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摘要：边坡工程的稳定性研究是当前岩土工程研究领域中的一个热点问题之一，对库区水位骤降影响边坡的稳定性展开研究具有十分重要的理论意义和实际意义。本文采用某水库库区公路典型路基断面K151+300简化模型，分析库区水位骤降对边坡稳定性的影响。
关键词：库区；水位骤降；边坡；稳定性；影响
0 引言
随着我国社会经济的快速发展，各种工程的施工日益增加，边坡工程作为工程建设中最常见的工程形式，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，其数量也日益增加。在库区边坡工程中，库区的水位骤降会引起边坡体内有效应力迅速降低，极易诱发边坡工程的滑坡事故，对人们的生命财产安全构成严重的威胁。因此，研究库区水位骤降对边坡稳定性的影响具有十分重要的意义。
1库区水位骤降对边坡稳定性的影响研究
库区水位的骤降会对公路边坡造成不利的影响，往往会导致灾害的发生。水位骤降期影响边坡稳定性的因素有很多，边坡体本身的抗剪强度、坡面的形式、坡体的渗透系数、库水位的下降高度等综合作用影响其稳定性，因此水位骤降过程中边坡的安全系数也是变化的，本文采用FLAC3D软件建立骤降期的边坡渗流模型，研究水位降落的过程中边坡安全系数的变化曲线，从而找出边坡的最危险水位。
1.1 FLAC3D计算模型
本文采用某水库库区公路典型路基断面K151+300简化模型，如图1所示，边坡高度为24.6m，采用三级边坡，坡高由上而下分别设置为8.6m、8m、8m，坡度为1:1.5、1:n、1:n。亚粘土层天然状态下，重度为18.65，粘聚力为30.6kPa，内摩擦角19.37°；饱和状态下，饱和重度为19.65，粘聚力为24.1kPa，内摩擦角14.67°；强风化基岩重度为21，粘聚力为16KPa，内摩擦角21°；微风化基岩重度为22，粘聚力为17.5KPa，内摩擦角24.5°。计算中浸润线以上部位采用天然强度，浸润线以下部位采用饱和强度。计算模型采用摩尔库伦弹塑性模型，并使用关联流动法求解安全系数，得出不同水位下的边坡稳定情况。
图1 库水位骤降期边坡计算
图1中H为边坡的高度，边界向右延伸H，向下延伸H。为正常蓄水位高度，取值16m，水面标高为228m，为库水位的下降高度。1:n为边坡的坡度，分别取坡度1:1.75、1:2进行了模拟计算，水位的骤降速度为1.68m/d，得出库水位骤降过程中，边坡稳定性的变化。
1.2 简化模型的计算结果分析
使用简化模型模拟库水位由228m骤降至214m过程中边坡稳定性变化，分别选取坡比1:1.75和1:2的简化边坡，分析边坡水平位移、竖直位移、整体位移、剪切应变率的变化，如图2所示。
图2 水位骤降过程中水平位移变化图
由图2可得，以坡度1:1.75为例，在库水位骤降过程中，其水平位移、竖直位移、位移及剪切应变率的变化曲线都是先升后降的趋势，且最高点位于水位218～220m之间，对应于坡高1/4～1/3处。其中变化在骤降开始和快临近结束的期间较为平缓，但在接近最高点位置的时候，随着水位下降，表现为“急升急降”的现象，其在最高点位置的各项指数较骤降开始阶段或临近结束阶段，水平位移增大为2.98倍，竖直位移增大为1.67倍，整体位移增大为1.88倍，剪切变化率增大为1.74倍，可以判断出在此期间的边坡稳定性变化最为剧烈，图中对应的最高点位置就是边坡的最危险水位高度。
相比较1:1.75和1:2两个不同坡度的计算边坡，坡度较缓的1:2边坡其最高点的变化数值相对于1:1.75边坡要小得多，尤其是剪切应变率变化数值明显减小，因此边坡最危险高度位置对边坡的坡度较为敏感。边坡的坡度放缓对水位骤降下边坡稳定性起到明显的提高。
1.3 水位骤降期间边坡的稳定变化
图3为骤降至不同水位时，简化边坡的安全系数计算结果。
图3 水位下降高度比—K关系曲线图
由图3可知边坡的安全系数随着库水位的骤降，先是随着减小，在到达最危险水位高度之后，又随着缓慢增大，说明边坡的稳定性在水位骤降过程中是先减小后微增的，具体的变化可由以下各个时期的稳定分析所知。
