降雨與水位波動(dòng)作用下的水庫(kù)邊坡穩(wěn)定性影響研究

賀 鵬，賀 顏，張 曉

（陜西省水務(wù)集團(tuán)水生態(tài)綜合開發(fā)有限公司,陜西 西安 710018）

0 引言

由于水庫(kù)多建設(shè)在峽谷等崎嶇地形下,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,再加上調(diào)控蓄水等因素導(dǎo)致應(yīng)力增加,在間歇性降雨作用下,庫(kù)岸坡體極易產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。庫(kù)岸邊坡坡體失穩(wěn)對(duì)水電工程建設(shè)和運(yùn)行造成極大的安全隱患,給人民財(cái)產(chǎn)安全和生命帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。因此,探究庫(kù)岸坡體在水庫(kù)運(yùn)行期間的穩(wěn)定性演化規(guī)律、變形破壞特征和坡體失穩(wěn)機(jī)制,為建立庫(kù)區(qū)安全預(yù)警機(jī)制提供試驗(yàn)依據(jù)。

目前,針對(duì)庫(kù)岸滑坡的研究和分析,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)取得了大量的成果。李曉[1]等為探究庫(kù)水位耦合作用、降雨和庫(kù)水位波動(dòng)下對(duì)庫(kù)岸邊坡的影響,通過(guò)有限元軟件構(gòu)建庫(kù)岸邊坡滲流模型,分析庫(kù)岸邊坡內(nèi)部地下水動(dòng)態(tài)滲流的演變規(guī)律；Sun等[2]基于極限平衡法,評(píng)估庫(kù)岸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,并探究庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)和降雨對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的演變規(guī)律。楊金林等[3]探究庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)區(qū)坡體穩(wěn)定性的演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位波動(dòng)與邊坡安全系數(shù)呈線性正相關(guān)關(guān)系,庫(kù)區(qū)水位上升會(huì)促進(jìn)邊坡安全系數(shù)增加。占清華等[4]通過(guò)大型模型試驗(yàn),分析庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)對(duì)含軟弱層的庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)演化規(guī)律,量化位移、土壓力及坡體孔隙水壓力的演變,并將庫(kù)岸坡體破壞劃分為3 個(gè)階段：整體滑移、緩慢變形和整體穩(wěn)定。Xia等[5]基于某地區(qū)某項(xiàng)目邊坡多年現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)降雨作用是庫(kù)岸坡體淺層變形的主要因素,同時(shí)庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)岸深層土體的穩(wěn)定性具有顯著影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為探究不同因素對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響,進(jìn)行不同的試驗(yàn)展開分析。但對(duì)降雨作用下庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)岸滑坡的失穩(wěn)機(jī)制仍缺乏詳細(xì)的闡述,本文以某水庫(kù)邊坡為研究對(duì)象,基于當(dāng)?shù)厮臓顩r,設(shè)定大型模型試驗(yàn)參數(shù),分析庫(kù)岸滑坡在不同降雨強(qiáng)度、庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)及降雨-水位波動(dòng)聯(lián)合作用下的穩(wěn)定性演化規(guī)律和變形機(jī)理,揭示庫(kù)岸坡體的穩(wěn)定機(jī)制和破壞機(jī)理。

1 水庫(kù)概況

某水庫(kù)控制流域面積875 km2,水庫(kù)總庫(kù)容9712 萬(wàn)m3。正常蓄水位1133.0 m,防洪限制水位1128 m,防洪高水位1135.66 m。水庫(kù)是以防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)。水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和電站組成。水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程1138.30 m,最大壩高88.3 m,壩頂寬10 m,壩頂長(zhǎng)296.0 m。左岸布置正槽溢洪道,溢洪道總長(zhǎng)305.45 m,最大泄量為894 m3/s。大壩上游約210 m的河床左岸布置泄洪發(fā)電洞,全長(zhǎng)692.2 m,洞徑5 m。電站為壩后引水式電站,裝機(jī)容量為2×1600 kW。

2 滑坡模型試驗(yàn)

2.1 工程滑坡概況

水庫(kù)庫(kù)岸坡體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、由崩滑堆積體和古滑坡體組成。坡體南北長(zhǎng)765 m,東西寬490 m,呈南北走向,坡體中部較厚,前緣較薄,平均厚度約55 m,土方總量約500× 104m3,由于坡體受多次人工改造和變形破壞,邊坡逐漸形成多級(jí)平臺(tái),且坡面呈折線型（臨江陡（32°～36°）、中緩（12°～17°）、上陡（28°～33°））,當(dāng)?shù)厮臈l件見圖1和圖2,圖3顯示了庫(kù)岸坡體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)累計(jì)變形量。

