库水位变化对库岸稳定的影响

纪　南，吕城腾，王　蓓

（河海大学地球科学与工程学院，南京210098）

库水位变化对库岸稳定的影响

纪南，吕城腾，王蓓

（河海大学地球科学与工程学院，南京210098）

澜沧江上某水电站蓄水运行后，库水位的变动对库岸边坡的稳定性有较大影响。以该电站库区的一个库岸为例，根据库水位调度规划及当地水文资料，运用土体渗流理论以及极限平衡方法对库岸边坡进行稳定性分析，同时在灵敏度分析的基础上，研究库岸渗透系数和库水位变化对库岸边坡稳定性的影响。结果表明：在库水位上升阶段，当库岸边坡渗透系数很大时（k=2.5×10-4m/s），库岸地下水位将和库水位同步上升，将降低边坡的安全系数；当库岸边坡渗透系数很小时（k=2.5×10-6m/s），库岸边坡地下水位的上升将滞后于库水位的上升，导致作用在库岸边坡上，有利于库岸边坡的稳定；在库水位下降阶段，当库水位下降速率小于等于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡地下水位随着库水位的下降而降低，库岸边坡的稳定性随着库水位的降低而增加；当库水位下降速率大于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡地下水位的下降将滞后于库水位的下降，产生动水压力作用于库岸边坡，不利于库岸边坡的稳定。并提出了水库蓄水阶段应尽量保持在2 m/d内的上升速度，水位下降阶段应将水位下降速度控制在1 m/d之内的建议。该研究对水库安全运行具有一定指导作用。

库水位变化；库岸稳定性；渗透系数；极限平衡法；灵敏因子分析

0　引言

边坡是一种常见的地质灾害，由于水库的蓄水诱发的边坡失稳现象在国内外普遍存在。水库库岸边坡的稳定性分析研究对水利工程的建设以及安全运营有着重要的意义。随着库水位的变化，库岸边坡的渗透系数和库水位的变化速率是影响库岸稳定的两个重要因素。水库运行期间，库岸边坡受水库水位变动影响，其计算工况复杂，较一般边坡具有特殊性。国外学者曾调查发现，49%的滑坡发生在蓄水初期，30%发生在水位骤降10～20 m的情况下，其余为发生在其他时间的小型滑坡［1］。水库库水位变动、波浪的冲蚀、库水浸泡对堆积体的稳定性有很大影响［2］。水库水位快速变动是导致边坡失稳的重要因素之一。地下潜水位上升时，岩土体饱和区域增大，饱和岩土体抗剪强度较低，对堆积体稳定性有较大影响地下潜水位下降时，坡内水向坡外渗流产生的渗透压力对堆积体稳定性极为不利。

库水位涨落对堆积体的影响是一个动态的过程，地下渗流场随水位不同而动态变化，评价这样边坡稳定性是工程与学术中的重要课题［3］。目前水位升降情况下稳定性研究大多限于饱和土范畴，研究稳定流下的边坡稳定性，但饱和土力学不能考虑到基质吸力对边坡稳定性的影响，以及非饱和土孔隙水压力产生和消散的过程［4-6］。

本文主要根据现场的一些观测资料和地质现象，通过极限平衡理论和数值模拟，来讨论不同的库水位变化速度和库岸的渗透系数对库岸稳定的影响，研究结果对水库安全运行有一定的指导意义。

1　库岸边坡的工程地质特征

阿塔登Ⅰ（H2）滑坡位于云南省大理白族自治州云龙县，是澜沧江上游河段苗尾水电站库岸边坡（图1），上距马登桥约2.6 km，距离下坝址约55.2 km。，滑坡沿江长度约为420 m，岸坡为阳坡，对岸几何形态为平直岸。

