水位漲落引起的庫岸再造對岸坡穩(wěn)定性的影響研究

楊 廣，晏鄂川，李慶偉

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

三峽工程建成后，上游水位抬升超過百米，庫區(qū)淹沒總面積近8萬km2，涉及移民117.15萬人。庫水位升高引起庫岸斜坡水文地質(zhì)條件發(fā)生顯著的改變，產(chǎn)生了許多工程地質(zhì)問題。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的斜坡破壞與水的作用有關(guān)。已有文獻(xiàn)[1-4]對庫水位升降作用下的邊坡滲流場和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，認(rèn)為水是導(dǎo)致坡體變形破壞的主控因素。在三峽庫區(qū)，庫水位大幅波動造成岸坡滲流場改變的同時，其強(qiáng)烈的侵蝕堆積作用也不斷地影響著庫岸再造的強(qiáng)度，宏觀上即表現(xiàn)為地形地貌的改變。孫冬梅等[5]對庫水位下降時某土質(zhì)岸坡非穩(wěn)定滲流進(jìn)行了分析，認(rèn)為孔隙氣壓力對邊坡的穩(wěn)定十分不利；連志鵬等[6]分析了在庫水位和降雨聯(lián)合作用下的岸坡滲流特征，并在此基礎(chǔ)上探討了岸坡穩(wěn)定性的變化特征；盧書強(qiáng)等[7]通過分析滑坡的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為庫水位下降速率影響滑坡的動態(tài)變形特征；張旭等[8]基于非飽和土理論建立了流-固耦合模型，并通過有限元法揭示了水分在坡體內(nèi)運(yùn)移與土體變形相互影響的空間效應(yīng)。

針對庫水位對岸坡整體穩(wěn)定性的影響，目前的研究往往局限于地下水滲流，而忽略了地表水體對岸坡地形的改造作用。因此，本文在現(xiàn)有分析方法的基礎(chǔ)上，以巫山縣某岸坡為例，結(jié)合詳細(xì)的勘察資料，并考慮庫水位周期性作用對岸坡地形的改變，利用數(shù)值模擬方法對該岸坡地下水滲流特征和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 岸坡工程地質(zhì)概況

本文研究的庫岸斜坡位于重慶巫山縣大寧河與長江交匯處。岸坡北臨大寧河，南臨長江，屬于構(gòu)造侵蝕、剝蝕河谷地貌，地勢東高西低，山脊總體呈北東向展布，如圖1所示。該岸坡地表沿山脊呈馬鞍型，形成了兩個寬緩平臺：第一平臺位于墳院子一帶，高程為230～280 m，為人工建設(shè)后的神女廟，兩側(cè)岸坡坡角為20°～40°，高程越高坡角越陡；第二平臺為大、小和尚包一帶，高程為170～190 m，兩側(cè)岸坡坡角為20°～30°。山脊平臺之間臨水一側(cè)各發(fā)育紅梁子溝和小狗架子溝，沖溝切割較深，達(dá)幾十米，溝長為80～150 m。岸坡最低點為長江、大寧河，原始河床高程為70～80 m，相對高差為100～200 m。

圖1 2017年岸坡地形圖Fig.1 Topographic map of the bank slope in 2017

該岸坡坡體物質(zhì)主要為第四系松散堆積物和三疊系嘉陵江組第四段灰?guī)r(見圖2)。其中，第四系堆積物厚度大，廣泛分布于山體斜坡、臺地、階地及河漫灘上，成因類型有沖洪積物、殘坡積物、崩積物和滑坡堆積物，成分由粉質(zhì)黏土夾碎石、碎塊石土及砂卵礫石等組成，表層較松散，深部較密實；基巖未在研究區(qū)內(nèi)出露，為鉆孔揭露，以灰黑色中厚層微—細(xì)晶灰?guī)r為主，堅硬性脆，溶蝕孔隙發(fā)育，較破碎，有膠結(jié)。

圖2 2017年岸坡典型地質(zhì)剖面圖Fig.2 Typical geological section of the bank slope in 2017

2 岸坡地形對比分析

1997年11月，長江首次截流，三峽水庫庫水位開始升高；到2010年，三峽水庫第一次實現(xiàn)175 m蓄水目標(biāo)。至今，三峽工程已連續(xù)8年成功實現(xiàn)175 m試驗性蓄水目標(biāo)。自三峽庫區(qū)蓄水以來，原先位于江面以上的岸坡巖土體遇水飽和，物理力學(xué)強(qiáng)度降低，然后不斷受到周期性的河流地質(zhì)作用，產(chǎn)生沖刷和淤積。對于土質(zhì)河岸，河流的持續(xù)沖刷使得岸坡變陡，造成塌岸，崩塌后的土體在坡下淤積，產(chǎn)生的淤積物又被水流沖走，開始新的沖刷和崩塌[9]。如Simons等認(rèn)為河岸沖刷強(qiáng)度不僅與水流的拖曳力有關(guān)，還受到風(fēng)浪和岸坡幾何形態(tài)的影響[10]；石盛玉等[11]對比不同時期長江某河段水下地形資料，分析了該段河槽的沖淤演變特征，并對其微地貌進(jìn)行了高分辨率的觀測；張芳枝等[12]認(rèn)為河流的沖刷作用加大了堤岸和河床的塑性區(qū)范圍，降低了堤岸的安全系數(shù)。為了分析三峽庫區(qū)開始蓄水至今岸坡地形的變化，本次研究選取了1997年長江三峽庫區(qū)巫山縣遷建新址地形圖和2017年實測庫岸勘查平面圖進(jìn)行了對比，見圖3和圖4。

