庫(kù)區(qū)水位下降速度對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響

艾秀峰，馬德芹

庫(kù)區(qū)水位下降速度對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響

艾秀峰1，馬德芹2

（1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.西南交通大學(xué)，四川 峨眉 614202）

水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，庫(kù)區(qū)水位下降引起坡體的滲流場(chǎng)變化進(jìn)而影響坡體穩(wěn)定性。以三峽庫(kù)區(qū)某坡體為例，針對(duì)庫(kù)水位下降的不同速度，利用二維有限元模擬軟件Geo—Studio對(duì)坡體滲流場(chǎng)變化進(jìn)行數(shù)值模擬和穩(wěn)定性分析。研究表明，隨著水位下降速度的增加，浸潤(rùn)線前緣總水頭值不斷減小，水平流速不斷增加，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)也隨之下降。

庫(kù)區(qū)水位；滲流場(chǎng)；邊坡穩(wěn)定；影響

庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)將會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失所以有關(guān)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題一直受到人們的重視。能夠?qū)吰路€(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素有很多，根據(jù)以往的研究表明90%以上的邊坡失穩(wěn)都與水之間有聯(lián)系所以水是決定邊坡安全穩(wěn)定的重要因素。庫(kù)岸邊坡長(zhǎng)期受庫(kù)水位變化影響，必將引起岸坡地下水位不斷變化，進(jìn)而也必將對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。日本學(xué)者對(duì)水庫(kù)滑坡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，有60%的滑坡發(fā)生在水位驟降時(shí)期［1］。張衛(wèi)民等研究了各種邊坡模型，經(jīng)計(jì)算分析認(rèn)為邊坡穩(wěn)定性隨地下水位變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，地下水位在距坡腳一定坡高范圍內(nèi)變化時(shí)土坡的穩(wěn)定性變化不大。當(dāng)?shù)叵滤痪€超過(guò)這一范圍時(shí)邊坡的安全系數(shù)將隨著其的升高而線性減小，進(jìn)而發(fā)生滑動(dòng)破壞；馬崇武等研究表明不管是庫(kù)水位升高還是下降，都存在一個(gè)使邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最小的水位；廖紅建等發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位下降速度的變化也會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)滑坡體的滲透性系數(shù)相同時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)降低速率將會(huì)隨著水位下降速度的增加表現(xiàn)出明顯增大。對(duì)于不同的庫(kù)水位下降速度，岸坡的穩(wěn)定性的變化曲線差異不大。而對(duì)于滲透性系數(shù)越大的滑坡體，其穩(wěn)定性系數(shù)值對(duì)的變化表現(xiàn)的越不敏感，也就是說(shuō)庫(kù)水位降低速度在這時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的影響不大。以上這些研究表明庫(kù)水位下降速度會(huì)引起的邊坡滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的變化，研究成果將對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)及防治起到十分重要的作用。

圖1　堆積體典型剖面圖

表 1 滲流計(jì)算參數(shù)

1　工程地質(zhì)概況

1.1工程概況

三峽水庫(kù)是一個(gè)狹長(zhǎng)的河道型水庫(kù)，建成后采用“冬蓄夏泄”的水位調(diào)度方式，水位調(diào)幅變化可達(dá)30m，這種變化將直接干擾兩岸滲流場(chǎng)，如果庫(kù)水位快速降落，兩岸地下水位通常不能同庫(kù)水位同步降落，高、低水位之間的水體所產(chǎn)生的向坡體外的滲透壓力將成為對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性極為不利的因素［2］。

坡體位于川東盆地長(zhǎng)江河谷地帶、三峽庫(kù)區(qū)中心地帶，岸坡區(qū)內(nèi)有三條鎮(zhèn)級(jí)及村級(jí)公路東西向貫通整個(gè)岸坡，水路有長(zhǎng)江航運(yùn)，可常年通航，上可達(dá)涪陵，下至忠縣，交通較方便。

1.2坡體水文地質(zhì)與工程地質(zhì)

根據(jù)巖土體含水特性及地下水的賦存條件，將庫(kù)岸區(qū)及周邊地下水劃分為松散層孔隙水和基巖裂隙水。松散層孔隙水主要賦存于第四系松散堆積體粘性土夾碎塊石、河流沖積成因的粉土、砂層、砂卵石層。其中堆積體內(nèi)物質(zhì)差異性較大，均一性差，含水不均一，密實(shí)度普遍較好，含水量不大，主要接受降水及地表魚(yú)塘內(nèi)表水補(bǔ)給，于地勢(shì)低洼及坡前陡坎處排泄；沖積層內(nèi)地下水由于受庫(kù)水位淹沒(méi)，長(zhǎng)期受地表水補(bǔ)給，水量較豐富。基巖裂隙水主要賦存于風(fēng)化裂隙和砂巖層內(nèi)，由于該區(qū)以泥巖、砂巖互層狀，產(chǎn)狀平緩，砂巖層內(nèi)地下水受泥巖阻隔，相互間連通性差，不能形成規(guī)模，一般水量較小，由于長(zhǎng)江為地下水的最低排泄基準(zhǔn)面，其排泄途徑多于其砂巖出露位置浸出。在當(dāng)?shù)鼐用裎唇y(tǒng)一安裝自來(lái)水時(shí)，普遍采集此類地下水飲用。

