降雨及庫水位變動對向陽水庫岸坡穩(wěn)定性的影響研究

摘要：

在水的作用下，岸坡內地下水滲流場和巖土體力學性質發(fā)生變化，從而影響岸坡的整體穩(wěn)定性。以重慶市向陽水庫平進村岸坡工程為例，基于非飽和流固耦合理論、彈塑性理論和強度折減法，采用有限差分方法，分析在降雨工況、庫水位升降等多種工況條件下平進村Ⅱ級緩坡的滑移破壞模式和安全系數變化規(guī)律，評價在岸坡前緣段采取壓腳治理措施的防護效果。結果表明：① 在不同工況下，岸坡均存在3種潛在滑移模式，即坡表覆蓋層滑移、沿淺層軟弱夾層滑移以及沿深層破碎夾層滑移。② 岸坡天然地下水位埋深淺，當遭遇極端降雨時，大量雨水入滲將引起地下水位上抬，坡體有效應力降低，抗剪能力削弱，導致邊坡穩(wěn)定性明顯降低。③ 采取前緣壓腳防護措施可有效提高岸坡整體穩(wěn)定性，壓腳前后岸坡多滑移模式的安全系數提高約0.01～0.30。

關鍵詞：

水庫岸坡； 蠕動變形； 降雨入滲； 強度折減方法； 向陽水庫

中圖法分類號：TV223

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.011

文章編號：1006-0081（2025）01-0061-07

0 引 言

若水利水電工程建設發(fā)生重大滑坡問題或事故，不僅增加工程難度和投資成本，還威脅庫區(qū)居民和施工人員的安全［1］。庫岸滑坡是水利水電工程地質災害防治的重點，水對坡體的作用是庫岸滑坡形成和發(fā)展的關鍵。因此，水作用下岸坡的穩(wěn)定問題一直是大型水利水電工程建設中迫切需要解決的難題。

多年來，國內外專家學者針對水作用下的庫岸滑坡形成機理、破壞模式及發(fā)育階段等開展了多方面的探索和研究。劉才華等［2］分析了地下水引發(fā)庫岸邊坡失穩(wěn)的機理，指出在地下水作用下，邊坡巖土物理力學性質惡化、庫水浮托力以及坡體內滲透力是影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的重要因素，給出了考慮地下水影響的庫岸邊坡穩(wěn)定性計算公式。柴波等［3］通過統(tǒng)計獲得三峽庫區(qū)紅層滑坡的分布規(guī)律，并通過X射線衍射對礦物進行分析，結合崩解試驗觀察滑帶土微觀結構掃描，分析紅層巖石遇水崩解、軟化（泥化）和膨脹的水巖作用特性。倪衛(wèi)達等［4］研究庫水對庫岸邊坡巖土材料的弱化機理，將水致弱化效應具體分為干濕循環(huán)弱化及長期飽水弱化兩種，并根據相關試驗給出了水致弱化效應的數學表達式，采用Geo-Studio進行地下水滲流場的動態(tài)計算，結合Morgenstern-Price法計算水庫運行期間穩(wěn)定性系數的變化過程，從而提出一種考慮水致弱化效應的庫岸邊坡動態(tài)穩(wěn)定性計算方法。李卓、江強強等［5-6］開展了降雨與庫水位共同作用下滑坡大型模型試驗研究，認為降雨是引起近壩庫岸邊坡滑坡的重要因素，降雨與庫水位共同作用下近壩庫岸滑坡有效應力減小，庫岸滑坡是由降雨和庫水位共同作用引起，庫水位以下邊坡土體水分入滲充分，邊坡內部孔隙水壓力較大，邊坡易產生滑坡且滑坡規(guī)模較大，近壩庫岸邊坡滑坡屬于淺層牽引式滑坡。汪斌、付敬等［7-8］進行了考慮流固耦合作用的庫岸滑坡變形失穩(wěn)機制研究，研究強降雨在坡體的裂縫末端形成的暫態(tài)水源對滑坡滲流場和地下水位的影響機制，通過強度折減法計算雨水入滲對滑坡穩(wěn)定性帶來的不利影響。王明華等［9］開展了水庫蓄水對庫岸滑坡的影響研究，水庫蓄水將顯著改變庫岸的水文地質條件，進而影響滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

