库水联合降雨条件下白水河滑坡的稳定性研究

胡泽铭 肖长波 谭超

摘要：库水位下降和降雨对库岸滑坡的稳定性具有重要影响，但现有研究对这两种因素的考虑过于理想化。本文在综合考虑减灾、航运、发电等的基础上，针对库水下降阶段提出了新的库水下降模型;结合近五十年的降雨数据，考虑到实际降雨量和降雨加载时间等因素提出了降雨模型。最后以白水河滑坡为例，分析了滑坡在降雨和不同库水下降速率条件下的稳定性。结果表明，白水河滑坡主要由库水下降影响，采用末期加速下降模型时，能有效减少库水位持续下降对滑坡的影响，其稳定系数较正常工况减小约0.7%～1.2%。本文所提出的库水位下降模型对实际库水调度具有重要参考意义。

关键词：库水位下降;降雨;滑坡;稳定性;三峡库区

Abstract：Reservoir drawdown and rainfall have important influence on bank landslides，but existing research on these two factors is too idealistic. A new reservoir drawdown model was proposed for the rapid drawdown stage based on the consideration of reduction，navigation and power generation. A rainfall model was proposed considering actural rainfall and rainfall time based on fifty years of daily rainfall data. At last，taking Baishuihe landslide as an example，the landslide stability was analyzed under the combined influenced of rainfall and reservoir drawdown. Results show that the Baishuihe landslide is mainly influenced by reservoir drawdown. The terminal reservoir drawdown model can reduce the effect of continuous decline of reservoir on landslide and the stability decreases about 0.7% ～ 1.2% compared with normal scenario. The reservoir drawdown model proposed in this paper is of significance to the reservoir operation in the Three Gorges Reservoir.

Key words：reservoir drawdown;rainfall;landslide;stability;Three Gorges Reservoir

1 前言

库水位变动和降雨是诱发库岸滑坡的重要因素[1-3]。三峡库区蓄水之初，库水的下降速率被严格限制为小于0.6 m/d。在库水平稳运行8年后，库岸基本适应了新的周期性水文地质条件。前期设定的0.6 m/d的最大日降幅，限制了三峡大坝效益的发挥，有必要研究增加库水位下降速率对滑坡稳定性的影响。

近些年，关于降雨和库水联合作用下滑坡稳定性问题有了比较广泛的研究。王力[5]、张桂荣[6]、王鹏[7]等研究了库水以恒定速率从175m降至145m时滑坡的稳定性，并研究下降速率对滑坡稳定性的影响;肖志勇等[8]分析了库水从175 m间歇性下降至145 m时滑坡的稳定性。以上研究忽略了库水位的实际调度及降雨的分布，两种重要的影响因素被过分简化。

考虑库水的影响时，很多学者以库水下降速率为切入点，将库水位以恒定速率从175 m降至145 m，忽略了库水下降的历时。随着下降速率的提高，库水下降的历时会显著减小，而历时对航运、发电、防洪等至关重要。如果库水从175m以过快的速率下降，会导致重庆港至丰都区段的大量船舶搁浅，严重影响船舶的安全航运。同时，对降雨的考虑也过于粗糙，大多以一个水文年的极值降雨作为降雨条件，在降雨加载时间点的选取上，人为因素影响很大[9，10]。

本文以白水河滑坡为例，以实际库水调度为基础，提出了的增大库水位下降速率的调度模型，并根据秭归五十年的降雨资料，充分考虑了降雨量和降雨加载时间，最后研究了白水河滑坡在不同库水下降速率和降雨工况下的稳定性。

2 白水河滑坡概况

白水河滑坡地处沙镇溪镇白水河村，位于长江南岸，据三峡坝址56km。岸坡属长江宽缓河谷地段、单斜顺层斜坡，沿长江呈阶梯状展布。滑坡体南北向长600 m，东西宽430 m，面积约21.5×104 m2，平均厚30 m，总体积约645×104 m3，主滑方向20°，属深层大型松散堆积层滑坡（图 1）。滑坡下伏基岩为罗系下统香溪组（J1x）中厚层状粉砂岩、夹薄层泥质粉砂岩，上伏第四系残坡积粉质粘土夹碎块石（图 2）。

