庫水位變化對庫岸穩(wěn)定的影響

紀　南，呂城騰，王　蓓

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

庫水位變化對庫岸穩(wěn)定的影響

紀南，呂城騰，王蓓

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210098）

瀾滄江上某水電站蓄水運行后，庫水位的變動對庫岸邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。以該電站庫區(qū)的一個庫岸為例，根據(jù)庫水位調(diào)度規(guī)劃及當(dāng)?shù)厮馁Y料，運用土體滲流理論以及極限平衡方法對庫岸邊坡進行穩(wěn)定性分析，同時在靈敏度分析的基礎(chǔ)上，研究庫岸滲透系數(shù)和庫水位變化對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在庫水位上升階段，當(dāng)庫岸邊坡滲透系數(shù)很大時（k=2.5×10-4m/s），庫岸地下水位將和庫水位同步上升，將降低邊坡的安全系數(shù)；當(dāng)庫岸邊坡滲透系數(shù)很小時（k=2.5×10-6m/s），庫岸邊坡地下水位的上升將滯后于庫水位的上升，導(dǎo)致作用在庫岸邊坡上，有利于庫岸邊坡的穩(wěn)定；在庫水位下降階段，當(dāng)庫水位下降速率小于等于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡地下水位隨著庫水位的下降而降低，庫岸邊坡的穩(wěn)定性隨著庫水位的降低而增加；當(dāng)庫水位下降速率大于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡地下水位的下降將滯后于庫水位的下降，產(chǎn)生動水壓力作用于庫岸邊坡，不利于庫岸邊坡的穩(wěn)定。并提出了水庫蓄水階段應(yīng)盡量保持在2 m/d內(nèi)的上升速度，水位下降階段應(yīng)將水位下降速度控制在1 m/d之內(nèi)的建議。該研究對水庫安全運行具有一定指導(dǎo)作用。

庫水位變化；庫岸穩(wěn)定性；滲透系數(shù)；極限平衡法；靈敏因子分析

0　引言

邊坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，由于水庫的蓄水誘發(fā)的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象在國內(nèi)外普遍存在。水庫庫岸邊坡的穩(wěn)定性分析研究對水利工程的建設(shè)以及安全運營有著重要的意義。隨著庫水位的變化，庫岸邊坡的滲透系數(shù)和庫水位的變化速率是影響庫岸穩(wěn)定的兩個重要因素。水庫運行期間，庫岸邊坡受水庫水位變動影響，其計算工況復(fù)雜，較一般邊坡具有特殊性。國外學(xué)者曾調(diào)查發(fā)現(xiàn)，49%的滑坡發(fā)生在蓄水初期，30%發(fā)生在水位驟降10～20 m的情況下，其余為發(fā)生在其他時間的小型滑坡［1］。水庫庫水位變動、波浪的沖蝕、庫水浸泡對堆積體的穩(wěn)定性有很大影響［2］。水庫水位快速變動是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素之一。地下潛水位上升時，巖土體飽和區(qū)域增大，飽和巖土體抗剪強度較低，對堆積體穩(wěn)定性有較大影響地下潛水位下降時，坡內(nèi)水向坡外滲流產(chǎn)生的滲透壓力對堆積體穩(wěn)定性極為不利。

庫水位漲落對堆積體的影響是一個動態(tài)的過程，地下滲流場隨水位不同而動態(tài)變化，評價這樣邊坡穩(wěn)定性是工程與學(xué)術(shù)中的重要課題［3］。目前水位升降情況下穩(wěn)定性研究大多限于飽和土范疇，研究穩(wěn)定流下的邊坡穩(wěn)定性，但飽和土力學(xué)不能考慮到基質(zhì)吸力對邊坡穩(wěn)定性的影響，以及非飽和土孔隙水壓力產(chǎn)生和消散的過程［4-6］。