重慶市平進村庫岸距向陽水庫上壩址河道最近約2.0 km，庫岸邊坡為順向坡，地層產狀與地形坡面基本一致。大氣降雨、水庫水位升降、地下水位變化均會引起庫岸邊坡變形破壞甚至失穩(wěn)，因此，需要針對平進村庫岸段穩(wěn)定性問題展開深入研究。在前人研究的基礎上，本文以平進村庫岸岸坡工程為研究對象，綜合現場地質調查宏觀地質分析和變形監(jiān)測成果，采用有限差分數值方法，基于非飽和流固耦合理論、彈塑性理論和強度折減法，模擬強降雨、庫水位變動以及防護加固等多種工況，分析不同條件下平進村Ⅱ級緩坡地下水位的分布、岸坡滑移模式及其安全穩(wěn)定性，探討不同因素作用下岸坡地下滲流場的分布規(guī)律，合理分析和評價其對岸坡整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的影響效果，以期為水庫岸坡穩(wěn)定性評價及岸坡滑坡防治措施提供借鑒和指導。

1 工程概況

向陽水庫工程位于重慶市云陽縣北部團灘河干流上，是一座以供水、灌溉及農村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用效益的水利工程，是重慶市擬建重點水源工程之一。如圖1～2所示，平進村庫岸段位于向陽水庫庫區(qū)內團灘河的右岸，距向陽水庫上壩址最近河道距離約2.0 km。庫坡橫向寬約2.0 km，縱向長約1.5 km，前緣坡腳高程360～443 m，后緣坡頂高程600～800 m。平進村庫岸坡段為緩傾層狀巖體為主的岸坡，上覆總體厚度不大，為多成因類型的第四系土體，下伏巖體具有成層性、完整性以及多條破碎夾層分布的特征。根據地形地貌特征，按照地勢高低，將整段庫岸分為三級緩坡，分別為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級緩坡。通過已完成的現場地質調查宏觀地質分析和變形監(jiān)測成果分析，平進村庫岸Ⅰ級、Ⅲ級緩坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，Ⅱ級緩坡淺表層強風化破碎巖體和上覆土體在3個變形監(jiān)測點均反映有明顯深部整體變形情況，Ⅱ-1和Ⅱ-2兩個變形體處于緩慢蠕動變形狀態(tài)，坡表覆蓋層可見多處變形破壞跡象。

1.1 地質條件

平進村Ⅱ級緩坡段覆蓋層大面積發(fā)育，覆蓋層厚度1～20 m不等，覆蓋層整體以第四系崩坡積層碎塊石土為主，局部地形條件和地質條件的變化形成滑坡堆積體，物質成分略有不同，巖性以碎石土為主。下伏基巖強風化厚度4～20 m不等，強風化層裂隙發(fā)育，巖體較破碎。出露地層主要為侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）淺灰色夾紫紅和深灰色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾砂巖和泥巖，巖層傾向320°～350°，傾角10°～30°，斜坡坡向與巖層傾向基本一致，整體地形坡度呈上陡下緩形態(tài)，地層產狀與地形坡面基本一致，見圖3。

Ⅱ級緩坡段發(fā)育3處滑坡堆積體，分別為黃泥磅滑坡、下七壩滑坡和五同廟滑坡，滑坡體厚度3～15 m不等。根據現場勘察鉆探揭示，未發(fā)現明顯滑帶，滑坡體滑移變形方式主要以沿基巖面滑動型式為主，滑床巖性主要為侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。

1.2 岸坡巖體力學性質

平進村Ⅱ級緩坡段巖體巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾砂巖和泥巖。在庫岸邊坡范圍內共實施勘察鉆孔取芯12組，并對巖樣進行室內巖石試驗，試驗結果表明大部分巖樣的單軸抗壓強度為20～50 MPa，屬較軟巖—中硬巖。同時，根據庫岸邊坡的鉆孔內巖芯編錄和分析，揭示巖體內部發(fā)育夾層，厚度一般在0.1～0.3 m，大部分為碎石土。

1.3 地下水類型及補徑排特征

平進村Ⅱ級緩坡段地表水系比較發(fā)育，沖溝眾多且多深切，坡降大且常年流水；同時，研究區(qū)內人類活動頻繁，較緩的坡地多被開墾為農田，區(qū)內分布有大量的農田灌溉網和水塘，客觀上形成較為穩(wěn)定的地下水面狀補給源；大氣降水也是地下水的重要補給來源。岸坡地下水主要分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，團灘河是壩址區(qū)兩岸地表水及地下水的最低排泄基準面，地表水主要通過地表斜坡或沖溝徑流排泄至團灘河。

