蓄水作用下白鶴灘庫區石碓窩岸坡穩定性分析

齊 洋

（浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

庫岸邊坡的穩定性問題已成為影響水庫正常運營的關鍵性因素[1]，對于岸坡穩定性問題的分析和處理，直接關系到工程的施工安全和經濟效益，甚至威脅水上交通及岸上居民的人身安全。意大利的瓦伊昂水庫大壩在未對其穩定性和發展趨勢做出明確判斷的情況下，庫水下降階段大壩發生失穩破壞，造成2 600 余人遇難的災難性后果。金沙江溪洛渡水電站星光三組岸坡，在高于正常蓄水位785 m 處發生拉裂變形，涉及人口約270 人，耕園約2 800 畝，甚至威脅水上交通及岸上田壩鎮的安全[2]。2014年4月在庫水升降作用下峽谷河道型青杠坪水庫滑坡發生復活，近3×106m3的滑坡體滑入金沙江中，使130 多間房屋、0.6 km 鄉村公路等損毀，造成直接經濟損失約500 萬元[3]。因此，針對庫水升降作用下水庫岸坡的穩定性研究具有重要的現實意義。

在庫水上升和下降過程中，庫水與地下水的相互補給使岸坡滲流場發生動態的調整和變化，從而影響岸坡的整體和局部的穩定性。陳濤[4]利用FLAC3D模擬了庫水升降作用下岸坡滲流場的變化，研究表明庫水下降（上升）作用過程中滲流方向由坡內（坡外）指向坡外（坡內）滲流，隨著坡內浸潤線與庫水位的差逐漸增大，使得坡內（坡外）指向坡外（坡內）的滲透壓力增大，增加坡體的下滑力（抗滑力），對穩定性不利（有利）。徐文杰等[1]針對金沙江中游碎石土岸坡，通過FLAC3D模擬庫水升降作用下岸坡穩定性變化特征，研究得到邊坡的穩定系數在庫水上升階段先減小后升高，即存在一個危險水位；庫水位驟降不利于岸坡穩定性，庫水下降速度越大則岸坡穩定系數下降幅度越大。楊繼紅等[5]以西南地區某水電站堆積體邊坡為研究對象，計算庫水上升作用下堆積體邊坡整體以及消落帶區域的瞬態穩定性系數，得到庫水上升階段岸坡整體穩定性呈下降趨勢，而岸坡穩定性系數表現為先下降，當下降到最低值時開始回彈。涂國祥等[6]通過GEO-studio 有限元計算與剛體極限平衡分析相結合的方法，研究庫水升降速度對岸坡滲流場及穩定性的影響規律，得到庫水上升速度較大有利于岸坡穩定，庫水下降速度較大不利于岸坡穩定。周云濤等[7]以三峽水庫青石岸坡為研究對象，考慮庫水下降速度、時間以及初始水位高度對岸坡穩定性系數的影響，得到隨庫水下降速度的增加，岸坡滲流驅動力變大，岸坡穩定系數降低，降低幅度先慢后快。

白鶴灘水電站是金沙江下游最后一個計劃投產運營的大型水電工程，該電站全部投產發電后將成為僅次于三峽水電站的我國第二大水電站[8]。白鶴灘庫水蓄水發電后，庫水水位將在765~825 m 之間呈周期性升降變化。在大變幅的庫水周期性升降作用影響下，一些岸坡可能會因此出現變形失穩現象，響應庫水發電、通航和移民安全。白鶴灘庫區石碓窩岸坡位于白鶴灘庫區，岸坡上部靠近格巧高速公路，沖溝后部為格巧高速石碓窩大橋橋址區。水庫蓄水運行后的岸坡穩定性問題成為有關各方關注的問題。基于此，本文在野外調查和資料分析的基礎上，對石碓窩岸坡首次蓄水作用下的滲流場和穩定性進行了分析，為石碓窩岸坡的地質災害防治提供借鑒。

