庫區(qū)水位下降速度對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

艾秀峰，馬德芹

庫區(qū)水位下降速度對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

艾秀峰1，馬德芹2

（1.西南交通大學，成都 610031；2.西南交通大學，四川 峨眉 614202）

水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，庫區(qū)水位下降引起坡體的滲流場變化進而影響坡體穩(wěn)定性。以三峽庫區(qū)某坡體為例，針對庫水位下降的不同速度，利用二維有限元模擬軟件Geo—Studio對坡體滲流場變化進行數值模擬和穩(wěn)定性分析。研究表明，隨著水位下降速度的增加，浸潤線前緣總水頭值不斷減小，水平流速不斷增加，滑坡的穩(wěn)定性系數也隨之下降。

庫區(qū)水位；滲流場；邊坡穩(wěn)定；影響

庫岸邊坡失穩(wěn)將會對庫區(qū)人民的生命財產造成巨大損失所以有關庫岸邊坡的穩(wěn)定性問題一直受到人們的重視。能夠對邊坡穩(wěn)定性產生影響的因素有很多，根據以往的研究表明90%以上的邊坡失穩(wěn)都與水之間有聯系所以水是決定邊坡安全穩(wěn)定的重要因素。庫岸邊坡長期受庫水位變化影響，必將引起岸坡地下水位不斷變化，進而也必將對邊坡穩(wěn)定性產生影響。日本學者對水庫滑坡進行統計分析后發(fā)現，有60%的滑坡發(fā)生在水位驟降時期［1］。張衛(wèi)民等研究了各種邊坡模型，經計算分析認為邊坡穩(wěn)定性隨地下水位變化表現出一定的規(guī)律性，地下水位在距坡腳一定坡高范圍內變化時土坡的穩(wěn)定性變化不大。當地下水位線超過這一范圍時邊坡的安全系數將隨著其的升高而線性減小，進而發(fā)生滑動破壞；馬崇武等研究表明不管是庫水位升高還是下降，都存在一個使邊坡的穩(wěn)定性系數達到最小的水位；廖紅建等發(fā)現庫水位下降速度的變化也會對邊坡穩(wěn)定性系數產生影響。當滑坡體的滲透性系數相同時，穩(wěn)定性系數降低速率將會隨著水位下降速度的增加表現出明顯增大。對于不同的庫水位下降速度，岸坡的穩(wěn)定性的變化曲線差異不大。而對于滲透性系數越大的滑坡體，其穩(wěn)定性系數值對的變化表現的越不敏感，也就是說庫水位降低速度在這時對穩(wěn)定性的影響不大。以上這些研究表明庫水位下降速度會引起的邊坡滲流場及穩(wěn)定性的變化，研究成果將對庫岸邊坡穩(wěn)定性預測及防治起到十分重要的作用。

圖1　堆積體典型剖面圖

表 1 滲流計算參數

1　工程地質概況

1.1工程概況

三峽水庫是一個狹長的河道型水庫，建成后采用“冬蓄夏泄”的水位調度方式，水位調幅變化可達30m，這種變化將直接干擾兩岸滲流場，如果庫水位快速降落，兩岸地下水位通常不能同庫水位同步降落，高、低水位之間的水體所產生的向坡體外的滲透壓力將成為對滑坡體的穩(wěn)定性極為不利的因素［2］。

坡體位于川東盆地長江河谷地帶、三峽庫區(qū)中心地帶，岸坡區(qū)內有三條鎮(zhèn)級及村級公路東西向貫通整個岸坡，水路有長江航運，可常年通航，上可達涪陵，下至忠縣，交通較方便。