在库水位骤降至224m，边坡存在由坡顶贯通至坡脚的塑性贯通区，边坡可能沿着潜在滑动面发生滑动破坏，边坡的剪切速度矢量上部表现为沉降和剪切，下部表现为剪切，边坡存在整体滑动的可能，此时边坡的安全系数为1.38。
在库水位骤降至220m，边坡已经不存在塑性贯通区，但是坡底部塑性破坏区域较为明显，边坡的剪切速度矢量主要表现为整体剪切，且在最下一级边坡至坡脚剪出现象明显，下部边坡极可能发生破坏。此时的边坡由于水位骤降过快，坡内的水体来不及排出，与坡外水体形成较高的水位差，渗透力作用在最下边坡及坡脚处，方向指向坡外，造成边坡下级边坡被冲出破坏，而此时边坡的安全系数为1.20，已接近最小安全系数。
在库水位骤降至216m，边坡塑性破坏区集中到了坡脚区域，边坡可能沿着潜在坡脚发生滑动破坏，边坡的剪切速度矢量主要集中在坡脚，表现为“剪出”，边坡坡脚稳定性最差，极易发生破坏，此时边坡的安全系数为1.24。
综上所述，边坡在骤降开始阶段潜在的破坏为整体滑塌，边坡处于亚临界稳定状态，在水位骤降至最危险水位高度时，边坡的下部和坡脚“剪出”明显，安全系数最低，下部区域极易发生失稳，在骤降临近结束阶段，边坡的坡脚变形明显，极易发生破坏。
1.4 水位骤降期间边坡的安全系数变化分析
采用FLAC3D对库区公路典型断面K151+260边坡进行计算，库水位由228m降落至214m，对应模型高度为16m至2m，且16m高度位于第一级台阶处。得出水位骤降期间的边坡安全系数变化，如图4所示。
图4 不同库水位标高下的边坡安全系数
由图4可知，K151+260边坡在水位骤降期间的安全系数呈现先急剧减小后增大，再减小再缓慢增大的趋势。边坡存在三个极值点，即水位221m、218m、217m处。由图可知，边坡在220m处存在2m宽的台阶设置，水位221m处于台阶以上，218m、217m处于台阶以下，安全系数在228m左右呈增大状态应是台阶作用导致，下面查看在三个极值水位的安全系数计算云图。
K151+260在库水位骤降至221m时，边坡存在两个塑性贯通区，一个由坡顶贯通至第三级边坡的坡脚；一个由坡顶贯通至第二级边坡的坡脚，但是剪切应变不集中，剪切速度矢量在第二级边坡的坡脚最为集中，底部坡脚剪切不突出，此时安全系数为1.26，边坡处于亚临界稳定状态。
K151+260在库水位骤降至218m时，边坡存在一个由坡顶贯通至第三级边坡坡脚的塑性贯通区，且剪切速度矢量于第三级边坡较大，第三级边坡可能沿着坡脚滑塌，此时安全系数为1.31，边坡处于亚临界稳定状态。
K151+260在库水位骤降至217m时最为危险，安全系数为1.22，对应边坡高度5m，位于边坡约1/5处。第三级边坡存在明显的潜在滑动面，剪切速度矢量表面变形明显，此时第三级边坡在库水骤降作用下极易失稳。
相比较上节的简化边坡，K151+260边坡在220m处台阶的设置，影响了边坡稳定性的变化，导致安全系数在降低时增加了缓升再降的过程，使得最小安全系数的稍稍增大，最危险水面高度下降，有效降低了底部坡脚的破坏概率，加强了边坡整体稳定性。
2 结语
综上所述，研究库区水位骤降对边坡稳定性的影响对确保边坡工程的安全稳定，保障人们的生命财产安全具有十分重要的意义。本文采用强度折减法，分析了库区水位骤降对边坡稳定性的影响。由分析可知，随着库区水位的骤降，边坡安全系数先减小后稍微增大，在最危险水面高度处，边坡的水平位移、竖直位移、整体位移等达到了最大值，此时的边坡稳定性最差，该水位大约处于边坡高度的1/5～1/3处。并且边坡的安全系数的变化受到边坡坡面形式的影响，采用较缓边坡，边坡的整体稳定性得到提高，另外设置台阶可改善安全系数的减小，使得边坡安全系数下降速率得到缓和，并加强了边坡底部的坡脚稳定性。
参考文献
[1]张春,黄礼富,代永新.某水库水位的下降对坝体边坡稳定性的影响[J].金属矿山.2014(03)
[2]李健,巫锡勇,侯龙.水位变动对库区非饱和路堑边坡稳定性的影响分析[J].路基工程.2014(03)
论文作者:阮桂元
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/30
标签：水位论文; 安全系数论文; 稳定性论文; 库区论文; 位移论文; 高度论文; 坡度论文; 《基层建设》2016年18期论文;