庫(kù)水聯(lián)合降雨條件下白水河滑坡的穩(wěn)定性研究

胡澤銘 肖長(zhǎng)波 譚超

摘要：庫(kù)水位下降和降雨對(duì)庫(kù)岸滑坡的穩(wěn)定性具有重要影響，但現(xiàn)有研究對(duì)這兩種因素的考慮過(guò)于理想化。本文在綜合考慮減災(zāi)、航運(yùn)、發(fā)電等的基礎(chǔ)上，針對(duì)庫(kù)水下降階段提出了新的庫(kù)水下降模型;結(jié)合近五十年的降雨數(shù)據(jù)，考慮到實(shí)際降雨量和降雨加載時(shí)間等因素提出了降雨模型。最后以白水河滑坡為例，分析了滑坡在降雨和不同庫(kù)水下降速率條件下的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，白水河滑坡主要由庫(kù)水下降影響，采用末期加速下降模型時(shí)，能有效減少庫(kù)水位持續(xù)下降對(duì)滑坡的影響，其穩(wěn)定系數(shù)較正常工況減小約0.7%～1.2%。本文所提出的庫(kù)水位下降模型對(duì)實(shí)際庫(kù)水調(diào)度具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：庫(kù)水位下降;降雨;滑坡;穩(wěn)定性;三峽庫(kù)區(qū)

Abstract：Reservoir drawdown and rainfall have important influence on bank landslides，but existing research on these two factors is too idealistic. A new reservoir drawdown model was proposed for the rapid drawdown stage based on the consideration of reduction，navigation and power generation. A rainfall model was proposed considering actural rainfall and rainfall time based on fifty years of daily rainfall data. At last，taking Baishuihe landslide as an example，the landslide stability was analyzed under the combined influenced of rainfall and reservoir drawdown. Results show that the Baishuihe landslide is mainly influenced by reservoir drawdown. The terminal reservoir drawdown model can reduce the effect of continuous decline of reservoir on landslide and the stability decreases about 0.7% ～ 1.2% compared with normal scenario. The reservoir drawdown model proposed in this paper is of significance to the reservoir operation in the Three Gorges Reservoir.

Key words：reservoir drawdown;rainfall;landslide;stability;Three Gorges Reservoir

1 前言

庫(kù)水位變動(dòng)和降雨是誘發(fā)庫(kù)岸滑坡的重要因素[1-3]。三峽庫(kù)區(qū)蓄水之初，庫(kù)水的下降速率被嚴(yán)格限制為小于0.6 m/d。在庫(kù)水平穩(wěn)運(yùn)行8年后，庫(kù)岸基本適應(yīng)了新的周期性水文地質(zhì)條件。前期設(shè)定的0.6 m/d的最大日降幅，限制了三峽大壩效益的發(fā)揮，有必要研究增加庫(kù)水位下降速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

近些年，關(guān)于降雨和庫(kù)水聯(lián)合作用下滑坡穩(wěn)定性問(wèn)題有了比較廣泛的研究。王力[5]、張桂榮[6]、王鵬[7]等研究了庫(kù)水以恒定速率從175m降至145m時(shí)滑坡的穩(wěn)定性，并研究下降速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響;肖志勇等[8]分析了庫(kù)水從175 m間歇性下降至145 m時(shí)滑坡的穩(wěn)定性。以上研究忽略了庫(kù)水位的實(shí)際調(diào)度及降雨的分布，兩種重要的影響因素被過(guò)分簡(jiǎn)化。

考慮庫(kù)水的影響時(shí)，很多學(xué)者以庫(kù)水下降速率為切入點(diǎn)，將庫(kù)水位以恒定速率從175 m降至145 m，忽略了庫(kù)水下降的歷時(shí)。隨著下降速率的提高，庫(kù)水下降的歷時(shí)會(huì)顯著減小，而歷時(shí)對(duì)航運(yùn)、發(fā)電、防洪等至關(guān)重要。如果庫(kù)水從175m以過(guò)快的速率下降，會(huì)導(dǎo)致重慶港至豐都區(qū)段的大量船舶擱淺，嚴(yán)重影響船舶的安全航運(yùn)。同時(shí)，對(duì)降雨的考慮也過(guò)于粗糙，大多以一個(gè)水文年的極值降雨作為降雨條件，在降雨加載時(shí)間點(diǎn)的選取上，人為因素影響很大[9，10]。

