库区水位下降速度对库岸边坡稳定性的影响

艾秀峰，马德芹

库区水位下降速度对库岸边坡稳定性的影响

艾秀峰1，马德芹2

（1.西南交通大学，成都 610031；2.西南交通大学，四川 峨眉 614202）

水是影响边坡稳定的重要因素，库区水位下降引起坡体的渗流场变化进而影响坡体稳定性。以三峡库区某坡体为例，针对库水位下降的不同速度，利用二维有限元模拟软件Geo—Studio对坡体渗流场变化进行数值模拟和稳定性分析。研究表明，随着水位下降速度的增加，浸润线前缘总水头值不断减小，水平流速不断增加，滑坡的稳定性系数也随之下降。

库区水位；渗流场；边坡稳定；影响

库岸边坡失稳将会对库区人民的生命财产造成巨大损失所以有关库岸边坡的稳定性问题一直受到人们的重视。能够对边坡稳定性产生影响的因素有很多，根据以往的研究表明90%以上的边坡失稳都与水之间有联系所以水是决定边坡安全稳定的重要因素。库岸边坡长期受库水位变化影响，必将引起岸坡地下水位不断变化，进而也必将对边坡稳定性产生影响。日本学者对水库滑坡进行统计分析后发现，有60%的滑坡发生在水位骤降时期［1］。张卫民等研究了各种边坡模型，经计算分析认为边坡稳定性随地下水位变化表现出一定的规律性，地下水位在距坡脚一定坡高范围内变化时土坡的稳定性变化不大。当地下水位线超过这一范围时边坡的安全系数将随着其的升高而线性减小，进而发生滑动破坏；马崇武等研究表明不管是库水位升高还是下降，都存在一个使边坡的稳定性系数达到最小的水位；廖红建等发现库水位下降速度的变化也会对边坡稳定性系数产生影响。当滑坡体的渗透性系数相同时，稳定性系数降低速率将会随着水位下降速度的增加表现出明显增大。对于不同的库水位下降速度，岸坡的稳定性的变化曲线差异不大。而对于渗透性系数越大的滑坡体，其稳定性系数值对的变化表现的越不敏感，也就是说库水位降低速度在这时对稳定性的影响不大。以上这些研究表明库水位下降速度会引起的边坡渗流场及稳定性的变化，研究成果将对库岸边坡稳定性预测及防治起到十分重要的作用。

图1　堆积体典型剖面图

表 1 渗流计算参数

1　工程地质概况

1.1工程概况

三峡水库是一个狭长的河道型水库，建成后采用“冬蓄夏泄”的水位调度方式，水位调幅变化可达30m，这种变化将直接干扰两岸渗流场，如果库水位快速降落，两岸地下水位通常不能同库水位同步降落，高、低水位之间的水体所产生的向坡体外的渗透压力将成为对滑坡体的稳定性极为不利的因素［2］。

坡体位于川东盆地长江河谷地带、三峡库区中心地带，岸坡区内有三条镇级及村级公路东西向贯通整个岸坡，水路有长江航运，可常年通航，上可达涪陵，下至忠县，交通较方便。

1.2坡体水文地质与工程地质

根据岩土体含水特性及地下水的赋存条件，将库岸区及周边地下水划分为松散层孔隙水和基岩裂隙水。松散层孔隙水主要赋存于第四系松散堆积体粘性土夹碎块石、河流冲积成因的粉土、砂层、砂卵石层。其中堆积体内物质差异性较大，均一性差，含水不均一，密实度普遍较好，含水量不大，主要接受降水及地表鱼塘内表水补给，于地势低洼及坡前陡坎处排泄；冲积层内地下水由于受库水位淹没，长期受地表水补给，水量较丰富。基岩裂隙水主要赋存于风化裂隙和砂岩层内，由于该区以泥岩、砂岩互层状，产状平缓，砂岩层内地下水受泥岩阻隔，相互间连通性差，不能形成规模，一般水量较小，由于长江为地下水的最低排泄基准面，其排泄途径多于其砂岩出露位置浸出。在当地居民未统一安装自来水时，普遍采集此类地下水饮用。

该岸坡为大型中层牵引式土质边坡。库岸坡区属河谷岸坡堆积地貌，地貌条件、地形条件中等复杂；土层厚度在1.0～37.0m， 岩土种类较多，岩土性差异较大，岩土界面倾角一般3°～20°，岩体结构类型为薄～厚层状。岸坡区位于万县向斜核部，岩层产状为153°∠4°，发育2组裂隙，地质构造简单。

图2　库水位以不同速度下降到145m时总水头等值线图

2　水位下降速度对堆积体渗流场的影响

计算模型以三峡库区某库岸边坡典型坡面为模型，该岸坡前缘高程149m 后缘高程185m高差36m，坡体主要由第四系滑坡堆积层（Q4del）为主，下覆侏罗纪中统上沙溪庙组（J2s）紫红色泥岩和灰色砂岩。如图1所示。

根据相关试验资料，计算过程中岩土体的渗流参数见表1计算过程中通过改变库水位的下降速度，从而计算得到不同水位变动速度条件下，不同库水位、不同水位变动时刻的堆积体内瞬时地下水浸润线。库水位在145～175m之间变化，水库水位变幅高差为30m。水位涨落速率最小约0.6m/d，最大4m/d。计算过程中设定库水位下降速度分别为: 0.67、1、1.5、2、4m/d。

