庫水位升降條件下不同滲透性的滑坡體穩定性變化規律

梁學戰，陳洪凱

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引言

三峽水庫在145～175m水位正常運營后，將有大量的邊坡地質體在庫水位周期性變化范圍之內。實踐表明，水庫蓄水后庫水位周期性漲落對邊坡的失穩有顯著作用，比如:Rasevelt湖1941年蓄水后，附近地區49%的滑坡發生在蓄水初期，30%發生在水位驟降時期;在日本，大約60%的水庫滑坡發生在庫水位驟降時期，40%發生在水位上升時期。針對庫水位升降引起的邊坡失穩問題國內外學者做了大量的研究［1-10］，劉新喜(2005)對紅石包滑坡進行滲流數值模擬與穩定性研究表明，庫水位下降使滑坡安全系數變化由大到小再增大的過程［8］。羅紅明(2008)對三峽庫區趙樹嶺滑坡進行了數值模擬，得出庫水位上升時滑坡穩定系數總體逐漸增大，庫水位下降時滑坡穩定系數總體逐漸減小［9］。劉才華(2005)認為庫水位上升過程中，邊坡的穩定性經歷了一個先降低后增大的過程［10］。由此看出庫水位升降對滑坡穩定性影響，對不同滑坡得出的結論不同，因此深入研究庫水位周期性升降對滑坡穩定性影響有重要意義。

本文以長江三峽工程為背景，針對三峽庫區水位的周期性調節對庫岸邊坡可能造成的影響，對具有不同滲透系數的滑坡體，采用飽和-非飽和數值模擬方法進行水庫正常運營情況下滑坡體浸潤線分布規律與穩定性變化規律的分析。

1 庫水位升降對庫岸邊坡穩定性影響分析

庫水位升降對庫岸邊坡穩定性的影響主要表現在以下兩個方面:

(1)庫水位升降對邊坡巖土體物理力學性質的影響

水對巖土體強度是一個十分重要的影響因素。庫水位升降過程中，含水量隨之變化，巖土體尤其粘性土結構受到水的擾動，土粒間的膠結物質以及土粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，土的強度降低、壓縮性增大。水庫蓄水上升過程中滑動面巖土體飽水軟化，土體顆粒間的摩阻系數及粘結力減小，降低了坡體的抗滑力［11］。另外，庫水位周期性升降，地下水滲流對坡體及滑面產生溶濾作用，坡體及滑面的礦物成分發生變化，從而影響巖土體的物理力學性質。

(2)庫水位升降對邊坡巖土體產生力學效應

當水庫水位開始蓄水上升，水滲入滑體或滑面，滑面以上實壓力體小于虛壓力體，在滑體淹沒部分就會產生浮托作用，這種浮托作用隨浸潤線位置變化影響整個滑坡體的穩定性。此外，庫水位升降產生的滲透壓力也是導致邊坡穩定性變化的一個重要因素［12］，不同的滲透系數，庫水位升降過程中的浸潤線形狀、巖土體飽水面積不同，產生的滲透壓力對滑坡的穩定性影響亦不同。

2 庫水位升降條件下不同滲透系數滑坡體飽和與非飽和浸潤線分布規律

2.1 飽和－非飽和滲流計算基本理論

庫水位升降作用下滑坡體內地下水浸潤線的變化屬于飽和與非飽和問題，浸潤線是飽和土體與非飽和土體的分界線，在庫水位漲落過程中，滑體內地下水浸潤線也有規律的升降，飽和土與非飽和土的作用面積隨之變化，因此根據質量守恒及達西定律可得到二維的飽和與非飽和滲流控制方程:

對于一個二維滲流分析模型，單元節點的厚度在整個網格中是常量，利用有限元方法，其方程的簡介形式為:

