水位變化對滑移型庫岸邊坡穩定性影響的分析

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

水位變化對滑移型庫岸邊坡穩定性影響的分析

劉韻然

(重慶交通大學河海學院重慶400074)

基于極限平衡理論的傳遞系數法來評價岸坡的穩定性及計算滑移型庫岸的推力，結合三峽庫水位運行特點，按照三種不同的工況進行穩定性驗算，分別計算了水位的變化情況下庫岸邊坡的穩定性系數，分析了正常水位、洪水位、枯水位條件下的庫岸的穩定性。結果表明，岸坡在無庫水作用時，穩定性系數較高，在有庫水位作用下，穩定系數減小，穩定性急劇下降，表明庫岸穩定性對庫水變動敏感，預測庫岸的破壞方式是以滑移型為主。

庫岸邊坡；滑移型；穩定性分析；水位變化

一、工程地質概況

某庫岸位于萬州區大周鎮上游8km吊龍村，距萬州區約16.5km，為長江北岸(左岸)臨江岸坡。庫區交通便利，有水路及公路直達工程區。

該庫岸在水庫蓄水、大氣降雨等不利因素作用下，處于欠穩定～不穩定狀態，可能產生滑移型、剝蝕侵蝕型庫岸，產生庫岸破壞在所難免。因此，開展該段庫岸的治理工作十分必要。

(一)地層巖性

地層主要為侏羅系砂、泥、砂質泥巖構成，庫岸表面分布有第四紀風化物和沖積物。

(二)地質構造

該區域內勘察結果為南側為反式單斜構造，并且巖層得傾向和傾角分別為335°、8°，區內北側陡崖上分水嶺,山頂最高高程380m，本區后緣位于斜坡上，高程為235m，高出長江現水位98.5m。區內地層為單斜構造，傾向335°，傾角8°。

根據鉆孔勘察結果顯示，在勘查區內，尚沒有發現有斷層構造，發現部分裂隙發育明顯，主要發育有2組裂隙：

Ⅰ組裂隙，傾向和傾角均為45°，裂隙面平直且閉合，間距約為1～2.0m之間，目測延伸長度約1～3m；

Ⅱ組裂隙，傾向和傾角分別為115°，75°，裂隙面平直且閉合，間距約為0.3～1.6m，目測延伸長度不小于2m。

(三)水文地質條件

區內地表水充沛，并且岸坡坡體中發育有多條小沖溝，沖溝的流量為0.1～1L/s。總體上測區為一獨立的水文地質單元。

(四)人類工程活動

該段庫岸長度大，人類工程活動分布不均，主要為城鎮建筑活動，除移民復建碼頭為再建工程外，目前無較大的人類工程活動，人類工程活動不強烈。

二、庫岸基本特征及預測

(一)庫岸類型

該段庫岸長度約800m。地形起伏較大，最高處為岸坡后緣山坡等處，高程235m，最低點高程為136.50m，相對高差達98.5m。岸坡后陡中緩前陡，前緣至史家院子臺地處坡度約20～30°，中部臺地相對較緩，坡度約10～15°，后緣在圭蛋山坡度約25～35°。溝谷除龍王秋溝谷規模較大外，其它均為淺切溝，沖溝走向近垂直于長江。主要地貌單元表現為侵蝕剝蝕斜坡地貌[1,2,6]。

(二)庫岸崩塌主要影響因素

1.內因

坡體的中下部分較為發育，后部土體是由沖洪積作用形成的粘土和陡崖風化形成的碎石土組成，對坡體有加載的作用。坡體下部碎石含量較少，而粉質粘土得含量相對較高，粘土遇水容易發生軟化作用，從而形成軟弱滑面(帶)。庫岸段斜坡地形較陡，岸坡整體土層分布較厚，這種岸坡形態本身穩定性較差。

