庫(kù)水位抬升對(duì)老車村水庫(kù)浸水滑坡穩(wěn)定性影響的預(yù)測(cè)

秦二樂(lè)， 魯 博， 李 萍， 葛書磊， 曹 博

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；3.黃土高原水循環(huán)與地質(zhì)環(huán)境教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅正寧 745339）

已有大量的工程實(shí)例顯示，水庫(kù)蓄水過(guò)程中，庫(kù)區(qū)沿岸的水文地質(zhì)條件會(huì)顯著改變，不僅會(huì)使原穩(wěn)定的老滑坡再一次失穩(wěn)，同時(shí)還將導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)，形成新的滑坡和垮塌［1-3］. 在日本大約40%的庫(kù)岸滑坡發(fā)生在庫(kù)水位上升時(shí)期［4］，還有1963年意大利Vajont 水庫(kù)滑坡事件［5］和2003年三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡事件［6］均是由于庫(kù)水位上升而引起的典型案例，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失.

庫(kù)岸滑坡與庫(kù)水位變化存在密切關(guān)系［7］. Griffiths等［8-9］利用強(qiáng)度折減法分析了水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)的影響，認(rèn)為邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨著庫(kù)水位的抬升呈先減小后增大的變化趨勢(shì). 另外還有學(xué)者［10-15］通過(guò)外部變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等手段研究了庫(kù)水位上升對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響，也獲得了同樣的認(rèn)識(shí). 劉才華等［16］以三峽庫(kù)區(qū)千將坪高速滑坡為例，采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則描述了孔隙水壓力對(duì)土體應(yīng)力狀態(tài)的影響，解釋了水位上升對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的機(jī)理. 陶宏亮等［17］研究庫(kù)水位變化條件下堆積體滑坡的變形特征及穩(wěn)定性，認(rèn)為庫(kù)水對(duì)巖土體的弱化作用會(huì)加劇堆積體的變形. 王明華等［7］研究了水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸滑坡的影響，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)蓄水不僅使滑坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，滑坡的變形模式也將由推移式轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳? 閆國(guó)強(qiáng)等［18］分析了庫(kù)岸滑坡地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，得到地震對(duì)滑坡穩(wěn)定性及滑面的變形有顯著影響.

以上學(xué)者多是研究庫(kù)水位變化對(duì)滑坡穩(wěn)定系數(shù)、變形特征及破壞方式的影響. 較少涉及庫(kù)水位變化和地震因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響程度及潛在滑面位置變化的研究. 本文以引漢濟(jì)渭調(diào)蓄工程中鯨魚溝老車村水庫(kù)滑坡為例，研究一般工況與地震工況下庫(kù)水位上升對(duì)滑坡整體與局部穩(wěn)定性的影響. 研究結(jié)果可為蓄水過(guò)程庫(kù)岸滑坡的防治和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考.

1 滑坡概況

《陜西省引漢濟(jì)渭二期工程可行性研究報(bào)告》將鯨魚溝水庫(kù)工程列為引漢濟(jì)渭工程重要的調(diào)蓄工程，承擔(dān)灞河支線調(diào)蓄的任務(wù)，同時(shí)兼作西安市備用水源. 工程區(qū)的鯨魚溝位于秦嶺北麓的渭河盆地內(nèi)，西安市東南方向25 km，溝內(nèi)已建多個(gè)水庫(kù)，擬在老車村水庫(kù)和紅旗水庫(kù)之間新建車村水庫(kù). 庫(kù)區(qū)滑坡發(fā)育，距離新建車村水庫(kù)壩址約1.75 km的老車村水庫(kù)大壩左岸就發(fā)育有深層特大型堆積體滑坡，地理位置見(jiàn)圖1（a）. 該滑坡發(fā)生于1965年7月22日，車村堰塞湖為該滑坡堵溝形成，圖1（b）顯示老車村水庫(kù)滑坡全貌及壩址為滑坡的一部分. 滑坡體上陡中緩，表面發(fā)育有縱向沖溝，后緣剪切裂縫大量發(fā)育，這是差異剪切作用的構(gòu)造表現(xiàn). 滑坡前緣底部有河流相淤積，可以判定在滑坡發(fā)生后有大量滑坡堆積體涌入河道，將河道推向?qū)γ嫫履_. 滑坡坡面主滑方向NE68°，發(fā)育高程500～570 m. 滑坡寬約320 m，長(zhǎng)約350 m，推測(cè)厚度約20～50 m，方量約393萬(wàn)m3.