該岸坡為大型中層牽引式土質(zhì)邊坡。庫(kù)岸坡區(qū)屬河谷岸坡堆積地貌，地貌條件、地形條件中等復(fù)雜；土層厚度在1.0～37.0m， 巖土種類較多，巖土性差異較大，巖土界面傾角一般3°～20°，巖體結(jié)構(gòu)類型為薄～厚層狀。岸坡區(qū)位于萬(wàn)縣向斜核部，巖層產(chǎn)狀為153°∠4°，發(fā)育2組裂隙，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

圖2　庫(kù)水位以不同速度下降到145m時(shí)總水頭等值線圖

2　水位下降速度對(duì)堆積體滲流場(chǎng)的影響

計(jì)算模型以三峽庫(kù)區(qū)某庫(kù)岸邊坡典型坡面為模型，該岸坡前緣高程149m 后緣高程185m高差36m，坡體主要由第四系滑坡堆積層（Q4del）為主，下覆侏羅紀(jì)中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）紫紅色泥巖和灰色砂巖。如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)資料，計(jì)算過(guò)程中巖土體的滲流參數(shù)見(jiàn)表1計(jì)算過(guò)程中通過(guò)改變庫(kù)水位的下降速度，從而計(jì)算得到不同水位變動(dòng)速度條件下，不同庫(kù)水位、不同水位變動(dòng)時(shí)刻的堆積體內(nèi)瞬時(shí)地下水浸潤(rùn)線。庫(kù)水位在145～175m之間變化，水庫(kù)水位變幅高差為30m。水位漲落速率最小約0.6m/d，最大4m/d。計(jì)算過(guò)程中設(shè)定庫(kù)水位下降速度分別為: 0.67、1、1.5、2、4m/d。

圖3　庫(kù)水位以不同速度下降到145m時(shí)水平流速等值線圖

2.1總水頭等值線

由圖2所示，庫(kù)水位下降過(guò)程中，隨著水位下降速度的變化，堆積體地下水滲流的總水頭等值線特點(diǎn)可以得到以下規(guī)律：

1）隨著庫(kù)水位降低速度的增大浸潤(rùn)線前緣總水頭值不斷減小，總水頭等值線于滑帶處向滑坡后緣彎曲，且堆積體內(nèi)總水頭等值線較基巖內(nèi)彎曲幅度大，這是由于兩者之間滲透系數(shù)差異引起的。

2）處于坡體浸潤(rùn)線以下的總水頭等值線較浸潤(rùn)線以上密集，這是因?yàn)橛捎谒幌陆祵?dǎo)致浸潤(rùn)線以上坡體含水量減少所致。

2.2水平流速等值線

圖3所示為庫(kù)水位以不同速度下降到145m時(shí)水平流速圖。由圖3可知：

1）隨著水位下降速度的增大水平流速等值線變得越來(lái)越密集，水平流速最大值由0.0688逐漸增大到0.08262；浸潤(rùn)線以上的水平流速等勢(shì)線較下部更為密集。

2）從水平流速等勢(shì)線的形態(tài)上看，滑坡體內(nèi)水平流速表現(xiàn)沿坡體底部向上呈增大環(huán)。

圖4　庫(kù)水位下降速度與孔隙水壓力之間的關(guān)系

圖5　水位下降速度與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

3　穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中所涉及到的巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.1滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

利用二維有限元軟件GEO-Studio中SLOPE/W與SEEW/W模塊耦合性，對(duì)庫(kù)岸坡體高程約為165m處土條分析得到的孔隙水壓力與庫(kù)水位下降速度之間的關(guān)系如圖4所示。分析可知，隨庫(kù)水位降低速度的增長(zhǎng)，坡體內(nèi)的孔隙水壓力從263KN一直增大。下降速度超過(guò)2m/d后空隙水壓力增加迅猛，在4m/d時(shí)達(dá)到1 039.6KN，這必然對(duì)坡體穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。