非飽和滲流問題的邊界條件有多種形式，本文研究的問題是庫水位變化引起的滑坡體內暫態滲流場浸潤線的變化情況，邊界條件主要包含定水頭邊界及定流量邊界兩類。

2.2 計算模型

根據三峽庫區云陽縣涼水井土質滑坡地勘報告［13］，采取如圖1所示的計算剖面和滲流計算模型，因只分析庫水位升降作用下不同滲透系數滑坡體滲流場和穩定性變化的共有性質，所以滑坡模型得以簡化，假定整個滑坡體及滑帶為同一材料。所選滑坡坡面后緣高程約282m，前緣高程約110m，模型共劃分3691個單元，3309個節點。邊界:滑面為隔水邊界即零流量邊界，庫水位以上為零流量邊界;庫水位以下為定水頭邊界;初始水頭為145 m，做穩態滲流分析，分析結果為庫水位運行中暫態分析的初始邊界。計算步長在不同運行階段均為3600s，步數根據不同運行階段具體時間決定。

圖1 滲流計算模型Fig.1 Calculation model of seepage

三峽水庫的周期性運營狀況直接影響庫區滑坡的滲流場變化，本文按照三峽水庫蓄水后正常運營時的水位調節方案(圖2)，汛期6月中旬至9月底水庫水位為145m。9月低至10月底蓄水至175m，庫水位上升速率約1.0m/d，并在該水位持續運行180天，則庫水位上升時定水頭邊界水頭函數為:

圖2 三峽工程正常蓄水水庫調度圖Fig.2 Reservoir operation of normal water storage in Three Gorges Project

5月初至6月底，壩前水位從175m降至145m，平均約0.5m/d，此后保持在145m水位約90天，則庫水位下降時定水頭邊界水頭函數為:

2.3 非飽和滲流計算參數

滲透系數可以表征土體導水能力，是影響庫岸滑坡滑體滲流場的主要因素，在非飽和土滲流分析中，滲透系數是孔隙水壓力的函數［14］。計算中選擇代表三峽庫區不同邊坡土體材料4個數量級的飽和滲透系數(表1)，然后采用Geostudio軟件Seep/W模塊提供的不同巖土體材料標準試驗參數，選取對應的基本土-水特征曲線進行庫水位升降條件下滑體的滲流計算，得到不同滲透系數滑坡體在庫水位升降時浸潤線分布變化規律。

表1 計算選取的滑坡體飽和滲透系數Tabel 1 Saturated permeability coefficients of landslide for calculation

2.4 庫水位升降不同滲透系數滑坡體浸潤線分布特點及對滑坡的作用效應

庫水位上升時地下水滲流特征，當滲透系數大于1×10-3強透水性時(圖3a)，滑坡體內浸潤線基本與庫水位同步上升。滲透系數為1×10-4時(圖3b)，滑坡體內浸潤線變化稍滯后于庫水位上升，表現出指向坡內的滲透壓力。當滲透系數為1×10-5中等透水時(圖3c)，滑坡體內浸潤線明顯滯后于水位上升，滑坡體內地下水出現“倒流”現象，指向滑坡體內的滲透壓力增大，直到庫水位保持在175m第150天后，滑面處的浸潤線才到達175m。當滲透系數小于1×10-6弱透水時(圖3d)，不僅庫水位上升時浸潤線有明顯的滯后性，而且庫水位在175m水位持續180天后，靠近滑面的浸潤線仍存在滯后性，整個過程均表現出指向滑坡體內的滲透壓力。在庫水位上升過程中，地下水對滑坡體的浮托力始終是增大的，但增大的速率隨滲透系數減小而變緩。

圖3 庫水位上升后滑坡體地下水浸潤線Fig.3 Phreatic lines of landslide for the water level rise(a)—k=1×10-3m/s;(b)—k=1×10-4m/s;(c)—k=1×10-5m/s;(d)—k=1×10-6m/s