圖1 老車村水庫(kù)滑坡位置與全貌Fig.1 Location and overall view of the old Checun reservoir landslide

后緣有坡度較陡的后壁，總體呈圈椅狀，后壁以下為寬闊的滑坡平臺(tái). 前緣直接抵于鯨魚溝右岸，形成目前的壩體. 滑坡區(qū)未發(fā)現(xiàn)有明顯的斷裂構(gòu)造現(xiàn)象. 滑坡體物質(zhì)組成以黃土為主，成分為粉質(zhì)黏土. 在左壩肩陡坎上可見(jiàn)黃土和古土壤層擠壓變形，土體結(jié)構(gòu)破碎. 滑坡下覆第三系砂泥巖，滑面為黃土與砂泥巖接觸面，如圖2所示. 滑坡體上植被發(fā)育，砂泥巖和滑坡堆積體接觸處有下降泉出露. 現(xiàn)狀水位（518 m）僅淹沒(méi)坡腳小部分滑坡體，設(shè)計(jì)最高水位（550 m）將淹沒(méi)大部分滑坡體. 老車村水庫(kù)滑坡目前整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，蓄水后由于受水浸泡，可能會(huì)整體復(fù)活或局部垮塌，增加水庫(kù)淤積.

圖2 老車村水庫(kù)滑坡剖面圖Fig.2 Section of the old Checun reservoir landslide

2 蓄水后滑坡穩(wěn)定性影響因素分析

隨著新建車村水庫(kù)的修建蓄水，從現(xiàn)狀水位518 m升至最高水位550 m，將淹沒(méi)大部分滑坡體. 由于受水浸泡，滑坡整體可能會(huì)沿古滑面復(fù)活或者局部的滑坡堆積體沿不確定的滑面發(fā)生滑塌. 隨著庫(kù)水位變化，坡體內(nèi)孔隙水壓力、強(qiáng)度、滑面抗滑力、下滑力以及滑面傾角都將發(fā)生變化. 實(shí)際蓄水過(guò)程緩慢，故不考慮滲透力. 這些因素中一部分將有利于滑坡穩(wěn)定，一部分將使滑坡穩(wěn)定性劣化. 庫(kù)水位上升初期，滑坡抗滑段為主要浸水部分，滑面傾角較緩. 滑坡體從前緣開始不斷浸入水中，天然重度變?yōu)楦≈囟?，浸水部分土體的有效重度使滑坡體變輕，減小了滑面的正壓力，進(jìn)而減小了抗剪強(qiáng)度，同時(shí)也減小了下滑力，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變. 庫(kù)水位上升后期，隨著下滑段浸水面積占整個(gè)滑坡浸水面積的比例逐漸增加到一定程度后，庫(kù)水對(duì)坡腳起壓腳作用，增加了滑面的正壓力，從而增加了下部滑體的抗剪強(qiáng)度，但同時(shí)滑坡潛在滑面因浸水飽和軟化而抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，隨之邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變. 因此，蓄水過(guò)程中，滑坡穩(wěn)定性是庫(kù)水位、滑面傾角、滑坡體土軟化程度等多個(gè)因素對(duì)抗滑力和下滑力共同影響結(jié)果的反映.

地震也是誘發(fā)滑坡的主要原因［19-21］，鯨魚溝所在的白鹿塬地區(qū)屬于地震基本烈度8度區(qū)，地震加速度取a=0.20 g，屬于強(qiáng)地震力作用區(qū)［22］. 因此，鯨魚溝地區(qū)滑坡穩(wěn)定性評(píng)估，需要考慮地震影響因素.

