水位涨落引起的库岸再造对岸坡稳定性的影响研究

2018-08-08晏鄂川李庆伟

安全与环境工程 2018年4期

杨广，晏鄂川，李庆伟

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

三峡工程建成后，上游水位抬升超过百米，库区淹没总面积近8万km2，涉及移民117.15万人。库水位升高引起库岸斜坡水文地质条件发生显著的改变，产生了许多工程地质问题。据统计，90%以上的斜坡破坏与水的作用有关。已有文献[1-4]对库水位升降作用下的边坡渗流场和稳定性进行了研究，认为水是导致坡体变形破坏的主控因素。在三峡库区，库水位大幅波动造成岸坡渗流场改变的同时，其强烈的侵蚀堆积作用也不断地影响着库岸再造的强度，宏观上即表现为地形地貌的改变。孙冬梅等[5]对库水位下降时某土质岸坡非稳定渗流进行了分析，认为孔隙气压力对边坡的稳定十分不利；连志鹏等[6]分析了在库水位和降雨联合作用下的岸坡渗流特征，并在此基础上探讨了岸坡稳定性的变化特征；卢书强等[7]通过分析滑坡的变形监测数据，认为库水位下降速率影响滑坡的动态变形特征；张旭等[8]基于非饱和土理论建立了流-固耦合模型，并通过有限元法揭示了水分在坡体内运移与土体变形相互影响的空间效应。

针对库水位对岸坡整体稳定性的影响，目前的研究往往局限于地下水渗流，而忽略了地表水体对岸坡地形的改造作用。因此，本文在现有分析方法的基础上，以巫山县某岸坡为例，结合详细的勘察资料，并考虑库水位周期性作用对岸坡地形的改变，利用数值模拟方法对该岸坡地下水渗流特征和稳定性进行了研究。

1 岸坡工程地质概况

本文研究的库岸斜坡位于重庆巫山县大宁河与长江交汇处。岸坡北临大宁河，南临长江，属于构造侵蚀、剥蚀河谷地貌，地势东高西低，山脊总体呈北东向展布，如图1所示。该岸坡地表沿山脊呈马鞍型，形成了两个宽缓平台：第一平台位于坟院子一带，高程为230～280 m，为人工建设后的神女庙，两侧岸坡坡角为20°～40°，高程越高坡角越陡；第二平台为大、小和尚包一带，高程为170～190 m，两侧岸坡坡角为20°～30°。山脊平台之间临水一侧各发育红梁子沟和小狗架子沟，冲沟切割较深，达几十米，沟长为80～150 m。岸坡最低点为长江、大宁河，原始河床高程为70～80 m，相对高差为100～200 m。

图1 2017年岸坡地形图Fig.1 Topographic map of the bank slope in 2017

该岸坡坡体物质主要为第四系松散堆积物和三叠系嘉陵江组第四段灰岩(见图2)。其中，第四系堆积物厚度大，广泛分布于山体斜坡、台地、阶地及河漫滩上，成因类型有冲洪积物、残坡积物、崩积物和滑坡堆积物，成分由粉质黏土夹碎石、碎块石土及砂卵砾石等组成，表层较松散，深部较密实；基岩未在研究区内出露，为钻孔揭露，以灰黑色中厚层微—细晶灰岩为主，坚硬性脆，溶蚀孔隙发育，较破碎，有胶结。

图2 2017年岸坡典型地质剖面图Fig.2 Typical geological section of the bank slope in 2017

2 岸坡地形对比分析

1997年11月，长江首次截流，三峡水库库水位开始升高；到2010年，三峡水库第一次实现175 m蓄水目标。至今，三峡工程已连续8年成功实现175 m试验性蓄水目标。自三峡库区蓄水以来，原先位于江面以上的岸坡岩土体遇水饱和，物理力学强度降低，然后不断受到周期性的河流地质作用，产生冲刷和淤积。对于土质河岸，河流的持续冲刷使得岸坡变陡，造成塌岸，崩塌后的土体在坡下淤积，产生的淤积物又被水流冲走，开始新的冲刷和崩塌[9]。如Simons等认为河岸冲刷强度不仅与水流的拖曳力有关，还受到风浪和岸坡几何形态的影响[10]；石盛玉等[11]对比不同时期长江某河段水下地形资料，分析了该段河槽的冲淤演变特征，并对其微地貌进行了高分辨率的观测；张芳枝等[12]认为河流的冲刷作用加大了堤岸和河床的塑性区范围，降低了堤岸的安全系数。为了分析三峡库区开始蓄水至今岸坡地形的变化，本次研究选取了1997年长江三峡库区巫山县迁建新址地形图和2017年实测库岸勘查平面图进行了对比，见图3和图4。

图3 岸坡地形平面对比图Fig.3 Planar comparison graph of the bank slope terrain

图4 岸坡地形剖面对比图Fig.4 Comparison graph of the bank slope terrain profile

由图3和图4可见，随着河流地质作用高程不断抬升，岸坡不同位置和高程处地形改变的方式和程度均有所不同:北侧岸坡主要表现为大宁河的淤积作用，南侧则表现为长江的侧蚀作用，且这种河流的冲淤作用在低水位表现得更加明显(见图3)；175 m水位线以上的岸坡，蓄水前后的地形变化不大，而175 m水位线以下的岸坡，地形变化明显，特别是在水下宽缓平台的区域，最大淤积厚度达12 m。分析原因认为：大宁河属典型的山区河流，与长江呈大角度Y型交汇，在北侧岸坡附近，大宁河河水流速急剧降低，局部地段形成回水区，产生泥沙淤积，而南侧岸坡属长江干流的凹岸，受江水冲刷严重，侧蚀现象明显；两条冲沟内地形受到地表暂时性水流的影响，淤积作用更突出；由于库区水位调度的限制，河流冲淤作用在水位变动带附近表现明显。现场调查也证实，南侧岸坡受到江水的冲刷掏蚀，上覆土体在自重作用下产生崩塌，塌岸现象更严重。

