制了水流横截面,导致有效渗透率降低。

图6 滑坡体的饱和-非饱和模型

3.1.2

公式验证

将滞后时间拟合公式应用到三峡库区具有地下水位监测数据的两个典型滑坡上进行验证。孙莹洁等在三峡库区李家坡滑坡中建立了实时孔隙压力监测系统。根据长期连续监测资料,水库水位下降过程中,观测到的最大渗流滞后时间为10 d。滑坡的饱和渗透系数为1.955 m/d,坡度为34°,滞后系数为3.26。根据表4,李家坡滑坡为弱滞后性。根据式(3)及插值求系数,其滞后时间可计算为6 d。两者时间较为接近。

成都理工大学在石榴树包滑坡上建立了综合观测站,根据测试前缘综合渗透系数可按9 m/d考虑,这样滞后系数为15,代入模型1得到的滞后时间公式,计算滞后时间为35 min,与前缘监测得到的滞后响应时间23～43 min很相近。

3.2 增大库水位下降速率分析

如表6所列可知:当三峡库区库水位下降速率保持目前的0.6 m/d,由于三峡库区滑坡土体最大饱和渗透系数为21 m/d,其与下降速率之比值h最大即为35。可见,当不考虑坡度的影响时,库区几乎所有滑坡都具有不同程度的滞后性。根据表4,当滑坡体饱和渗透系数K在1.5～21 m/d时,具有弱滞后性,根据对三峡库区滑坡体渗透性统计可知占比约44.2%;当1 m/d

表6 增大库水位下降速率下三峡库区滑坡体滞后性对比

若增大库水位下降速率为1.2 m/d,根据表4,当滑坡体饱和渗透系数K在3～21 m/d时,具有弱滞后性,占比约23.5%;当2 m/d

可见,增大库水位下降速率后,强滞后性的滑坡数量比之前增加了18.7%,增加比例不大,增加速率后应重点关注渗透系数

K

≤2 m/d的滑坡。若考虑坡度的影响,可以推断三峡库区至少90%滑坡渗流为滞后型,能达到渗流与库水位同步的滑坡很少。

4 结 论

本文采用Geo-studio中的seep/w程序软件,建立三峡库区滑坡的典型概化模型,针对不同饱和渗透系数、库水位下降速率、滑坡前缘坡度以及滑坡厚度四个影响因素对库区滑坡在库水位下降条件下的滞后性特征进行了系统的分析,得到如下几点认识:

(1)水库滑坡渗流场变化特征分为滞后型、同步型两种。揭示了滞后系数与水位变动带坡度为影响滑坡渗流滞后性的重要因素,提出临界滞后系数的不唯一性。

(2)根据三峡库区滑坡土体饱和渗透参数范围及坡度特征,滞后系数35近似可作为渗流滞后型与同步型的界限值,滞后系数1.67与2.5可作为区分三峡库区滑坡渗流滞后性强、中、弱的界限值;同时给出了计算其渗流滞后时间的简便方法,并验证了公式的准确性。

(3)饱和-非饱和界面的基质吸力是渗流滞后性产生的主要原因。当库水位下降速率保持目前的0.6 m/d,库区45.7%的滑坡渗流为强滞后型;当增大库水位下降速率为1.2 m/d时,库区64.4%的滑坡渗流为强滞后型,强滞后性的滑坡数量增加了18.7%,增加比例不大。若考虑坡度的影响,可以得出三峡库区至少90%滑坡渗流为滞后型。

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