3 滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 Morgenstern-Price法理論

本文研究基于極限平衡法，采用Geo-Studio 中Slope/W 模塊建立地質(zhì)模型，用Morgenstern-Price 法選取合理的地層物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù)，評(píng)價(jià)滑坡整體與局部穩(wěn)定性. Slope/W是巖土工程界應(yīng)用較為廣泛的專業(yè)邊坡穩(wěn)定性分析軟件. 其中Morgenstern-Price 法適用于任意滑動(dòng)面，同時(shí)滿足力平衡和力矩平衡條件，推導(dǎo)嚴(yán)密. 條塊受力分析如圖3 所示. 作用于條塊上的力有：外荷載Pi、條塊自重Wi、水平地震力KWi、條塊基底法向反力Ni、條塊基底抗滑力Ti、孔隙水壓力uili、條塊受到的條間水平力Ei、Ei+1以及條間剪切力Xi、Xi+1. 該方法穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)如下.

將圖3（a）所示滑體ABC劃分為若干條塊，選取第i 條塊進(jìn)行力學(xué)分析，第i 條塊的寬度和形狀如圖3（a）所示；第i 條塊的作用力、力作用位置如圖3（b）所示.

由第i 條塊的作用力在水平和豎直方向上的平衡可得：

式中：ψi為第i 條塊外荷載與豎直方向的夾角；αi為第i 條塊滑面的傾角.

圖3 Morgensten-Price法條塊受力分析Fig.3 Force analysis of Morgensten-Price method

在Morgensten-Price法計(jì)算中，假定了各條塊受到的條間水平力E 和條間剪切力X 滿足公式（3）.

式中：λ為任意常數(shù)；f（ x ）為邊坡條間力函數(shù)，取決于坡面形態(tài)和滑面形狀. 再根據(jù)滑動(dòng)面上的極限平衡條件以及庫(kù)倫公式，有

式中：c′ili為第i 條塊基底黏聚阻力；φ′為第i 條塊滑帶土的內(nèi)摩擦角.

聯(lián)立式（1）～（4），并以條間力對(duì)條塊基底中心取力矩，得條間力和條間力矩的遞推公式：

式中：

解方程組（5），可得比例系數(shù)λ 和穩(wěn)定系數(shù)Fs.

3.2 地質(zhì)模型及工況

根據(jù)滑坡剖面（圖2）的坡面、地層、滑面的幾何信息，在Slope/W中建立老車村水庫(kù)滑坡蓄水過(guò)程地質(zhì)模型，地層劃分為砂泥巖和黃土兩層. 各地層服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則. 其中現(xiàn)狀水位518 m和最高蓄水位550 m，設(shè)定庫(kù)水位以2 m間隔上升，如圖4所示. 整體穩(wěn)定性分析采用剪入剪出方式搜索最危險(xiǎn)滑面；局部穩(wěn)定性分析采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面，并計(jì)算穩(wěn)定系數(shù). 每次計(jì)算劃分土條數(shù)30條，最大迭代次數(shù)2000次，收斂允許值1×10-7.

滑坡前緣為老車村水庫(kù)左壩肩，剪出口位于現(xiàn)水位之下. 根據(jù)滑坡的受力特征、可能出現(xiàn)的荷載情況及其組合，計(jì)算過(guò)程中主要考慮水位變化的影響，選定一般狀態(tài)水位抬升過(guò)程和地震狀態(tài)水位抬升過(guò)程. 滑坡整體穩(wěn)定性考慮是否沿已有滑動(dòng)面復(fù)活；局部穩(wěn)定性考慮滑坡堆積體局部發(fā)生滑移的可能性及滑移區(qū)的范圍. 總共考慮以下4種工況：

圖4 老車村水庫(kù)滑坡地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of the old Checun reservoir landslide

3.3 計(jì)算參數(shù)選取

滑坡堆積體主要是黃土，其上部滑面切黃土地層，下部沿黃土和砂泥巖界面滑動(dòng)，部分砂泥巖卷入滑坡堆積體. 砂泥巖為水平層狀，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度高，滑坡穩(wěn)定性主要取決于黃土的強(qiáng)度. 試驗(yàn)土樣取自滑坡底部黃土和砂泥巖，由于滑動(dòng)面平緩，滑坡沿基巖面剪出，相當(dāng)于直接剪切的受力工況，故對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)慢剪試驗(yàn)，確定其有效強(qiáng)度指標(biāo). 考慮到庫(kù)水位上升過(guò)程中滑坡體部分淹沒(méi)于水下、部分在水上，故對(duì)滑坡土體進(jìn)行天然含水率和飽和含水率下的剪切試驗(yàn)，取得其有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并將黏聚力強(qiáng)度在計(jì)算過(guò)程中折減為零，是對(duì)工程較保守的估算. 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 天然和飽和狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of landslide stability under natural and saturated conditions

