庫岸邊坡承壓水成因及作用分析

羅 軍，鄧建輝，張正雄

（四川大學水利水電學院，四川 成都 610000）

分析大量工程實例發(fā)現(xiàn)一類滑坡與岸坡軟弱面有關，尤其發(fā)生強降雨后，水庫坡岸軟弱面會積蓄大量地下水且難以迅速排出，導致軟弱面蓄水形成承壓，在坡體中形成揚壓力，加劇邊坡失穩(wěn)。隨著意大利瓦依昂水庫等滑坡所帶來的巨大災難，水庫滑坡問題得到巖土工程和水利水電工程界高度的重視，自此加強了對水庫選址、可行性的論證[1]。

1 承壓水模型

課題組根據(jù)大量工程實踐的總結與反思提出承壓水庫岸邊坡模型。承壓水岸坡從結構上講，需要存在補給區(qū)、承壓區(qū)、排泄區(qū)。而承壓區(qū)需要有上下隔水層約束水流，中間透水層形成滲流通道，滲流通道（含水層）需要充填形成承壓水，上游補給區(qū)考慮為降雨。由此所提出的承壓水模型見圖1。諸如瓦依昂滑坡、千將坪滑坡、塘巖光滑坡、羅家坪邊坡等均屬于順層巖質(zhì)邊坡，存在形成承壓水的良好條件。

圖1 邊坡承壓水模型示意圖

1.1 承壓水模型的構成條件

分析承壓水模型適用條件的意義在于，若該岸坡出現(xiàn)以下條件，可以考慮其滿足承壓水形成條件，則應當在進行穩(wěn)定性分析的時候考慮承壓水的作用。承壓水模型適用的環(huán)境條件：需要有充足的水源補給、一定的排泄條件。水源的補給可以是降雨、農(nóng)田水利灌溉、冰雪融化、地下暗河、地表水入滲等；排泄則需要滲流受阻，對于裂隙不夠發(fā)育的滑坡前緣、下游水庫蓄水后水位淹沒滲流通道出口，滲流排水不暢使得壓力水頭上升產(chǎn)生承壓水。承壓水模型適用的結構條件：承壓水的形成需要形成滲流通道，并且易于構成排泄堵塞。順層岸坡比反向坡和逆向坡更容易形成承壓水，緩傾角的巖層比陡傾巖層容易形成承壓水。由此向斜核部一側、單面山的斜坡、背斜的一翼易形成易滑面滿足承壓水模型。承壓水模型適用的材料條件：由于承壓區(qū)需要有相對隔水層、相對透水層以形成滲流通道，從巖性來講，泥巖滲透系數(shù)很小、砂巖滲透系數(shù)較大，該組合所形成的順層岸坡易滿足承壓水形成的條件，柘溪水庫滑坡、千將坪滑坡屬于該類；同時古滑坡也常常滿足承壓水存在的條件，古滑坡滑帶連續(xù)且完整構成相對隔水層，滑帶下的擾動層構成相對透水層；對于一個風化有明顯差異的巖層來說，微風化可考慮為相對隔水層，弱風化為相對透水層，處于弱風化上的滑帶屬于相對隔水層。

若邊坡滿足以上條件，則產(chǎn)生承壓水的概率較大，在計算邊坡安全系數(shù)時應考慮承壓水的影響。

1.2 承壓水模型特點

離坡面環(huán)境越遠風化程度越低，滲透系數(shù)越小，對于微風化層可考慮為未擾動帶，滲透系數(shù)可達10-10m/s，滲透性差，考慮為相對隔水層。離坡面環(huán)境近的巖體受到風化，成為弱風化層，滲透系數(shù)略大，考慮為擾動層，其滲透系數(shù)因巖體存在差異，約10-5m/s～10-7m/s（常見的玄武巖、砂巖弱風化層滲透系數(shù)均在該范圍內(nèi)），該層相對微風化層屬于相對透水層。滑帶具有連續(xù)性，由于構造作用而壓縮固結，同時由于降雨，堆積體中細小的顆粒黏土隨著雨水的搬運，不斷填進滑帶的空隙，從而導致滑帶呈現(xiàn)出滲透系數(shù)小的特性，泥化夾層、泥巖形成的滑帶，滲透系數(shù)約在10-10m/s～10-7m/s，構成相對隔水層。滑坡體不屬于承壓水模型的必要構造，雖然滲透系數(shù)很大，由于滑帶形成的相對隔水層，外部降水不能進入承壓水系統(tǒng)。主要起到約束滑帶的作用，使承壓區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡后緣的裂隙非常發(fā)育，存在良好的滲流通道，當降雨后，水流會隨著邊坡表面流走，同時部分沿著裂隙進入弱風化層，當進入足夠多的水流進入相對透水層即能夠形成承壓水。該補給的水源可以是常規(guī)的降雨、農(nóng)田水利灌溉、地下暗河等。構成承壓水模型，需要水流排泄不暢，即滲流通道堵塞。