1 岸坡基本特征

石碓窩岸坡位于巧家縣境內煤炭村、金沙江右岸。該岸坡屬高中山地貌，地形起伏較大。山體自然坡度25~60°，兩側邊坡為45~50°。岸坡區地表水不發育，賦水條件一般；兩側沖溝呈“V”型，旱季無水，雨季水量較大，溝底有碎石塊堆積，溝口有泥石流堆積（圖1）。如圖2 所示，石碓窩岸坡上部為第四系坡洪積覆蓋層，表層為黃褐色粉質粘土（Q4el+dl），可塑-硬塑，稍濕，含少量的碎石，含量約15%，碎石粒徑1~3 cm；下部為黃褐色、灰白色碎石土（Q3dl+pl），稍密~中密，濕，碎石礦物成分以灰巖為主，粒徑3~5cm，含量50%~60%。偶夾塊石、大孤石，其巖性為灰巖等，巖石堅硬，塊徑2~4m 不等。下伏基巖主要為二疊系下統棲霞茅口組（P1q+m）灰巖、石炭系下統擺佐組（C1b）灰巖，巖層產狀312°∠25°。

圖1 石碓窩岸坡全貌圖

圖2 石碓窩岸坡典型工程地質剖面圖

2 巖土體物理力學參數

2.1 物理性質

粉質粘土和碎石土的滲透試驗采用雙環法（圖3）在坡體選取1 處試驗點進行，試驗過程與數據記錄均按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[9]操作。每處試驗點開展4 次試驗，取滲透系數的平均值作為該地層的滲透系數取值。此外，在開展的試驗過程中，進一步測得土層的天然重度、飽和重度和飽和含水率。經數據處理，最終測得粉質粘土層滲透性為6.28×10-6cm/s，天然重度為19.8 kN/m3，飽和重度為20.9 kN/m3，飽和含水率為21%。碎石土層滲透系數為4.11×10-2cm/s，天然重度為18.5 kN/m3，飽和為21.0 kN/m3，飽和含水率為31%。

圖3 雙環滲透試驗

2.2 抗剪強度

在岸坡消落帶現場取粉質粘土和碎石土原狀樣（圖4）進行原狀土和飽和土的中型剪切試驗（圖5）。試驗按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[9]及DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規程》[10]有關要求進行。剪切試驗時對同組4個試驗分別按100、200、300、400 kPa 施加法向應力。試驗過程中在剪應力與水平位移的數據記錄表中無明顯峰值或穩定值，則取水平位移達到試樣直徑的1/10（約30 mm）處的剪應力作為抗剪強度，采用最小二乘法線性回歸分析所擬合曲線計算得到天然狀態粉質粘土的內聚力c為43.5 kPa，內摩擦角φ 為25.2°；飽和狀態粉質粘土的內聚力c為15.6 kPa，內摩擦角φ 為15.5°。天然狀態碎石土內聚力c為31.8 kPa，內摩擦角φ 為34.9°；飽和狀態碎石土內聚力c為20.0 kPa，內摩擦角φ 為18.1°。

圖4 現場取樣

圖5 室內中型剪切試驗

3 岸坡穩定性分析

3.1 數值分析模型與參數

數值分析采用Geo-Studio 軟件，在SEEP/W 模塊計算結果的基礎上耦合SLOPE/W 模塊進行及時處理。根據白鶴灘庫區庫水位波動特點，將岸坡按消落帶高程近似簡化分為3個區域：（1）高程765 m 以下為巖土體長期飽和含水率狀態區域；（2）高程765～825 m為巖土體周期性庫水升降狀態區域；（3）高程825 m以上為巖土體長期天然含水率狀態區域。整個計算過程考慮基質吸力的影響，其計算模型如圖6 所示。

圖6 數值分析模型

根據上述岸坡所取的粉質粘土室內中型直剪試驗成果以及類比本地區的經驗值，綜合確定石碓窩岸坡巖土體物理力學計算參數，計算參數取值見表1。當巖土體為飽和含水率狀態時，滲透系數與體積含水量為固定值；當巖土體為非飽和含水率狀態時，將其滲透系數與體積含水率視為巖土體基質吸力的函數。結合軟件提供的巖土體土水特征曲線（SWCC）經驗數據庫獲取。