3.4 結(jié)果分析

在滑坡整體穩(wěn)定性分析中，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖5. 確定坡頂為剪入口，坡腳為剪出口，隨著庫(kù)水位抬升，潛在滑動(dòng)面基本沿老滑面形成可能的最危險(xiǎn)滑動(dòng)帶（圖6）. 由圖5可見(jiàn)，穩(wěn)定系數(shù)隨庫(kù)水位上升大致分為兩段，即下降段和緩升段. 一般工況和地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)相同，但后者較前者穩(wěn)定系數(shù)總體顯著降低，降幅約19.7%. 庫(kù)水位在現(xiàn)狀水位518 m時(shí)，一般工況和地震工況穩(wěn)定系數(shù)分別為1.935 和1.589；在536 m 和540 m 時(shí)分別達(dá)到最小值1.523 和1.184，地震工況的最低穩(wěn)定系數(shù)所在位置略高于一般工況. 穩(wěn)定系數(shù)下降段的降幅分別為21.3%和25.5%. 最高蓄水位550 m 時(shí)，一般工況和地震工況的穩(wěn)定系數(shù)分別為1.580 和1.206，穩(wěn)定系數(shù)緩升段的增幅分別為3.74%和1.86%，后段考慮地震因素的穩(wěn)定系數(shù)增大幅度減小. 圖5 中繪制出了一般工況和地震工況下庫(kù)岸滑坡規(guī)范要求的安全系數(shù)［23］，可見(jiàn)兩種工況下隨著水位抬升，最小穩(wěn)定系數(shù)始終高于安全系數(shù)，即該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生整體滑動(dòng)的可能性較小.

圖5 不同工況下滑坡整體穩(wěn)定性隨庫(kù)水位變化曲線Fig.5 Variation curve of landslide overall stability with reservoir water level under different working conditions

圖6 潛在滑動(dòng)面隨水位上升變化過(guò)程Fig.6 Variation process of potential sliding surface with water level rising