2 岸坡穩(wěn)定性宏觀分析

如圖4所示，從整體宏觀上來看，平進村庫岸覆蓋層坡度較緩，結構較均一密實，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但受河流沖刷下切和后期人類工程活動的影響，平進村庫岸邊坡部分段覆蓋層堆積體形成潛在不穩(wěn)定的形態(tài)，再加上暴雨和地下水的作用，易誘發(fā)滑坡。從整體宏觀上來看，巖質坡前緣一定高度臨空，但層面?zhèn)认蚣s束，為斜順向巖質坡，下伏完整巖體中未發(fā)現可以導致該岸坡段巖體發(fā)生大規(guī)模滑移破壞的軟弱結構面，在臨空面地段亦未發(fā)現基巖大規(guī)模滑移破壞跡象，巖質坡不具備大規(guī)模深部高速滑移破壞的邊界條件，但存在風化帶范圍的淺層順層失穩(wěn)可能。變形監(jiān)測數據表明：Ⅲ級緩坡與Ⅰ級緩坡地層結構比較相似，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；Ⅱ級緩坡在CX05號孔、CX07號孔和CX08號孔傾斜位移監(jiān)測的3個變形監(jiān)測點均反映有明顯深部整體變形情況，變形深度有所不同，Ⅱ級緩坡多處位置處于緩慢蠕動變形狀態(tài)。

結合Ⅱ級緩坡變形監(jiān)測CX05號孔與CX07號孔、CX08號孔深部變形點所處的地層不同，根據勘察鉆孔揭示地層特性和綜合地質分析，Ⅱ級緩坡變形區(qū)可分為Ⅱ-1變形體（CX05所在范圍）和Ⅱ-2變形體（CX07和CX08所在范圍）兩個區(qū)域。Ⅱ-1變形體底界沿珍珠沖組第19段（J1z19）泥巖發(fā)育，前緣順坡向延伸至黃泥磅滑坡，推測前緣變形體底界高程約438 m，珍珠沖組第19段（J1z19）泥巖沿變形體后緣延

伸并出露，Ⅱ-1變形體順坡向橫向發(fā)育長度約470 m。Ⅱ-2變形體底界沿珍珠沖組第21段（J1z21）泥巖發(fā)育，前緣順坡向延伸至后葉溝河床附近，前緣變形體底界高程約390 m，珍珠沖組第21段（J1z19）泥巖沿變形體后緣延伸并在下七小學前緣附近出露，與后側五同廟土質滑坡體相接，Ⅱ-2變形體順坡向橫向發(fā)育長度約1 050 m。

3 計算理論與方法

采用有限差分法FLAC開展研究，基于非飽和滲流理論和強度折減方法分析降雨和庫水位變動對岸坡地下水和穩(wěn)定性的影響。

3.1 非飽和兩相流基本理論

兩相流體/固體相互作用具有如下特征：① 有效壓力變化導致體積應變的產生（兩相流的有效應力增量是太沙基有效應力增量，孔隙壓力由飽和重量流體壓力增量的平均值替代）；② 體積變形造成流體壓力的變化；③ 畢肖普有效應力用于檢查本構模型中的塑性屈服。

3.2 修正的Mohr-Coulomb破壞準則

在坡表及水位線以上滑體采用考慮基質吸力影響的修正Mohr-Coulomb破壞準則：

τmax=σbtanφ+C（1）

式中：τmax為材料的抗剪強度；φ為摩擦角；C為黏聚力；σb為畢肖普有效應力，其定義為

σb=σ-（SwPw+SaPa）（2）

式中：σ為總應力；Sw為水的飽和度；Sa為空氣飽和度；Pw和Pa分別是水壓力和空氣壓力。將式（2）代入式（1），屈服準則表達式為

τmax=（σ-Pa）tanφ+Sw（Pa-Pw）tanφ+C′（3）

式中：C′為有效黏聚力。

當土壤完全干燥或完全飽和時，破壞準則為經典的摩爾庫倫判據。在非飽和條件下，Sw（Pa－Pw）表示因毛細壓力產生的土壤附加黏聚力。

Cc=SwPctanφ（4）

式中：Cc為附加的黏聚力；Pc為毛細壓力。

毛細壓力與飽和度呈遞減函數關系：

τ=C′+（σn－μa）tanφ′+（μa－μw）tanφb（5）

式中：τ為剪應力；C′為有效黏聚力；σn為正應力；μa，μw分別為孔隙氣壓力和孔隙水壓力；φb為抗剪強度隨基質吸力μa－μw而增加的速率。

3.3 邊坡強度折減法

Duncan指出了邊坡安全系數可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時，對巖土體剪切強度進行折減的程度，即定義安全系數為土的實際剪切強度與折減后達到臨界破壞時的剪切強度的比值，見式（6）。

