库岸边坡承压水成因及作用分析

罗 军，邓建辉，张正雄

（四川大学水利水电学院，四川 成都 610000）

分析大量工程实例发现一类滑坡与岸坡软弱面有关，尤其发生强降雨后，水库坡岸软弱面会积蓄大量地下水且难以迅速排出，导致软弱面蓄水形成承压，在坡体中形成扬压力，加剧边坡失稳。随着意大利瓦依昂水库等滑坡所带来的巨大灾难，水库滑坡问题得到岩土工程和水利水电工程界高度的重视，自此加强了对水库选址、可行性的论证[1]。

1 承压水模型

课题组根据大量工程实践的总结与反思提出承压水库岸边坡模型。承压水岸坡从结构上讲，需要存在补给区、承压区、排泄区。而承压区需要有上下隔水层约束水流，中间透水层形成渗流通道，渗流通道（含水层）需要充填形成承压水，上游补给区考虑为降雨。由此所提出的承压水模型见图1。诸如瓦依昂滑坡、千将坪滑坡、塘岩光滑坡、罗家坪边坡等均属于顺层岩质边坡，存在形成承压水的良好条件。

图1 边坡承压水模型示意图

1.1 承压水模型的构成条件

分析承压水模型适用条件的意义在于，若该岸坡出现以下条件，可以考虑其满足承压水形成条件，则应当在进行稳定性分析的时候考虑承压水的作用。承压水模型适用的环境条件：需要有充足的水源补给、一定的排泄条件。水源的补给可以是降雨、农田水利灌溉、冰雪融化、地下暗河、地表水入渗等；排泄则需要渗流受阻，对于裂隙不够发育的滑坡前缘、下游水库蓄水后水位淹没渗流通道出口，渗流排水不畅使得压力水头上升产生承压水。承压水模型适用的结构条件：承压水的形成需要形成渗流通道，并且易于构成排泄堵塞。顺层岸坡比反向坡和逆向坡更容易形成承压水，缓倾角的岩层比陡倾岩层容易形成承压水。由此向斜核部一侧、单面山的斜坡、背斜的一翼易形成易滑面满足承压水模型。承压水模型适用的材料条件：由于承压区需要有相对隔水层、相对透水层以形成渗流通道，从岩性来讲，泥岩渗透系数很小、砂岩渗透系数较大，该组合所形成的顺层岸坡易满足承压水形成的条件，柘溪水库滑坡、千将坪滑坡属于该类；同时古滑坡也常常满足承压水存在的条件，古滑坡滑带连续且完整构成相对隔水层，滑带下的扰动层构成相对透水层；对于一个风化有明显差异的岩层来说，微风化可考虑为相对隔水层，弱风化为相对透水层，处于弱风化上的滑带属于相对隔水层。

若边坡满足以上条件，则产生承压水的概率较大，在计算边坡安全系数时应考虑承压水的影响。

1.2 承压水模型特点

离坡面环境越远风化程度越低，渗透系数越小，对于微风化层可考虑为未扰动带，渗透系数可达10-10m/s，渗透性差，考虑为相对隔水层。离坡面环境近的岩体受到风化，成为弱风化层，渗透系数略大，考虑为扰动层，其渗透系数因岩体存在差异，约10-5m/s～10-7m/s（常见的玄武岩、砂岩弱风化层渗透系数均在该范围内），该层相对微风化层属于相对透水层。滑带具有连续性，由于构造作用而压缩固结，同时由于降雨，堆积体中细小的颗粒黏土随着雨水的搬运，不断填进滑带的空隙，从而导致滑带呈现出渗透系数小的特性，泥化夹层、泥岩形成的滑带，渗透系数约在10-10m/s～10-7m/s，构成相对隔水层。滑坡体不属于承压水模型的必要构造，虽然渗透系数很大，由于滑带形成的相对隔水层，外部降水不能进入承压水系统。主要起到约束滑带的作用，使承压区处于稳定状态。滑坡后缘的裂隙非常发育，存在良好的渗流通道，当降雨后，水流会随着边坡表面流走，同时部分沿着裂隙进入弱风化层，当进入足够多的水流进入相对透水层即能够形成承压水。该补给的水源可以是常规的降雨、农田水利灌溉、地下暗河等。构成承压水模型，需要水流排泄不畅，即渗流通道堵塞。

