三峽水庫年周期調(diào)度內(nèi)降雨模式對白水河滑坡穩(wěn)定性影響研究

馬云彪 張勝佳 趙想利 付玲莉

(三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)歷來是我國地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，其中滑坡是該區(qū)域主要的地質(zhì)災(zāi)害，歷史上曾發(fā)生過多次大規(guī)?；耓1，2]．三峽大壩蓄水以來，水庫水位的變化和降雨引起了庫岸邊坡地下水滲流場的改變，使許多老滑坡復(fù)活并誘發(fā)了新的滑坡．許多學(xué)者對三峽庫區(qū)滑坡進行了深入分析研究，并取得了豐富的成果．廉城[3]提出了一種基于誤差修正EOS-ELM的滑坡位移模型，并用白水河滑坡為例驗證了其有效性；吳瓊[4]在庫水和降雨聯(lián)合作用下研究了庫岸邊坡的浸潤線變化規(guī)律；曹陽健[5]在庫水和降雨聯(lián)合作用下對加卸載響應(yīng)比進行了分析；易慶林[6]、盧書強[7]結(jié)合滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了白水河滑坡的變形特征及主要影響因素；葉建華[8]、李道臣[9]又分別進行了不同工況條件下的極限平衡計算．

已有研究為白水河滑坡變形監(jiān)測及穩(wěn)定性預(yù)測提供了參考，但在穩(wěn)定性研究中，大多將庫水作用以一定的升(或降)速率來進行模擬，較少考慮在年調(diào)度周期內(nèi)將庫水作用按照不同變幅速率來分段研究，更鮮有在分段調(diào)度內(nèi)考慮不同降雨作用的研究報道．本文在白水河滑坡已有研究的基礎(chǔ)上，重點在對滑坡產(chǎn)生不利影響的調(diào)度階段，根據(jù)各階段內(nèi)實際降雨的特點，分別分析不同的降雨開始時間及不同的降雨方式對白水河滑坡穩(wěn)定性的影響．

1 白水河滑坡地質(zhì)特征

在白水河滑坡位于三峽大壩上游的長江南岸，距三峽大壩約56 km，地形南高北低，呈階梯狀，屬秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)白水河村．坡頂高程450～500 m．高程180～500 m段地形坡度24°～36°；130～180 m地形較平坦，坡度5°～12°；80～130 m高程坡度27°～31°．總體前緣和后緣地形坡度較抖，中部比較平緩，屬單斜順向坡．

滑體形態(tài)總體為不規(guī)則的圈椅狀，西側(cè)以山羊溝為界，東側(cè)以黃土包凹槽為界，后緣高程為約297 m，前緣為120～130 m.滑體長約500 m，寬約430 m，滑體平均厚度約30 m，體積550×104[10]，屬深層大型土質(zhì)滑坡(圖1)．

1.第四系殘坡積土；2.第四系崩坡堆積物；3.第四系滑坡堆積物；4.侏羅紀下統(tǒng)香溪組粉砂巖；5.滑坡邊界；6.裂縫；7.鉆孔；8.深部測斜鉆孔；9.GPS監(jiān)測點；10.地層分界線；11.覆蓋層與基巖的分界線；12.地層產(chǎn)狀圖1 白水河滑坡平面圖[7]

從鉆孔揭露的地層特征來看，滑體主要物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，土質(zhì)稍濕、可塑，未見統(tǒng)一連續(xù)的土層界限；滑帶物質(zhì)成分主要是粉質(zhì)粘土夾碎石和角礫，土體密實、潮濕，呈硬塑狀；滑坡下沿基巖多呈中風(fēng)化-強風(fēng)化狀，局部滑床表面風(fēng)化嚴重，裂隙高度發(fā)育且切割巖體，鉆孔巖芯多呈破裂狀[6]．

2 三峽水庫年調(diào)度周期特點

從2008年開始，三峽庫區(qū)水位調(diào)度進入了周期性平穩(wěn)運行狀態(tài)．雖然年庫水位周期調(diào)度會有所差別，但綜合分析年調(diào)度周期水位變化特征[6，7，9，10]，依據(jù)水位變化速率的不同，可以將三峽水庫年周期調(diào)度概化為6個階段(如圖2所示)，6個階段的具體概況為：