庫水位下降時地下水滲流特征，當滲透系數大于1×10-3強透水性時(圖4a)，滑坡體內浸潤線基本與水位同步下降。當滲透系數為1×10-4強透水性時(圖4b)，滑坡體內浸潤線下降稍滯后于庫水位，表現出指向坡外的滲透壓力。當滲透系數為1×10-5中等透水時(圖4c)，滑坡體內浸潤線明顯滯后于水位下降，滑坡體內地下水補給庫水，指向滑坡體外的滲透壓力增大，直到庫水位保持在145m第360天后，滑面處的浸潤線也未到達145m，說明整個過程均表現出指向滑坡體外的滲透壓力;當滲透系數小于1×10-6時(圖4d)，整條浸潤線均存在明顯的滯后性，整個過程不僅表現為指向滑坡體外的滲透壓力，而且庫水位在145m持續90天后，靠近坡面處的浸潤線仍存在滯后性。在庫水位下降過程中，地下水對滑坡體的浮托力始終是減小的，但減小的速率隨滲透系數減小而變緩。

圖4 庫水位下降后滑坡體地下水浸潤線Fig.4 Phreatic lines of landslide for the water level drawdown(a)—k=1×10-3m/s;(b)—k=1×10-4m/s;(c)—k=1×10-5m/s;(d)—k=1×10-6m/s

有以上分析看出，在相同的入滲條件下，飽和滲透系數對滑坡體浸潤線有明顯的影響。庫水位上升階段，浸潤線總體為上升趨勢，浮托力逐漸變大，但隨著不同滑坡體滲透系數逐漸減小，靠近滑面的浸潤線向上彎曲，浮托力增大的速度變緩，指向坡內的滲壓逐漸增大;庫水位下降階段，浸潤線總體為下降趨勢，浮托力逐漸減小，但隨著不同滑坡體滲透系數的逐漸減小，靠近滑面的浸潤線向下彎曲，浮托力減小的速度變緩，指向坡外的滲壓逐漸增大。

3 庫水位升降條件下不同滲透系數滑坡體穩定性變化規律

3.1 穩定性計算理論

涉水土質滑坡穩定性分析不僅要考慮飽和區地下水壓力變化影響，而且還應考慮非飽和區基質吸力變化影響，故采用Fredlund提出的考慮了負孔隙水壓力的非飽和土抗剪強度理論［14］:

本例中用Morgenstern-Price法在考慮基質吸力情況下計算不同滲透系數庫水位升降作用滑坡的穩定性變化。運用Geostudio軟件，將Seep/W中的有限元網格導入到Slope/W中，用Slope/W的設置功能將Seep/W中的有限元水頭值轉換到Slope/W中，然后用地勘資料確定滑面，軟件確定土體的條分數目并找出各土條的底面中心點，利用 Seep/W傳遞給Slope/W節點水頭信息，Slope/W找到各土條底面中點在其單元中的相對坐標及其相應的插值函數矩陣，從而計算出底面中心點處的水頭值，即:

由此，把動態的滲流場與極限平衡分析結合起來，模型的物理力學參數見表2。

表2 滑坡計算物理力學參數表Table 2 Calculation parameters of soil in landslide

3.2 庫水位升降條件下不同滲透系數滑坡體穩定性變化規律

在庫水位上升階段，當滲透系數大于1×10-3時(圖5a)，由于浮托力作用明顯，穩定系數逐漸減小，水位在175m時保持不變。滲透系數為1×10-4時(圖5b)，穩定系數水位上升期變大，水位在175m時先減小后保持不變，且穩定后的穩定系數小于起始條件145m時的穩定系數，主要原因是庫水上升階段指向坡內的滲透壓力作用大于浮托力，到達175m水位后，浸潤線保持水平，指向坡內的滲壓消失，浮托力變大。滲透系數為1×10-5時(圖5c)，穩定系數在水位上升時變大，水位在175m時先減小后保持不變，且變大和減小的幅度比1×10-4大，原因是此時產生指向坡內的滲壓更大。滲透系數小于1×10-6時(圖5d)，穩定系數在庫水位上升期變大，水位在175m水位時一直減小，但水位在175m的最后第210天穩定系數仍大于初始條件145m的穩定系數，原因是指向坡內的滲壓仍然存在，且浮托力變大的速率變緩。