顺层类岩质岸坡，大多存在良好的形成承压水模型条件，而承压水对岸坡的稳定性具有较大影响，在忽略了承压水的作用下用传统方法验证安全的岸坡易发生失稳。

2 承压水数学模型分析

根据岸坡稳定性分析的传统计算方法，主要考虑内摩擦角、粘结力、滑体自重。当有水的作用下，常常考虑为浮托力，即在水下的滑体部分计算为浮容重，水上的滑体部分计算为天然容重。此外，降雨的情况，考虑为沿表面的渗透力，未考虑滑体的渗透性。如前文所述，在满足特定情况的岸坡，能够形成承压水模型的条件，此时计算不应忽略承压水头对岸坡稳定性所带来的影响。而考虑承压水头，主要影响的因素为渗透系数、上游流量、下游库水位、承压段倾角、承压段厚度。

进行承压水模型数学解析，模型上游水头H1、下游水头H2、上下游水头之间的水平距离L、渗透面与水平方向的夹角α。当上下游水头一定时，地下水形成稳定流动，地下水的流线为一条直线，即一维流动，其连续性方程为常微分方程。根据地下水微分方程及一维地下水渗流原理可列出以下微分方程：

对(1)式两次不定积分，带入边界条件，可以解出模型的总水头，即：

渗流通道顶部承压：

式中：z为滑带的形状函数z=f(x),m；m为渗流通道的厚度，m。

从公式(4)可以看出，在定水头边界条件下滑坡体受到最大承压与上下游水头密切相关，与滑带的形状及渗流通道的厚度相关；在渗透通道贯通且渗流通道的渗透系数不变时，坡体受到的最大承压与渗透系数、流量无关。

3 罗家坪滑坡中承压水作用分析

罗家坪滑坡位于绥江县城下游金沙江右岸的新滩溪沟口左侧，距绥江县城的公路里程约13 km，前缘为新滩溪基岩变形体，滑坡体上分布有大量民房、水绥二级路及450 m的新滩溪大桥。据现场调查访问，该滑坡体在向家滑带坝水库蓄水前局部地段已产生变形，水库蓄水后，变形进一步加剧，造成地表及部分建筑物出现变形开裂[3]。

地层岩性：库区出露地层较齐全，从上元古界至新生界除石炭系、第三系缺失外均有出露[2]，基岩按岩性组合可归并划分为：碎屑岩岩组、碳酸盐岩组和火山岩岩组三大类[2]。地质构造：库区的地质构造以褶皱为主，断裂构造不甚发育，区内构造形迹主要有南北向和北东向2组。在新滩溪以上河段，南北向构造较发育，以下河段则以北东向构造为主。库区上游部分规模较大的断层主要有猰子坝断层、关村断层、中村断层，在下游的库首东部主要分布有北西向的柏树溪断层，其余均为延伸长度小于10 km的较小断层。规模相对较小的主要有南北向的一龙断层、北西向的湾湾滩断层和楼东断层通过库区。滑坡边界存在小规模北西向的湾湾滩断层与北西向龙桥背斜。

滑体物质组成及滑带特性：勘探结果表明，滑坡体组成物质大致有2种类型，占主要部分的为崩塌堆积形成的粘土、粉质粘土夹崩(块)石、碎石。其次新滩溪变形体的碎裂岩及湾湾滩断层破碎带及影响带内的断层碎裂岩或糜陵岩，该类物质主要由碎块石夹泥组成，但含泥量明显减少，局部地段也有成层现象。滑坡体滑动带后缘组成物质为覆盖层，由于地形较陡，所以滑动带深度一般不大，多在10 m以内。滑坡中下部一带滑动带主要受基岩面的控制，下部岩体多较完整，钻孔揭露的滑动带物质多为崩塌堆积的粘土、粉质粘土。

