长期降水情况下高含沙水库滑坡稳定性评价

余博 广东中灏勘察设计咨询有限公司

由于我国特殊的地理特性，大部分河流的含沙量都较高。高含沙量的河流具有其独特的运动特性、物理特性以及沉降特性，相对于含沙量较低的河流，更容易给相关河流设施造成不利影响。在高含沙量水环境条件下建立的水库，具有一定的潜在破坏性。受长期降水影响，河流的水位会发生变化，累积的水位升降变化是一种台阶状的曲线形式。在长期降雨的环境中，发生水库滑坡的不稳定危害的频率会更高，规模会更大，降雨季节对边坡滑动的位移与波动的影响非常大，阻碍了水利工程的建设进程，甚至会对河流周围的环境带来一定的灾害。基于以上背景，研究在长期降水情况下，高含沙水库滑坡的原因及稳定性评价方法，为水库滑坡提供预防警示，可以有效提高水库的稳定性与安全性，为我国水利设施的长久稳定发展提供一种基础措施。

1.高含沙河水运动特征

河流的水流运动机理与水库的变形、滑坡有很大的关系，水库边坡滑动是基于进出水库的河流水动力变化作用的。在长期降雨的情况下，河水水流的运动根据降雨强度的不同有所改变。在高含沙河流中，河水流动的连续性表达式为：

上式中，α表示水库断面的平均河水流量；β表示计算步长；c表示汇入水库的河水流量。得到含泥沙河水水流的运动状况表达式为：

河流流动的时间比尺表示为：

可以得到水库输沙孔的糙率比尺为：

结合上述计算，分析降雨环境下，高含沙河流水流入水库的运动机理，为水库滑坡的稳定性评价提供基础依据。

2.高含沙水库变形特征

为研究造成水库滑坡的相关因素，基于水库滑坡变形情况，进行分析。在持续降雨的环境中，水库滑坡面，其顺向的土体结构抗位移能力降低，下滑力增强，导致水库坡面中的后侧部分土质结构向前推动，造成了水库的滑坡现象。导致高含沙水库其根本原因是，在长期降雨环境下，雨水不断的渗入水库及其周围的土体内，造成水库周围土体的含水率增加，不断地软化土质，使水库基底的抗剪强度降低，直接增加水库滑坡的风险率。

通过水库内高含砂河流水的入渗程度，是导致进入水库的河流水位升降情况有所变化直接原因。因此，分析水库内河流水位与水库浸润线的关系，研究水库的变形特征。根据水库竖直方向的土体滑动情况，分别计算水库水位最高、水位最低时水库的下滑力，表示为：

上式中，γ、γ分别表示河水在水库内浸润线为1、2时，水库基底滑面的下滑力；μ表示天然重量；μ'表示浮重量；μ表示饱和重量；n表示水库的最高水位与最低水位的竖直距离；n表示浸润线1到水库边坡坡顶的竖直距离；n表示浸润线2到浸润线1的竖直距离；n表示最低的水库水位到浸润线2的竖直距离；n表示水库基底到最低水位的竖直距离。分别计算水库水位最高、水位最低时的抗滑能力，表示为：

上式中，λ、λ分别表示河水在水库内浸润线为1、2时，水库坡体滑面的抗滑能力；t表示水库坡体滑面的内摩擦角；F表示水库坡体滑面的内聚力；L表示水库基底长度。由上述计算可以得出由于长期降雨导致水库水位升降导致水库滑动的相关关系，由此可得到水库边坡的下滑力的影响因素包括，水库水位的升降，河水水流动力，水库边坡与基底的角度等。在这些影响因素下，造成水库边坡下滑力变化，带来水库滑坡的风险，使水库整体结构的稳定性降低。

3.建立评价体制

为研究长期降水情况下高含沙水库滑坡的评价体制，对主要的滑坡评价指标进行分析和提取。

根据上文所述的水库内河水动力对水库的影响，结合实际的河流地质等因素，提取高含沙水库滑坡的稳定性评价指标。采用层次分析法，对评价指标进行划分，并计算权重占比，确定稳定性评价矩阵：

上式中ω表示评价指标Z，在评价准则T中的程度系数，其取值范围在0～1之间。

对上述矩阵进行均衡计算，设惩罚型变权系数为H，得到：

上式中，φ（z）表示状态变权系数，根据权重系数与状态变权系数的关系，结合稳定性评价矩阵ω，计算得到评价结果=◦，其中，◦表示模糊算子。根据以上计算，得到稳定性评价指标的量化结果，量化结果如表1所示。

表1 水库滑坡稳定性评价量化结果表

基于以上稳定性评价体制，结合实际的河流水库现状，可以实现对水库滑坡的稳定性评价效果，为长期降水地区有滑坡趋势的水库提前做出预警，降低滑坡等事故的发生。

4.试验与检测

4.1 试验准备

为检测评价体制的评价效果与准确性，针对M河流现状，进行高含沙水库滑坡稳定性评价的模拟训练。M河流属于高含沙河流，整体坡度为25°，边坡的平均厚度约32m，河流周围地质大部分为岩石层。该地的年平均降水量约1254mm，以往发生多次水库滑坡的情况，多在雨季范围，现对该地区进行水库滑坡的稳定性评价。试验前，对稳定性评价指标的层次分析方法的可行性进行检验。

4.2 一致性检验

为了检测计算稳定性评价指标权重采用的层次分析法的可行性与适用性，基于一组河流水库实际数据，对层次分析法计算的权重值，进行一致性验算，验算的表达式为：

4.3 检测结果及分析

基于一致性检验合格的基础上，进行稳定性评价指标的仿真模拟试验。分别应用本文设计评价体制与传统评价方法，对M高含沙河流的一水库的10项评价指标进行综合性评价，将综合评价计算结果，与表2所示的稳定性评价结果量化表进行比照，得到计算结果对应的水库滑坡稳定情况，记录结果与实际情况进行对比，对比结果如下图1所示。将10项评价指标权重进行隶属向量化，得到最终整体的河流水库稳定性评价结果，如表2所示。

图1 高含沙河流水库不同指标稳定性评价结果对比图

表2 水库稳定性评价结果

由图1可知，对于10项稳定性评价指标，试验组的评价结果与实际河流水库的现状情况完全一致，而对照组的结果有5项指标与实际现状不一致。结合水库整体的稳定性评价结果对比，试验组评价结果与河流实际稳定状态相同，表明稳定性评价正确，对照组评价结果与水库实际稳定状态不一致，表明评价错误。由上述试验结果表明，本文设计的长期降水情况下高含沙水库滑坡稳定性评价体制贴合实际，具有科学性与适用性，为长期降水地区有滑坡趋势的水库提前做出预警，降低滑坡等事故的发生。

5.结束语

水库是河流的重要水利设施建设，在长期降水环境下，高含沙的水库会出现不稳定的边坡位移现象。不利于水利设施的稳定与安全。为提高水库的稳定性，分析高含沙水库边坡变形的演化趋势，建立高含沙水库滑坡的稳定性评价机制，对水库的滑坡起到预防警示的作用，提高长期降水环境下，高含沙量水库的稳定性，提高我国水利工程的经济效益与社会效益。