1.2坡體水文地質與工程地質

根據巖土體含水特性及地下水的賦存條件，將庫岸區(qū)及周邊地下水劃分為松散層孔隙水和基巖裂隙水。松散層孔隙水主要賦存于第四系松散堆積體粘性土夾碎塊石、河流沖積成因的粉土、砂層、砂卵石層。其中堆積體內物質差異性較大，均一性差，含水不均一，密實度普遍較好，含水量不大，主要接受降水及地表魚塘內表水補給，于地勢低洼及坡前陡坎處排泄；沖積層內地下水由于受庫水位淹沒，長期受地表水補給，水量較豐富。基巖裂隙水主要賦存于風化裂隙和砂巖層內，由于該區(qū)以泥巖、砂巖互層狀，產狀平緩，砂巖層內地下水受泥巖阻隔，相互間連通性差，不能形成規(guī)模，一般水量較小，由于長江為地下水的最低排泄基準面，其排泄途徑多于其砂巖出露位置浸出。在當地居民未統一安裝自來水時，普遍采集此類地下水飲用。

該岸坡為大型中層牽引式土質邊坡。庫岸坡區(qū)屬河谷岸坡堆積地貌，地貌條件、地形條件中等復雜；土層厚度在1.0～37.0m， 巖土種類較多，巖土性差異較大，巖土界面傾角一般3°～20°，巖體結構類型為薄～厚層狀。岸坡區(qū)位于萬縣向斜核部，巖層產狀為153°∠4°，發(fā)育2組裂隙，地質構造簡單。

圖2　庫水位以不同速度下降到145m時總水頭等值線圖

2　水位下降速度對堆積體滲流場的影響

計算模型以三峽庫區(qū)某庫岸邊坡典型坡面為模型，該岸坡前緣高程149m 后緣高程185m高差36m，坡體主要由第四系滑坡堆積層（Q4del）為主，下覆侏羅紀中統上沙溪廟組（J2s）紫紅色泥巖和灰色砂巖。如圖1所示。

根據相關試驗資料，計算過程中巖土體的滲流參數見表1計算過程中通過改變庫水位的下降速度，從而計算得到不同水位變動速度條件下，不同庫水位、不同水位變動時刻的堆積體內瞬時地下水浸潤線。庫水位在145～175m之間變化，水庫水位變幅高差為30m。水位漲落速率最小約0.6m/d，最大4m/d。計算過程中設定庫水位下降速度分別為: 0.67、1、1.5、2、4m/d。

圖3　庫水位以不同速度下降到145m時水平流速等值線圖

2.1總水頭等值線

由圖2所示，庫水位下降過程中，隨著水位下降速度的變化，堆積體地下水滲流的總水頭等值線特點可以得到以下規(guī)律：

1）隨著庫水位降低速度的增大浸潤線前緣總水頭值不斷減小，總水頭等值線于滑帶處向滑坡后緣彎曲，且堆積體內總水頭等值線較基巖內彎曲幅度大，這是由于兩者之間滲透系數差異引起的。

2）處于坡體浸潤線以下的總水頭等值線較浸潤線以上密集，這是因為由于水位下降導致浸潤線以上坡體含水量減少所致。

2.2水平流速等值線

圖3所示為庫水位以不同速度下降到145m時水平流速圖。由圖3可知：

1）隨著水位下降速度的增大水平流速等值線變得越來越密集，水平流速最大值由0.0688逐漸增大到0.08262；浸潤線以上的水平流速等勢線較下部更為密集。

2）從水平流速等勢線的形態(tài)上看，滑坡體內水平流速表現沿坡體底部向上呈增大環(huán)。

圖4　庫水位下降速度與孔隙水壓力之間的關系

圖5　水位下降速度與穩(wěn)定性系數的關系

3　穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計算過程中所涉及到的巖土體物理力學參數見表2。

3.1滲流場對應力場的影響

利用二維有限元軟件GEO-Studio中SLOPE/W與SEEW/W模塊耦合性，對庫岸坡體高程約為165m處土條分析得到的孔隙水壓力與庫水位下降速度之間的關系如圖4所示。分析可知，隨庫水位降低速度的增長，坡體內的孔隙水壓力從263KN一直增大。下降速度超過2m/d后空隙水壓力增加迅猛，在4m/d時達到1 039.6KN，這必然對坡體穩(wěn)定性產生很大影響。

