基于Scoops3D模型的區(qū)域庫岸邊坡穩(wěn)定性分析

趙志陽 楊雪琪 宋揚(yáng)

摘 要：庫岸邊坡失穩(wěn)滑移是工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害，針對(duì)庫水位變動(dòng)及降水影響下的區(qū)域性庫岸邊坡穩(wěn)定性問題，引入Scoops 3D模型，采用瞬態(tài)非飽和滲流理論計(jì)算降雨入滲，并利用Boussinesq理論計(jì)算庫水位勻速變動(dòng)情況下的浸潤(rùn)線，綜合分析區(qū)域性庫岸邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)。以三峽水庫萬州段為例，采用3種工況進(jìn)行對(duì)比分析，表明區(qū)域內(nèi)庫岸邊坡的穩(wěn)定性對(duì)降雨的響應(yīng)更為明顯，計(jì)算結(jié)果一定程度上反映了庫岸邊坡的穩(wěn)定性時(shí)空分布。

關(guān)鍵詞：庫岸滑坡;穩(wěn)定性;降雨;庫水位;Scoops 3D模型

中圖分類號(hào)：TV698.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.028

Abstract：Reservoir landslide is one of the main geological hazards in the project. Aiming at the stability of regional reservoir bank slope under the influence of reservoir water level fluctuation and precipitation， Scoops 3D model was introduced to calculate rainfall infiltration by using transient unsaturated seepage theory and Boussinesq theory to calculate the saturation line under the condition of uniform variation of reservoir water level. Based on this， the stability state of regional reservoir bank slope was comprehensively analyzed. Taking Wanzhou section of the Three Gorges Reservoir as an example， three sets of working conditions were used for comparative analysis. The results show that the stability of the reservoir bank slope in the region responds is more obviously to rainfall， and the calculation results reflect the temporal and spatial distribution of the stability of the reservoir bank slope to a certain extent.

Key words： reservoir landslide; stability; rainfall; reservoir water level; Scoops 3D model

長(zhǎng)江三峽工程建成后對(duì)航運(yùn)、發(fā)電、灌溉等起著非常重要的作用，但是三峽水庫庫水位變幅大，岸坡受水流沖刷持續(xù)崩退，對(duì)岸坡的穩(wěn)定性造成了一定的影響，據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)90 年代以來，僅長(zhǎng)江中下游河道的崩岸就多達(dá)數(shù)百處，崩岸段總長(zhǎng)達(dá)1 520 km，占兩岸岸線總長(zhǎng)的35.7%[1]。針對(duì)岸坡失穩(wěn)機(jī)理，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究，如劉磊等[2]將區(qū)域穩(wěn)定性計(jì)算模型引入岸坡穩(wěn)定性分析中，深入分析了區(qū)域性岸坡穩(wěn)定性;黃達(dá)等[3]綜合分析了長(zhǎng)江航道塔坪H2岸坡的變形規(guī)律與失穩(wěn)機(jī)理;張景昱等[4]基于水–巖循環(huán)作用，建立了巖體強(qiáng)度劣化模型，對(duì)岸坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;李卓等[5]設(shè)計(jì)了岸坡滑坡試驗(yàn)裝置，以龍江水電站近壩岸坡為例進(jìn)行了針對(duì)性分析;李景娟等[6]對(duì)彎曲航道水流淘刷作用下的岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;吳生才[7]分析了混合型生態(tài)修復(fù)技術(shù)在岸坡防護(hù)中的應(yīng)用。上述研究在分析區(qū)域性庫岸邊坡穩(wěn)定性時(shí)，很少同時(shí)考慮降雨與庫水位變動(dòng)對(duì)岸坡的影響，眾多研究表明，降雨與庫水位變動(dòng)對(duì)岸坡的穩(wěn)定性起著極其重要的作用，因此綜合分析庫水位變動(dòng)與降雨共同影響下的區(qū)域性岸坡穩(wěn)定性具有重要意義。

基于此，筆者引入美國地質(zhì)調(diào)查局Reid等[8]研發(fā)的Scoops 3D模型（三維斜坡穩(wěn)定性計(jì)算模型），采用瞬態(tài)非飽和滲流理論計(jì)算降雨入滲，并利用Boussinesq理論計(jì)算庫水位勻速變動(dòng)情況下的浸潤(rùn)線，綜合分析庫水位與降雨共同影響下的區(qū)域性庫岸邊坡穩(wěn)定性，最后以三峽水庫萬州段為例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 庫岸邊坡穩(wěn)定性分析基本原理