3 岸坡地下水渗流特征和稳定性的数值模拟分析

3.1 岸坡数值模型构建

本次研究以整个岸坡为研究对象，考虑地形的变化，并选取库岸段两条典型剖面，对蓄水前后不同地形岸坡的地下水渗流特征和稳定性进行数值模拟计算，即通过数值分析软件GeoStudio的SEEP/W模块获取饱和-非饱和条件下岸坡瞬态渗流场，并将结果导入SLOPE/W模块中进行水-土耦合作用下的岸坡稳定性计算。

本次研究选取1997年和2017年同一岸坡的两条典型剖面进行计算，以蓄水后2017年实测岸坡A-A′剖面为例(即图2典型地质剖面)，渗流计算模型见图5。在模型中定义了3种实体材料，即粉质黏土夹碎石、碎块石土和灰岩。饱和-非饱和模型的土-水特征曲线和渗透系数随基质吸力的变化曲线，依土体类型由SEEP/W模块自带的模型进行拟合，岩土体物理力学及水力学参数根据土工试验和工程类比获得，具体赋值见表1。

图5 岸坡渗流计算模型Fig.5 Seepage calculation model of the bank slope

为了分析岸坡在库水位长期作用下，地形改变前后坡体稳定性变化特征，本次计算假设不同时期岸坡均处于同一工况，从而对水库运行后期岸坡稳定性的变化做出合理预测。因此，岸坡渗流计算取降水位工况，模型边界条件为：基岩顶面为零流量边界，左右为给定水头边界。其中，给定的水头值依据三峡工程正常运行时库水位调度特征(见图6)赋值，初始库水位为175 m，库水位下降速度为0.6 m/d，历时50 d，并持续145 m低水位运行10 d。岸坡稳定性计算采用M-P法，最危险滑动面通过自动搜索确定。

表1 岩土体物理力学及水力学参数Table 1 Physico-mechanical and hydraulic parameters of the rock and soil

图6 三峡工程正常运行期库水位调度图(资料来源：三峡库区地质灾害防治工程地质勘查技术要求)Fig.6 Reservoir water level scheduling chart during the normal operation of the Three Gorges Project 1.防破坏线；2.限制供水线；Ⅰ.防洪区；Ⅱ.装机预想出力区；Ⅲ.保证出力区；Ⅳ.降低出力区

3.2 岸坡地下水渗流特征数值模拟计算结果与分析

岸坡在降水位工况下地下水渗流数值模拟计算结果见图7和图8。

图7 岸坡地下水浸润线及流速矢量分布图Fig.7 Distribution of the saturation line and velocity vector of groundwater of the bank slope

图8 不同库水位下岸坡地下水总水头云图Fig.8 Gross head contour of groundwater in bank slope with different water level

由图7和图8可见，岸坡地下水渗流具有对称性。图7(a)显示，地下水在岸坡中部位置(相对靠近右侧)出现分水岭，分别从两侧坡脚自由水面排出，左侧岸坡地下水流速矢量更为密集;图7(b)显示，随着库水位的下降，岸坡内地下水平缓下降，水力坡降开始增大，至第50 d达到最大，之后随着库水位的稳定运行，地下水浸润线逐渐趋于平缓，表现出明显的滞后效应。对比分析图8(a)至(c)可以看出，岸坡地下水总水头最小值为当前库水位，相应位置处总水头值随着库水位的降低而减小，左侧岸坡总水头分布变化比右侧岸坡大，即左侧岸坡地下水渗流的水力坡降比右侧大。

分析产生上述地下水渗流特征的原因主要包括两个方面：一是岸坡所处的水环境，该岸坡左临大宁河，右临长江，且两侧水位受库区统一调度，因此岸坡地下水具有类似河间地块的渗流特征；二是两侧岸坡地形差异，左侧岸坡地形较陡峭，而右侧岸坡地形较平缓，造成左侧岸坡地下水渗流水力梯度比右侧大，流速矢量更为集中。

3.3 岸坡稳定性数值模拟计算结果与分析

岸坡在降水位工况下稳定性数值模拟计算结果见图9。

图9 岸坡在降水位工况下不同剖面稳定性系数变化曲线Fig.9 Curves of stability coefficient of different profiles of the bank slope under the reservoir drawdown condition注：2017、1997代表年份；A、B代表剖面；1、2分别代表大宁河和长江

由图9可见，总体上看，随着库水位的下降，岸坡稳定性系数均有不同程度的降低，并在刚到达最低库水位时出现最小值，且A-A′剖面岸坡稳定性变化幅度较B-B′剖面更大。对比不同地形条件下相同岸坡的稳定性计算结果，结果表明：2017年岸坡更趋于稳定，即水体对岸坡地形的改造有利于坡体的稳定。分析原因认为：随着库水位的下降，地下水产生的向坡外的渗透压力不断增大，当库水位降至145 m时，渗透压力达最大；随着库水位维持在低水位运行，地下水浸润线开始变缓，水力坡降开始减小，渗透压力降低，岸坡稳定性逐渐升高。

由上可见，自三峡库区开始蓄水以来，岸坡受库水的冲刷淤积，当局部或整体失稳时，发生库岸再造，产生新的地形仍不断受到河流地质作用，最终形成使坡体自稳能力更强、趋于更稳定的状态。