图3　库水位以不同速度下降到145m时水平流速等值线图

2.1总水头等值线

由图2所示，库水位下降过程中，随着水位下降速度的变化，堆积体地下水渗流的总水头等值线特点可以得到以下规律：

1）随着库水位降低速度的增大浸润线前缘总水头值不断减小，总水头等值线于滑带处向滑坡后缘弯曲，且堆积体内总水头等值线较基岩内弯曲幅度大，这是由于两者之间渗透系数差异引起的。

2）处于坡体浸润线以下的总水头等值线较浸润线以上密集，这是因为由于水位下降导致浸润线以上坡体含水量减少所致。

2.2水平流速等值线

图3所示为库水位以不同速度下降到145m时水平流速图。由图3可知：

1）随着水位下降速度的增大水平流速等值线变得越来越密集，水平流速最大值由0.0688逐渐增大到0.08262；浸润线以上的水平流速等势线较下部更为密集。

2）从水平流速等势线的形态上看，滑坡体内水平流速表现沿坡体底部向上呈增大环。

图4　库水位下降速度与孔隙水压力之间的关系

图5　水位下降速度与稳定性系数的关系

3　稳定性分析

稳定性计算过程中所涉及到的岩土体物理力学参数见表2。

3.1渗流场对应力场的影响

利用二维有限元软件GEO-Studio中SLOPE/W与SEEW/W模块耦合性，对库岸坡体高程约为165m处土条分析得到的孔隙水压力与库水位下降速度之间的关系如图4所示。分析可知，随库水位降低速度的增长，坡体内的孔隙水压力从263KN一直增大。下降速度超过2m/d后空隙水压力增加迅猛，在4m/d时达到1 039.6KN，这必然对坡体稳定性产生很大影响。

3.2下降速度对安全性的影响

分析得到随着库水位下降速度的变化岸坡安全性之间的关系见图5。经过分析可知岸坡的稳定性系数与库水位下降速度呈负相关，即岸坡稳定性系随着库水位下降速度的增大而降低，当速度为4m/d时岸坡的稳定性系数达到最小值1.062，此时岸坡处于基本稳定状态。而对于同一下降速度滑坡的稳定性系数随着时间表现为正相关，即随时间的增长而增大。如图6所示，以2m/d的下降速度为例可以看到随时间增长滑坡的稳定性系数从1.139一直增大到1.275 。这可能是由于对于该牵引式滑坡来说水位下降导致水对下滑段压力减小从而减小了下滑力而使滑坡趋于稳定的原因。

表2　稳定性计算参数

图6　速度为2m/d时稳定性系数与时间关系图

4　结论

1）由于渗透系数间的差异，导致堆积层和基岩之间的总水头等值线在形态上有明显不同且浸润线一下的总水头等值线比浸润线上更为密集。

2）堆积体和基岩内水平流速均随水位下降速度的增加而增大，水平流速最大值由0.068 8逐渐增大到0.082 62，最大的地下水水平流速都出现在155～160m范围内。地下水水平流速的等值线图在可疑滑带范围内最密，地下水浸润线以上的地下水水平流速的等值线图较浸润线以下的更为密集。

3）稳定性计算表明在库水位下降时，滑坡体稳定性系数随水位下降速度的增加而减小，岸坡的稳定性系数最小为1.062，坡体处于基本稳定状态。在库水调节期间应对岸坡进行密切监测以保证岸坡安全。

4）该岸坡在不同的库水位下降速度下，都变现出随着时间增长稳定性系数都逐渐增加，滑坡体趋于更加稳定的特点，所以应对库水位下降初期的堆积进行重点监测。

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

［2］ 廖红建，高石夯，盛谦，等. 渗透系数与库水位变化对边坡稳定性的影响［J］. 西安交通大学学报，2006.

［3］ 陈湘桂，牛建东，陈亮晶. 库水位上升条件下滑坡体的渗流场及稳定性研究［J］. 铁道科学与工程学报，2013，10（3）

［4］ Fredlund D G.Rahardjo H.陈仲颐非饱和土力学 1997

［5］ 廖彬，张文斌. 库水位变化条件下滑坡稳定性研究［J］. 人民长江，2013，44（9）

［6］ 时卫民，郑颖人. 库水位下降情况下滑坡的稳定性分析［J］. 水利学报，2004（3）76-80.（Shi Weimin，Zheng Yingren. Analysis ofstability of landslide during reservoir drawdown［J］. Journal ofHydraulic Engineering，2004，（3）：76-80.（in Chinese））

［7］ 孙冬梅，朱岳明，张明进. 库水位下降时的岸坡非稳定渗流问题研究［J］. 岩土力学，2008，29（7）

［8］ 涂国祥，邓 辉，黄润秋. 水位变动速度对某库区岸坡堆积体稳定性的影响［J］. 四川大学学报（工程科学版）.2011， 43（4）.

The Influence of Water Level Falling in Reservoir Area on Slope Stability

AI Xiu-feng MA De-qin
（1-Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031； 2- Southwest Jiaotong University， Emeishan， Sichuan 614202）

Water level is an important factor to have an influence on slope stability. Seepage slope change caused by reservoir water level affects slope stability. This paper uses two-dimensional finite element simulation software Geo-Studio for simulating slope seepage field change and making stability analysis by the example of a slope of the Three Gorges Reservoir Area. The study indicates that the stability coefficient of landslide decreases with the increase in drawdown rate， decrease in saturation line front total head value and increase in horizontal velocity.

water level of reservoir area； seepage； slope stability； influence

P642

A

1006-0995（2015）04-0589-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2015.04.026

2015-01-14

艾秀峰（1989.9～）男，内蒙人，助理工程师，研究方向：特殊岩土工程