库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响

肖志勇，邓华锋，李建林，胡安龙，李春波，常德龙

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌　443002)



库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响

肖志勇，邓华锋，李建林，胡安龙，李春波，常德龙

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌443002)

针对库水位快速下降不利于滑坡稳定的现状，提出库水位以间歇性方式下降，即在传统库水位持续性下降分析的基础上，以三峡库区某一堆积体滑坡为例，利用Geo-Studio软件详细分析了在库水位不同间歇时间和多阶段间歇下降条件下堆积体滑坡稳定情况。结果表明：库水位实行间歇性下降，间歇时间有助于滑坡体内孔隙水压力消散，减小库水快速下降引起的地下水回落的滞后性，有利于水力梯度降低；相比库水位持续性下降，滑坡稳定性得到提高，但稳定系数与间歇时间并不呈正比例关系；在库水位实行多阶段间歇性下降后，提高的程度明显增大，达到5%以上。为了使滑坡稳定性提高的效果达到最佳，应合理地安排库水位下降和间歇时间。

库水位间歇性下降；堆积体滑坡；孔隙水压力；水力梯度；滑坡稳定性;Geo-Studio；稳定系数

1　研究背景

大量事实表明，90%以上边坡失稳与水作用有关[1]。在库区滑坡中，库水位变动是诱发滑坡变形的主要因素之一[2-3]。自2008年三峡水库175 m试验性蓄水以来，全库区发生新、老滑坡变形200余起，塌岸百余处，不稳定库岸沿线长达30 km，这与库水位的变动有关[4]。目前，关于库水位变动对边坡稳定性影响的研究有很多，并取得了大量的成果。

就库水位下降对边坡的影响而言，郑颖人等[5]通过算例研究表明，随下降速度的增加，坡体稳定系数减小，陡降与缓降的稳定系数相差20%左右。涂国祥等[6]通过对某一堆积体边坡的研究表明，稳定性系数最小值往往出现在水位下降至堆积体下部1/3～1/5 坡高处，并且下降速度越大，稳定性系数最小值对应的水位越低。原先凡等[7]通过考虑不同库水位下降速率及渗透系数的关系时发现，随库水位的下降,边坡安全系数减小。向玲等[8]通过对动水压力型滑坡的研究得出，库水位下降速率越大，地下水位线上凸现象越明显，且稳定性系数明显减小。卢书强等[9]分析白水河滑坡监测数据，认为库水位消落速度越快，滑坡变形速度也越大。黄康鑫等[10]通过堆积层滑坡物理模型试验发现，水位骤降不利于滑坡稳定。

通过以上学者的研究，可以看出，库水位的下降对库岸边坡的稳定性有很大的影响。研究库水位不同的下降形式对库岸边坡的稳定性有重要意义，对库水位的调度也有重要指导作用。鉴于此，本文基于库水位下降速率对滑坡稳定性的影响，在传统持续性下降分析的基础上，考虑孔隙水压力的消散，提出分阶段间歇性下降方式，即库水位下降到一定水位，在间歇一定时间后再下降。以三峡库区某一堆积体滑坡为例，通过Geo-Studio软件进行模拟分析，详细分析了不同间歇时间和不同间歇阶段情况下滑坡的稳定情况。所研究的成果以期能为水库的运营提供参考。

2　计算理论及方法

库水位变化会引起滑坡体内的渗流场动态变化[11]，在库水位下降的过程中，滑坡体内部分土体将由饱和状态变成非饱和状态，非饱和土的渗流特性对库岸边坡稳定性有很大的影响[12]。基于此，可利用Geo-studio软件来实现非饱和土的渗流计算。

在Geo-studio软件中，非稳定渗流的有限元方程为

(Δt[K]+[M]){H1}=Δt{Q1}+[M]{H0} 。

(1)

式中：Δt为时间增量；[K]为单元特征矩阵；[M]为单元特征矩阵；{H0}为在时间增量开始时的水头列向量；{H1}为在时间增量结束时的水头列向量；{Q1}为在时间增量结束时的节点流量列向量。

从上式中可以看出，由已知的初始水头就可以求出经过一定时间后的水头。这样，在库水位停止降低的一段时间内，坡体的渗流场在不断发生变化，就可知道地下水水头发生变化的位置。从此，可实现库水位间歇性下降的渗流分析。

在边坡稳定性分析方法中，Morgenstern-Price法假定两相邻土条的法向条间力和切向条间力之间存在一对水平方向坐标的函数关系，根据整个滑动土体的边界条件进行迭代求出问题的解[13]。这种假设是学术界及工程界普遍接受的合理性假定，并且该方法可考虑基质吸力的影响。因此，本文先在Geo-studio的seep模块中完成非稳定渗流分析，然后将不同时间下渗流场的水头值输入到slope模块中，采用Morgenstern-Price法计算边坡的稳定系数。