在滑坡局部穩(wěn)定性分析中，設(shè)定剪入剪出口在邊坡的任意位置. 由圖7可見(jiàn)，一般工況和地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)相同，從現(xiàn)狀水位518 m 至最高蓄水位550 m，前者穩(wěn)定系數(shù)由1.814 逐漸波動(dòng)減小到1.067；后者穩(wěn)定系數(shù)由1.521 逐漸波動(dòng)減小到0.820. 后者較前者穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，降幅約21.4%. 在局部分析的兩種工況下，潛在滑面在蓄水初期的范圍大致在508～550 m高程之間，呈淺層滑坡形式. 當(dāng)庫(kù)水位上升至530 m，淹沒(méi)滑坡中部的平臺(tái)時(shí)，潛在滑面范圍縮小至水位附近，類似于塌岸的形式（圖8）. 一般工況和地震工況下各水位的局部最危險(xiǎn)滑面位置基本一致. 前者在530 m潛在滑面突變，穩(wěn)定系數(shù)向上跳動(dòng)；后者在庫(kù)水位532 m潛在滑面突變，穩(wěn)定系數(shù)向上跳動(dòng)，滑面位置突變?cè)斐煞€(wěn)定系數(shù)的突變，滑面位置突變與靠椅型的老滑坡滑面形態(tài)和圈椅狀的滑坡體形態(tài)有很大的關(guān)系. 靠椅型滑面滑坡通常為浮托減重型滑坡［24］，前部?jī)A角較緩，或前緣出現(xiàn)反翹，組成滑坡體的主要抗滑段. 庫(kù)水位由低水位上升至滑坡前部，滑坡體內(nèi)地下水位也隨之上升，處于水位以下的滑坡體為飽和狀態(tài). 滑坡體的涉水段重度變?yōu)楦≈囟?，重量減小. 抗滑段在浮托減重效應(yīng)的作用下，抗滑力降低，不利于滑坡的整體穩(wěn)定性，潛在滑面呈大范圍的淺層滑坡形式. 庫(kù)水位繼續(xù)升高至滑坡體中后部時(shí)（滑坡平臺(tái)），由于下滑段也受到浮托減重效應(yīng)影響，下滑段滑坡體的下滑力降低，有利于滑坡的整體穩(wěn)定性，滑坡發(fā)生整體滑移的可能性減小. 但是水位上升，上部黃土水敏性高，水位變動(dòng)帶附近易于塌岸，造成潛在滑面范圍發(fā)生突變，隨庫(kù)水位上升縮小至水位變動(dòng)帶附近. 可見(jiàn)，在庫(kù)水位上升過(guò)程中，穩(wěn)定系數(shù)逐漸波動(dòng)減小，沒(méi)有增大的趨勢(shì)，與整體穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)有所差異，并且局部穩(wěn)定性都低于整體穩(wěn)定性，這與滑面位置逐漸變化有關(guān). 當(dāng)庫(kù)水位上升至滑坡平臺(tái)530 m附近，潛在滑面由大范圍縮至小范圍，造成穩(wěn)定系數(shù)突增后，又一致性降低；當(dāng)在最高水位550 m時(shí)，潛在滑面局限在一個(gè)非常小的范圍，表明最危險(xiǎn)滑面對(duì)穩(wěn)定性有控制作用. 一般工況下庫(kù)水位上升至538 m后，穩(wěn)定系數(shù)小于1.2，與安全系數(shù)相比存在局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；地震工況下庫(kù)水位上升至532 m后，穩(wěn)定系數(shù)小于1.1，與相應(yīng)的安全系數(shù)相比也存在局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)［23］. 局部失穩(wěn)后的滑塌量約為0.6～1.0萬(wàn)m3，為滑坡總方量的0.26%.

圖7 不同工況下滑坡局部穩(wěn)定性隨庫(kù)水位變化曲線Fig.7 Variation curve of landslide regional stability with reservoir water level under different working conditions

圖8 潛在滑動(dòng)面隨水位上升變化過(guò)程Fig.8 Variation process of potential sliding surface with water level rising

由以上分析，老車村水庫(kù)滑坡整體穩(wěn)定性高，在庫(kù)水位上升過(guò)程中都可滿足工程要求. 當(dāng)庫(kù)水位上升至532 m以上，局部可能有滑塌現(xiàn)象，但其方量有限，滑塌后對(duì)庫(kù)容和庫(kù)區(qū)設(shè)施不會(huì)造成大的危害.

4 結(jié)論

本文研究了引漢濟(jì)渭調(diào)蓄工程中白鹿塬鯨魚溝新建車村水庫(kù)水位上升對(duì)老車村水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性的影響，分析了一般工況和地震工況下滑坡的整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論.

1）在庫(kù)水位由坡腳上升過(guò)程中，滑坡的整體穩(wěn)定性先降低后增加，在水位升至536～540 m高程，穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到最小，滑坡最終的穩(wěn)定性可按最小穩(wěn)定系數(shù)評(píng)價(jià)；局部穩(wěn)定性隨著潛在滑面的變化一致降低，當(dāng)水位上升至530 m，淹沒(méi)滑坡中部的平臺(tái)時(shí)，潛在滑面范圍縮小至水位附近，類似于塌岸的形式，繼續(xù)上升至532～538 m高程，穩(wěn)定系數(shù)將減小至工程要求的安全系數(shù)以下.

2）地震作用對(duì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)有約20%的減損. 局部破壞中潛在滑面的位置與水位變化密切相關(guān)，但地震作用對(duì)滑面的影響不顯著.

3）老車村水庫(kù)滑坡整體穩(wěn)定性高，在庫(kù)水位上升過(guò)程中都可滿足工程要求. 當(dāng)庫(kù)水位上升至532 m以上，局部可能有滑塌現(xiàn)象，但其方量有限，滑動(dòng)后對(duì)庫(kù)容和庫(kù)區(qū)設(shè)施不會(huì)造成大的危害.