表1 石碓窩岸坡巖土體物理力學計算參數表

3.2 庫水升降工況設置

擬建白鶴灘水庫為年調節水庫，蓄水前常年水位680 m；蓄水后正常蓄水位825 m，死水位765 m，其蓄水期水位年運行模式如圖7 所示。石碓窩岸坡庫水水位主要經歷4個階段：（1）庫水從680 m 逐漸升高至死水位765 m 左右并保持穩定，在這期間岸坡無明顯變形跡象，本文研究將直接從水位穩定處于765 m 時開始計算；（2）上升階段，庫水位從765 m 逐漸升高至825m；（3）穩定階段，庫水位維持825 m；（4）下降階段，庫水位從825 m 逐漸下降至765 m。

圖7 庫水位年調度模式

由于石碓窩庫水位升降過程中坡面水頭邊界動態變化，模擬按照白鶴灘水庫年水位調度方式進行，即按照765 m~825 m~765 m 范圍間進行調整水頭，假定庫水升降階段均為勻速，水庫水位以0.65 m/d、0.40 m/d 的恒定速度分別進行庫水上升、下降，水位變化如圖8 所示。邊界條件設置為：首先在SEEP/W 模塊中獲取庫水位已上升至765 m 穩定時的穩定滲流狀態，以此作為滲透滲流的前提，即定義下游水位為765 m。之后在765 m 高程處穩態滲流基礎上，在坡腳施加庫水上升階段、穩定階段、下降階段的水頭以模擬庫水升降過程。

圖8 模擬的水位升降方案

3.3 岸坡滲流場分析

庫水位從765 m 上升至825 m 階段浸潤線分布如圖9 所示。受土體不同滲透系數影響，浸潤線在粉質粘土層的抬升明顯滯后且明顯呈“波谷”狀，而在碎石土層抬升稍滯后于庫水上升且呈平緩狀。浸潤線整體分布呈上凹型，整個過程坡外指向坡內滲流，庫水由坡外向坡內補給，存在坡外指向坡內的滲透壓力。

圖9 庫水上升階段不同時刻庫水位及浸潤線分布圖

庫水位于825 m 的穩定階段浸潤線分布如圖10所示。這一階段，岸坡浸潤線總體呈上升趨勢，但隨著庫水由坡外向坡內補給能力逐漸減弱，飽和區域面積逐漸趨于平衡狀態，上升速度隨時間增長而減小。受粉質粘土層滲透系數偏小影響，粉質粘土層內浸潤線始終未達到庫水位，“波谷”狀有向平緩變化的趨勢。而碎石土層內浸潤線上升稍滯后于庫水位，在第100 天仍未達到庫水位，第120 天才達到庫水位并趨于穩定。這表明碎石土層在穩定階段仍存在坡外指向坡內的滲透壓力，而后隨著時間增長滲透壓力逐漸減弱。

圖10 庫水位穩定階段不同時刻浸潤線分布圖

庫水位從825 m 下降到765 m 階段的浸潤線如圖11 所示。坡體浸潤線呈下降狀態且基覆界面以上的消落帶區域受庫水下降影響明顯。浸潤線在粉質粘土層內下降明顯滯后且明顯呈“波峰”狀，而在碎石土層內下降稍滯后于庫水下降且呈平緩狀。這表明，不同滲透系數土層始終影響著浸潤線的變化，整個過程坡內指向坡外滲流，地下水由坡內向坡外補給，存在坡內指向坡外的滲透壓力。

圖11 庫水下降階段不同時刻庫水位及浸潤線分布圖

3.4 岸坡穩定性分析

庫水升降過程中岸坡滲流過程與穩定性計算相對應，按照庫水循環1 次/年的頻率，每30 天進行一次滲流場模擬并相應地進行一次穩定性計算，分別選用畢肖普法（Bishop）、簡布法（Janbu）以及Morgenstern-Price 三種基于剛體極限平衡理論的方法，計算得到石碓窩岸坡段庫水升降過程中岸坡穩定性系數的變化規律，計算結果見表2。在1 次庫水升降作用下，三種計算方法的岸坡穩定性系數變化趨勢一致。