图1　H2滑坡全貌Figure1　Panorama of landslide H2

滑坡形态明显，滑坡体前缘澜沧江呈SSW流向，水面高程1390.8 m，水面宽60 m左右。滑坡体内开垦为梯田，周边无居民点及其它设施分布。滑坡后缘为基岩斜坡，坡度大于40°，F60断层在滑坡体下游的基岩岸坡有露头，产状：SN～N10°W，SW∠60～80°，断层带内岩体挤压强烈。坡上植被发育一般，H2滑坡体周界清晰，在平面上呈近正方形，后缘高程为1580～1625 m，前缘高程约1390 m，沿江长约420 m，面积0.17 km2。滑坡体厚度为43.0～68.2 m，总方量约700万m3。滑坡体内分布两条支沟，切割深度8～15 m，沟内有常流水。滑坡体中后部为圈椅地形，横向起伏变化较大，纵向坡度为15°～25°；前缘坡度较陡为25°～35°，分布有次级滑动形成的陡坎，坎高10～25 m。滑坡体表面拉裂缝发育，多呈组出现，一般张开为0.5～5 cm，最大达20～40 cm，延伸长度为3～16 m，深度为2～8 m。滑体前缘有地下水出露，水量较小。

从2015年3月到2015年10月，经过8个月的观测，发现边坡的后缘产生张拉裂缝。裂缝宽度由三月份的2 cm逐渐发展到十月份的10 cm，深度也由三月份的3 m逐渐加深到十月份的5 m。从滑坡体特征分析，目前处于变形阶段，主要表现为前缘滑塌和中后部的拉裂变形，呈现累进式破坏。滑坡体内的两条冲沟常年有流水，地表水的活动使滑坡体局部土体饱和，是导致滑坡变形加剧的主要原因之一，同时由于河谷的下切和地貌的改造，导致河谷应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂。水库蓄水后，滑坡区河水位升高约20 m，水库蓄水对滑坡稳定有一定影响。滑坡堆积物主要由第四系崩坡积松散的碎石土和风化基岩组成，无明显的分层特征（图2），滑动带位于第四系覆盖层与破碎的风化基岩分界附近，未见明显的软弱夹层分布。

图2　H2滑坡剖面示意图Figure2　A schematic diagram of landslide H2

2　库岸边坡稳定性计算

本文的计算采用了Geostudio软件。进行极限平衡分析，根据剖面数据和钻孔数据对坡体进行建模和分层，利用室内试验和工程类比给出相应地层的参数。应用slope和seep模块进行边坡稳定性分析，进行应力场和渗流场的耦合，模拟出安全系数最小的滑动面。

2.1极限平衡理论

本次计算主要使用毕肖普法。表层的堆积物和覆盖层可以看成均质体，采用圆弧滑动进行分析，下部的弱风化层岩性较好，利用平面滑动进行分析。对边坡局部的稳定分析采用关键块体理论进行楔形体分析。

毕肖普法中土坡稳定系数的含义是整个滑动面上土的抗剪强度Tf与实际产生剪应力T的比，即K= Tf/T，并考虑了各土条侧面间存在着作用力，根据静力平衡条件和极限平衡状态时各土条力对滑动圆心的力矩之和为零等，可得毕肖普法求坡体稳定系数的普遍公式，如图（3）所示，Ei及Xi分别表示法向及切向条间力，Wi为条块自重，Qi为水平力，Ni、Ti分别为条块底部的总法向力（包括有效法向力及孔隙水压力）和切向力。

图3　Bishop法计算图式Figure3　Computational scheme of Bishop Method

Bishop法的安全系数可以通过下式计算：

2.2H2边坡渗流模拟计算条件

条件（1）库水位以1 m/d和2 m/d的速度上升从1390 m到1 410 m；

条件（2）库水位以1m/d和2m/d的速度下降从1410m到1390m。

2.3H2渗流计算分析

如图4所示，纵坐标为高程，横坐标为到滑坡体后缘的距离。由于库水位的改变地下水位也发生着改变，并随着库水位的上升而上升。比较图4中的（a）（b）两图可以得出，库水位上升的越快，地下水位上升的越慢。

如图5所示，纵坐标为高程，横坐标为到滑坡体后缘的距离。地下水位随着库水位的降低而下降并滞后于库水位的下降，比较图5中的（a）（b）两图可以得出，库水位下降的速度越快，地下水位下降滞后于库水位下降的时间越长。

3　库岸稳定性和库水位变化的灵敏度分析

由库岸的勘察报告［7］可知，H2边坡的饱和渗透系数是从2.5×10-4到2.5×10-6m/s，所以我们考虑四个不同的库水位变化速率（v=2.5×10-4、2.5×10-5、1× 10-5、4×10-6m/s），同时库水位上升模拟是从1390 m到1410 m，库水位下降模拟是从1 410 m到1390 m，从而对库岸稳定性和库水位变化的灵敏度进行分析。

