库区斜坡水位变动响应研究

张海生，高海静

(河南省水利水电学校，河南 周口 466001)

随着水利工程的修建，库岸边坡稳定性问题逐渐成为研究的热点问题。库岸边坡的稳定性关系着水利工程的正常使用以及库区辐射范围内居民的安全，因此，库岸边坡稳定性具有极大的研究意义。罗晓龙[1]对三峡库区巫山段的岸坡进行现场调查，结合室内数值模拟手段对三峡库区巫山段岸坡的变形破坏机理进行分析，研究岩土弱化系数对岸坡稳定性的影响。潘兴标[2]以强度折减理论为参考，使用有限元数值模拟的方法对码头岸坡在堆载和卸载过程中的稳定性变化情况进行研究，结果与实际情况吻合较好。邓华锋等[3]使用室内岩体力学实验的方法研究区库岸边坡岩土体在干湿循环作用下的强度劣化以及对岸坡稳定性产生的影响，当岩土体强度产生劣化后，岸坡安全系数变化明显。唐红梅等[4]以三峡库区凉水井滑坡为例，认为研究库区边坡稳定性时可以考虑渗流驱动力的作用，通过实际验算，考虑渗流驱动力计算的岸坡稳定性较为准确。陈将宏[5]对岸坡稳定性的影响因子权重进行确定，认为降雨、岩土体参数为影响岸坡稳定性的重要因素。张振华等[6]以三峡库区千将坪滑坡为例，研究顺层岸坡在水位变动过程中的稳定性变化情况，结果表明当库水淹没越深时，岸坡稳定性系数越低。陈宇龙等[7]提出利用弹性波波速来预测滑坡的稳定性，建立了一种新的滑坡监测预警平台。阎长虹等[8]、杨帆[9]、郭璐[10]研究了缓地形滑坡以及堆积层滑坡稳定性的变化规律。

1 斜坡概况

1.1 规模

研究斜坡位于长江左岸，平面形状为簸箕状，斜坡两侧边界为冲沟，斜坡后缘为弧形。该斜坡前缘陡坎较为发育，斜坡剪出口位于水面以下。通过现场调查，该斜坡的潜在滑动面为基岩与覆盖层的接触面，斜坡高差100多m，长900多m，宽500多m，覆盖层厚度约为25m，属于中-厚层特大型的土质斜坡。斜坡平面图如图1所示。

图1 斜坡平面图

1.2 物质组成

斜坡覆盖层(潜在滑体)，主要为第四系堆积物，岩土体性质表现为粉质黏性土夹杂部分块碎石土，该地区原岩为泥岩和泥灰岩，堆积体重土石比为1∶1。斜坡主要为散体结构，胶结程度较差，覆盖土表层为耕植土。

1.3 岩土体渗透特性

岩土体渗透特性为影响斜坡库水位变动响应的主要因素。通过参考前任研究资料和现场试验获取斜坡岩土体的渗流曲线，如图2所示。

图2 3次试验渗流曲线

2 斜坡变形机理分析

研究斜坡岩土体结构松散，基岩为泥灰岩、泥岩，属于较易产生滑动的岩体组合，松散堆积体孔隙大，在水位上升活强降雨工况下，水容易向下渗流，汇集于基岩表层，造成堆积体达到饱和状态，岩土体之间的有效应力降低，岩土体自重增加，抗剪强度降低，极易产生变形或者破坏。同时，在江水的长期侵蚀冲刷作用下，斜坡前缘临空条件较好，同时库水位变动也能造成斜坡岩土体内部的地下水产生变化，造成斜坡稳定性情况产生改变。

3 水位变动响应研究

3.1 计算工况

工况一：0.8/d的水位变动速度下水位从175～145～175m。

工况二：0.8/d的水位变动速度下水位从175～145～175m+50年一遇3日暴雨。

3.2 计算模型及参数选取

选取了斜坡的典型纵剖面1- 1’，根据前期资料收集和水文资料，确定滑动带的位置和地下水位情况，建立斜坡计算模型，如图3所示。具体参数取值见表1。

3.3 降雨强度值的确定

通过获取现场近50年的降雨资料，利用Matlab软件使用皮尔逊Ⅲ模型计算研究区50年一遇降雨

图3 计算模型

参数部位容重/(kN/m3)弹性模量/kPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比饱和体积含水率饱和渗透性系数/(m/d)堆积体20.28×10421.518.30.270.241.29滑面25.52×107200030.50.180.170.01

的雨强。通过Matlab计算重现期为1～100年的重现期值得到曲线如图4所示。

从图4可以看出P-III型频率曲线可以较好的应用于三峡库区降雨重现期的计算。按照《三峡水库位日降幅对区地质灾害防治工程影响的调查评价研究工作技术要求》的要求，以巫山县1964—2013年降雨资料计算其降雨重现期。计算结果表明50年一遇的累计降雨强度值约为180mm，按照3d平均分配，降雨强度为60mm/d，将降雨设置库水位下降至159m时开始降雨。

图4 皮尔逊Ⅲ模型绘制多年一遇降雨极值曲线

3.4 数值模拟结果

通过现场调查选择的数值模拟模型以及计算过程中所需参数的选择，采用GEO-SLOPE软件中的渗流模块(SEEP/W)进行数值模拟计算。该模块目前广泛应用于饱和-非饱和渗流计算中。选择三峡库区蓄水水位175m作为数值模拟计算的初始水位，首先对库水位下降过程中的稳定性变化情况以及地下水渗流情况进行模拟，完成库水位下降模拟后再进行蓄水模拟(水位上升)。

图5 工况一数值模拟结果

图6 工况二数值模拟结果

图7 斜坡整体稳定性系数过程曲线(工况一、二)

图8 工况一、二斜坡最不利整体稳定性系数

如图5—8所示，数值模拟结果可以得出：

(1)库水位的变化对斜坡稳定性产生了相应的影响：在库水位下降过程中，斜坡的稳定性系数也随着库水位的下降而减小，在水位下降前半段(175～159m)过程中，稳定性下降速率较库水位动159m下降至145m的过程小。当库水位稳定在145m时，斜坡的稳定性又产生逐渐上升的趋势。在库水位上升过程中，斜坡的稳定性逐渐上升。当库水位达到175m并保持稳态时，斜坡稳定性又开始逐渐下降。

(2)持续降雨过程对斜坡的稳定性也产生了一定的影响，造成斜坡稳定性系数降低。通过图8可以看出，斜坡稳定性系数对于降雨的响应具有一定的滞后效应。

4 结语

(1)在库水位下降过程中。0.8m/d下降速率的天然工况下斜坡的整体稳定性大于1.10，处于稳定状态；降雨工况下0.8m/d降速率下斜坡的整体稳定性略低于1.10，为基本稳定状态。

(2)过Geo-Studio软件SEEP/W模块模拟了库水位降幅增加条件下的渗流场及变化过程，可见相对现今库水位变幅，降幅增加后，水力梯度有一定提升，但提升幅度较小。

(3)岸坡稳定性对于降雨影响的响应具有一定的滞后效应。因此，在斜坡稳定性监测预警过程中，应着重注意雨后斜坡稳定性的变化情况，不可方式警惕。