三峽水庫塌岸對麻柳林滑坡穩(wěn)定性的影響分析

肖長波，劉 毅，譚 超，任 蕊

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100055；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

三峽庫區(qū)蓄水后，庫水位周期性的升降，一方面深刻地改變了庫岸的水文地質(zhì)條件，降低了巖土體的穩(wěn)定性；另一方面，庫區(qū)消落帶周期性的干濕變化，加速了坡體的風(fēng)化，同時庫水及波浪作用將風(fēng)化、剝蝕的巖土體帶走，最終水庫岸坡外形會發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)新的環(huán)境。其中，水庫塌岸是岸坡形態(tài)調(diào)整的主要方式。

水庫塌岸是三峽庫區(qū)重大的地質(zhì)災(zāi)害，是影響庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性的重要因素。水庫塌岸分為突變式和漸進式，突變式即誘發(fā)滑坡或崩塌，漸進式為通過緩慢的岸坡再造形成一定范圍的削坡。水庫塌岸的危害也表現(xiàn)在兩個方面，一方面塌岸變形影響了建筑設(shè)施和居民的安全，另一方面塌岸削方降低了岸坡的整體穩(wěn)定性[1]。因此，在研究岸坡的長期穩(wěn)定性時，塌岸是重要的影響因素。

目前，針對庫水位變動聯(lián)合降雨作用下滑坡的穩(wěn)定性已有大量研究[2-4]，但很少有研究考慮了塌岸對滑坡穩(wěn)定性的影響。目前，常用的塌岸預(yù)測方法主要有卡丘金法、佐洛塔寥夫法、平衡剖面法、沖堆平衡法、兩段法和岸坡結(jié)構(gòu)法等[5]。為此，本文以三峽庫區(qū)麻柳林滑坡為例，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用卡丘金法[6]對三峽水庫塌岸進行了預(yù)測，并針對塌岸前、后麻柳林滑坡的兩個剖面，在考慮庫水位下降聯(lián)合降雨作用影響下對麻柳林滑坡的穩(wěn)定性進行了計算，分析了塌岸對該滑坡穩(wěn)定性的影響。該研究成果有助于正確評價岸坡的長期穩(wěn)定性。

1 麻柳林滑坡概況

麻柳林滑坡平面形態(tài)為箕形(見圖1)，滑坡主軸長約300 m，平均寬度約450 m，滑坡平均厚度約25 m。滑坡前緣高程為125 m，后緣高程為230 m(見圖2)，面積約13.5×104m2，體積約303.75×104m3，屬土質(zhì)滑坡。該滑坡的滑體物質(zhì)主要為后期人類生活及建筑人工堆積物和崩坡積物粉質(zhì)黏土夾碎塊石，碎塊石含量約占20%；滑帶土為粉質(zhì)黏土；滑床為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)的砂巖、泥巖，巖層產(chǎn)狀為99°∠8°。

圖1 麻柳林滑坡平面圖Fig.1 Geological plane of Maliulin landslide

圖2 麻柳林滑坡剖面圖Fig.2 Geological profile of Maliulin landslide

2 塌岸的預(yù)測

2.1 塌岸預(yù)測方法——卡丘金法

卡丘金法是由卡丘金于1949年提出的預(yù)測均質(zhì)庫岸坍塌的方法，其實質(zhì)是依據(jù)水庫實測的洪、枯庫水位變幅帶各類巖土體岸坡長期穩(wěn)定的坡角，根據(jù)幾何關(guān)系并利用圖解法求解庫岸最終塌岸的寬度，其精度取決于計算參數(shù)的選定，其起算點為水庫最低水位，見圖3。實際中需對類似水動力和巖土體條件下的已有岸坡塌岸進行現(xiàn)場調(diào)查，以獲取相應(yīng)可靠的計算參數(shù)。

卡兵金法預(yù)測庫岸最終塌岸寬度的計算公式為

(1)

圖3 卡丘金法塌岸預(yù)測示意圖[5]Fig.3 Schematic diagram of the bank collapse prediction by Kachugin method[5]注：M、N分別為沖蝕磨蝕淺灘的起算點和終點；L為沖蝕磨蝕淺灘的水平寬度(m)；θ為水下堆積體坡角(°)；h1為黏性土斜坡上部的垂直陡坎坎高(m)；h2為穩(wěn)定坡角對應(yīng)的侵蝕高度(m)；其他符號同公式(1)