3　堆积体滑坡数值模拟

3.1计算模型

该堆积体滑坡位于长江右岸，平面呈不规则“圈椅”状，剖面呈后高前低、后陡前缓的折线状，属单斜顺层斜坡。滑坡后缘以裂缝为界，前缘剪出口在长江库水位145 m以下，滑坡南北长500 m，东西宽430 m，面积21.5×104m2，体积645×104m3，属深层大型土质滑坡。滑体主要由崩、坡积物及滑坡堆积物组成，平均厚度约30 m。滑带以含碎石或者含角砾粉质黏土为主，平均厚度0.7 m。滑面为覆盖层与基岩接触面，滑床地层为侏罗系下统香溪组(J1x)深灰色薄至中厚层粉砂岩夹薄层状泥岩、煤层，岩层倾向15°～20°，倾角32°～36°，呈单斜构造，工程地质剖面如图1(a)所示，据此建立的模型如图1(b)所示。模型分为滑体、滑带、滑床3个区域，共剖分1 666个单元，1 729个节点。选取摩尔-库伦本构模型进行计算。

3.2计算参数及边界条件

滑坡体岩土物理力学参数见表1。渗流计算模型边界条件为：底部为不透水边界；右边界175 m以下为变水头边界，按拟定条件变化，175 m以上为零流量边界；左边界为定水头边界。初始地下水位的高度按水文勘测资料选取。

图1　堆积体工程地质剖面图和数值计算模型

滑坡部位重度/(kN·m-3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)渗透系数/(m·d-1)滑体20.00.0250.332719.00.300滑带18.60.0300.352516.50.040滑床25.06.8000.3030040.00.005

4　库水位间歇性下降下滑坡稳定性分析

按以往库水位下降速率计算，库水位以0.2,0.4,0.6,1 m/d的速率持续下降，滑坡体内的水力梯度曲线(见图2)随库水位下降速率增大而变陡，最大水力梯度在不断增大。说明库水位快速下降，坡体内部孔隙水压力不能及时消散，会引起滑坡体内地下水滞后下落，导致水位差增加，水力梯度增大。再从库水位以不同速率下降到最低水位145 m时的滑坡稳定系数(见表2)来看，随库水位下降速率的增大，滑坡的稳定系数在不断减小，以1 m/d的速度下降时，稳定系数最小，为1.016。根据规范[14]判断，该滑坡处于欠稳定状态，存在濒临失稳的危险。说明水位缓降对坡体有利，陡降对坡体最不利[5]，这与以往的研究结论是一致的。基于此，改变库水位下降的方式，提出库水位间歇性下降，再来分析滑坡的稳定性。

图2　不同速率降水下滑坡体内水力梯度变化

下降速度/(m·d-1)稳定系数下降速度/(m·d-1)稳定系数0.21.0810.61.0360.41.0541.01.016

4.1库水位下降在不同间歇期下对滑坡稳定性的影响

在下降阶段，库水位以1 m/d的速度下降，考虑不同的间歇时间，库水位维持5,10,15,20 d不变，库水位变化如图3(a)所示。在此情况下，分析库水位随时间的变动对滑坡稳定性的影响。经计算，滑坡体内水力梯度变化如图3(b)所示，滑坡的稳定系数变化如表3所示。

从图3(b)可以看出：

(1)库水位实行2个阶段下降后，相比库水位持续下降而言，水力梯度曲线在第1个库水下降阶段变化一致，在间歇期发生了转折。在库水位下降到第2个下降阶段时，水力梯度曲线又开始上涨，这与水力梯度和水位差成正比有关。说明库水位间歇性下降改变了地下水渗流特征。

(2)在间歇的时间里，水力梯度逐渐降低，但随间歇时间的延长，降低的趋势逐渐减缓。说明在库水位下降的间歇期里，滑坡体内孔隙水压力逐渐消散，地下水位进一步下降。

(3)整体上，实行库水位间歇性下降，滑坡体内水力梯度发生了降低，减小了库水位快速下降引起地下水位下降的滞后效应，有助于保证滑坡稳定。

从表3可以看出：

(1)在库水位降到160,145 m时，库水位间歇性下降时的滑坡稳定系数比库水位持续下降时的大。说明库水位实行间歇性下降后，滑坡稳定性得到了提高。

图3　不同间歇期下库水位变化和滑坡体内水力梯度变化

间歇时间/d总时间T/d稳定系数F库水位160m库水位145m稳定系数变化程度/%稳定系数变化速率/d-10301.0671.0165351.0791.0210.491.43×10-410401.0851.0240.792.00×10-415451.0901.0281.182.67×10-420501.0931.0311.483.00×10-4