Ci=C/fitanφi=（tanφ）/fi（6）

這種強度折減方法非常適合用有限元、有限差分等數值方法來實現。采用強度參數Ci和φi進行彈塑性數值分析，其中fi為強度折減系數。當fi不斷增大并達到某一臨界值時，邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，則將系統(tǒng)的安全系數取為此時的fi。

4 降雨和庫水位變動對岸坡地下水分布和穩(wěn)定性的影響分析

4.1 數值模型概化

選取位于平進村Ⅱ級緩坡區(qū)內典型斷面（圖5），模型范圍：橫河向為水平X軸方向，由河床中心線向山體水平距離為1 200 m；Y向為鉛直向，高程范圍由150 m至地表710 m；計算域內模擬了庫岸順向坡表層覆蓋層（第四系崩坡積層碎石土、碎塊石土），以及緩坡下伏不同風化程度的侏羅系粉砂基巖（強、弱及微新巖層），淺部及深部的軟弱夾層。

4.2 計算條件

數值模型中的巖土介質均采用各向同性彈塑性Mohr-Coulomb模型。平進村庫岸覆蓋層根據現場取樣的室內土工試驗分析成果以及類似相關工程經驗值選取建議值，順向坡巖體強風化層和弱風化層在參考試驗數據的前提下綜合選取建議值，夾層的物理力學參數則參考覆蓋層巖土體試驗成果選取建議值。具體巖土體及結構面物理力學參數建議值見表1。

初始河床水位為390 m，坡內地下水位通過鉆孔水位資料擬合獲得。初始應力場考慮為自重應力場。側向和底邊均設置法向位移約束；底邊界為不透水邊界，兩側邊界為水頭邊界，坡面為自由透水面。參照當地最大日降雨量，分析極端暴雨久雨工況，擬定日降雨量150 mm/d持續(xù)5 d。

治理措施：考慮在臨河前緣段進行壓腳處理以提高岸坡抗滑穩(wěn)定性，實施方案利用棄渣前緣壓腳，壓腳填筑坡比1∶1.5，壓腳頂部高程465 m，以達到提升斜坡整體穩(wěn)定性，并兼顧庫岸防護的目的，如圖6所示。

4.3 成果分析

如圖7所示，河床初始水位390 m，岸坡天然地下水位在390～420 m高程貼坡面并沿坡內向上延伸，至520 m高程區(qū)間地下水位較高，距坡面埋深約10～20 m；順坡面往上水位線朝山體高處延伸，水位線距坡面埋深逐漸增大。在暴雨初期，由于滑坡表層土體存在基質吸力，滲透系數相對飽和狀態(tài)的小，水分較難滲透到坡體深部；隨著雨強增大及持時增長，地表含水率明顯變大，浸潤峰逐漸向坡內擴展，當極端降雨持續(xù)5 d，地下水位明顯抬升，部分區(qū)域地下水位線上抬至坡表。

水庫正常蓄水工況運行時，庫水位由初始水位390 m抬升至456 m，坡體前緣部分沒入水下，水上坡體地下水位隨巖土體透水性差異表現出不同程度的抬升，庫水入滲坡內，隨入滲時間延續(xù)，岸坡地下滲流場動態(tài)調整，岸坡地下水流經坡體前緣高程456 m向水庫排泄。在此工況下，如再遭遇極端暴雨（圖8），岸坡緩坡地段地表基本沒于水下，覆蓋層坡體含水率趨于飽和狀態(tài)。

采用強度折減方法，得到不同工況條件下邊坡極限失穩(wěn)狀態(tài)的滑移模式及安全系數，針對不同區(qū)域進行滑移搜索，得到3種可能的滑動模式（圖9），即表層覆蓋層滑移、沿淺層軟弱夾層滑移以及沿深部破碎夾層滑移失穩(wěn)。將通過強度折減法得到的邊坡最大剪應變增量集中帶視為潛在危險滑面。天然工況下，岸坡3種滑移模式的強度折減安全系數依次為0.97，0.98，1.12。