白水河滑坡自2003年6月三峡水位试运行后产生了明显变形，于前缘中部产生长约300 m的横向裂缝。2005年，由于沿江公路扩宽施工，造成滑坡体上部坡体发生滑移，公路边坡出现坍塌现象。2007年6月底，公路上方出现堆积体局部滑动，堆积体以公路为前缘，东西宽约220 m，后缘宽约120 m，纵长约100m，厚6 m，体积约10万m3。现场调查和专业监测表明，每年5～7月为变形加剧时间，8月至次年4月则趋于平稳。滑坡变形在蓄水初期最大，随着堆积体自适应能力的增强，堆积体逐渐适应了库水變动和降雨的影响，每年变形幅度有减小趋势。

3 库水下降及降雨模型

3.1 库水下降调度模型

搜集2011～2016年每日库水位调度数据，对库水位数据进行平均拟合，得到三峡库区实际调度模型（图 3），并在此模型基础上研究增大库水位下降速率对滑坡稳定性的影响。经过8年完整周期的运行，库岸已经基本适应了当前的水文地质条件，而且由于淋滤作用等的影响[11]，低处岩土体对库水变动的适应能力更强，因此在增大库水位下降速率时，有一个渐进过程，即增大库水位下降速率的起始水位需要由低到高，逐渐缓慢增加，以保证库岸对新的环境有充分的适应。

由于低水位不利于航行、发电等，需尽可能缩短低水位时间。同时，持续快速降低库水位会造成滑坡体内地下水排泄不及时，产生较大的动水压力，从而诱发滑坡。因此本文以155m为增大库水位下降速率的起始点，其中，175～155m段按原速率下降，155～145m段分别采用0.3，0.6，0.9，1.2和1.5 m/d的下降速率。

3.2 降雨分布模型

目前在考虑降雨因素时，大多采用暴雨模型，而暴雨在计算时包含了汛期的降雨数据，造成降雨值的明显偏大。同时，暴雨的加载时机比较随机，人为因素影响很大，基于以上不足，本文根据实际降雨设定降雨工况。

统计秭归地区1960～2014年的降雨数据，计算每年1/1～6/20区间的累计降雨量（图 5），选取最大累计降雨量作为降雨计算参数。分析图 5可知，2002年秭归地区1/1～6/20区间的累计降雨最大，达846.4mm，远超该地区55年以来418mm的均值。因此，以2002年1/1～6/20区段的降雨值，取A（4/23～5/6）和B（6/5～6/10）两场降雨进行计算，其中A累积降雨198.7mm，B累积降雨154mm。

4 稳定性分析

4.1 计算模型及工况选取

本文基于有限元软件Geo-Studio以2-2′剖面建立模型，单元长度设为3m，忽略滑体材料的各向异性。基于岩土体的饱和-非饱和理论，根据SEEP/W模块中的Van Genuchten土水特征经验曲线和饱和岩土体参数来确定非饱和土体的计算参数，通过加载降雨并改变库水下降速率，来获取不同时刻滑坡的渗流场。最后将不同时刻的渗流场导入SLOPE/W模块，并采用Morgenstern-Price方法计算稳定性。根据已有勘察资料中相似岩土体的参数，通过工程地质类比法和现场调查确定饱和体积含水量和渗透系数，根据室内试验确定岩土体饱和抗剪强度参数[15]，计算参数和计算模型见图 7。

初始及边界条件：固定模型底部的水平和竖直位移，固定模型两侧的水平位移;滑体表面175m以上设置为降雨入渗边界，175m以下设为库水入渗边界，基岩设为不透水层。结合现场调查及监测资料，取175m稳定时的地下水位为初始地下水位。

根据上文分析，采用如下工况进行计算（表 1）。

4.2 地下水渗流场模拟

通过SEEP/W模块计算得到各工况每天的渗流场，坡体内地下水随着库水位的降低而逐渐降低，坡体内地下水位线明显外凸，地下水出水口也高于库水位，表明地下水下降速率滞后于库水位。分析各工况最后一天的渗流场（图 8），随着库水下降速率的增加，最后时刻的地下水位逐渐增加，但增加幅度呈递减趋势，说明随着库水位的增加，坡体内动水压力越大，坡体稳定性越差，但稳定系数减小的幅度在减弱。

4.3 稳定性结果及分析

（1）滑坡稳定性分析

整体分析图 9可知，随着库水位的下降，白水河滑坡的稳定性逐渐降低，其稳定系数降低约16%;降雨对白水河滑坡影响有限，降雨和无降雨工况差距很小。现有监测资料也表明，白水河滑坡的变形主要由庫水位的下降引起。