表2 庫水升降條件下岸坡穩定性情況

在庫水升降過程中的上升階段，岸坡穩定性系數先呈現逐漸下降趨勢而后呈回彈上升趨勢。在庫水上升初期階段，岸坡浸潤線以下部分容重變小，對于浸潤線以下部分的下滑力與抗滑力均減小，但對于整個岸坡部分來說，下滑力的降低不顯著，抗滑力降低較顯著，所以岸坡的穩定系數減小。隨著庫水繼續上升，岸坡消落帶區域內部浸水區域越來越大，整個岸坡的抗滑力下降，下滑力也在降低，下滑力的降低幅度大于抗滑力的降低幅度，且由于庫水壓力作用面積越來越大的影響，岸坡的穩定系數逐漸上升。這種現象表明庫水上升階段初期浸水巖土的飽和加載效應、懸浮減重效應等降低岸坡穩定性的因素占據優勢地位，而后隨著庫水繼續上升，庫水對岸坡形成的坡外指向坡內的水壓力以及滲流力等增加岸坡穩定性的因素逐漸占據優勢地位。研究結果與楊繼紅[5]和涂國祥[6]研究成果相符，說明0.65 m/d 小于該岸坡的臨界庫水上升速度，對于岸坡穩定性而言，在高程785 m 附近存在一個比較危險的水位。

在庫水升降過程中的穩定階段，岸坡的穩定系數先呈現逐漸下降趨勢而后趨于穩定，且趨于穩定后的穩定性系數小于上升階段的穩定系數。在庫水穩定后，致使岸坡穩定性增加的因素僅坡外指向坡內的滲流力，隨著浸潤線逐漸趨于穩定，坡外指向坡內的滲流力將減弱。飽和加載效應、懸浮減重效應作用是促進岸坡穩定性降低的主要因素，同時占據優勢地位。隨著浸潤線的穩定直至形成穩定的滲流場，飽和加載效應、懸浮減重效應作用也逐漸趨于穩定，岸坡穩定性也趨于穩定。

在庫水升降過程中的下降階段，岸坡的穩定系數先呈現逐漸下降趨勢而后逐漸增大。在庫水每下降30天后統計穩定性系數，由于表層粉質粘土的滲透性等級為微透水，坡體內浸潤線下降滯后于庫水下降，會形成坡內指向坡外的滲流力，致使穩定性系數降低。穩定性系數達到最低值后，隨著時間增長，促進岸坡穩定性增加的因素逐漸占據優勢地位。這與涂國祥[6]和梁學戰[11]等研究結果相符。對于岸坡穩定性而言，在高程815 m 附近存在一個比較危險的水位。

4 結束語

通過對白鶴灘庫區石碓窩岸坡首次蓄水作用下的滲流場和穩定性進行了分析，取得了以下認識：

（1）在庫水升降作用下，峽谷河道型水庫碎石土岸坡浸潤線影響范圍主要在基覆界面以上的消落帶區域。在庫水上升階段，浸潤線整體分布呈上凹型，整個過程坡外指向坡內滲流。在庫水穩定階段，岸坡浸潤線總體呈上升趨勢，但隨著庫水由坡外向坡內補給能力逐漸減弱，飽和區域面積逐漸趨于平衡狀態。庫水上升階段，坡體浸潤線呈下降狀態且基覆界面以上的消落帶區域受庫水下降影響明顯，整個過程坡內指向坡外滲流。

（2）在庫水升降作用下，岸坡穩定性受浸水巖土的飽和加載效應、懸浮減重效應以及滲流力等影響。在庫水上升階段，石碓窩岸坡的穩定性系數先降低后逐漸回彈上升；在庫水穩定階段，石碓窩岸坡的穩定系數先減小后逐漸趨于穩定；在庫水下降階段，石碓窩岸坡的穩定系數先減小后逐漸增大。