順層類巖質(zhì)岸坡，大多存在良好的形成承壓水模型條件，而承壓水對岸坡的穩(wěn)定性具有較大影響，在忽略了承壓水的作用下用傳統(tǒng)方法驗證安全的岸坡易發(fā)生失穩(wěn)。

2 承壓水數(shù)學模型分析

根據(jù)岸坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)計算方法，主要考慮內(nèi)摩擦角、粘結力、滑體自重。當有水的作用下，常常考慮為浮托力，即在水下的滑體部分計算為浮容重，水上的滑體部分計算為天然容重。此外，降雨的情況，考慮為沿表面的滲透力，未考慮滑體的滲透性。如前文所述，在滿足特定情況的岸坡，能夠形成承壓水模型的條件，此時計算不應忽略承壓水頭對岸坡穩(wěn)定性所帶來的影響。而考慮承壓水頭，主要影響的因素為滲透系數(shù)、上游流量、下游庫水位、承壓段傾角、承壓段厚度。

進行承壓水模型數(shù)學解析，模型上游水頭H1、下游水頭H2、上下游水頭之間的水平距離L、滲透面與水平方向的夾角α。當上下游水頭一定時，地下水形成穩(wěn)定流動，地下水的流線為一條直線，即一維流動，其連續(xù)性方程為常微分方程。根據(jù)地下水微分方程及一維地下水滲流原理可列出以下微分方程：

對(1)式兩次不定積分，帶入邊界條件，可以解出模型的總水頭，即：

滲流通道頂部承壓：

式中：z為滑帶的形狀函數(shù)z=f(x),m；m為滲流通道的厚度，m。

從公式(4)可以看出，在定水頭邊界條件下滑坡體受到最大承壓與上下游水頭密切相關，與滑帶的形狀及滲流通道的厚度相關；在滲透通道貫通且滲流通道的滲透系數(shù)不變時，坡體受到的最大承壓與滲透系數(shù)、流量無關。

3 羅家坪滑坡中承壓水作用分析

羅家坪滑坡位于綏江縣城下游金沙江右岸的新灘溪溝口左側，距綏江縣城的公路里程約13 km，前緣為新灘溪基巖變形體，滑坡體上分布有大量民房、水綏二級路及450 m的新灘溪大橋。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問，該滑坡體在向家滑帶壩水庫蓄水前局部地段已產(chǎn)生變形，水庫蓄水后，變形進一步加劇，造成地表及部分建筑物出現(xiàn)變形開裂[3]。

地層巖性：庫區(qū)出露地層較齊全，從上元古界至新生界除石炭系、第三系缺失外均有出露[2]，基巖按巖性組合可歸并劃分為：碎屑巖巖組、碳酸鹽巖組和火山巖巖組三大類[2]。地質(zhì)構造：庫區(qū)的地質(zhì)構造以褶皺為主，斷裂構造不甚發(fā)育，區(qū)內(nèi)構造形跡主要有南北向和北東向2組。在新灘溪以上河段，南北向構造較發(fā)育，以下河段則以北東向構造為主。庫區(qū)上游部分規(guī)模較大的斷層主要有猰子壩斷層、關村斷層、中村斷層，在下游的庫首東部主要分布有北西向的柏樹溪斷層，其余均為延伸長度小于10 km的較小斷層。規(guī)模相對較小的主要有南北向的一龍斷層、北西向的灣灣灘斷層和樓東斷層通過庫區(qū)。滑坡邊界存在小規(guī)模北西向的灣灣灘斷層與北西向龍橋背斜。

滑體物質(zhì)組成及滑帶特性：勘探結果表明，滑坡體組成物質(zhì)大致有2種類型，占主要部分的為崩塌堆積形成的粘土、粉質(zhì)粘土夾崩(塊)石、碎石。其次新灘溪變形體的碎裂巖及灣灣灘斷層破碎帶及影響帶內(nèi)的斷層碎裂巖或糜陵巖，該類物質(zhì)主要由碎塊石夾泥組成，但含泥量明顯減少，局部地段也有成層現(xiàn)象。滑坡體滑動帶后緣組成物質(zhì)為覆蓋層，由于地形較陡，所以滑動帶深度一般不大，多在10 m以內(nèi)。滑坡中下部一帶滑動帶主要受基巖面的控制，下部巖體多較完整，鉆孔揭露的滑動帶物質(zhì)多為崩塌堆積的粘土、粉質(zhì)粘土。