本文主要根據(jù)現(xiàn)場的一些觀測資料和地質(zhì)現(xiàn)象，通過極限平衡理論和數(shù)值模擬，來討論不同的庫水位變化速度和庫岸的滲透系數(shù)對庫岸穩(wěn)定的影響，研究結(jié)果對水庫安全運行有一定的指導(dǎo)意義。

1　庫岸邊坡的工程地質(zhì)特征

阿塔登Ⅰ（H2）滑坡位于云南省大理白族自治州云龍縣，是瀾滄江上游河段苗尾水電站庫岸邊坡（圖1），上距馬登橋約2.6 km，距離下壩址約55.2 km。，滑坡沿江長度約為420 m，岸坡為陽坡，對岸幾何形態(tài)為平直岸。

圖1　H2滑坡全貌Figure1　Panorama of landslide H2

滑坡形態(tài)明顯，滑坡體前緣瀾滄江呈SSW流向，水面高程1390.8 m，水面寬60 m左右。滑坡體內(nèi)開墾為梯田，周邊無居民點及其它設(shè)施分布?；潞缶墳榛鶐r斜坡，坡度大于40°，F(xiàn)60斷層在滑坡體下游的基巖岸坡有露頭，產(chǎn)狀：SN～N10°W，SW∠60～80°，斷層帶內(nèi)巖體擠壓強烈。坡上植被發(fā)育一般，H2滑坡體周界清晰，在平面上呈近正方形，后緣高程為1580～1625 m，前緣高程約1390 m，沿江長約420 m，面積0.17 km2。滑坡體厚度為43.0～68.2 m，總方量約700萬m3?；麦w內(nèi)分布兩條支溝，切割深度8～15 m，溝內(nèi)有常流水?；麦w中后部為圈椅地形，橫向起伏變化較大，縱向坡度為15°～25°；前緣坡度較陡為25°～35°，分布有次級滑動形成的陡坎，坎高10～25 m?；麦w表面拉裂縫發(fā)育，多呈組出現(xiàn)，一般張開為0.5～5 cm，最大達20～40 cm，延伸長度為3～16 m，深度為2～8 m。滑體前緣有地下水出露，水量較小。

從2015年3月到2015年10月，經(jīng)過8個月的觀測，發(fā)現(xiàn)邊坡的后緣產(chǎn)生張拉裂縫。裂縫寬度由三月份的2 cm逐漸發(fā)展到十月份的10 cm，深度也由三月份的3 m逐漸加深到十月份的5 m。從滑坡體特征分析，目前處于變形階段，主要表現(xiàn)為前緣滑塌和中后部的拉裂變形，呈現(xiàn)累進式破壞?；麦w內(nèi)的兩條沖溝常年有流水，地表水的活動使滑坡體局部土體飽和，是導(dǎo)致滑坡變形加劇的主要原因之一，同時由于河谷的下切和地貌的改造，導(dǎo)致河谷應(yīng)力釋放，從而驅(qū)動邊坡巖體產(chǎn)生變形和破裂。水庫蓄水后，滑坡區(qū)河水位升高約20 m，水庫蓄水對滑坡穩(wěn)定有一定影響?；露逊e物主要由第四系崩坡積松散的碎石土和風(fēng)化基巖組成，無明顯的分層特征（圖2），滑動帶位于第四系覆蓋層與破碎的風(fēng)化基巖分界附近，未見明顯的軟弱夾層分布。

圖2　H2滑坡剖面示意圖Figure2　A schematic diagram of landslide H2

2　庫岸邊坡穩(wěn)定性計算

本文的計算采用了Geostudio軟件。進行極限平衡分析，根據(jù)剖面數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)對坡體進行建模和分層，利用室內(nèi)試驗和工程類比給出相應(yīng)地層的參數(shù)。應(yīng)用slope和seep模塊進行邊坡穩(wěn)定性分析，進行應(yīng)力場和滲流場的耦合，模擬出安全系數(shù)最小的滑動面。