2.外因

岸坡所在地區降雨量較為充沛，上部為粘土夾雜碎石體具有透水性，下部為基巖相對不透水，此時降雨就會沿著不透水面發生遷移，對坡體穩定性產生不利的影響。地下水主要有兩個方面的作用，一是地下水的物理化學作用，通過改變巖土體的物理力學指標來危害工程實際，包括對土體的軟化作用和對強度指標：內摩擦角和抗剪強度的減小，特別是污水作用會使土體產生有機粘膜，強度降低更顯著，使坡體失穩；二是水力學作用，靜水壓力會改變有效壓力的大小，動水壓力會使得土體被帶出影響岸坡穩定。

三、庫岸破壞方式預測

(一)預測方法

定量估計水庫建成后庫岸崩塌的范圍、寬度以及某一期限內和最終的庫岸的寬度，是庫岸防治設計的重要依據。本次所采用的預測方法為卡丘金預測庫岸圖寬度計算法[3-6]。

表1 各巖土水上、水下、動水位作用下穩定坡度角表

(二)庫岸預測結果及其分析

根據上述各土層庫岸岸坡坡角，利用卡丘金預測方法得出的庫岸預測結果統計表見表2。

表2 卡丘金預測方法得出的庫岸預測結果統計表

綜合考慮得出175m以上的庫岸預測寬度13.25～66.13m，庫岸最高高程177.21～190.00m(吳淞高程)。

三、庫岸穩定性分析

根據勘查報告，庫岸發生整體性滑移塌岸的可能性大，庫岸崩塌強烈。下面對滑移型再造岸坡穩定性分析與計算。

(一)岸坡穩定性現狀分析

對庫岸進行綜合定性判斷，其結果見表3。

表3 岸坡穩定性綜合定性判斷表

(二)滑移型岸坡穩定性計算

1.假設滑動面為折線連接而成，各條塊通過傳遞系數法傳遞推力，并采用極限平衡理論，分析岸坡的穩定性和滑移型岸坡的推力。

其中傳遞系數法主要是指：第i塊土條傳遞給第i+1塊土條的推力Pi平行于第i塊土條底部滑動面，且其計算方式為：

2.根據本庫岸結構特征可以得出其發生整體坍塌的可能性比較大，結合三峽庫區水位變動特點，按以下幾種工況進行穩定性驗算。

工況①：自重+建筑荷載+現狀水位(136.5m)；抗滑安全系數k=1.20。

工況②：自重+建筑荷載+回水位175.1m、156.6m、139.1m+20年一遇的暴雨天氣(非汛期)，安全系數取值k=1.20。

工況③：自重+建筑荷載+回水位162.4m、156.6m、145.1m+20年一遇的暴雨天氣(汛期)，安全系數取值k=1.20。

工況分析：

工況①：單純的只考慮自重力作用的時候，滑面的粘聚力和內摩擦角分別取天然狀態下的c、φ值，沒被地下水侵泡的土體重度取天然容重，被水淹沒部分取土體的飽和容重。

工況②、工況③：用庫體的水位高度表征地下水的出露位置，根據大型滑坡形成條件和三峽庫區庫岸邊坡的典型案例得出：當岸坡前緣臨空或者臨近水面的情況下，地下水的臨界水力坡度取值為20～25%(10～130)，可根據類比岸坡特征取水力梯度值，并進行穩定性的評價。利用大量的庫岸邊坡的實際經驗，進行歸納總結，得出的經驗方法，認為地下水位線自高水位與滑面的交點延伸到地面與低水位的交點。

根據勘察報告和相關規范[7]，穩定性計算參數如下：

表4 巖土計算參數表

天然狀態下，坡體重量采集原狀土樣室內試驗成果標準值γ=19.24kN/m3，在濕潤的環境下土體的重度變化較大，而巖體的重度變化并沒有多大差別，所以在采用土體重度的時候采用平均重度，即采集原狀土樣室內試驗成果標準值γ飽=20.05kN/m3。

四、庫岸穩定性分析

利用Slide軟件通過極限平衡法進行庫岸穩定性計算，Slide軟件可以進行地層、滑面還有水位的識別功能，能夠自動和手動結合式的進行條塊劃分，方便的進行條塊間的物理力學參數的自動提取的功能，還能考慮到荷載組合效應的共同作用。