圖3 岸坡地形平面對比圖Fig.3 Planar comparison graph of the bank slope terrain

圖4 岸坡地形剖面對比圖Fig.4 Comparison graph of the bank slope terrain profile

由圖3和圖4可見，隨著河流地質(zhì)作用高程不斷抬升，岸坡不同位置和高程處地形改變的方式和程度均有所不同:北側(cè)岸坡主要表現(xiàn)為大寧河的淤積作用，南側(cè)則表現(xiàn)為長江的側(cè)蝕作用，且這種河流的沖淤作用在低水位表現(xiàn)得更加明顯(見圖3)；175 m水位線以上的岸坡，蓄水前后的地形變化不大，而175 m水位線以下的岸坡，地形變化明顯，特別是在水下寬緩平臺的區(qū)域，最大淤積厚度達(dá)12 m。分析原因認(rèn)為：大寧河屬典型的山區(qū)河流，與長江呈大角度Y型交匯，在北側(cè)岸坡附近，大寧河河水流速急劇降低，局部地段形成回水區(qū)，產(chǎn)生泥沙淤積，而南側(cè)岸坡屬長江干流的凹岸，受江水沖刷嚴(yán)重，側(cè)蝕現(xiàn)象明顯；兩條沖溝內(nèi)地形受到地表暫時性水流的影響，淤積作用更突出；由于庫區(qū)水位調(diào)度的限制，河流沖淤作用在水位變動帶附近表現(xiàn)明顯?，F(xiàn)場調(diào)查也證實，南側(cè)岸坡受到江水的沖刷掏蝕，上覆土體在自重作用下產(chǎn)生崩塌，塌岸現(xiàn)象更嚴(yán)重。

3 岸坡地下水滲流特征和穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

3.1 岸坡數(shù)值模型構(gòu)建

本次研究以整個岸坡為研究對象，考慮地形的變化，并選取庫岸段兩條典型剖面，對蓄水前后不同地形岸坡的地下水滲流特征和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計算，即通過數(shù)值分析軟件GeoStudio的SEEP/W模塊獲取飽和-非飽和條件下岸坡瞬態(tài)滲流場，并將結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W模塊中進(jìn)行水-土耦合作用下的岸坡穩(wěn)定性計算。

本次研究選取1997年和2017年同一岸坡的兩條典型剖面進(jìn)行計算，以蓄水后2017年實測岸坡A-A′剖面為例(即圖2典型地質(zhì)剖面)，滲流計算模型見圖5。在模型中定義了3種實體材料，即粉質(zhì)黏土夾碎石、碎塊石土和灰?guī)r。飽和-非飽和模型的土-水特征曲線和滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線，依土體類型由SEEP/W模塊自帶的模型進(jìn)行擬合，巖土體物理力學(xué)及水力學(xué)參數(shù)根據(jù)土工試驗和工程類比獲得，具體賦值見表1。

圖5 岸坡滲流計算模型Fig.5 Seepage calculation model of the bank slope

為了分析岸坡在庫水位長期作用下，地形改變前后坡體穩(wěn)定性變化特征，本次計算假設(shè)不同時期岸坡均處于同一工況，從而對水庫運(yùn)行后期岸坡穩(wěn)定性的變化做出合理預(yù)測。因此，岸坡滲流計算取降水位工況，模型邊界條件為：基巖頂面為零流量邊界，左右為給定水頭邊界。其中，給定的水頭值依據(jù)三峽工程正常運(yùn)行時庫水位調(diào)度特征(見圖6)賦值，初始庫水位為175 m，庫水位下降速度為0.6 m/d，歷時50 d，并持續(xù)145 m低水位運(yùn)行10 d。岸坡穩(wěn)定性計算采用M-P法，最危險滑動面通過自動搜索確定。

表1 巖土體物理力學(xué)及水力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical and hydraulic parameters of the rock and soil

圖6 三峽工程正常運(yùn)行期庫水位調(diào)度圖(資料來源：三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求)Fig.6 Reservoir water level scheduling chart during the normal operation of the Three Gorges Project 1.防破壞線；2.限制供水線；Ⅰ.防洪區(qū)；Ⅱ.裝機(jī)預(yù)想出力區(qū)；Ⅲ.保證出力區(qū)；Ⅳ.降低出力區(qū)