圖1 庫(kù)區(qū)降雨情況

圖2 庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)情況

圖3 現(xiàn)場(chǎng)GPS監(jiān)測(cè)地表累計(jì)位移量

2.2 滑坡物理模型及試驗(yàn)方案

本文以庫(kù)岸坡體主滑地質(zhì)剖面作為試驗(yàn)結(jié)構(gòu)參數(shù),將模型坡體簡(jiǎn)化為：滑體、滑帶和滑床。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的相似比定為1∶100,模型高285 cm,長(zhǎng)770 cm（模型箱尺寸為800 cm×60 cm×350 cm）,見圖3。具體參數(shù)基于量綱分析法和模糊綜合評(píng)判法來(lái)設(shè)定參數(shù)的數(shù)值,具體見表1。同時(shí)為探究降雨作用、庫(kù)水位波動(dòng)和降雨-水位波動(dòng)組合作用對(duì)庫(kù)岸坡體變形機(jī)制和破壞演化機(jī)理的影響（沿圖4 模型坡體左下角為原點(diǎn),向右200 cm、300 cm、400 cm和600 cm分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),其監(jiān)測(cè)斷面分別為剖面I、II、III和剖面IV）,本文設(shè)定3組試驗(yàn)工況,在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體試驗(yàn)方案見表2。

圖4 滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 滑坡模型物理力學(xué)參數(shù)及材料配比

表2 試驗(yàn)?zāi)M工況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)

分析水位波動(dòng)對(duì)庫(kù)岸坡體變形演化規(guī)律,設(shè)定四組不同水位升降速率（40 cm/d、30 cm/d、20 cm/d、10 cm/d）,并將水位均速升降（水位升降高程沿145 cm→175 cm→145 cm,即全程60 cm）。并對(duì)模型箱體內(nèi)部各剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在水位波動(dòng)影響下,土壓力和孔隙水壓力呈相似的演變規(guī)律,但存在顯著的滯后效應(yīng),且滯后效應(yīng)隨距庫(kù)水距離增加而增強(qiáng)。本文以剖面II為例,發(fā)現(xiàn)同一剖面下,不同測(cè)點(diǎn)位置處的孔隙水壓力在總趨勢(shì)上相似,呈“幾”字型分布,而不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)距庫(kù)區(qū)水位距離的不同,其檢測(cè)數(shù)據(jù)存在顯著的差異,如圖5 的II-1和II-2 監(jiān)測(cè)點(diǎn),其孔隙水壓力峰值分別為6.3 kPa和2.5 kPa,存在顯著的“滯后效應(yīng)”,同時(shí)速率越小其孔隙水壓力峰值越大,說(shuō)明較低水位波動(dòng)速率更便于入滲,增加庫(kù)區(qū)坡體的孔隙水壓力。

由圖6和圖7可知,隨水位上升,庫(kù)水逐漸入滲到坡體內(nèi)內(nèi)部,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)部的土壓力逐漸增大,在水位波動(dòng)30 cm（即高程175 cm處）達(dá)到土壓力峰值13.9 kPa。由太沙基有效應(yīng)力原理可知,在水位波動(dòng)作用下,坡體有效應(yīng)力是坡體內(nèi)部抗滑力來(lái)源的主要參數(shù),在水位升降趨勢(shì)下,圖7 的倒“幾”字增幅規(guī)律符合太沙基有效應(yīng)力原理。

圖6 剖面Ⅱ土壓力監(jiān)測(cè)曲線

由圖8和圖9可知,坡體位移變形主要集中在水位下降階段,說(shuō)明庫(kù)岸坡體在水位波動(dòng)下,存在顯著的“滯后效應(yīng)”。在剖面II下,水位波動(dòng)速率越大,下降期間,坡體變形越大,40 cm/d速率下,其位移峰值達(dá)到1.3 mm。而不同剖面顯示位移變形呈現(xiàn)差異性,其坡體變形主要集中在剖面II處（即模型坡體左下角向右300 mm,坡體前緣處）。同時(shí)不同水位下降速率對(duì)坡體孔隙水壓力的影響,見表3。

圖8 剖面Ⅱ位移監(jiān)測(cè)曲線

圖9 不同剖面位移監(jiān)測(cè)曲線

表3 不同水位下降速率下坡體孔隙水壓力的平均演變速率

3.2 降雨作用

探究降雨作用對(duì)庫(kù)岸坡體穩(wěn)定性影響,通過(guò)灑水裝置,將降雨強(qiáng)度設(shè)定為8.01 mm/h,降雨時(shí)間7.2 h。由圖10可知,在降雨作用下,坡體不同剖面處的參數(shù)呈現(xiàn)顯著的差異性演化規(guī)律。降雨入滲,使坡體內(nèi)部孔隙水壓力隨之逐漸遞增,在降雨結(jié)束后,剖面Ⅱ和Ⅲ處的孔隙水壓力有小幅度下降趨勢(shì),符合太沙基有效應(yīng)力原理的增幅趨勢(shì)。坡體的內(nèi)部土壓力相對(duì)受降雨影響較小。而降雨對(duì)坡體位移變形的影響存在顯著的“滯后效應(yīng)”,特別是在降雨結(jié)束后,仍有小幅度的變形,這主要是降雨入滲過(guò)程的滯后性引起的。