(2)随着库水位间歇时间的延长，滑坡稳定系数逐渐增大。相比库水位持续下降工况，稳定系数变化的程度和速率也在逐渐增大。说明滑坡稳定性与库水下降间歇的时间有关，但并不是呈正比例关系。这与上述滑坡体内水力梯度的变化是一致的。

图4　库水位间歇为20 d内滑坡稳定系数随时间的变化Fig.4　Landslide stability coefficient vs.time with intermission of 20 days

(3)再根据滑坡稳定系数在库水位间歇20 d内的变化情况来看，如图4所示，前5 d内，滑坡的稳定系数变化曲线比后15 d陡，说明间歇时间的增加对滑坡稳定性提高的效果存在临界值，在这里前5 d内，滑坡稳定系数增长的速率较快。

综合上述的研究可以发现，库水位实现间歇性下降，可使水力梯度降低，在一定程度上可以减弱因库水位快速下降引起地下水位下降的滞后性，有助于地下水下降，有利于滑坡稳定。但滑坡稳定性并不是随间歇时间的不断增加而不断提高。对此，有必要分析库水位在一定间歇时间实行多阶段的下降是否更有利于提高滑坡稳定性。

4.2库水位多阶段间歇性下降对滑坡稳定的影响

结合前面的分析，研究库水位实行多阶段间歇性下降对滑坡稳定性的影响。库水位随时间变动的情况如图5(a)所示，库水位停止下降的区间(图中阶梯状的平台)均为5 d，在下降阶段，水位均以1 m/d的速度下降。计算结果如图5(b)和表4所示。

图5　多阶段间歇性下降下库水位变化和滑坡体内水力梯度变化Fig.5　Changes of reservoir water level and hydraulic gradient of landslide under multistage intermittent drawdown

从图5(b)可以看出：

(1)库水位实行多阶段间歇性下降后，滑坡体内的水力梯度曲线呈阶梯状，在每一间歇阶段处都发生一次转折，水力梯度得到一次降低。说明增加间歇性下降次数可以及时消散滑坡体内孔隙水压力，有利于地下水位下降。

表4　多阶段间歇性下降下滑坡稳定系数

(2)随下降阶段次数的增加，水力梯度曲线不断变缓，最大水力梯度发生明显降低。说明库水位实行多阶段间歇性下降后，可明显改善地下水的渗流条件，更加有利于减小地下水下降的滞后性，使地下水位大幅下降。

从表4可以看出：

(1)在相同的间歇时间下，库水位降到160，145 m时，随着下降阶段次数的增加，滑坡的稳定系数在不断增大，稳定系数提高可达5%以上。根据规范[14]判断，滑坡的稳定状态由欠稳定状态发展成基本稳定状态，说明库水位实行多阶段间歇性下降，可明显提高滑坡的稳定性。随着下降阶段次数的增加，上述滑坡体内的水力梯度不断减小，孔隙水压力能得到及时消散。

(2)库水位间歇时间为5 d，在下降阶段的次数增加到30次时，滑坡稳定性提高的速率发生了降低，但间歇的时间缩短为3 d后，提高的速率又得到一定程度的增大，说明要想达到提高滑坡稳定性的最佳效果，应合理安排库水位下降时间和间歇的时间。

4.3库水位间歇性下降对滑坡稳定影响的机理

在库水位下降的过程中，土体的持水性使得地下水下降具有一定的滞后效应，这种效应会随库水位下降速率的增加而表现得更加明显。这将导致坡体内产生超孔隙水压力，减小土体有效应力。另外，在水位差的作用下，孔隙水经历有压渗透，在坡体产生向临空面的渗透压力，进一步增大了滑体的下滑力，从而降低了滑坡的稳定性。

边坡在瞬时不稳定渗流状态下孔隙水压力的消散较为缓慢，使得土体有效应力相对减小，从而抗剪强度减小，加之渗透压力的变化，边坡在两者共同作用下而趋于不稳定状态[15]。实行库水位间歇性下降，可使滑坡体内因快速下降引起的超孔隙水压力得到消散，相当于提供了土体固结的条件。增加间歇期的作用，就是在增加土体固结的时间，有助于有效应力增加。在实行多阶段间歇性降水后，库水位每下降到一定高度，再进行一定时间的停滞，可及时消散滑坡体内的孔隙水压力。这样就大量减小了由地下水滞后效应产生的水位差，使水力梯度更进一步降低，渗透压力进一步减小。