3.2下降速度對安全性的影響

分析得到隨著庫水位下降速度的變化岸坡安全性之間的關系見圖5。經過分析可知岸坡的穩(wěn)定性系數與庫水位下降速度呈負相關，即岸坡穩(wěn)定性系隨著庫水位下降速度的增大而降低，當速度為4m/d時岸坡的穩(wěn)定性系數達到最小值1.062，此時岸坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。而對于同一下降速度滑坡的穩(wěn)定性系數隨著時間表現為正相關，即隨時間的增長而增大。如圖6所示，以2m/d的下降速度為例可以看到隨時間增長滑坡的穩(wěn)定性系數從1.139一直增大到1.275 。這可能是由于對于該牽引式滑坡來說水位下降導致水對下滑段壓力減小從而減小了下滑力而使滑坡趨于穩(wěn)定的原因。

表2　穩(wěn)定性計算參數

圖6　速度為2m/d時穩(wěn)定性系數與時間關系圖

4　結論

1）由于滲透系數間的差異，導致堆積層和基巖之間的總水頭等值線在形態(tài)上有明顯不同且浸潤線一下的總水頭等值線比浸潤線上更為密集。

2）堆積體和基巖內水平流速均隨水位下降速度的增加而增大，水平流速最大值由0.068 8逐漸增大到0.082 62，最大的地下水水平流速都出現在155～160m范圍內。地下水水平流速的等值線圖在可疑滑帶范圍內最密，地下水浸潤線以上的地下水水平流速的等值線圖較浸潤線以下的更為密集。

3）穩(wěn)定性計算表明在庫水位下降時，滑坡體穩(wěn)定性系數隨水位下降速度的增加而減小，岸坡的穩(wěn)定性系數最小為1.062，坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在庫水調節(jié)期間應對岸坡進行密切監(jiān)測以保證岸坡安全。

4）該岸坡在不同的庫水位下降速度下，都變現出隨著時間增長穩(wěn)定性系數都逐漸增加，滑坡體趨于更加穩(wěn)定的特點，所以應對庫水位下降初期的堆積進行重點監(jiān)測。

［1］ 中村浩之（王恭先，譯）. 論水庫滑坡［J］. 水土保持通報，1990，10（1）:53～64

［2］ 廖紅建，高石夯，盛謙，等. 滲透系數與庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響［J］. 西安交通大學學報，2006.

［3］ 陳湘桂，牛建東，陳亮晶. 庫水位上升條件下滑坡體的滲流場及穩(wěn)定性研究［J］. 鐵道科學與工程學報，2013，10（3）

［4］ Fredlund D G.Rahardjo H.陳仲頤非飽和土力學 1997

［5］ 廖彬，張文斌. 庫水位變化條件下滑坡穩(wěn)定性研究［J］. 人民長江，2013，44（9）

［6］ 時衛(wèi)民，鄭穎人. 庫水位下降情況下滑坡的穩(wěn)定性分析［J］. 水利學報，2004（3）76-80.（Shi Weimin，Zheng Yingren. Analysis ofstability of landslide during reservoir drawdown［J］. Journal ofHydraulic Engineering，2004，（3）：76-80.（in Chinese））

［7］ 孫冬梅，朱岳明，張明進. 庫水位下降時的岸坡非穩(wěn)定滲流問題研究［J］. 巖土力學，2008，29（7）

［8］ 涂國祥，鄧 輝，黃潤秋. 水位變動速度對某庫區(qū)岸坡堆積體穩(wěn)定性的影響［J］. 四川大學學報（工程科學版）.2011， 43（4）.

The Influence of Water Level Falling in Reservoir Area on Slope Stability

AI Xiu-feng MA De-qin
（1-Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031； 2- Southwest Jiaotong University， Emeishan， Sichuan 614202）

Water level is an important factor to have an influence on slope stability. Seepage slope change caused by reservoir water level affects slope stability. This paper uses two-dimensional finite element simulation software Geo-Studio for simulating slope seepage field change and making stability analysis by the example of a slope of the Three Gorges Reservoir Area. The study indicates that the stability coefficient of landslide decreases with the increase in drawdown rate， decrease in saturation line front total head value and increase in horizontal velocity.

water level of reservoir area； seepage； slope stability； influence

P642

A

1006-0995（2015）04-0589-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.026

2015-01-14

艾秀峰（1989.9～）男，內蒙人，助理工程師，研究方向：特殊巖土工程