圖10 降雨作用下不同參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線

3.3 降雨與庫(kù)水聯(lián)合作用

由圖11 可知,模型箱水位上升階段,坡體后緣（剖面IV）的土壓力、孔隙水壓力和位移變形趨于定值,演化規(guī)律趨于直線,而坡體的前緣和中部（剖面II和剖面III）孔隙水壓力和土壓力呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。在第45 h處施加降雨因素,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)五個(gè)小時(shí)的降雨坡體開始產(chǎn)生顯著的變化,坡體不同部位開始產(chǎn)生位移變形,且剖面II處位移變形趨勢(shì)最大,達(dá)到30 mm。在降雨-水位波動(dòng)的聯(lián)合作用下,剖面II在試驗(yàn)的第58 小時(shí)左右,坡體位移、土壓力和孔隙水壓力呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng),說(shuō)明坡體前緣出現(xiàn)破壞,并基于圖11 的演化規(guī)律可知,坡體前緣（剖面II處）的破壞變形呈現(xiàn)一個(gè)逐漸增加,并在雙重因素下,呈牽引式破壞的形式。相對(duì)于坡體后緣（剖面IV處）受降雨入滲作用下,在53 小時(shí)左右,孔隙水壓力逐漸急劇上升,且土壓力在降雨因素施加后呈遞增趨勢(shì),直至坡體產(chǎn)生滑移破壞,喪失穩(wěn)定性,說(shuō)明降雨對(duì)坡體剖面IV處影響顯著。綜上可知,庫(kù)岸坡體失穩(wěn)前,其內(nèi)部孔隙水壓力和土壓力存在頻繁的波動(dòng)現(xiàn)象,今后可通過(guò)監(jiān)測(cè)其數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性,為庫(kù)區(qū)安全預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考。

圖11 降雨和庫(kù)水波動(dòng)聯(lián)合作用下不同參數(shù)監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

（1）庫(kù)區(qū)水位上升階段,庫(kù)區(qū)水入滲到庫(kù)岸坡體內(nèi)部,坡體有效應(yīng)力增加,加強(qiáng)坡體抗滑力,利于庫(kù)岸坡體的整體穩(wěn)定性,同時(shí)水位上升速率越快,影響越顯著；庫(kù)區(qū)水位下降階段,庫(kù)岸坡體地下水補(bǔ)給庫(kù)區(qū)水位,導(dǎo)致坡體有效應(yīng)力降低,降低坡體抗滑力,導(dǎo)致庫(kù)岸坡體產(chǎn)生變形破壞,坡體變形隨水位下降速率的增加而增大。

（2）庫(kù)岸坡體前緣和后緣的穩(wěn)定性受降雨因素影響顯著。降雨作用下庫(kù)岸坡體前緣迅速飽和,再加上庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)影響,強(qiáng)度出現(xiàn)顯著劣化,土體產(chǎn)生變形破壞,喪失穩(wěn)定性；庫(kù)岸坡體后緣在持續(xù)性降雨入滲作用下,加上坡體地形較陡,導(dǎo)致下滑力增加,易產(chǎn)生滑坡變形破壞。

（3）降雨-庫(kù)區(qū)水位波動(dòng)聯(lián)合作用下,庫(kù)岸坡體呈典型的牽引式破壞形式,初始階段庫(kù)岸坡體前緣局部變形失穩(wěn),而后變形逐漸向坡體內(nèi)部延伸,直至坡體整體失穩(wěn),產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象；在分析庫(kù)岸坡體破壞機(jī)理時(shí),發(fā)現(xiàn)降雨是破壞的主要誘發(fā)因素,雨水入滲對(duì)土體的軟化作用、庫(kù)區(qū)水位的波動(dòng)影響以及坡體內(nèi)部的有效應(yīng)力波動(dòng)是導(dǎo)致庫(kù)岸坡體失穩(wěn)的根本原因。庫(kù)岸坡體失穩(wěn)前,其內(nèi)部孔隙水壓力和土壓力存在頻繁的波動(dòng)現(xiàn)象,今后可通過(guò)監(jiān)測(cè)其數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。