本文以白水河滑坡為例，以實(shí)際庫(kù)水調(diào)度為基礎(chǔ)，提出了的增大庫(kù)水位下降速率的調(diào)度模型，并根據(jù)秭歸五十年的降雨資料，充分考慮了降雨量和降雨加載時(shí)間，最后研究了白水河滑坡在不同庫(kù)水下降速率和降雨工況下的穩(wěn)定性。

2 白水河滑坡概況

白水河滑坡地處沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)白水河村，位于長(zhǎng)江南岸，據(jù)三峽壩址56km。岸坡屬長(zhǎng)江寬緩河谷地段、單斜順層斜坡，沿長(zhǎng)江呈階梯狀展布?；麦w南北向長(zhǎng)600 m，東西寬430 m，面積約21.5×104 m2，平均厚30 m，總體積約645×104 m3，主滑方向20°，屬深層大型松散堆積層滑坡（圖 1）?；孪路鶐r為羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）中厚層狀粉砂巖、夾薄層泥質(zhì)粉砂巖，上伏第四系殘坡積粉質(zhì)粘土夾碎塊石（圖 2）。

白水河滑坡自2003年6月三峽水位試運(yùn)行后產(chǎn)生了明顯變形，于前緣中部產(chǎn)生長(zhǎng)約300 m的橫向裂縫。2005年，由于沿江公路擴(kuò)寬施工，造成滑坡體上部坡體發(fā)生滑移，公路邊坡出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。2007年6月底，公路上方出現(xiàn)堆積體局部滑動(dòng)，堆積體以公路為前緣，東西寬約220 m，后緣寬約120 m，縱長(zhǎng)約100m，厚6 m，體積約10萬(wàn)m3?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和專業(yè)監(jiān)測(cè)表明，每年5～7月為變形加劇時(shí)間，8月至次年4月則趨于平穩(wěn)?；伦冃卧谛钏跗谧畲?，隨著堆積體自適應(yīng)能力的增強(qiáng)，堆積體逐漸適應(yīng)了庫(kù)水變動(dòng)和降雨的影響，每年變形幅度有減小趨勢(shì)。

3 庫(kù)水下降及降雨模型

3.1 庫(kù)水下降調(diào)度模型

搜集2011～2016年每日庫(kù)水位調(diào)度數(shù)據(jù)，對(duì)庫(kù)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行平均擬合，得到三峽庫(kù)區(qū)實(shí)際調(diào)度模型（圖 3），并在此模型基礎(chǔ)上研究增大庫(kù)水位下降速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。經(jīng)過(guò)8年完整周期的運(yùn)行，庫(kù)岸已經(jīng)基本適應(yīng)了當(dāng)前的水文地質(zhì)條件，而且由于淋濾作用等的影響[11]，低處巖土體對(duì)庫(kù)水變動(dòng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，因此在增大庫(kù)水位下降速率時(shí)，有一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，即增大庫(kù)水位下降速率的起始水位需要由低到高，逐漸緩慢增加，以保證庫(kù)岸對(duì)新的環(huán)境有充分的適應(yīng)。

由于低水位不利于航行、發(fā)電等，需盡可能縮短低水位時(shí)間。同時(shí)，持續(xù)快速降低庫(kù)水位會(huì)造成滑坡體內(nèi)地下水排泄不及時(shí)，產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，從而誘發(fā)滑坡。因此本文以155m為增大庫(kù)水位下降速率的起始點(diǎn)，其中，175～155m段按原速率下降，155～145m段分別采用0.3，0.6，0.9，1.2和1.5 m/d的下降速率。