2.1極限平衡理論

本次計算主要使用畢肖普法。表層的堆積物和覆蓋層可以看成均質(zhì)體，采用圓弧滑動進行分析，下部的弱風(fēng)化層巖性較好，利用平面滑動進行分析。對邊坡局部的穩(wěn)定分析采用關(guān)鍵塊體理論進行楔形體分析。

畢肖普法中土坡穩(wěn)定系數(shù)的含義是整個滑動面上土的抗剪強度Tf與實際產(chǎn)生剪應(yīng)力T的比，即K= Tf/T，并考慮了各土條側(cè)面間存在著作用力，根據(jù)靜力平衡條件和極限平衡狀態(tài)時各土條力對滑動圓心的力矩之和為零等，可得畢肖普法求坡體穩(wěn)定系數(shù)的普遍公式，如圖（3）所示，Ei及Xi分別表示法向及切向條間力，Wi為條塊自重，Qi為水平力，Ni、Ti分別為條塊底部的總法向力（包括有效法向力及孔隙水壓力）和切向力。

圖3　Bishop法計算圖式Figure3　Computational scheme of Bishop Method

Bishop法的安全系數(shù)可以通過下式計算：

2.2H2邊坡滲流模擬計算條件

條件（1）庫水位以1 m/d和2 m/d的速度上升從1390 m到1 410 m；

條件（2）庫水位以1m/d和2m/d的速度下降從1410m到1390m。

2.3H2滲流計算分析

如圖4所示，縱坐標(biāo)為高程，橫坐標(biāo)為到滑坡體后緣的距離。由于庫水位的改變地下水位也發(fā)生著改變，并隨著庫水位的上升而上升。比較圖4中的（a）（b）兩圖可以得出，庫水位上升的越快，地下水位上升的越慢。

如圖5所示，縱坐標(biāo)為高程，橫坐標(biāo)為到滑坡體后緣的距離。地下水位隨著庫水位的降低而下降并滯后于庫水位的下降，比較圖5中的（a）（b）兩圖可以得出，庫水位下降的速度越快，地下水位下降滯后于庫水位下降的時間越長。

3　庫岸穩(wěn)定性和庫水位變化的靈敏度分析

由庫岸的勘察報告［7］可知，H2邊坡的飽和滲透系數(shù)是從2.5×10-4到2.5×10-6m/s，所以我們考慮四個不同的庫水位變化速率（v=2.5×10-4、2.5×10-5、1× 10-5、4×10-6m/s），同時庫水位上升模擬是從1390 m到1410 m，庫水位下降模擬是從1 410 m到1390 m，從而對庫岸穩(wěn)定性和庫水位變化的靈敏度進行分析。

3.1庫水位上升

從圖6可以看出，當(dāng)H2邊坡的飽和滲透系數(shù)是2.5×10-4、2.5×10-5和2.5×10-6m/s時，庫水位以v=2.5× 10-4、2.5×10-5、1×10-5和4×10-6m/s的速度從1390 m上升到到1410 m時，H2邊坡的安全系數(shù)在提高。

圖4　H2滑坡滑動面示意圖（水位上升）Figure4　A schematic diagram of landslide H2 sliding surface（water level rising）

圖5　H2滑坡滑動面示意圖（水位下降）Figure5　A schematic diagram of landslide H2 sliding surface（water level lowering）

（1）當(dāng)邊坡的滲透系數(shù)是k=2.5×10-4m/s時（圖6a），其中庫水位上升的速度小于邊坡滲透系數(shù)時，隨著水位的上升，邊坡的安全系數(shù)先以較快的速度增加然后逐漸的增加的速度開始減慢，有的甚至增加的速度減到負值，開始逐漸降低；當(dāng)庫水位上升速度等于邊坡滲透系數(shù)時，隨著水位的上升，安全系數(shù)的增加率一直在提高。

（2）當(dāng)邊坡的滲透系數(shù)k=2.5×10-5m/s時（圖6b），庫水位上升速度在2.5×10-4m/s和4×10-6m/s之間時，邊坡安全系數(shù)的增加率隨著水位的上升而增加，并且?guī)焖坏纳仙俣仍酱?，邊坡安全系?shù)的增加率反而越小。