1.1 Scoops 3D模型

Scoops 3D是采用Fortran語言編寫的一個(gè)開源計(jì)算程序[8]，可系統(tǒng)地搜索并計(jì)算整個(gè)數(shù)字高程模型（DEM）中數(shù)百萬計(jì)的三維潛在滑動(dòng)面的安全系數(shù)。Scoops 3D采用剛體極限平衡分析中的簡(jiǎn)化Bishop法或瑞典條分法作為理論基礎(chǔ)，以球面作為潛在滑面，可以模擬復(fù)雜地形并考慮各種荷載，如地下水、地震等。Scoops 3D在計(jì)算分析中，首先將潛在滑坡體網(wǎng)格化為眾多三維柱體，然后在DEM上生成球心，并據(jù)此生成半徑不等的大量球體，以球體與DEM相交得到的球面作為潛在滑面，最后對(duì)球面網(wǎng)格化的潛在滑坡體采用剛體極限平衡法求解得到安全系數(shù)。三維柱體中的潛在滑面示意見圖1。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)概況

以三峽水庫萬州段為例建模計(jì)算。該段地層巖性以沉積巖為主，主要包括三疊紀(jì)和中生代侏羅紀(jì)頁巖、泥巖、灰?guī)r和砂巖等，研究區(qū)內(nèi)寬闊向斜和緊密背斜間隔分布，無大型斷裂構(gòu)造，地貌單元主要為構(gòu)造剝蝕低山丘陵、侵蝕堆積階地以及堆積河漫灘等，區(qū)域內(nèi)存在第四系松散堆積層，厚度為0.5～50.0 m。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)受庫水位變化影響的大型堆積滑坡有87個(gè)，厚度為10～20 m，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 庫水位變動(dòng)特征

三峽水庫水位單日最大降幅曾被嚴(yán)格限制在60 cm，2016年10月中旬經(jīng)專家組評(píng)審，決定將庫水位單日最大降幅增大到120 cm。三峽大壩自建成蓄水后，庫水位的漲落呈現(xiàn)周期性變化，大體可分為高水位期、緩慢蓄水期、快速蓄水期、水位波動(dòng)期、快速下降期、緩慢下降期6個(gè)階段（見表1）。

2.3 降雨數(shù)據(jù)

本次庫岸邊坡穩(wěn)定性分析主要針對(duì)庫水位變動(dòng)的快速下降期，根據(jù)萬州區(qū)1964—2013年共50 a的降雨資料，統(tǒng)計(jì)得到三峽水庫處于快速下降期的日最大降雨量和持續(xù)降雨天數(shù)，并根據(jù)Gumbel概率密度分布模型擬合日最大降雨量的概率密度曲線（見圖4），從而得到概率為2%（重現(xiàn)期50 a）的日最大降雨量為134 mm，概率為10%（重現(xiàn)期10 a）的日最大降雨量為100 mm。

2.4 巖土物理力學(xué)參數(shù)

按照巖土滲透系數(shù)量級(jí)將萬州段庫岸邊坡劃分為1區(qū)（滲透系數(shù)為10-7量級(jí)）、2區(qū)（滲透系數(shù)為10-6量級(jí)）、3區(qū)（滲透系數(shù)為10-5量級(jí)）3個(gè)區(qū)，根據(jù)邊坡巖性，將2區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為2-A、2-B、2-C 3個(gè)亞區(qū)，各區(qū)的巖土物理力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)表2各區(qū)滲透性參數(shù)及Boussinesq潛水一維非穩(wěn)定滲流理論，即可計(jì)算確定浸潤(rùn)線高程。

2.5 計(jì)算工況的確定

為了綜合分析降雨與庫水位變動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，先設(shè)置庫水位從175 m以60 cm/d的速率等速下降到159 m（工況0），在此基礎(chǔ)上再設(shè)置3種工況：①工況1，庫水位從159 m以60 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重現(xiàn)期為10 a的單日最大降雨量100 mm，降雨歷時(shí)6 h，降雨強(qiáng)度16.7 mm/h;②工況2，庫水位從159 m以120 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重現(xiàn)期為10 a的單日最大降雨量100 mm，降雨歷時(shí)6 h，降雨強(qiáng)度16.7 mm/h;③工況3，庫水位從159 m以60 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重現(xiàn)期為50 a的單日最大降雨量134 mm，降雨歷時(shí)6 h，降雨強(qiáng)度22.3 mm/h。

2.6 模型參數(shù)

Scoops 3D模型在計(jì)算過程中，需要建立不同的球面與DEM相交形成眾多滑動(dòng)面，在此基礎(chǔ)上尋求穩(wěn)定性安全系數(shù)最小的滑動(dòng)面作為潛在滑動(dòng)面，這些球面的建立首先需要在DEM上形成眾多球心，球心的搜索范圍為三維搜索矩陣。由于DEM的最大高程為330 m，因此設(shè)置三維搜索矩陣的高程范圍為200～400 m，間距為5 m×5 m，共形成1 915×2 793個(gè)柵格，其主要參數(shù)見表3。