另外，由于土体的抗剪强度与饱和度有关，从关于非饱和土的抗剪强度的式(2)可以看出，饱和度随含水量的增加而增加，导致基质吸力减小，抗剪强度降低[15]。在孔隙水压力消散的同时，地下水位发生降低，土体将由饱和状态变成非饱和状态，土体含水量在不断减小，导致基质吸力增大，抗剪强度提高，最终使边坡的稳定性得到提高。

(2)

式中：c′为有效黏聚力；φ′为有效内摩擦角；σ为总应力；ua为孔隙气压力；uw为孔隙水压力；Sr为饱和度。

综合上述内容可知：库水位缓降要比陡降有利于滑坡稳定；库水位间歇性下降要比持续下降有利，滑坡稳定程度可得到提高；实行多阶段间歇下降，滑坡的稳定系数得到明显提高，可达5%以上，这将更加有利于滑坡稳定。因而笔者建议，大坝的库水调度可考虑实行分阶段间歇性下降。即在库水位下降的过程中，控制库水位下降与间歇时间，分期按拟定的速率下降若干天后，再以一定的时间间隔停止下降，即可实现库水位间歇性下降。这样在强降雨或汛期时水位快速下降过程中，通过一定时间的间歇等措施，可减小水位骤降对滑坡稳定的影响。

5　结论及建议

(1)库水位以0.2,0.4,0.6,1 m/d的速度持续下降，会引起滑坡体内地下水滞后下落，导致水位差增加，水力梯度增大，稳定系数减小，库水下降速度越大，滑坡越不稳定。

(2)库水位实行2个阶段的间歇性下降后，在库水位保持不变的一段时间里，滑坡体内孔隙水压力逐渐消散，水力梯度逐渐降低，滑坡的稳定性从而得到了提高，这要比持续性下降更有利于滑坡稳定。

(3)库水位实行多阶段间歇性下降后，滑坡体内的水力梯度曲线呈阶梯状，随下降阶段次数的增加，水力梯度曲线变缓，最大水力梯度值发生明显降低，可达到5%以上，滑坡的稳定状态由欠稳定状态发展成基本稳定状态。合理安排库水位下降时间和间歇时间，可使滑坡稳定性提高的效果达到最佳。

(4)基于本文的分析成果，建议在库水位运行调度过程中，应合理制定分阶段间歇降水的方案，这样能在一定程度上减小库水位下降对库岸边坡稳定性不利的影响，降低地质灾害发生的风险。

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(编辑：占学军)

Influence of Intermittent Drawdown of Reservoir Water Level onthe Stability of Accumulation Landslide

XIAO Zhi-yong,DENG Hua-feng,LI Jian-lin,HU An-long,LI Chun-bo,CHANG De-long

(Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area (China Three Gorges University), Ministry of Education，Yichang443002，China)

Rapid drawdown of reservoir water level is adverse to landslide stability.In view of this,we propose that the reservoir water level declines intermittently.On the basis of traditional analysis of persistent drawdown of water level,we analyzed the influences of intermission and intermittent drawdown of water level on the stability of landslide by using Geo-Studio software.An accumulation landslide in Three Gorges reservoir area was taken as an example.Research results show that intermission is in favor of the dissipation of pore water pressure in the landslide; meanwhile,lag effect of groundwater level’s decrease caused by rapid drawdown of reservoir weakens and hydraulic gradient decreases; when we compare reservoir intermittent drawdown with reservoir persistent drawdown,landslide stability factor of the former is bigger,but stability factor is not in proportion with intermission; under the multistage intermittent drawdown of reservoir,stability factor has obviously improved，which is greater than 5%.Finally,in order to optimize the landslide’s stability,we should reasonably arrange reservoir drawdown and intermittent time.

intermittent drawdown of reservoir water level; accumulation landslide; pore water pressure; hydraulic gradient; landslide stability; Geo-Studio；stability factor

2015-06-09;

2015-07-16

国家自然科学基金项目(51309141);水利部公益性行业科研专项(201401029)；三峡大学研究生科研创新基金项目(2014CX016)

肖志勇(1989-)，男，湖北襄阳人，硕士研究生，主要研究地质灾害机理分析与防护设计,(电话)15871610016(电子信箱)i_bound@163.com。

邓华锋(1979-)，男，湖北宜昌人，副教授，博士，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作,(电话)13872585190(电子信箱)dhf8010@ctgu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.201504862016,33(08):114-119

P642.2

A

1001-5485(2016)08-0114-06