（3）當(dāng)邊坡的滲透系數(shù)k=2.5×10-6m/s時（圖6c），庫水位上升速度大于邊坡滲透系數(shù)，邊坡安全系數(shù)的增加率隨著水位的上升而增加，并且和庫水位的上升速度是正相關(guān)關(guān)系。

3.2庫水位下降

在圖7中，H2邊坡的飽和滲透系數(shù)是2.5×10-4、2.5×10-5和2.5×10-6m/s，庫水位以v=2.5×10-4、v=2.5× 10-5、v=1×10-5和v=4×10-6m/s的速度從1410 m下降到1390 m。

（1）當(dāng)庫岸邊坡的滲透k=2.5×10-4m/s時（圖7a），邊坡安全系數(shù)增加率隨著庫水位的降低而增加，并且?guī)焖幌陆邓俾试酱?，邊坡安全系?shù)的增加率反而越?。ㄔ谶吰聺B透系數(shù)不變的情況下，庫水位降低的速率越慢庫岸邊坡安全系數(shù)增加的越快）。

圖6　庫水位上升曲線Figure6　Reservoir water level rising curve

圖7　庫水位下降曲線Figure7　Reservoir water level lowering curve

（2）當(dāng)庫岸邊坡的滲透系數(shù)是k=2.5×10-5m/s時（圖7b），當(dāng)庫水位降低速率（v=1×10-5，v=4×10-6m/s）小于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡的安全系數(shù)隨著庫水位的降低而增加；當(dāng)庫水位降低速率（v=2.5× 10-4，v=2.5×10-5）大于等于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡的安全系數(shù)隨著庫水位的降低而降低。

（3）當(dāng)庫岸邊坡的滲透系數(shù)是k=2.5×10-6m/s時（圖7c），庫岸邊坡的安全系數(shù)隨著庫水位的下降而減小，并且和庫水位下降的速率呈正相關(guān)關(guān)系。

3.3討論分析

（1）庫水位上升階段河水向邊坡內(nèi)入滲，水的滲透壓力直接作用在庫岸邊坡上。庫岸邊坡的滲透系數(shù)越小，庫水位上升的速率越快，作用于庫岸邊坡的滲透壓力越大，越有利于庫岸邊坡的穩(wěn)定；另一方面，當(dāng)庫岸邊坡的滲透系數(shù)較大時，庫岸邊坡地下水位將隨著庫水位的上升而上升，庫岸邊坡增加的孔隙水壓力將降低庫岸邊坡的穩(wěn)定性。

（2）庫水位下降階段，由于庫岸邊坡較小的滲透系數(shù)導(dǎo)致地下水的下降滯后于庫水位的下降，從而產(chǎn)生孔隙水壓力作用在庫岸邊坡上。換而言之，庫岸邊坡的滲透性越差，庫水位下降的越快，越不利于庫岸邊坡的穩(wěn)定。然而，由巖土體的滲透理論可知，當(dāng)庫水位下降一段時間趨于穩(wěn)定后，庫岸邊坡的滲流場將達到穩(wěn)定狀態(tài)，孔隙水壓力將逐漸消散，此時庫岸邊坡的穩(wěn)定性將增加。通過對該邊坡實際的應(yīng)力監(jiān)測，蓄水位階段邊坡表層的最大應(yīng)力為0.5 MPa，水位降到初始水位后，邊坡表層的最大主應(yīng)力變?yōu)?.4 MPa。