3.2 降雨分布模型

目前在考慮降雨因素時(shí)，大多采用暴雨模型，而暴雨在計(jì)算時(shí)包含了汛期的降雨數(shù)據(jù)，造成降雨值的明顯偏大。同時(shí)，暴雨的加載時(shí)機(jī)比較隨機(jī)，人為因素影響很大，基于以上不足，本文根據(jù)實(shí)際降雨設(shè)定降雨工況。

統(tǒng)計(jì)秭歸地區(qū)1960～2014年的降雨數(shù)據(jù)，計(jì)算每年1/1～6/20區(qū)間的累計(jì)降雨量（圖 5），選取最大累計(jì)降雨量作為降雨計(jì)算參數(shù)。分析圖 5可知，2002年秭歸地區(qū)1/1～6/20區(qū)間的累計(jì)降雨最大，達(dá)846.4mm，遠(yuǎn)超該地區(qū)55年以來(lái)418mm的均值。因此，以2002年1/1～6/20區(qū)段的降雨值，取A（4/23～5/6）和B（6/5～6/10）兩場(chǎng)降雨進(jìn)行計(jì)算，其中A累積降雨198.7mm，B累積降雨154mm。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型及工況選取

本文基于有限元軟件Geo-Studio以2-2′剖面建立模型，單元長(zhǎng)度設(shè)為3m，忽略滑體材料的各向異性。基于巖土體的飽和-非飽和理論，根據(jù)SEEP/W模塊中的Van Genuchten土水特征經(jīng)驗(yàn)曲線和飽和巖土體參數(shù)來(lái)確定非飽和土體的計(jì)算參數(shù)，通過(guò)加載降雨并改變庫(kù)水下降速率，來(lái)獲取不同時(shí)刻滑坡的滲流場(chǎng)。最后將不同時(shí)刻的滲流場(chǎng)導(dǎo)入SLOPE/W模塊，并采用Morgenstern-Price方法計(jì)算穩(wěn)定性。根據(jù)已有勘察資料中相似巖土體的參數(shù)，通過(guò)工程地質(zhì)類比法和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定飽和體積含水量和滲透系數(shù)，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定巖土體飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)[15]，計(jì)算參數(shù)和計(jì)算模型見(jiàn)圖 7。

初始及邊界條件：固定模型底部的水平和豎直位移，固定模型兩側(cè)的水平位移;滑體表面175m以上設(shè)置為降雨入滲邊界，175m以下設(shè)為庫(kù)水入滲邊界，基巖設(shè)為不透水層。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及監(jiān)測(cè)資料，取175m穩(wěn)定時(shí)的地下水位為初始地下水位。

根據(jù)上文分析，采用如下工況進(jìn)行計(jì)算（表 1）。

4.2 地下水滲流場(chǎng)模擬

通過(guò)SEEP/W模塊計(jì)算得到各工況每天的滲流場(chǎng)，坡體內(nèi)地下水隨著庫(kù)水位的降低而逐漸降低，坡體內(nèi)地下水位線明顯外凸，地下水出水口也高于庫(kù)水位，表明地下水下降速率滯后于庫(kù)水位。分析各工況最后一天的滲流場(chǎng)（圖 8），隨著庫(kù)水下降速率的增加，最后時(shí)刻的地下水位逐漸增加，但增加幅度呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明隨著庫(kù)水位的增加，坡體內(nèi)動(dòng)水壓力越大，坡體穩(wěn)定性越差，但穩(wěn)定系數(shù)減小的幅度在減弱。

4.3 穩(wěn)定性結(jié)果及分析

（1）滑坡穩(wěn)定性分析

整體分析圖 9可知，隨著庫(kù)水位的下降，白水河滑坡的穩(wěn)定性逐漸降低，其穩(wěn)定系數(shù)降低約16%;降雨對(duì)白水河滑坡影響有限，降雨和無(wú)降雨工況差距很小。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)資料也表明，白水河滑坡的變形主要由庫(kù)水位的下降引起。