3.2下降速度對(duì)安全性的影響

分析得到隨著庫(kù)水位下降速度的變化岸坡安全性之間的關(guān)系見(jiàn)圖5。經(jīng)過(guò)分析可知岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)與庫(kù)水位下降速度呈負(fù)相關(guān)，即岸坡穩(wěn)定性系隨著庫(kù)水位下降速度的增大而降低，當(dāng)速度為4m/d時(shí)岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最小值1.062，此時(shí)岸坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。而對(duì)于同一下降速度滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著時(shí)間表現(xiàn)為正相關(guān)，即隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。如圖6所示，以2m/d的下降速度為例可以看到隨時(shí)間增長(zhǎng)滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)從1.139一直增大到1.275 。這可能是由于對(duì)于該牽引式滑坡來(lái)說(shuō)水位下降導(dǎo)致水對(duì)下滑段壓力減小從而減小了下滑力而使滑坡趨于穩(wěn)定的原因。

表2　穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

圖6　速度為2m/d時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)與時(shí)間關(guān)系圖

4　結(jié)論

1）由于滲透系數(shù)間的差異，導(dǎo)致堆積層和基巖之間的總水頭等值線在形態(tài)上有明顯不同且浸潤(rùn)線一下的總水頭等值線比浸潤(rùn)線上更為密集。

2）堆積體和基巖內(nèi)水平流速均隨水位下降速度的增加而增大，水平流速最大值由0.068 8逐漸增大到0.082 62，最大的地下水水平流速都出現(xiàn)在155～160m范圍內(nèi)。地下水水平流速的等值線圖在可疑滑帶范圍內(nèi)最密，地下水浸潤(rùn)線以上的地下水水平流速的等值線圖較浸潤(rùn)線以下的更為密集。

3）穩(wěn)定性計(jì)算表明在庫(kù)水位下降時(shí)，滑坡體穩(wěn)定性系數(shù)隨水位下降速度的增加而減小，岸坡的穩(wěn)定性系數(shù)最小為1.062，坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在庫(kù)水調(diào)節(jié)期間應(yīng)對(duì)岸坡進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)以保證岸坡安全。

4）該岸坡在不同的庫(kù)水位下降速度下，都變現(xiàn)出隨著時(shí)間增長(zhǎng)穩(wěn)定性系數(shù)都逐漸增加，滑坡體趨于更加穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以應(yīng)對(duì)庫(kù)水位下降初期的堆積進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

［1］ 中村浩之（王恭先，譯）. 論水庫(kù)滑坡［J］. 水土保持通報(bào)，1990，10（1）:53～64

［2］ 廖紅建，高石夯，盛謙，等. 滲透系數(shù)與庫(kù)水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

［3］ 陳湘桂，牛建東，陳亮晶. 庫(kù)水位上升條件下滑坡體的滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性研究［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，10（3）

［4］ Fredlund D G.Rahardjo H.陳仲頤非飽和土力學(xué) 1997

［5］ 廖彬，張文斌. 庫(kù)水位變化條件下滑坡穩(wěn)定性研究［J］. 人民長(zhǎng)江，2013，44（9）

［6］ 時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人. 庫(kù)水位下降情況下滑坡的穩(wěn)定性分析［J］. 水利學(xué)報(bào)，2004（3）76-80.（Shi Weimin，Zheng Yingren. Analysis ofstability of landslide during reservoir drawdown［J］. Journal ofHydraulic Engineering，2004，（3）：76-80.（in Chinese））

［7］ 孫冬梅，朱岳明，張明進(jìn). 庫(kù)水位下降時(shí)的岸坡非穩(wěn)定滲流問(wèn)題研究［J］. 巖土力學(xué)，2008，29（7）

［8］ 涂國(guó)祥，鄧 輝，黃潤(rùn)秋. 水位變動(dòng)速度對(duì)某庫(kù)區(qū)岸坡堆積體穩(wěn)定性的影響［J］. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）.2011， 43（4）.

The Influence of Water Level Falling in Reservoir Area on Slope Stability

AI Xiu-feng MA De-qin
（1-Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031； 2- Southwest Jiaotong University， Emeishan， Sichuan 614202）

Water level is an important factor to have an influence on slope stability. Seepage slope change caused by reservoir water level affects slope stability. This paper uses two-dimensional finite element simulation software Geo-Studio for simulating slope seepage field change and making stability analysis by the example of a slope of the Three Gorges Reservoir Area. The study indicates that the stability coefficient of landslide decreases with the increase in drawdown rate， decrease in saturation line front total head value and increase in horizontal velocity.

water level of reservoir area； seepage； slope stability； influence

P642

A

1006-0995（2015）04-0589-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.026

2015-01-14

艾秀峰（1989.9～）男，內(nèi)蒙人，助理工程師，研究方向：特殊巖土工程