库水位波动下库岸边坡变形特征研究

常伟世 ，武龙堂，韩 双

(中冀建勘集团有限公司 河北 石家庄 050200)

0 引言

水库滑坡是全球范围内的重大地质灾害之一[1]。通常水库修建不仅会改变周围的地质环境，最重要的一点是库水位的变动通常会库岸边坡的稳定性产生巨大影响。研究表明，库水位变化通常会造成土体物理力学参数以及库水入渗条件改变。陶宏亮等[2]基于FLAC2D建立了数值模型，研究了三峡库区某堆积体滑坡的变形特征与库水位变化的关系。周永强等[3]利用理论分析手段开展了库水位变化速率及降雨强度与滑坡的稳定性关系，结果表明，水位上升速率与滑坡安全系数增大速率呈正比。关奇[4]基于木竹坪滑坡，研究了水位变化和降水共同作用下边坡的渗流场变化规律，结果表明，水位上升和降雨共同作用下滑坡的稳定性系数最小。夏敏等[5]研究了三峡库区石榴树包滑坡的稳定性影响因素，得出库水位是影响滑坡稳定性的关键因素，并进一步分析了地下水的董涛响应机制。马建博等[6]采用geo-studio软件模拟了多种库水位变化工况下边坡的稳定性，并给出了采用向量机进行滑坡预测的方法。

通常滑坡的判断可基于现场变形监测和遥感影像。基于地表位移和深部位移监测可以有效判断边坡变形发展趋势并展开进一步治理。Huang[7]等基于现场位移监测，分析了三峡库区10年的位移变形曲线，得到了很多重要结果。此外，基于现场实时监测数据可以研究滑坡的运动模式、变形机理以及采取合适的治理措施[8]。本文基于GPS现场实时监测数据开展了某水库滑坡的稳定性研究，成果可为相似工程提供理论和实际参考依据。

1 研究区概况

1.1 工程地质条件

研究区滑坡位于库区，研究工点地处典型河谷地区，地势上总体呈现西高东低形态，沟壑纵横。受季节性降雨影响，研究区多年平均气温约7℃，年均降水量588 mm，降水日多集中于每年的7-9月份，根据统计研究区但日降水量最大值61.3 mm，年蒸发量约1 192 mm。滑坡形态如下：滑坡整体呈长舌形状，均宽400 m，高程介于25～290 m，表面主要以碎石土为主，中部主要分布块石和土体，下部主要分布黄土类(图1)。滑体厚度约30～70 m，坡脚介于30°～402°之间。地下水埋深为1～14 m。根据水库设计，其正常库水位130 m。根据现场调查，滑坡在蓄水期间对此发生局部溜滑失稳，严重影响坝体及下游居民的生命财产安全[10-11]。

图1 研究区滑坡典型地质剖面

图2 滑坡监测点布置

1.2 监测点布置

根据现场调查，将滑坡分为4个区域，各个区的监测布设如图2所示。其中采用监测点和基准点构成的GPS监测网对研究区进行位移监测。监测点位置及布设如图2所示。其中监测仪器采用北极星9600，按二等GPS网进行平面控制网观测。图3～图6汇总了长期监测数据曲线。

2 监测数据分析

2.1 变形特征分析

汇总图3～图6监测数据表明，各个监测点随水位的增大开始比较小，随着水位进一步上升，位移量急剧变大，最后又趋于稳定。另外也发现，在雨季变形量明显大于其他季节。这证明库岸边坡的稳定性收到库水位和降雨的联合影响。此外，在II-2区位移量最大，最大值接近2 500 mm，证明该区域变形较大，需引起注意。

根据四个区的位移监测结果，在库水位较低时，I区II-1区和III区的位移总体较小。其中I区的三个测点位移值变化不大，另外两区的各个测点位移变化范围相对较大。这也证明，在库水位较低时，库岸边坡的稳定性不太会受到水位上升的影响，整体稳定性较好。

观测图中测点JC17、JC1、JC2、JC14和JC16发现，合个测点最大位移值分别为140 mm、550 mm、1 250 mm、500 mm和2 500 mm，总体表明，II区变形最大，I区位移最小。滑动变形存在局部性。