在庫水位下降階段，當滲透系數大于1×10-3時(圖5a)，由于浮托力一直減小，穩定系數除剛開始減小外一直增大，水位在145m時，穩定系數保持不變，且基本恢復到初始條件下的穩定系數。當滲透系數為1×10-4時(圖5b)，穩定系數先減小后增大，主要原因是開始時指向坡外的滲壓增大，此后浮托力繼續減小，其作用大于滲壓;在145m水位時指向坡外的滲壓先減小后保持不變，穩定系數相應的先增大后保持不變。滲透系數為1×10-5時一直保持指向坡外的較大滲壓，穩定系數一直減小(圖5c);保持在145m時，指向坡外的滲壓逐漸降低，浮托力亦減小，穩定性變大。滲透系數小于1×10-6時(圖5d)與1×10-5穩定性變化規律基本相同，但是水位下降時穩定性系數下降幅度較大，水位在145m時穩定系數上升幅度較小，且水位在145m的最后第360天穩定系數遠小于初始條件145m的穩定系數;原因是滲透系數小，雖然浮托力一直在減小，但減小的速率變緩，且一直保持指向坡外的滲透壓力。

由此看出，在相同的入滲條件下，滑坡體穩定性的變化與不同滲透系數滑坡體在庫水位正常運營過程中因浸潤線形狀變化產生的滲透壓力與浮托力變化程度密切相關。

4 結論

庫水位升降是影響庫岸邊坡穩定性的一個重要因素，本文通過理論分析和數值模擬方法得出以下結論:

(1)庫水位升降對庫岸邊坡穩定性的影響主要表現在兩個方面:一是庫水位升降對邊坡巖土體物理力學性質的影響，二是庫水位升降對邊坡巖土體產生浮托力和滲透力等力學效應。

圖5 穩定系數隨庫水位升降變化曲線Fig.5 Stability coefficient curve with reservoir water level fluctuation1—庫水位;2—穩定性系數(a)—k=1×10-3m/s;(b)—k=1×10-4m/s;(c)—k=1×10-5m/s;(d)—k=1×10-6m/s

(2)三峽水庫在正常運營時不同滲透系數滑坡體浸潤線的變化規律不同。庫水位上升階段，浸潤線總體為上升趨勢，但是隨著滑坡體滲透系數減小，靠近滑面的浸潤線向上彎曲。庫水位下降階段，浸潤線總體為下降趨勢，但隨著滑坡體滲透系數的減小，靠近滑面的浸潤線向下彎曲。

(3)庫水位升降過程中滑坡體穩定性的變化與滑坡體滲透系數大小密切相關。庫水位上升階段，滲透系數大于1×10-3時，穩定系數逐漸減小，在175m水位時保持不變;滲透系數為1×10-4時，穩定系數逐漸變大，在175m水位先減小后保持不變;滲透系數為1×10-5時，穩定系數與1×10-4時變化規律基本相同，但變大和減小的幅度較大;滲透系數小于1×10-6時，穩定系數逐漸變大，在175m水位時一直減小。在庫水位下降階段，滲透系數大于1×10-3時，穩定系數除剛開始減小外一直增大，在145m水位時保持不變;滲透系數為1×10-4時，穩定系數先減小后增大，在145m水位時先增大后保持不變;滲透系數為1×10-5時，穩定系數一直減小，在145m水位時一直變大;滲透系數小于1×10-6時與1×10-5穩定性變化規律基本相同，但穩定系數減小幅度較大，水位保持在145m時穩定系數變大幅度較小。

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