3.1库水位上升

从图6可以看出，当H2边坡的饱和渗透系数是2.5×10-4、2.5×10-5和2.5×10-6m/s时，库水位以v=2.5× 10-4、2.5×10-5、1×10-5和4×10-6m/s的速度从1390 m上升到到1410 m时，H2边坡的安全系数在提高。

图4　H2滑坡滑动面示意图（水位上升）Figure4　A schematic diagram of landslide H2 sliding surface（water level rising）

图5　H2滑坡滑动面示意图（水位下降）Figure5　A schematic diagram of landslide H2 sliding surface（water level lowering）

（1）当边坡的渗透系数是k=2.5×10-4m/s时（图6a），其中库水位上升的速度小于边坡渗透系数时，随着水位的上升，边坡的安全系数先以较快的速度增加然后逐渐的增加的速度开始减慢，有的甚至增加的速度减到负值，开始逐渐降低；当库水位上升速度等于边坡渗透系数时，随着水位的上升，安全系数的增加率一直在提高。

（2）当边坡的渗透系数k=2.5×10-5m/s时（图6b），库水位上升速度在2.5×10-4m/s和4×10-6m/s之间时，边坡安全系数的增加率随着水位的上升而增加，并且库水位的上升速度越大，边坡安全系数的增加率反而越小。

（3）当边坡的渗透系数k=2.5×10-6m/s时（图6c），库水位上升速度大于边坡渗透系数，边坡安全系数的增加率随着水位的上升而增加，并且和库水位的上升速度是正相关关系。

3.2库水位下降

在图7中，H2边坡的饱和渗透系数是2.5×10-4、2.5×10-5和2.5×10-6m/s，库水位以v=2.5×10-4、v=2.5× 10-5、v=1×10-5和v=4×10-6m/s的速度从1410 m下降到1390 m。

（1）当库岸边坡的渗透k=2.5×10-4m/s时（图7a），边坡安全系数增加率随着库水位的降低而增加，并且库水位下降速率越大，边坡安全系数的增加率反而越小（在边坡渗透系数不变的情况下，库水位降低的速率越慢库岸边坡安全系数增加的越快）。

图6　库水位上升曲线Figure6　Reservoir water level rising curve

图7　库水位下降曲线Figure7　Reservoir water level lowering curve

（2）当库岸边坡的渗透系数是k=2.5×10-5m/s时（图7b），当库水位降低速率（v=1×10-5，v=4×10-6m/s）小于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡的安全系数随着库水位的降低而增加；当库水位降低速率（v=2.5× 10-4，v=2.5×10-5）大于等于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡的安全系数随着库水位的降低而降低。

（3）当库岸边坡的渗透系数是k=2.5×10-6m/s时（图7c），库岸边坡的安全系数随着库水位的下降而减小，并且和库水位下降的速率呈正相关关系。

3.3讨论分析

（1）库水位上升阶段河水向边坡内入渗，水的渗透压力直接作用在库岸边坡上。库岸边坡的渗透系数越小，库水位上升的速率越快，作用于库岸边坡的渗透压力越大，越有利于库岸边坡的稳定；另一方面，当库岸边坡的渗透系数较大时，库岸边坡地下水位将随着库水位的上升而上升，库岸边坡增加的孔隙水压力将降低库岸边坡的稳定性。

（2）库水位下降阶段，由于库岸边坡较小的渗透系数导致地下水的下降滞后于库水位的下降，从而产生孔隙水压力作用在库岸边坡上。换而言之，库岸边坡的渗透性越差，库水位下降的越快，越不利于库岸边坡的稳定。然而，由岩土体的渗透理论可知，当库水位下降一段时间趋于稳定后，库岸边坡的渗流场将达到稳定状态，孔隙水压力将逐渐消散，此时库岸边坡的稳定性将增加。通过对该边坡实际的应力监测，蓄水位阶段边坡表层的最大应力为0.5 MPa，水位降到初始水位后，边坡表层的最大主应力变为0.4 MPa。