图3 Ⅰ区位移监测 图4 II-1区位移监测

图5 II-2区位移监测 图6 Ⅲ区位移监测

2.2 蓄水对滑坡变形的影响

通常水位的升降会影响库=岸边坡稳定性，根据图7和图8结果表明，当库水位由70 m升到100 m时，位移速率变化迅速增大。此外，根据分区特点，III区在09年3月趋于稳定。这主要是由于III区监测点均处于前缘，通常滑坡前缘最容易受到水位影响。

此外，蓄水后去，边坡整体较为稳定，I区和III区位移都比较小。但II-2区位移偏大，证明可能发生局部大变形破坏。综合以上分析可知，蓄水的整过过程中，初期水位对稳定性影响最下，中期影响最大，而后期又会趋于减弱。以库水位有110～115 m为例，HH-2位移速率较大，对边坡稳定性产生不利影响，继续增大库水位至130 m时，II-2区位移增量迅速变大，但整体上滑坡稳定性较好。在2009年7月-2009年8月这一时段，JC1的位移增量随库水位下降而减小，由22 mm至14 mm。因此如果库水位在低水位运行是，库水位下降对滑坡稳定性是有利的。

图7 Ⅱ-区水平位移增量 图8 Ⅱ-2 区水平位移增量

3 库岸滑坡稳定性影响因素分析

3.1 库水位变化的影响

表1汇总得到典型监测点的不同区域的平均位移，结果表明，当库水位较小时，各区的位移均比较小，滑坡整体稳定。水位波动与岩土体的力学性质影响较小。醉着库水位的增大，在降水和库水位联合影响下，滑坡体的稳定性急速下降，这是因为降水和库水抬升增大了滑体的浸水面积，导致土体的抗剪强度参数降低，抗滑力减小。当库水位进一步抬升时，岸区的岩土体性质区域稳定，此时，滑坡的变形区域稳定，这与实际情况吻合。

此外，滑坡中部为块石和土体混杂物，地下水随库水升高而升高，导致滑体中部土体受影响较大。整体来看，滑体稳定性变化趋势为缓降-急降-稳定。

表1 不同工况下滑坡各区的平均位移 mm

图9 蓄水速率随时间变化

3.2 蓄水速率影响

为例研究蓄水速度对库岸边坡稳定性影响，图9汇总得到了研究区蓄水速率和时间的曲线。结果表明，滑坡位移随蓄水速率的减小而减小；当库水位大于70 m时，蓄水速率最大为0.66 m/d，此时位移急剧增大，进一步水位抬升至100 m时，蓄水速率降低，监测点位移变化较小。综上所述，在降低的蓄水位下，蓄水速率对岸坡稳定性影响较小。蓄水中期的蓄水速率对岸坡稳定性影响较大，而蓄水后期最为不利，整体变化规律为初期较小，中期较大，后期最大。

3.3 极限平衡法计算

为例与检测数据进一步进行对比分析，本文采用极限平衡法对该滑坡进行稳定性计算[9]，计算结果见图10。结果表明，蓄水前边坡处于稳定状态，随着库水位上升，滑坡的安全系数逐渐降低，在水位升至84 m时，稳定性系数下降了20%以上。当库水位上升到正常运行水位是，滑体岩土体在库水位以下面积大于60%，如库水位作用下，坡体的整体稳定性较好。因此采用极限平衡计算方法与实际现场监测数据较为吻合。

图10 极限平衡法计算结果

4 结语

本文基于某一具体库那边坡的实时监测数据得到如下结论：

(1)库水位对岸坡的稳定性影响比较复杂，在蓄水初期，水位上升对岸坡稳定性影响较小，岸坡不会发生整体失稳现象；与之相似，在水库蓄水初期，岸坡变形受蓄水速率影响较小。

(2)蓄水整个过程中岸坡的稳定性根据水位的高低表现出稳定—较不稳定—稳定三段式，研究区滑坡的变形特征具有局部性和季节性。

(3)对于本文研究的边坡，在库水位介于115～130 m，时库岸稳定性随随着水位降低而增大。实际工程中应利用该规律。