根據(jù)上述地質(zhì)概況可以檢驗是否滿足承壓水模型形成條件。通過該地形地貌可以看出其符合順層岸坡。通過地層巖性、滑帶特性可以看出，其符合承壓區(qū)形成條件，即滑帶多為崩塌堆積的粘土、粉質(zhì)粘土，其滲透系數(shù)相對較小，形成上層相對隔水層；而滑帶下的強風化層能夠形成理想的滲流通道；強風化層的灰?guī)r透水性很差形成下層相對隔水層。與此同時，該區(qū)域?qū)儆谒拇ㄅ璧貋啛釒夂颍涤昙校?月～9月份有很好的水源補給條件。對于滑坡后緣所處的金沙江，是整個承壓水模型進行排泄的區(qū)域。同時根據(jù)調(diào)查，原水綏公路邊坡坡腳存在泉眼，且?guī)r體結構松軟，雨季經(jīng)常發(fā)生垮塌。而蓄水后，水位抬升，泉眼淹沒，地下水排泄不暢。綜上所述，羅家坪滑坡很好的滿足承壓水模型所形成的條件。

正如前文所描述，羅家坪滑坡為順層岸坡，通過《金沙江向家壩水電站庫區(qū)羅家坪滑坡工程地質(zhì)勘察報告》可知，基巖滲透系數(shù)為2×10-9m/s為相對隔水層的下邊界，風化層滲透系數(shù)為3×10-7m/s為相對透水層，風化層上部的滑帶土滲透系數(shù)為3×10-11m/s為相對隔水層的上邊界；與此同時，羅家坪滑坡前緣處原水綏公路邊坡坡腳存在泉眼，巖體結構松軟，在二期蓄水后，水位抬升，泉眼被淹沒，使得承壓區(qū)滲流通道排泄不暢，成為形成承壓水頭的誘因。與此同時，在2013年7月～9月份期間發(fā)生強降雨，構成承壓水動力來源。因而，羅家坪滑坡具備形成承壓水模型的條件。

圖2 降雨量—地表變形速率關系曲線

分析在二期蓄水（2013年6月26日）后羅家坪滑坡發(fā)生的大變形。由圖2可知變形主要發(fā)生在2013年7月～9月。在2013年7月發(fā)生強降雨，一方面由于降雨入滲的作用，材料力學參數(shù)下降構成物理條件；另一方面由于下游庫水位上升，在降雨入滲的情況下滑坡前緣排泄不暢，導致形成承壓水頭，該水頭作用于滑帶底部，越靠近滑坡前緣承壓水頭越大，垂直滑面向上，導致整個滑坡抗滑力減小，尤其在滑坡前緣部分，對滑坡穩(wěn)定性不利，以形成了羅家坪滑坡的動力來源。上述作用聯(lián)合下，導致羅家坪滑坡在7月～9月份發(fā)生大變形，滑坡前緣變形速率大于滑坡后緣的整體性滑移。而形成承壓水水頭，需要風化層（滲透系數(shù)為3×10-7m/s）滲流完成，該過程需要一定的時間，因而滑坡滑移發(fā)生在降雨后的幾天。

羅家坪滑坡的成因：一方面由于降雨入滲的作用，材料力學參數(shù)下降構成物理條件；另一方面由于下游庫水位上升，在降雨入滲的情況下滑坡前緣排泄不暢，導致形成承壓水頭，該水頭作用于滑帶底部，越靠近滑坡前緣承壓水頭越大，垂直滑面向上，導致整個滑坡抗滑力減小，尤其在滑坡前緣部分，對滑坡穩(wěn)定性不利，以形成了羅家坪滑坡的動力來源。

4 結語

對于滿足承壓水模型形成條件的邊坡，考慮承壓水對邊坡穩(wěn)定帶來的影響至關重要，能夠更加準確的反映邊坡真實情況，從而在治理上找準根源對癥下藥，同時在勘探期能夠及時發(fā)現(xiàn)風險，采取相應措施，減少不必要的損失。

由所推導的承壓水頭模型可以看出，對于改變不了滲透系數(shù)、承壓區(qū)傾角的工程岸坡，影響承壓水頭大小的關鍵因素在入滲流量、下游庫水位、承壓區(qū)滲徑。因而，在治理及預防上可采取以下措施來減小承壓水對滑坡穩(wěn)定帶來的影響。從減小暴雨期入滲流量方面，可以在滑坡后緣部分開挖排水溝進行引流，讓降雨能夠盡量通過堆積體流走，不形成小水塘蓄在滑坡后緣，從而在一定程度上，減小了承壓區(qū)的入滲流量；從下游庫水位方面，由于庫水位影響著向家壩的效益，不能受羅家坪滑坡因素發(fā)生太大變動，可在大暴雨期，適當降低庫水位，待雨季結束后恢復至正常水平；從減小承壓區(qū)滲徑上，在羅家坪滑坡中下部進行鉆孔，穿透滑帶并進行排水，該措施會破壞承壓區(qū)，使得承壓區(qū)影響的范圍減小，從而降低承壓水對滑坡穩(wěn)定性帶來的影響。

采用承壓水模型計算出的安全系數(shù)遠小于傳統(tǒng)方法，這是導致很多岸坡在進行前期勘探分析穩(wěn)定卻產(chǎn)生滑動的原因，因而對符合承壓水模型形成條件的岸坡進行分析時，承壓水頭不容忽視。