3.2 岸坡地下水滲流特征數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

岸坡在降水位工況下地下水滲流數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 岸坡地下水浸潤線及流速矢量分布圖Fig.7 Distribution of the saturation line and velocity vector of groundwater of the bank slope

圖8 不同庫水位下岸坡地下水總水頭云圖Fig.8 Gross head contour of groundwater in bank slope with different water level

由圖7和圖8可見，岸坡地下水滲流具有對稱性。圖7(a)顯示，地下水在岸坡中部位置(相對靠近右側(cè))出現(xiàn)分水嶺，分別從兩側(cè)坡腳自由水面排出，左側(cè)岸坡地下水流速矢量更為密集;圖7(b)顯示，隨著庫水位的下降，岸坡內(nèi)地下水平緩下降，水力坡降開始增大，至第50 d達(dá)到最大，之后隨著庫水位的穩(wěn)定運(yùn)行，地下水浸潤線逐漸趨于平緩，表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)。對比分析圖8(a)至(c)可以看出，岸坡地下水總水頭最小值為當(dāng)前庫水位，相應(yīng)位置處總水頭值隨著庫水位的降低而減小，左側(cè)岸坡總水頭分布變化比右側(cè)岸坡大，即左側(cè)岸坡地下水滲流的水力坡降比右側(cè)大。

分析產(chǎn)生上述地下水滲流特征的原因主要包括兩個方面：一是岸坡所處的水環(huán)境，該岸坡左臨大寧河，右臨長江，且兩側(cè)水位受庫區(qū)統(tǒng)一調(diào)度，因此岸坡地下水具有類似河間地塊的滲流特征；二是兩側(cè)岸坡地形差異，左側(cè)岸坡地形較陡峭，而右側(cè)岸坡地形較平緩，造成左側(cè)岸坡地下水滲流水力梯度比右側(cè)大，流速矢量更為集中。

3.3 岸坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

岸坡在降水位工況下穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算結(jié)果見圖9。

圖9 岸坡在降水位工況下不同剖面穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線Fig.9 Curves of stability coefficient of different profiles of the bank slope under the reservoir drawdown condition注：2017、1997代表年份；A、B代表剖面；1、2分別代表大寧河和長江

由圖9可見，總體上看，隨著庫水位的下降，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)均有不同程度的降低，并在剛到達(dá)最低庫水位時出現(xiàn)最小值，且A-A′剖面岸坡穩(wěn)定性變化幅度較B-B′剖面更大。對比不同地形條件下相同岸坡的穩(wěn)定性計算結(jié)果，結(jié)果表明：2017年岸坡更趨于穩(wěn)定，即水體對岸坡地形的改造有利于坡體的穩(wěn)定。分析原因認(rèn)為：隨著庫水位的下降，地下水產(chǎn)生的向坡外的滲透壓力不斷增大，當(dāng)庫水位降至145 m時，滲透壓力達(dá)最大；隨著庫水位維持在低水位運(yùn)行，地下水浸潤線開始變緩，水力坡降開始減小，滲透壓力降低，岸坡穩(wěn)定性逐漸升高。

由上可見，自三峽庫區(qū)開始蓄水以來，岸坡受庫水的沖刷淤積，當(dāng)局部或整體失穩(wěn)時，發(fā)生庫岸再造，產(chǎn)生新的地形仍不斷受到河流地質(zhì)作用，最終形成使坡體自穩(wěn)能力更強(qiáng)、趨于更穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文以巫山縣某岸坡為例，對比分析了岸坡自庫區(qū)開始蓄水以來的地形變化，然后利用數(shù)值模擬方法研究了地下水滲流特征，并對不同庫水位下同一岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得出如下結(jié)論：

(1) 岸坡不同位置和高程處地形改變的方式和程度有所不同，主要表現(xiàn)為北側(cè)大寧河的淤積作用和南側(cè)長江的側(cè)蝕作用，且這種河流的沖淤作用在低水位表現(xiàn)得更加明顯。175 m水位線以上的岸坡，蓄水前后的地形變化不大；而175 m水位線以下的岸坡，蓄水前后的地形變化明顯。

(2) 對于兩側(cè)涉水岸坡，其地下水滲流具有對稱性。分水嶺大約出現(xiàn)在岸坡中部位置，地下水從兩側(cè)坡腳自由水面排出;隨著庫水位下降，岸坡地下水總水頭最小值同步減小，地下水浸潤線平緩下降，并表現(xiàn)出明顯的滯后效應(yīng)；受地形影響，坡度較陡一側(cè)岸坡地下水滲流水力梯度更大。

(3) 隨著庫水位的下降，岸坡各剖面穩(wěn)定性系數(shù)降低，在低水位時達(dá)到最小值。同一工況下，2017年實測岸坡穩(wěn)定性較1997年有所提高。

通訊作者：晏鄂川(1969—)，男，博士，教授，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價與利用方面的研究，E-mail：yecyec6970@163.com