裂隙岩体边坡渗流规律及稳定性分析

裂隙岩体边坡渗流规律及稳定性分析

江峰，卢正

（武汉工业学院土木工程系武汉 430023）

摘要：从裂隙岩体边坡的渗流特征和渗流普遍规律出发，根据岩土力学、渗流力学以及工程地质学的知识，建立数学模型，通过渗流数值模拟及稳定性分析，研究水位变化情况下岩体渗流场变化规律以及对岩质边坡稳定性的影响。

关键词：裂隙岩体，渗流，数值模拟，稳定性分析

Seepage Law and Stability Analysis of Fractured Rock Slope

Jiang Feng, Lu Zheng

(Department of Civil Engineering, Wuhan Polytechnic University Wuhan 430023) Abstract: Based on seepage characteristic and seepage law, according to rock and soil mechanics, seepage mechanics, and engineering geology knowledge, numerical model was erected. Through numerical simulation, seepage process and stability of rock mass were studied under water head change. The effect of water head change on slope stability was analyzed.

Key words: fractured rock mass, seepage, numerical simulation, stability analysis

1 引言

边坡地下水渗流对对边坡稳定有重要影响，特别对岩质高边坡而言，边坡岩体由于受风化、构造及卸荷的作用，节理、缝隙相当发达，成为地下水流通道或贮水空间。存在于裂隙岩体中的地下水一方面使岩体的物理力学性质发生变化，另一方面通过静水压力和动水压力作用使岩体引起劈裂扩展、剪切变形和位移。

水库蓄水诱发边坡破坏较著名的如1959年法国的Malpasset拱坝在初次蓄水时就发生了溃坝。同样的，1963年10月9日发生的意大利瓦依昂（Vaiont）水库左岸也发生了大滑坡。瓦依昂双曲拱坝坝高261.6m，是当时世界最高的大坝之一。当水库蓄水至225.4时，左岸山体突然下滑，体积达2.7～3.0×108m3，滑速达28m/s，水库中有5×107 m3的水体被挤出，激起250m高的巨大涌浪，高150m的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3000人丧生。该水库开始蓄水时，就发现左岸山体蠕滑变形，但未引起水工人员的重视，随着库水位抬高，滑动面上空隙水压力加大，从而导致整个山体下滑。

在我国也有类似事故发生如1961年3月湖南资水柘溪水电站的近坝库岸滑坡，发生于震旦系板溪群砂质板岩中。由于水库蓄水，使库岸边坡受空隙水压力作用而失稳。滑坡体倾入水库中产生的涌浪溢过坝顶冲向下游，造成生命财产的严重损失。

为了对裂隙岩体边坡渗流和稳定性进行分析，本文采用有限元数值解法把渗流问题转化为求剩余问题，再经过离散化得到计算格式的解，最终达到对岩质边坡渗流进行数值模拟的目的。

2 裂隙岩体渗流数学模型及稳定性分析方法

对于地下水渗流来说，岩土—水这个体系是处于不停的变动状态，物质和能量不断转换、转移，

他涉及到物理变化的许多并发过程。即使我们知道整个时期内所出现的许多变化过程，但瞬间出现的一些过程却很难察觉。要研究这一体系的规律非常复杂，因此，在讨论某一特殊问题时，可以忽略一些无关方面，从而使问题简化，这就是所谓的模型。它可能是物理或数学模型。当然，所有模型和理论都是近似的，并不与现实情况百分之百对应，但模型又不能脱离现实。一个有效的模型就是符合设想的模型，并能相当准确地量测和预测那些有意义的变量。

1865年，法国工程师达西通过砂柱渗流实验发现，流体通过多孔介质时的流量Q 与水头差H ∆和砂样断面积A 成正比关系，而与其长度L ∆成反比，即对同一个砂样有一个固定比例常数K ，表达式为：

KAJ L H KA

Q =∆∆= （1） 渗流速度 A Q V = ，所以水在岩土中流速与水力梯度成正比：

V KJ = （2）

基于渗流达西定律，根据连续性方程，可以得到地下岩体渗流数学模型为：

+∂∂∂∂x

x h KM )(+∂∂∂∂y y h KM )(t h W z z h KM ∂∂=+∂∂∂∂*)(µ (3) 式中，µ* = µs ，M 是弹性储存系数。

渗流计算采用圆弧滑动法，通过搜索最危险滑动面，计算稳定性系数，分析边坡稳定性，这

方面的文献已经很多，在此不再叙述。

3 裂隙岩体地下水渗流规律及对边坡稳定性的影响分析

我们的模拟对象为某水电站左岸蠕变体A 剖面，该边坡按地层性质划分属于反倾向岩质边坡。根据工程地质报告，其地层可大致分为三层：1.全、强风化层；2.微、弱风化层；3.新鲜岩层。地层的渗透性主要受风化程度的影响，所以渗流地层以风化程度划分。根据同一风化层内渗透系数平均值作为该层的渗透系数。

该边坡中特有的反倾向断层，其渗透系数非常大，会对边坡中的渗流场产生很大影响，因此是研究的重点对象。由于断层节理繁多，结构复杂，我们这里只选取具有代表性的F8和F63这两个断层研究。在此，我们为了研究大断层的影响，特意加大了断层的渗透系数。参数见下表：

从数据来看，断层渗透系数最大，新鲜岩层最小。第一层，全、强风化层和第二层，微、弱风化层渗透系相同。其实按照实际情况，断层的渗透系数要比其它层大得多，而第一层也比第二层渗

透系数大。但第一层很薄，同时为了通过这个实例得出较普遍的结论，所以采用了这组数据。断面分层示意图如图1所示。

图1 岩体工程地质分区

初始条件渗流模拟是以水库无蓄水为基础，边界条件以稳定流模拟实际稳定地下水位。边坡左侧的水位可视为水头边界，要考虑蓄水前后的变化，分别设为H1=69m边坡右侧水位为流量边界

H2=390m，考虑到南方补给充分，设为定值。边坡外表用混凝土加固，浸出边界可不设。水库蓄水后，边坡附近地下水位受水库水位顶托升高。水位上升过程，可以应用非稳定流模拟。水库蓄水后，红水河水位上升至H3=120m，此高程以下节点设为水头边界。由于水库水位上升较多（约升高51m），所以边坡右边定水头边界的位置需要检验，若水库蓄水引起右边边界附近水位明显上升，就必须调整边界位置直至左边水位上升对右边水位影响很小或基本无影响为止。

模拟方案中蓄水前左侧水位为69米，蓄水后左侧水位为120米，坡顶高度为450米，水位为390米。模拟得到的蓄水前后的压力水头等值线如图2和图3所示。

图2 蓄水前压力水头等值线图图3 蓄水后压力水头等值线图

将计算得出了边坡渗流中各点的压力水头，总水头，渗流速度等相关参数输入边坡稳定分析计算软件，运用圆弧滑动法计算出：无水、水位69m、水位120m，三种条件下边坡的安全系数，采用瑞典条分法，判断其是否稳定，并分析蓄水对边坡稳定性的影响。表2为三种工况情况下，边坡稳定性分析结果。

1、无水情况下稳定性分析结果为：

最不利滑动面:

滑动圆心 = (-5.000,10.000)(m)

滑动半径 = 8.990(m)