庫(kù)水由175m降至155m時(shí)，其變化與庫(kù)水調(diào)度模型（圖 4）較為相似，表明滑坡穩(wěn)定系數(shù)基本由庫(kù)水位所影響;庫(kù)水位在155m恒定不變時(shí)，滑坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，增幅與穩(wěn)定時(shí)間正相關(guān)，增幅約1.0～1.5%，表明恒定庫(kù)水位有助于減緩后期快速下降對(duì)滑坡的影響;庫(kù)水位從155m加速降至145m時(shí)，隨著庫(kù)水位下降速率的增加（工況A～E），穩(wěn)定性逐漸降低，工況B～E的穩(wěn)定系數(shù)降低幅度較為一致，其降低幅度為14.8%～15.4%，較正常下降工況A有小幅減小，減小約0.7%～1.2%，表明增加庫(kù)水位下降速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較小。

（2）庫(kù)水位調(diào)度模式分析

庫(kù)水在末期加速下降對(duì)對(duì)滑坡穩(wěn)定性有利。在155m水位的間歇期，坡體內(nèi)的地下水能夠充分消散，動(dòng)水壓力降低，滑坡穩(wěn)定性逐漸增加，比庫(kù)水持續(xù)性下降更有利于滑坡穩(wěn)定性[8]。此間，降雨的作用不夠明顯。在實(shí)際庫(kù)水調(diào)度時(shí)，可以在雨季來(lái)臨之前將庫(kù)水降至155m水位，盡量避免庫(kù)水和降雨對(duì)滑坡的共同作用。同時(shí)，庫(kù)水以最大程度維持在155m以上，能更好發(fā)揮黃金航道的效益。

從水文地質(zhì)的角度分析，末期加速下降充分考慮了庫(kù)岸各高程對(duì)庫(kù)水變動(dòng)的適應(yīng)能力。由于155m以下庫(kù)岸浸泡的時(shí)間最長(zhǎng)，受庫(kù)水改造充分，坡體內(nèi)滲流管網(wǎng)更加發(fā)育[11]，坡體內(nèi)地下水能迅速消散，能經(jīng)受庫(kù)水快速升降的影響。

從實(shí)際庫(kù)水位的調(diào)度分析，也能印證庫(kù)岸能夠承受155m以下庫(kù)水的快速升降：分析近幾年庫(kù)水調(diào)度曲線（圖 3中180～240d），每年汛期庫(kù)水在短期內(nèi)從145m升至155m以上，爾后迅速降至145m，但沒(méi)有引起庫(kù)岸大范圍的失穩(wěn)變形，表明庫(kù)水從155m快速降至145m對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響不大。長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可根據(jù)庫(kù)岸對(duì)庫(kù)水位變動(dòng)的適應(yīng)能力，逐漸提高間歇時(shí)的穩(wěn)定水位，從而更加充分的發(fā)揮航運(yùn)和發(fā)電的效益。

5 結(jié)論

（1）白水河滑坡整體上受庫(kù)水位變動(dòng)的影響，庫(kù)水由175m降至145m時(shí)，造成滑坡穩(wěn)定系數(shù)降低約15%，降雨影響有限，監(jiān)測(cè)資料也顯示庫(kù)水下降是引發(fā)滑坡變形的主要因素。增加庫(kù)水位下降速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響有限，穩(wěn)定系數(shù)減少約0.7%～1.2%。

（2）采用末期加速下降的方法具有綜合效益，該調(diào)度模型考慮到庫(kù)岸不同高程對(duì)庫(kù)水位的適應(yīng)能力，將庫(kù)水位調(diào)度過(guò)程分為兩段，并因地制宜地采取不同的下降速率。該模型充分考慮了防災(zāi)減災(zāi)、航運(yùn)、防洪和發(fā)電等，大幅延長(zhǎng)了155m以上庫(kù)水位的時(shí)間，具有很好的實(shí)際意義。

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作者簡(jiǎn)介：胡澤銘（1987-），男，碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)、水文地質(zhì)。

通訊作者：肖長(zhǎng)波（1987--），男，碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)、水文地質(zhì)。