4　结论及建议

4.1结论

通过以上分析，可以总结出库岸边坡的安全系数和库岸的渗透系数以及库水位的变化速率有关。

（1）库水位上升阶段，当库岸边坡渗透系数很大时（k=2.5×10-4m/s），库岸地下水位将和库水位同步上升，将降低边坡的安全系数；然而，当当库岸边坡渗透系数很小时（k=2.5×10-6m/s），库岸边坡地下水位的上升将滞后于库水位的上升，导致渗透压力作用在库岸边坡上，有利于库岸边坡的稳定。

（2）在库水位下降阶段，当库水位下降速率小于等于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡地下水位随着库水位的下降而降低，库岸边坡的稳定性随着库水位的降低而增加；当库水位下降速率大于库岸边坡渗透系数时，库岸边坡地下水位的下降将滞后于库水位的下降，产生动水压力作用于库岸边坡，不利于库岸边坡的稳定。

4.2建议

（1）水库蓄水阶段应尽量保持在2 m/d内的上升速度，防治边坡失稳，同时监测边坡的位移情况，适当的调整水库的蓄水速度。

（2）水位下降阶段，应将水位下降速度控制在1m/d之内，防止因为水位下降过快而造成较大的渗透压力作用在边坡上，使边坡下滑。

［1］贾韵洁.库岸边坡地下水位动态与稳定性研究［D］.西安：长安大学，2005.

［2］杨帆，张发明.考虑库水位变动影响的岸坡稳定性分析［J］.科学技术与工程，2013.

［3］刘翠容.地下水位变化对边坡稳定的影响［J］.铁道建筑，2005.

［4］张文杰，陈云敏，凌道盛.库岸边坡渗流及稳定性分析［J］.水利学报，2005.

［5］张卫民，陈兰云.地下水位线对土坡稳定的影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2005.

［6］时卫民，郑颖人库.水位下降情况下滑坡的稳定分析［J］.水力学报，2004.

［7］张发明，李雨坤.苗尾水库库岸稳定勘察报告［R］.2014.

［8］Fawu Wang，Yueping Yin，Zhitao Huo，and Gonghui Wang.Landslid⁃ing Caused by Water Level VariationinChinaThreeGorges Reservoir. springer［J］.2013，

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Impacts from Water Level Variation on Reservoir Bank Stability

Ji Nan，Lyu Chengteng and Wang Bei
（School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098）

Since the impoundment and operation of a hydropower station on the Lancang River，reservoir water level variation has con⁃siderably impacted reservoir bank slope stability.Taking a reservoir bank in the area as an example，according to reservoir water level scheduling，planning and local hydrological data carried out slope stability analysis through soil seepage theory and limit equilibrium method.Meanwhile on the basis of sensitivity analysis，has studied impacts on reservoir bank slope stability from variation of reservoir bank permeability coefficient and water level variation.The result has shown that during the water level rising stage，when slope perme⁃ability coefficient is large（k=2.5×10-4m/s），reservoir bank groundwater level will rise synchronized to reservoir water level，thus will re⁃duce the safety factor of the slope；when slope permeability coefficient is small（k=2.5×10-6m/s），the rising of reservoir bank groundwa⁃ter level will lag behind reservoir water level，thus caused seepage pressure acting on bank slope and in favor of slope stability.During the water level lowering stage，when reservoir water level decline rate less than or equal to slope permeability coefficient，slope ground⁃water level will lower down along with reservoir water level，slope stability will increase along with reservoir water level lowering.When reservoir water level decline rate larger than slope permeability coefficient，slope groundwater level lowering will lag behind reservoir water level，thus caused dynamic water pressure acting on bank slope，to the disadvantage of slope stability.It is suggested that during the reservoir impoundment stage，rising rate should be kept as far as possible within 2m/d，while during the lowering stage，lowering rate within 1m/d.The study has certain guiding significance to reservoir safe operation.

reservoir water level variation；reservoir bank stability；permeability coefficient；limit equilibrium method；sensitivity factor analysis

P641.1；P642.22

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.10.11

1674-1803（2016）10-0048-05

纪南（1992—），男，硕士研究生，地质工程与地质资源专业。

2016-05-10

责任编辑：樊小舟