五、穩定性結果分析

庫岸穩定性計算結果分析評價如下：

(一)工況①

自重+建筑荷載+現狀水位

剖面1-1、剖面2-2、剖面6-6、剖面8-8所求穩定系數為1.012～1.021，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面4-4、剖面5-5所求穩定系數為1.053～1.087，庫岸處于基本穩定狀態。

剖面3-3、剖面7-7所求穩定系數為1.240～1.50，庫岸處于穩定狀態。

(二)工況②

1.工況②-Ⅰ

自重+建筑荷載+回水位175.1m+20年一遇的暴雨工況(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩定系數為0.843～0.932，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩定系數為1.104～1.123，庫岸處于基本穩定狀態。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.205～1.227，庫岸處于穩定狀態。

2.工況②-Ⅱ

自重+建筑荷載+回水位156.6m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩定系數為0.811～0.93，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩定系數為1.013～1.033，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.138～1.169，庫岸處于基本穩定狀態。

剖面3-3所求穩定系數為1.325，庫岸處于穩定狀態。

3.工況②-Ⅲ

自重+建筑荷載+回水位139.1m+20年一遇暴雨(非汛期)

剖面2-2、剖面8-8所求穩定系數為0.908～0.942，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4、剖面5-5所求穩定系數為1.002～1.069，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.211～1505，庫岸處于穩定狀態。

(三)工況③

1.工況③-Ⅰ

自重+建筑荷載+回水位162.4m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩定系數為0.836～0.982，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面4-4所求穩定系數為0.011，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面1-1所求穩定系數為1.126，庫岸處于基本穩定狀態。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.205～1.272，庫岸處于穩定的狀態。

2.工況③-Ⅱ

自重+建筑荷載+回水位156.6m+20年一遇的暴雨工況(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩定系數為0.811～0.93，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩定系數為1.013～1.033，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.138～1.169，庫岸處于基本穩定狀態。

剖面3-3所求穩定系數為1.325，庫岸處于穩定狀態。

3.工況③-Ⅲ

自重+建筑荷載+回水位145.1m+20年一遇暴雨(汛期)

剖面2-2、剖面5-5、剖面8-8所求穩定系數為0.895～0.973，庫岸失穩，發生滑移型破壞。

剖面1-1、剖面4-4所求穩定系數為1.037～1.047，庫岸處于欠穩定狀態。

剖面3-3、剖面6-6、剖面7-7所求穩定系數為1.257～1.475，庫岸處于穩定狀態。

根據上述計算，該段岸坡在無庫水作用時，穩定性系數較高。在有庫水位作用下，穩定系數減小，穩定性急劇下降，表明庫岸穩定性對庫水變動敏感。該段庫岸長度約800m，坡體由粉質粘土夾碎塊石構成；目前岸坡已出現變形破壞現象。為土質岸坡。庫岸在三峽水庫蓄水運行時，處于欠穩定～不穩定狀態，可能產生塌岸危害。預測庫岸破壞方式以滑移型為主。

六、結論

采用極限平衡理論，滑動面采用折線傳力系數的方法進行庫岸邊坡的穩定性和坡體推力計算，并結合三峽水位變化情況，利用三種不同的組合工況形式進行庫岸邊坡的穩定性驗算。

岸坡在無庫水作用時，穩定性系數較高，在有庫水位作用下，穩定系數減小，隨著庫水位的增加，庫岸邊坡的穩定性急劇下降，表明庫岸穩定性對庫水變動敏感，預測庫岸的破壞方式是以滑移型為主。

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[7]中華人民共和國行業標準編寫組.建筑邊坡工程技術規范(GB50330-2001).重慶：重慶建設委員會，2002.

劉韻然(1993.3-)，女，漢族，四川綿陽市人，學生，碩士，重慶交通大學，研究方向：邊坡穩定。