圖2 庫水位周期調(diào)度示意圖

1)AB階段：AB階段處于一年中的1月初到6月初，庫水位由175 m降至145 m左右，時間上處于一年中的枯水期，降雨稀少，并且隨著月份的增加，降雨逐漸增多．

2)BC階段：BC階段處于一年中的6月初到7月初，庫水位圍繞145 m水位小幅波動，時間上處于一年中的汛期，降雨多．

3)CD階段：CD階段處于一年中的7月初到8月初，庫水位由145 m升至162 m左右，時間上處于一年中的汛期，降雨多．

4)DE階段：DE階段處于一年中的8月初到8月中旬，庫水位由162 m降至145 m左右，時間上處于一年中的汛期，降雨多．

5)EF階段：EF階段處于一年中的8月中旬到11月初，庫水由145 m升至175 m左右，時間上處于一年中的枯水期，降雨較多，并且隨著月份的增加，降雨逐漸減少．

6)FG階段：FG階段處于一年中的11月初到12月底，庫水保持在175 m左右小幅波動，時間上處于一年中的枯水期，降雨稀少．

3 數(shù)值分析模型和工況

3.1 計算模型

根據(jù)滑坡勘測資料，選取白水河滑坡3-3'剖面作為計算模型(如圖3所示)．計算方法為考慮基質(zhì)吸力的Morgenstern-Price法．

圖3 白水河滑坡數(shù)值計算模型

3.2 邊界及材料參數(shù)

在邊界條件設(shè)定：庫水位以上坡面為降雨邊界；庫水位在固定水位時為定水頭邊界，庫水位變化時為動水頭邊界；底部為不透水邊界；初始地下水位由野外勘測資料獲得．

根據(jù)試驗成果，地勘報告[11]建議值以及反演分析結(jié)果，結(jié)合類似地質(zhì)條件工程經(jīng)驗等綜合分析，巖土體計算參數(shù)的選取見表1．

表1 白水河滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計算工況

由以上年調(diào)度周期各階段的概況特征，同時考慮到高庫水位和庫水上升對滑坡穩(wěn)定性具有增強作用[12]．故CD、EF和FG階段暫時不做分析，著重分析最不利階段AB、BC和DE階段對滑坡穩(wěn)定性的影響．

結(jié)合三峽水庫防洪、發(fā)電和航運需要，同時根據(jù)現(xiàn)場勘查、相關(guān)文獻[13]及地勘報告[11]，匯總得AB階段的平均庫水位降速為0.2 m/d(實際庫水位下降速率為0.2～0.4 m/d)．庫水下降速率是其主要影響因素．BC階段庫水位在145 m低水位(實際庫水在145 m上下小幅波動)，降雨是其主要影響因素．DE階段平均降速為1 m/d(實際庫水位下降速率為1～2 m/d)．庫水下降速率和降雨是其主要影響因素．依據(jù)秭歸縣降雨資料統(tǒng)計分析，20a一遇枯水期暴雨強度為40.571 mm/d[14]，20a一遇汛期暴雨強度為142.87 mm/d[15]．

最不利階段AB、BC和DE階段分析的降雨模式見表2．具體的計算工況為：

1)針對不同的降雨發(fā)生時間，考慮到BC階段僅為145 m低水位，降雨開始時間先后產(chǎn)生的效應(yīng)相同，進而主要分析AB和DE階段降雨開始時間先后對滑坡穩(wěn)定性的影響，各自降雨強度分別選取枯水期20a一遇暴雨和汛期20a一遇暴雨．降雨持續(xù)時間分別為1 d、5 d和10 d，默認每天降雨強度保持不變．下降速率均選取相應(yīng)階段的平均下降速率．

2)針對不同降雨方式，在最不利階段AB、BC和DE的基礎(chǔ)上研究不同降雨方式對滑坡穩(wěn)定性的影響．為了保證可比性，每種降雨方式總降雨量和降雨天數(shù)保持一致，同時仍采用20a一遇暴雨進行研究，降雨總量枯水期和汛期分別取202.855 mm(AB階段)和714.35 mm(BC和DE階段)，降雨天數(shù)為10 d．這樣不僅可以使20a一遇暴雨成為不同降雨方式中最大降雨強度，也可以使降雨天數(shù)相關(guān)性最好[16]．

表2 庫水調(diào)度年周期內(nèi)各階段概況

4 結(jié)果分析

4.1 降雨開始時間對穩(wěn)定性的影響

從圖4可以看出，在庫水位以0.2 m/d從175 m降至145 m過程中，不同時間(對應(yīng)庫水位也不同)開始降雨時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開始時間呈現(xiàn)先略微增大再震蕩減小的趨勢．且隨著降雨天數(shù)從1 d增加到10 d時，穩(wěn)定性系數(shù)在降低．

圖4 AB階段穩(wěn)定性與降雨開始時間先后關(guān)系

分析其原因是因為當(dāng)降雨天數(shù)相同時，不同時間開始降雨，對應(yīng)的庫水位不同，降雨覆蓋滑體面積有所差異．降雨開始后，水分入滲進入土體，引起土體性質(zhì)和滑體重量改變．同時隨著庫水位的下降，動水壓力(滲透力)在增大[17]．庫水位處于相對高水位時，降雨和低動水壓力促進了滑坡穩(wěn)定性；相對低水位時，降雨和高動水壓力降低了滑坡的穩(wěn)定性．當(dāng)降雨天數(shù)不同，相同時間開始降雨時，滑體重量改變不同，滑體中飽和和非飽和土大小和分布也不同，導(dǎo)致穩(wěn)定性不同．降雨持續(xù)時間越長，滑體重量增加越大，土體飽和區(qū)域也越多，土體抗剪強度降低，下滑力增大，滑坡穩(wěn)定性降低．

