水位变动对库岸古滑坡稳定性影响研究

黄井武，陈晓平，王 盛

（1.广东省水利电力勘测设计研究院，广州510170；2.暨南大学理工学院，广州510632）

0 引 言

由于库岸边坡失稳具有时间短、威力大的特性，一旦大型库岸边坡失稳将带来灾难性的后果，国内外已经发生多起这样的事故。如，1963年10月，意大利Vajont水库在大坝上游发生（2.7～3.0）×108m3的超巨型滑坡，造成下游城镇被毁，近3 000人死亡；1961年3月，湖南柘溪水库发生1.65×106m3的滑坡，造成众多在建结构物被毁，40多人死亡；2003年7月，湖北秭归县千将坪水库发生约2.0×107m3的滑坡，造成20多人死亡，1 000多人无家可归。

虽然滑坡的形成过程和发生均有各自特定的地质条件和工程背景，但水库蓄水后引起外部水环境的变化却是共性的。随库水位升高及水位波动，两岸边坡的地下水、地表水、地下渗流场等水环境系统将发生巨大变化，引起原有水－岩系统的变化。这不仅改变岩土体材料物理力学特性，还由于地下渗流场改变了原有的应力场，引起滑坡体内应力场的不平衡，这是导致滑坡的主要诱因。当库岸边坡存在一些特殊的地质缺陷时，如存在古滑动带，这种诱因作用则变得更加敏感。国际大坝委员会（ICOLD）对6个国家50多座水库的105个滑坡事件进行了统计［1］，发现75%的滑坡为古滑坡复活，新生滑坡和潜在滑坡各占7%，其他占11%。统计结果表明，水库滑坡多为古滑坡的复活或部分复活。

综上所述，库岸古滑坡在水库蓄水后及水位变动条件下的稳定状态具有较大变数，如何在新建水利工程中避免或尽量减少古滑坡复活产生的危害是值得深入研究的课题。本文基于水位变动对库岸古滑坡的作用机理，以某在建水利枢纽库岸古滑坡为研究对象，通过有限元模拟分析水库蓄水及水位骤降对库岸古滑坡变形及整体稳定性的影响。研究成果对在建工程的边坡预警及治理具有重要指导意义，对同类工程具有重要参考价值。

1 库岸古滑坡失稳机理分析

水位上升导致水下边坡岩土体物理力学性质恶化，以及水位变动或结合降雨产生动水压力是库岸古滑坡体失稳的主要外因。中村浩之［2］通过对库岸滑坡渗流场及稳定性分析，并结合对已有滑坡实例的分析，认为浸水导致滑坡稳定性降低，水位骤降则产生超孔隙水压力使滑坡变得不稳定，同时降雨与水位上升也是促使滑坡的主要因素；王思敬、Schuster、H.Fujita等［3－9］研究认为土体浸水后密度增大、滑动面抗剪强度弱化、水位波动引起孔隙水压力变化及水位骤降产生动水压力等是水库发生滑坡的主要原因。

水位变动引起坡体内渗流场变化则是影响滑坡体稳定的另一重要原因。滑坡体岩土材料的渗透系数在水位变动条件下对渗流场分布及变化特性有较大影响。廖红建、郭志华等［10－11］研究库区降水速度和渗透系数与边坡稳定性之间的变化规律，指出相同渗透系数的滑坡体水位下降速度越大安全系数越小，相同水位下降速度渗透系数越大，越有利于边坡稳定；刘新喜等［12］指出水库蓄水及水位波动将极大改变滑坡体内的水文地质条件，渗透系数和库水位下降速度是影响库岸滑坡稳定的主要因素。另外，部分学者［13－14］从非饱和理论探讨水位变化对坡体土强度及渗流场影响研究滑坡体稳定性。