根据上述地质概况可以检验是否满足承压水模型形成条件。通过该地形地貌可以看出其符合顺层岸坡。通过地层岩性、滑带特性可以看出，其符合承压区形成条件，即滑带多为崩塌堆积的粘土、粉质粘土，其渗透系数相对较小，形成上层相对隔水层；而滑带下的强风化层能够形成理想的渗流通道；强风化层的灰岩透水性很差形成下层相对隔水层。与此同时，该区域属于四川盆地亚热带气候，降雨集中，在7月～9月份有很好的水源补给条件。对于滑坡后缘所处的金沙江，是整个承压水模型进行排泄的区域。同时根据调查，原水绥公路边坡坡脚存在泉眼，且岩体结构松软，雨季经常发生垮塌。而蓄水后，水位抬升，泉眼淹没，地下水排泄不畅。综上所述，罗家坪滑坡很好的满足承压水模型所形成的条件。

正如前文所描述，罗家坪滑坡为顺层岸坡，通过《金沙江向家坝水电站库区罗家坪滑坡工程地质勘察报告》可知，基岩渗透系数为2×10-9m/s为相对隔水层的下边界，风化层渗透系数为3×10-7m/s为相对透水层，风化层上部的滑带土渗透系数为3×10-11m/s为相对隔水层的上边界；与此同时，罗家坪滑坡前缘处原水绥公路边坡坡脚存在泉眼，岩体结构松软，在二期蓄水后，水位抬升，泉眼被淹没，使得承压区渗流通道排泄不畅，成为形成承压水头的诱因。与此同时，在2013年7月～9月份期间发生强降雨，构成承压水动力来源。因而，罗家坪滑坡具备形成承压水模型的条件。

图2 降雨量—地表变形速率关系曲线

分析在二期蓄水（2013年6月26日）后罗家坪滑坡发生的大变形。由图2可知变形主要发生在2013年7月～9月。在2013年7月发生强降雨，一方面由于降雨入渗的作用，材料力学参数下降构成物理条件；另一方面由于下游库水位上升，在降雨入渗的情况下滑坡前缘排泄不畅，导致形成承压水头，该水头作用于滑带底部，越靠近滑坡前缘承压水头越大，垂直滑面向上，导致整个滑坡抗滑力减小，尤其在滑坡前缘部分，对滑坡稳定性不利，以形成了罗家坪滑坡的动力来源。上述作用联合下，导致罗家坪滑坡在7月～9月份发生大变形，滑坡前缘变形速率大于滑坡后缘的整体性滑移。而形成承压水水头，需要风化层（渗透系数为3×10-7m/s）渗流完成，该过程需要一定的时间，因而滑坡滑移发生在降雨后的几天。

罗家坪滑坡的成因：一方面由于降雨入渗的作用，材料力学参数下降构成物理条件；另一方面由于下游库水位上升，在降雨入渗的情况下滑坡前缘排泄不畅，导致形成承压水头，该水头作用于滑带底部，越靠近滑坡前缘承压水头越大，垂直滑面向上，导致整个滑坡抗滑力减小，尤其在滑坡前缘部分，对滑坡稳定性不利，以形成了罗家坪滑坡的动力来源。

4 结语

对于满足承压水模型形成条件的边坡，考虑承压水对边坡稳定带来的影响至关重要，能够更加准确的反映边坡真实情况，从而在治理上找准根源对症下药，同时在勘探期能够及时发现风险，采取相应措施，减少不必要的损失。

由所推导的承压水头模型可以看出，对于改变不了渗透系数、承压区倾角的工程岸坡，影响承压水头大小的关键因素在入渗流量、下游库水位、承压区渗径。因而，在治理及预防上可采取以下措施来减小承压水对滑坡稳定带来的影响。从减小暴雨期入渗流量方面，可以在滑坡后缘部分开挖排水沟进行引流，让降雨能够尽量通过堆积体流走，不形成小水塘蓄在滑坡后缘，从而在一定程度上，减小了承压区的入渗流量；从下游库水位方面，由于库水位影响着向家坝的效益，不能受罗家坪滑坡因素发生太大变动，可在大暴雨期，适当降低库水位，待雨季结束后恢复至正常水平；从减小承压区渗径上，在罗家坪滑坡中下部进行钻孔，穿透滑带并进行排水，该措施会破坏承压区，使得承压区影响的范围减小，从而降低承压水对滑坡稳定性带来的影响。

采用承压水模型计算出的安全系数远小于传统方法，这是导致很多岸坡在进行前期勘探分析稳定却产生滑动的原因，因而对符合承压水模型形成条件的岸坡进行分析时，承压水头不容忽视。