库水由175m降至155m时，其变化与库水调度模型（图 4）较为相似，表明滑坡稳定系数基本由库水位所影响;库水位在155m恒定不变时，滑坡稳定系数逐渐增加，增幅与稳定时间正相关，增幅约1.0～1.5%，表明恒定库水位有助于减缓后期快速下降对滑坡的影响;库水位从155m加速降至145m时，随着库水位下降速率的增加（工况A～E），稳定性逐渐降低，工况B～E的稳定系数降低幅度较为一致，其降低幅度为14.8%～15.4%，较正常下降工况A有小幅减小，减小约0.7%～1.2%，表明增加库水位下降速率对滑坡稳定性影响较小。

（2）库水位调度模式分析

库水在末期加速下降对对滑坡稳定性有利。在155m水位的间歇期，坡体内的地下水能够充分消散，动水压力降低，滑坡稳定性逐渐增加，比库水持续性下降更有利于滑坡稳定性[8]。此间，降雨的作用不够明显。在实际库水调度时，可以在雨季来临之前将库水降至155m水位，尽量避免库水和降雨对滑坡的共同作用。同时，库水以最大程度维持在155m以上，能更好发挥黄金航道的效益。

从水文地质的角度分析，末期加速下降充分考虑了库岸各高程对库水变动的适应能力。由于155m以下库岸浸泡的时间最长，受库水改造充分，坡体内渗流管网更加发育[11]，坡体内地下水能迅速消散，能经受库水快速升降的影响。

从实际库水位的调度分析，也能印证库岸能够承受155m以下库水的快速升降：分析近几年库水调度曲线（图 3中180～240d），每年汛期库水在短期内从145m升至155m以上，尔后迅速降至145m，但没有引起库岸大范围的失稳变形，表明库水从155m快速降至145m对滑坡稳定性影响不大。长远看，可根据库岸对库水位变动的适应能力，逐渐提高间歇时的稳定水位，从而更加充分的发挥航运和发电的效益。

5 结论

（1）白水河滑坡整体上受库水位变动的影响，库水由175m降至145m时，造成滑坡稳定系数降低约15%，降雨影响有限，监测资料也显示库水下降是引发滑坡变形的主要因素。增加库水位下降速率对滑坡稳定性影响有限，稳定系数减少约0.7%～1.2%。

（2）采用末期加速下降的方法具有综合效益，该调度模型考虑到库岸不同高程对库水位的适应能力，将库水位调度过程分为两段，并因地制宜地采取不同的下降速率。该模型充分考虑了防灾减灾、航运、防洪和发电等，大幅延长了155m以上库水位的时间，具有很好的实际意义。

参考文献：

[1]Schuster R L. Reservoir-induced landslides[J]. Bulletin of the International Association of Engineering Geology，1979，20（1）：8-15.

[2]Crosta G B，Frattini P. Rainfall-induced landslides and debris flows-Preface[J]. Hydrological Processes，2008，22（4）：473-477.

[3]Huang Q X，Wang J L，Xue X. Interpreting the influence of rainfall and reservoir infilling on a landslide[J]. Landslides，2016，13（5）：1139-1149.

[4]王力，王世梅，向玲. 库水下降联合降雨作用下树坪滑坡流固耦合分析[J]. 长江科学院院报，2014（06）：25-31.

[5]张桂荣，程伟. 降雨及库水位联合作用下秭归八字门滑坡稳定性预测[J]. 岩土力学，2011（S1）：476-482.

[6]王鹏，殷坤龙，孟颂颂. 增大库水位日降幅联合降雨条件下张家祠堂滑坡稳定性分析[J]. 安全与环境工程，2016（05）：36-42.

[7]肖志勇，鄧华锋，李建林等. 库水位间歇性下降对堆积体滑坡稳定性的影响[J]. 长江科学院院报，2016（08）：114-119.

[8]朱朋，卢书强，薛聪聪等. 库水位升降与降雨条件下滑坡的渗流及稳定性分析[J]. 长江科学院院报，2015（11）：87-92.

[9]赵宏渠，易武，黄海峰等. 不同降雨强度下库岸滑坡体含水率及其稳定性分析[J]. 安全与环境工程，2016（06）：53-58.

[10]尚岳全，孙红月，侯利国等. 管网渗流系统对含碎石粘性土边坡的稳定作用[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（08）：1371-1375.

[11]易贤龙. 降雨与库水位作用下白水河滑坡渐进破坏概率研究[硕士论文D]. 中国地质大学，2016.

作者简介：胡泽铭（1987-），男，硕士研究生，研究方向：工程地质、水文地质。

通讯作者：肖长波（1987--），男，硕士研究生，研究方向：工程地质、水文地质。