由此可见，库岸边坡稳定性降低的原因主要是库水浸没弱化岩土体物理力学参数以及水位变动引起地下渗流场的改变。而对于古滑坡体，滑动带的形成具有复杂性和特殊性，蓄水后其强度特性的变化对滑坡体的稳定至关重要。如何掌握滑带土的剪切破坏机理及在水位变动条件下古滑坡的失稳机制则是研究蓄水后及水位变动条件下古滑坡稳定性的关键。由于篇幅有限，本文仅通过有限元模拟对水库蓄水及水位骤降对库岸古滑坡变形及整体稳定性的影响进行探讨，揭示水位变动条件下库岸古滑坡的失稳机理，而其他部分内容在笔者发表的文章里有详尽阐述。

2 有限元分析

2.1 工程概况

某库岸古滑体高约220m，底宽约420m，总土石方量约240×104m3。上部后缘地势较陡，坡度为40°～50°，呈阶梯状塌陷、开裂，具多期崩塌特征；中部相对平缓，坡度为10°～20°，雨季有泉水出露；下部受2006年洪水冲蚀形成陡壁 （坡度为45°～60°），全风化土和强风化基岩出露，前缘部分坡度为30°～35°，河床边坡脚为崩塌堆积。根据地质钻孔揭露，在滑坡体内部全风化带与强风化带之间存在1.0～1.5m的含砂黏土及黏土质砂（砾）古滑动带，具有明显的错动特征并在边坡前缘出露，典型断面见图1。

图1 典型断面图Fig.1 Typical section

2.2 有限元分析模型

2.2.1 应力应变分析

在岩土体应力应变分析中，渗流场和应力场之间是相互作用、相互联系的。分析该滑坡体工程地质特点可知，应力场和渗流场的耦合作用对滑坡体内应力场影响较大，而对渗流场影响较小，因而在计算中可近似将渗透系数取为常量，仅考虑渗流场变化对应力场的影响。

对于土体和其他等效连续介质来说，由水力学原理可知，渗流体积力与水力梯度成正比，即［15］：

式中fx、fy、fz为渗透体积力f在x，y，z方向的分力；Jx、Jy、Jz为单元在x，y，z方向的水力坡降；γw为水的容重；f为渗流产生的体积力。

将应力场与渗流场进行耦合分析，即在应力应变分析时考虑渗流体积力对应力场的作用，以矩阵的形式表达如下式：

式中［K］为土体的整体刚度矩阵；｛w｝为节点位移；｛F｝为与渗透坡降有关的渗透力矩阵；｛X｝为外部荷载矩阵。

2.2.2 本构模型

库岸滑坡体岩土体的本构模型采用理想弹塑性模型，屈服准则为Drucker－Prager准则，该准则表达式为：

式中I1、J2分别为应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量；a和k是与岩土材料强度参数黏聚力c和内摩擦角φ有关的参数。

2.2.3 有限元边界条件

由于原型边坡地质条件较复杂，在不影响计算结果的情况下，为方便有限元建模将坡面和滑动带适当概化，见图2。本文旨在揭示滑坡体在水库蓄水及水位变动情况下的变形特性及失稳机制，故分别从水库蓄水过程和最不利的水位骤降工况两种方案进行模拟，主要模拟工况如下：①从初始水位上升至正常蓄水位的2／3；②水位继续上升至正常蓄水位；③从正常蓄水位上升到校核洪水位；④从正常蓄水位骤降至汛限水位；⑤从校核洪水位骤降至汛限水位。

2.3 计算结果及分析

水库蓄水后水环境的改变是使原本处于稳定状态的古滑坡体重新进入不稳定变形期的主要原因。本文分别从水库蓄水过程和水位骤降两个阶段对滑坡体变形及整体稳定性的影响进行探讨。

图2 有限元模型Fig.2 FEM model

2.3.1 水库蓄水对边坡的影响

图3 水库蓄水过程的位移场变化Fig.3 Changes of displacement field during reservoir impounding

1）对滑坡体位移的影响。图3是水库蓄水后水位上升不同阶段位移场的变化情况。从位移场变化情况可知：水库开始蓄水后，坡体产生了向水库方向的位移，主要集中在坡体前缘，尤其是滑坡体前缘平台浅层；坡体中部和上部位移较小，其中前缘平台具有阻滑作用。随着水位的上升，坡体前缘平台浅层部位位移量增加明显，形成潜在不稳定域，而滑坡体中部在地下水位及库水位升高的作用下位移也有明显增大。另外，水库蓄水初期产生的变形增量很明显，之后随着水位上升坡体变形持续增加，但增量幅值逐渐降低。

