動態水位作用下庫岸邊坡穩定性分析

茍建平

（甘肅省宕昌縣水務局，甘肅 宕昌 748500）

0 引言

庫岸邊坡安全穩定性評價分析算是一個長期困擾全球的問題。1963年意大利瓦伊昂水庫巨型滑坡造成2600多人員死亡，引發全球熱議[1～2]；受地質條件影響，我國庫岸滑坡災害尤以長江流域2014年9月，湖北省三峽庫區宜昌市杉樹槽走遍發生滑塌體積近90萬立方的大規模山體滑坡，直接沖毀附近某大型發電站、堵塞或損壞當地交通要道，對當地居民生活造成了極大的影響。據不完全統計，三峽庫區周邊較密集分布著超過3000處滑坡災害高發點，每年造成的經濟損失高達數十億元[3～4]。因此，對動態水位變化作用下庫岸邊坡安全穩定性作出準確的計算與評價顯得十分重要[5～7]。基于Geo Studio有限元數值分析平臺[8～10]，對動態水位作用下湖北省某水庫庫岸邊坡穩定性進行計算；再結合應力場、滲流場多重條件深度分析庫岸邊坡安全系數變化規律，為今后庫岸邊坡在動態水環境中的評價、防治提供一定借鑒。

1 邊坡概況

湖北省某邊坡位于長江流域三峽庫區，坡面位于水庫北側，地形坡度大約為15°～30°之間，向南傾斜入水庫蓄水區域。坡面潛在滑體主要由碎石土、礫石以及粉質黏土、黏土組成，滑帶為堆積層與基巖接觸帶，以含碎石黏土及粉質黏土為主。滑體后緣高約380 m，前緣長度接近750 m。巖層及松散堆積體的主要參數如表1。邊坡剖面圖如圖1所示。

表1 滑床巖層及松散堆積體主要參數

圖1 某邊坡剖面圖

2 基于Geo Studio邊坡分析模型建立

選取某滑坡剖面基于Geo Studio軟件建立數值模型及尺寸如圖2所示，本模型節點數共計935個、單元數756個。全局單元尺寸為15 m×15 m。邊坡模型包含滑體和滑床兩部分，劃分后模型如下圖所示。

圖2 Geo Studio分析軟件邊坡分析模型

3 計算結果分析

3.1 水庫水位動態監測

對水庫進行水位監測，每10天對水庫周圍進行水位高低測量，持續采樣一年時間，采樣監測結果如下圖3。

圖3 一年內水庫水位變化圖

由圖3可知，湖北省某水庫處于長江中下游流域，屬于典型亞熱帶季風氣候。春季河流水位受長江上游冰雪融化影響，水庫水位小幅度上升，河流水庫脫離枯水期；夏季后區域有強降雨，水庫水位會突漲，進入豐水期；同時，由于水位突然上升，需視情況采取一定的防洪措施；秋冬季后水庫水位迅速降低，進入枯水期。

3.2 庫水位作用下岸坡安全性分析

根據Geo Studio軟件建立數值模型計算結果，下圖4為一年內邊坡滲流場與安全系數隨水位變化云圖。

圖4 坡滲流場與安全系數隨水位變化云圖

庫水位從滑坡前緣處的初始水位約100 m以0.15 m/d～5.6 m/d（不同時間段上升速率不同）逐漸上升到235 m最高水位的過程中，浸潤線在岸坡表面發生彎曲并指向邊坡坡內，且可見坡表處明顯高于坡內，這表明：坡內水位的上升滯后于坡外水位的上升，水分在庫水上升過程中發生指向坡內的回流，在岸坡表面最為明顯；同理可知，在庫水位下降過程中在庫水位升降過程中，坡內水位的下降滯后于坡外水位的下降，水分在庫水下降過程中發生指向水庫的回流。分析岸坡滲流場的重要基石是浸潤線，通過浸潤線的分布和形態，可以獲取所需的基本滲流要素。

在水庫水位上升過程中，坡表范圍正孔壓區范圍逐漸擴大，同時負孔壓區范圍逐漸縮小。經過一定時間的水位上升，正孔壓區孔壓最大值由815 kPa逐漸增長到1752 kPa，負孔壓區孔壓絕對值在岸坡表面附近區域隨庫水位波動發生劇烈變化，其值變化的敏感性遠遠大于坡內。由前文分析可知，庫水位上升過程中，產生由坡外向坡內的回流，滲透矢量在浸潤線波動較大的坡表附近指向坡內和浸潤線以上的坡內，產生這種現象的原因是庫水上升造成近坡表范圍浸潤線下部正孔壓增大以及上部負孔壓的消散，由此產生的滲透力指向坡內。

同理，在水庫水位下降的過程中，浸潤線也隨之緩慢下降，近坡表范圍正孔壓區范圍逐漸縮小，同時負孔壓范圍逐漸擴增。經過水位下降過程后，正孔壓區孔壓最大值由1735 kPa逐漸降低到826 kPa，負孔壓區孔壓絕對值取值范圍和水位上升時相似。庫水位在下降的過程中，產生由坡內指向坡外的流動，滲透矢量在浸潤線波動較大的坡表附近指向坡外，產生這種現象的原因是庫水下降造成近坡表范圍浸潤線下部正孔壓減小以及上部負孔壓的擴張及由正變負，由此產生的滲透力指向坡外，表現在圖中便是滲透矢量的上述分布狀態。

3.3 動態水位作用機理分析

一年內庫岸邊坡安全系數隨水位變化關系如圖5所示。

圖5 動態水位作用下邊坡安全系數變化曲線

岸坡穩定性安全系數呈現出平穩—降低—升高—降低—升高—平穩。這是因為，當庫水位上升或下降時，區域滑坡體滲透系數較小，坡體內地下水滲流速率低于坡外庫水位升降速率，此時，坡內外便會產生水位差，造成破內外存在滲透壓力，影響邊坡的穩定性。具體可分為兩種情況：

1）庫水位上升。由于坡內水位上升存在滯后性，坡外水位高于坡內，產生指向坡內的滲透壓力，坡表水位回流向坡內，向內的壓力擠壓巖土體，滑坡下滑力減小，邊坡變形較小，穩定性情況相比增加。

2）庫水位下降。此時情況邊坡結果則截然相反。由于坡內水位相較坡外水位的下降存在一定的滯后性，滑坡體內水流來不及排出坡外，導致坡外水位明顯低于坡內，產生與下滑方向一致的滲透壓力，下滑力增大，邊坡變形較大，穩定性情況相比降低，容易引發崩塌和滑坡的發生。

4 結論

（1）湖北省某水庫處于長江中下游流域，屬于亞熱帶季風氣候。由降雨圖可知，春季河流水位受上游冰雪融化影響水位上升；夏季有強降雨，水庫水位會突漲，需采取一定的防洪措施；秋冬季水位降低，進入枯水期。

（2）湖北省某水庫庫岸邊坡動態水位作用下，安全性系數隨著水位變化而變化，總體呈現平穩—降低—升高—降低—升高—平穩的趨勢。這是由于該水庫邊坡土層滲透率低，動態水位對邊坡的作用機理屬于滲透壓力型。

（3)基于Geo Studio軟件平臺，通過耦合滲透場、應力場等多重條件，對動態水位作用下庫岸邊坡穩定性進行計算、分析與評價具有高度的準確性與科學性，對全國各區域尤其是長江流域庫岸邊坡防治有一定借鑒意義。