4　結(jié)論及建議

4.1結(jié)論

通過以上分析，可以總結(jié)出庫岸邊坡的安全系數(shù)和庫岸的滲透系數(shù)以及庫水位的變化速率有關(guān)。

（1）庫水位上升階段，當(dāng)庫岸邊坡滲透系數(shù)很大時（k=2.5×10-4m/s），庫岸地下水位將和庫水位同步上升，將降低邊坡的安全系數(shù)；然而，當(dāng)當(dāng)庫岸邊坡滲透系數(shù)很小時（k=2.5×10-6m/s），庫岸邊坡地下水位的上升將滯后于庫水位的上升，導(dǎo)致滲透壓力作用在庫岸邊坡上，有利于庫岸邊坡的穩(wěn)定。

（2）在庫水位下降階段，當(dāng)庫水位下降速率小于等于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡地下水位隨著庫水位的下降而降低，庫岸邊坡的穩(wěn)定性隨著庫水位的降低而增加；當(dāng)庫水位下降速率大于庫岸邊坡滲透系數(shù)時，庫岸邊坡地下水位的下降將滯后于庫水位的下降，產(chǎn)生動水壓力作用于庫岸邊坡，不利于庫岸邊坡的穩(wěn)定。

4.2建議

（1）水庫蓄水階段應(yīng)盡量保持在2 m/d內(nèi)的上升速度，防治邊坡失穩(wěn)，同時監(jiān)測邊坡的位移情況，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整水庫的蓄水速度。

（2）水位下降階段，應(yīng)將水位下降速度控制在1m/d之內(nèi)，防止因為水位下降過快而造成較大的滲透壓力作用在邊坡上，使邊坡下滑。

［1］賈韻潔.庫岸邊坡地下水位動態(tài)與穩(wěn)定性研究［D］.西安：長安大學(xué)，2005.

［2］楊帆，張發(fā)明.考慮庫水位變動影響的岸坡穩(wěn)定性分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013.

［3］劉翠容.地下水位變化對邊坡穩(wěn)定的影響［J］.鐵道建筑，2005.

［4］張文杰，陳云敏，凌道盛.庫岸邊坡滲流及穩(wěn)定性分析［J］.水利學(xué)報，2005.

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［7］張發(fā)明，李雨坤.苗尾水庫庫岸穩(wěn)定勘察報告［R］.2014.

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Impacts from Water Level Variation on Reservoir Bank Stability

Ji Nan，Lyu Chengteng and Wang Bei
（School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098）

Since the impoundment and operation of a hydropower station on the Lancang River，reservoir water level variation has con?siderably impacted reservoir bank slope stability.Taking a reservoir bank in the area as an example，according to reservoir water level scheduling，planning and local hydrological data carried out slope stability analysis through soil seepage theory and limit equilibrium method.Meanwhile on the basis of sensitivity analysis，has studied impacts on reservoir bank slope stability from variation of reservoir bank permeability coefficient and water level variation.The result has shown that during the water level rising stage，when slope perme?ability coefficient is large（k=2.5×10-4m/s），reservoir bank groundwater level will rise synchronized to reservoir water level，thus will re?duce the safety factor of the slope；when slope permeability coefficient is small（k=2.5×10-6m/s），the rising of reservoir bank groundwa?ter level will lag behind reservoir water level，thus caused seepage pressure acting on bank slope and in favor of slope stability.During the water level lowering stage，when reservoir water level decline rate less than or equal to slope permeability coefficient，slope ground?water level will lower down along with reservoir water level，slope stability will increase along with reservoir water level lowering.When reservoir water level decline rate larger than slope permeability coefficient，slope groundwater level lowering will lag behind reservoir water level，thus caused dynamic water pressure acting on bank slope，to the disadvantage of slope stability.It is suggested that during the reservoir impoundment stage，rising rate should be kept as far as possible within 2m/d，while during the lowering stage，lowering rate within 1m/d.The study has certain guiding significance to reservoir safe operation.

reservoir water level variation；reservoir bank stability；permeability coefficient；limit equilibrium method；sensitivity factor analysis

P641.1；P642.22

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.11

1674-1803（2016）10-0048-05

紀南（1992—），男，碩士研究生，地質(zhì)工程與地質(zhì)資源專業(yè)。

2016-05-10

責(zé)任編輯：樊小舟