3 庫岸邊坡穩(wěn)定性分析及驗(yàn)證

為了便于庫岸邊坡穩(wěn)定性分析，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)，將邊坡穩(wěn)定性等級(jí)劃分為低、較低、中、較高、高5類（見表4）。

3.1 175 m初始水位計(jì)算結(jié)果及分析

在進(jìn)行上述工況計(jì)算分析前，為了驗(yàn)證本文方法的可行性和準(zhǔn)確性，針對(duì)坡體內(nèi)有地下水和無地下水兩種情形進(jìn)行敏感性分析，并將其計(jì)算結(jié)果（見表5）與庫岸邊坡的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

從表5可以看出，兩種情形下三峽水庫萬州段的庫岸邊坡穩(wěn)定性都處于較高狀態(tài)。無地下水時(shí)，較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積共5 314萬m2（占總面積的94.79%），較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積共152萬m2（占總面積的2.71%）。考慮地下水時(shí)，較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積共5 022萬m2，占總面積的89.58%，比不考慮地下水的減小了5.21%;較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積共324萬m2，占總面積的5.78%，比不考慮地下水的增大了3.07%。上述分析表明，考慮地下水后庫岸邊坡的穩(wěn)定性下降明顯，其中較低以下穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡主要分布于三峽水庫萬州段的上游，通過地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域覆蓋層較厚，其巖土體的抗剪強(qiáng)度明顯低于其他區(qū)域的，因此本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況是相符的。

3.2 不同工況對(duì)比分析及驗(yàn)證

將上述計(jì)算工況中擬定的庫水位下降速率及降雨強(qiáng)度等資料輸入Scoops 3D模型中，分別計(jì)算3種工況下庫岸邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，結(jié)果見圖5及表6。

由圖5可知，隨著庫水位下降速率與降雨強(qiáng)度增大，庫岸邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)趨于惡化，低穩(wěn)定性等級(jí)的庫岸邊坡在部分地區(qū)出現(xiàn)了貫通現(xiàn)象，主要分布于上游的溪口鄉(xiāng)、燕山鄉(xiāng)和瀼渡鎮(zhèn)，因此實(shí)際工作中上述地區(qū)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，防止出現(xiàn)險(xiǎn)情。由表6可知，工況0時(shí)庫岸邊坡的整體穩(wěn)定性比較好，較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積占總面積的81.92%，較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積僅占總面積的12.59%;隨著庫水位繼續(xù)下降及考慮降雨的影響（工況1），較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積減小到總面積的69.77%，較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積增大到總面積的21.09%;繼續(xù)加大庫水位的下降速率（工況2），較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積減小到總面積的63.06%（比工況1減小了6.71%），較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積增大到總面積的27.51%（比工況1增大了6.42%）;在工況1的基礎(chǔ)上加大降雨強(qiáng)度（工況3），較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積減小到總面積的55.89%（比工況1減小了13.88%），較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積增大到總面積的34.58%（比工況1增大了13.49%）。通過上述分析可知，相比于工況1，增大降雨強(qiáng)度（工況3），庫岸邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)惡化更為明顯，因此庫岸邊坡的穩(wěn)定性對(duì)降雨強(qiáng)度的變化更為敏感，這與近年來庫岸邊坡的地質(zhì)災(zāi)害事件常發(fā)生于降雨期是相吻合的。

4 結(jié) 論

引入Scoops 3D模型，采用瞬態(tài)非飽和滲流理論計(jì)算降雨入滲，并以Boussinesq理論計(jì)算庫水位勻速變動(dòng)情況下的浸潤(rùn)線，綜合分析庫水位與降雨共同影響下的區(qū)域性庫岸邊坡穩(wěn)定性。以三峽水庫萬州段為例，庫水位為175 m時(shí)，針對(duì)有無地下水影響兩種情形下的庫岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了3組對(duì)比工況，分析了庫水位快速下降和降雨對(duì)庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：庫岸邊坡的總體穩(wěn)定性較好，工況0情形下，較高及高穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積占總面積的81.92%，較低及低穩(wěn)定性狀態(tài)的邊坡面積僅占總面積的12.59%;低穩(wěn)定性等級(jí)的庫岸邊坡主要分布于上游的溪口鄉(xiāng)、燕山鄉(xiāng)和瀼渡鎮(zhèn)，實(shí)際工作中上述地區(qū)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注，防止出現(xiàn)險(xiǎn)情;通過多工況對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)庫岸邊坡的穩(wěn)定性對(duì)降雨強(qiáng)度的變化更為敏感，這與近年來庫岸邊坡的地質(zhì)災(zāi)害事件常發(fā)生于降雨期相吻合。

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