從圖5可以看出，在庫水位以1 m/d從162 m降至145 m過程中，不同時間(對應(yīng)庫水位也不同)開始降雨時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開始時間整體平穩(wěn)，但當(dāng)降雨出現(xiàn)在較低水位時，呈現(xiàn)減小趨勢．且隨著降雨時間從1 d增加到10 d，穩(wěn)定性系數(shù)在降低．

圖5 DE階段穩(wěn)定性與降雨開始時間先后關(guān)系

分析其原因，此階段降雨量大，且?guī)焖陆邓俾蔬^快，滑體指向外部的滲透壓很大，不利于滑坡穩(wěn)定．因此主要表現(xiàn)為整體穩(wěn)定并在低水位時呈現(xiàn)減小趨勢．隨著降雨持續(xù)時間的增加，土體滲透系數(shù)變小，土體飽和區(qū)域增加，這種飽和特性逐漸降低了滑坡的穩(wěn)定性．

從圖4和圖5可以得到，在20a一遇暴雨情況下，不同降雨開始時間對滑坡穩(wěn)定性具有影響．總體來說，無論枯水期的AB階段還是汛期的DE階段，在庫水下降到145 m附近時開始降雨對滑坡穩(wěn)定性都是不利的．同時，每條曲線穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度(最大穩(wěn)定性系數(shù)與最小穩(wěn)定性系數(shù)的差值)見表3，可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨持續(xù)時間的增加，穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度在降低．說明隨著降雨持續(xù)時間的增加，降雨開始時間對滑坡穩(wěn)定性的影響在降低．

表3 穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度

4.2 降雨方式對穩(wěn)定性的影響

4種降雨方式分別為遞增型(a方式)、遞減型(b方式)、中間大型(c方式)和中間小型(d方式)．按照枯水期和汛期兩種不同降雨總量，4種降雨方式分布如圖6～7所示．由3.1節(jié)得出結(jié)論：在145 m附近疊加20a一遇暴雨對滑坡穩(wěn)定性最不利．同時為了方便對比，按照降雨在最后10 d進行計算，并綜合考慮降雨對滑坡穩(wěn)定性影響的滯后性．計算得AB、BC和DE階段4種降雨方式下的穩(wěn)定性系數(shù)見表4．

圖6 枯水期降雨方式

圖7 汛期降雨方式

表4 4種方式下各階段穩(wěn)定性系數(shù)

由表4可得，降雨方式的不同，對不利階段AB、BC和DE的穩(wěn)定性是具有影響的．枯水期降雨量較少，降雨方式的不同導(dǎo)致的穩(wěn)定性系數(shù)差異很大．汛期降雨量偏多，降雨方式的不同導(dǎo)致的穩(wěn)定性系數(shù)差異相對較小．但共同點是在b方式和e方式這種后期降雨持續(xù)增加的降雨方式，穩(wěn)定性系數(shù)相對較?。菀壮霈F(xiàn)失穩(wěn)可能性．對于后期降雨持續(xù)減小的降雨方式，穩(wěn)定性系數(shù)相對較大．穩(wěn)定性相對較好．

5 結(jié) 論

白水河滑坡為特大型滑坡，歷史上發(fā)生過多次滑移，穩(wěn)定性較差．三峽水庫年調(diào)度周期內(nèi)，分階段考慮了不同降雨特征情況對白水河滑坡穩(wěn)定性的影響，得到：

1)在庫水下降的AB階段，發(fā)生20a一遇枯水期暴雨時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開始時間呈現(xiàn)先略微增大后震蕩減小的趨勢；DE階段疊加20a一遇汛期暴雨時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開始時間整體平穩(wěn)，在降雨出現(xiàn)在較低位水時，呈現(xiàn)減小趨勢．

2)對于庫水下降的AB和DE階段，降雨發(fā)生時間越晚，即相應(yīng)庫水位越低時，對于滑坡穩(wěn)定性越不利，尤其對于145 m水位更為顯著．同時，隨著降雨天數(shù)的增加，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度減小，即長時間降雨會弱化降雨開始時間對滑坡穩(wěn)定性的影響．

3)在AB、BC和DE階段下，當(dāng)最大降雨強度為20a一遇暴雨時，不同降雨形式下白水河滑坡穩(wěn)定性系數(shù)處于較低水平(0.999～1.075)，滑坡穩(wěn)定性在遞增型和中間小型的持續(xù)性降雨時較低，在遞減型和中間大型的持續(xù)降雨時較高．

4)當(dāng)白水河滑坡發(fā)生暴雨時，應(yīng)該對降雨發(fā)生在低水位時進行重點監(jiān)測，對后期不斷增強的持續(xù)性降雨給出特別關(guān)注．同時，兩種降雨模式可為類似滑坡研究提供一些參考．