2）对滑坡体塑性区发展的影响。图4是水位上升不同阶段滑坡体内塑性区的发展情况。从塑性区发展规律可知，水库蓄水后滑坡体前缘平台坡脚处形成塑性区域，坡体上部和中部沿古滑动带以及滑坡体顶部有局部塑性区形成。随着水位的上升，滑坡体前缘坡脚塑性区逐渐向上发展直至贯通，当达到校核洪水位时滑坡体前缘局部则可能发生失稳；而古滑动带附近区域塑性区则沿滑动带扩大至前后连通。

图4 水库蓄水过程的塑性区变化Fig.4 Changes of plastic zone during reservoir impounding

由上述可见，库岸边坡涉水后由于土体强度遇水软化、有效重度降低等原因，随着水位升高坡体前缘的抗滑力逐渐降低，滑坡体前缘平台部分成为最不稳定区域，有局部坍塌可能。而古滑动带由于本身地质条件较差，蓄水后沿坡体内的古滑动带附近区域形成了扁长塑性区，在滑坡体前缘失稳的情况下将不利于整体稳定。

2.3.2 水位骤降对边坡的影响

水位骤降对库岸涉水边坡而言是最不利的工况，大部分库岸边坡失稳发生在水位骤降期。本文分别从正常蓄水位和校核洪水位骤降至汛限水位两种工况分析不同水位骤降方式对古滑坡变形及整体稳定性的影响。

图5是两种不同水位骤降方式的模拟结果。从模拟结果可知，从正常蓄水位骤降至汛限水位时滑坡体前缘平台斜坡表层发生了较大位移，最大值达17.2cm，塑性区贯穿，沿古滑动带附近区域大部分产生塑性区。所以，此种运行工况下滑坡体的稳定性差，存在前缘平台失稳的可能。当从校核洪水位骤降至汛限水位时，滑坡体前缘平台会产生更大的向库区方向的位移，最大值达30.2cm，塑性区完全贯通，沿古滑动带附近区域全部产生塑性区。此时计算的最小安全系数为1.0，表明坡体前缘出现了滑动，处于局部失稳的临界状态。

图5 水位骤降对变形及稳定性的影响Fig.5 Effect of water level fluctuations on deformation and stability

3 结 论

通过有限元模拟分析得到如下结论：

1）在水库蓄水过程中，由于岩土体强度遇水软化，坡体前缘的抗滑力明显下降，在下滑推力的作用下滑坡体前缘发生较大向库区方向的位移，在坡脚形成塑性区并随水位升高不断发展；滑坡体中部及上部受到地下水位升高及下部位移影响，也发生向库区方向的位移，但位移值相对较小，而滑动带附近区域形成塑性区，随水位升高范围逐渐扩大，在滑坡体前缘失稳的情况下将不利于整体稳定。

2）在库水位骤降的最不利工况下，由于渗透力和下滑力的共同作用使坡体前缘变形量较高水位时进一步增大，稳定性更差。当库水位从校核洪水位骤降至汛限水位时滑坡体前缘将发生失稳现象，可能引起滑坡体中上部的整体位移，进而导致发生牵引式整体失稳。

3）库岸边坡稳定分析中强度指标的取值非常重要，全部采用峰值强度或全部采用残余强度都是不可取的，应根据滑坡体部位及实际工况综合确定，以使实际选用的参数能更好反映坡外水位变化和土体内部的变形情况。

［1］Committee on Reservoir slope stability.Reservoir landslides：investigation and management［R］.Paris：International Commission on Large Dams（ICOLD），2002.

［2］中村浩之.论水库滑坡［J］，水土保持通报，1990，10（1）：53－64.

［3］王思敬，马凤山，杜永廉.水库地区的水岩作用及其地质环境影响［J］，工程地质学报，1996，4（3）：1－9.

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