如圖10所示，岸坡的表層覆蓋層滑移模式在天然工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，當遭遇極端暴雨，其安全系數明顯降低，減小為0.65，表現為明顯滑移破壞；當水庫蓄水，通過力學作用機制分析，岸坡前緣外水壓增大有提高前緣覆蓋層滑體的抗滑穩(wěn)定作用。岸坡沿淺層軟弱夾層滑移的模式在天然工況下為欠穩(wěn)定狀態(tài)，若遭遇極端暴雨，其安全系數減小0.24，為失穩(wěn)滑移狀態(tài)；水庫蓄水至456 m水位工況時安全系數較天然工況減小0.02，為欠穩(wěn)定狀態(tài)；當再遭遇暴雨，其安全系數降低0.14，為失穩(wěn)破壞。岸坡沿深部夾層滑移模式在天然工況穩(wěn)定，若遭遇極端暴雨，其安全系數減小0.1，仍保持穩(wěn)定；水庫蓄水至456 m水位工況時安全系數較天然工況提高了0.16；當再遭遇暴雨，其安全系數降低0.08，仍為穩(wěn)定狀態(tài)。

考慮在水庫運行前采取坡前緣壓腳措施，對提高岸坡的抗滑穩(wěn)定發(fā)揮積極的效果，岸坡對應工況的3種滑移模式安全系數均有明顯提高，提升約0.01～0.30。相比而言，前緣壓腳對沿淺層軟弱夾層滑移模式的安全穩(wěn)定性提高效果最明顯，其次是淺表覆蓋層滑移破壞模式，對沿深層夾層滑移模式安全穩(wěn)定性提高效果相對較小。

5 結 論

（1） 平進村庫岸Ⅱ區(qū)緩坡段天然地下水位埋深淺，當遭遇極端降雨時，大量雨水入滲將引起地下水位上抬，坡體有效應力降低，抗剪能力削弱，均導致邊坡穩(wěn)定性降低。Ⅱ區(qū)邊坡變形破壞明顯的區(qū)域位于前緣覆蓋層堆積體，在雨水沖刷、地下水位變動等復雜條件下，將會產生一定規(guī)模的垮塌或滑移。

（2） 前緣壓腳防護措施可有效提高岸坡整體穩(wěn)定性，壓腳前后岸坡多滑移模式的安全系數提高約0.01～0.30。對沿淺層軟弱夾層滑移模式的安全穩(wěn)定性提高效果最明顯，其次是淺表覆蓋層滑移模式，對沿深層夾層滑移模式安全穩(wěn)定性提高效果相對較小。

參考文獻：

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［9］ 王明華，晏鄂川.水庫蓄水對庫岸滑坡的影響研究［J］.巖土力學，2007（12）：2722-2725.

（編輯：高小雲）

Influence study of rainfall and reservoir level fluctuations on stability of Xiangyang Reservoir bank slope

HUANG Gui1，FU Jing2，LU Zengmu3，ZHANG Yuting2

（1.Gongming Water Supply and Storage Project Management Department，Water Authority of Shenzhen Municipality，Shenzhen 518036，China； 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Under the action of water，the seepage field of groundwater and the mechanical properties of rock and soil on the bank slope undergo changes，thereby affecting the overall stability of the bank slope.Taking the bank slope project of Pingjin Village，Xiangyang Reservoir in Chongqing City as an example，based on the unsaturated fluid structure coupling theory，elastic-plastic theory，and strength reduction method，and used finite difference method to analyze the sliding failure mode and safety factor change law of Pingjin Village Grade Ⅱ gentle slope under various working conditions such as rainfall and reservoir water level changes.The efficacy of the surcharge measures applied at the toe of the bank slope for erosion protection was assessed.The results indicated that： ① There were three potential slip modes on the bank slope under different working conditions，namely slip along the slope surface cover layer，slip along shallow weak interlayers，and slip along deep fractured interlayers.② The natural groundwater level on the bank slope was relatively low，when encountering extreme rainfall，a large amount of rainwater infiltration would rise the groundwater level，the effective stress of the slope would be reduced，the shear resistance would be weakened，and the stability of the slope would be significantly reduced.③ The adoption of leading edge foot pressure protection measures could effectively improve the overall stability of the bank slope，and the safety factor of multiple sliding modes after the foot pressure was" increased by about 0.01 to 0.30.

Key words：

reservoir bank slope； creep deformation； rainfall infiltration； strength reduction method； Xiangyang Reservoir