式中:S為庫岸最終的塌岸寬度(m)；N為與土的類型有關(guān)的系數(shù)，黏土為1；A為水位變化幅度(m)；hp為波浪影響深度，設(shè)計低水位以下波浪影響深度取1～2倍浪高(m);hb為浪爬高度(m)，設(shè)計高水位以上浪爬高度計算公式為hb=3.2K·h·tanα[(其中，K為岸坡粗糙系數(shù)，取0.6；h為浪高(m)]；hs為設(shè)計高水位以上岸坡的高度(m)；α為水位變動范圍形成的沖蝕磨蝕淺灘的坡角(°)；β為水上岸坡的穩(wěn)定坡角(°)；γ為原始坡角(°)。

2.2 塌岸預(yù)測參數(shù)的確定

2.2.1 浪高的計算

對于三峽庫區(qū)，船行波的波高比風(fēng)浪更大。野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)船行波明顯地造成岸坡侵蝕、庫水渾濁。庫水波高越大，波浪的能量越大，也更容易引起塌岸，因此本文以船行波波高來確定浪高。根據(jù)長江三峽通航管理局2016年度航運數(shù)據(jù)，2016年三峽通過船舶43 232艘次，船閘通行量1.305億t,據(jù)此，可得日均通行船舶118艘，每艘船舶平均通行量3 018 t。隨著宜昌翻壩物流產(chǎn)業(yè)園或第二船閘開建，來往船只將會更加頻繁，遠期船舶通行量將會翻倍，因此塌岸預(yù)測中必須要考慮船行波的影響。

船行波形態(tài)與航道的傅汝德數(shù)Fd密切相關(guān)，傅汝德數(shù)計算公式如下[7]：

(2)

式中:Fd為傅汝德數(shù)；vm為船舶航行速度(m/s)；g為重力加速度(m/s2)；d為航道水深(m)。

在不同的速度區(qū)，船行波計算模型各異:Fd<1，屬于亞臨界速度區(qū)；Fd≈1，屬于跨臨界速度區(qū)；Fd>1，屬于超臨界速度區(qū)。

當(dāng)前內(nèi)河常規(guī)航運速度為20 km/h，假設(shè)航道水深為50 m，則傅汝德數(shù)為0.25，屬于亞臨界速度區(qū)。此時，岸坡處最大波高可以根據(jù)包瑞奇公式[8]計算：

(3)

式中：Hm為最大船行波波高(m)；b為船舶中剖面的船寬(m)；T為船舶滿載吃水(m)；B0為船舶沿軸線航行時的船舶吃水線處的河寬，否則為船軸至河岸距離的兩倍(m)；L為船體總長(m)；B為水面寬度(m)。

根據(jù)中華人民共和國交通運輸部《川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列(2010年修訂版)》，選取3 500 t級散貨船船舶尺寸，河道寬度根據(jù)衛(wèi)星地圖估算，據(jù)此計算船行波波高為0.85 m。

2.2.2 塌岸預(yù)測特征參數(shù)的確定

在塌岸預(yù)測中，最重要的是預(yù)測參數(shù)的確定。針對三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測參數(shù)的確定，湯明高等[9]、彭士雄等[10]基于現(xiàn)場調(diào)查進行了系統(tǒng)研究，本文采用他們的研究成果確定麻柳林滑坡塌岸預(yù)測的特征參數(shù)(見表1)，本次取均值進行計算。

表1 麻柳林滑坡塌岸預(yù)測的特征參數(shù)值[9]Table 1 Parameters of bank collapse prediction for Maliulin landslide[9]

2.2.3 塌岸預(yù)測

本文采用卡丘金法預(yù)測麻柳林滑坡原始浸沒率剖面的塌岸范圍。根據(jù)卡丘金圖解法繪出最終塌岸區(qū)域及堆積區(qū)的范圍，塌岸寬度為120 m，見圖4。

圖4 卡丘金圖解法預(yù)測的最終塌岸區(qū)域及堆積區(qū)的范圍Fig.4 Results of the predicted ultimate bank collapse area and the accumulation zone by Kachugin method

3 降雨極值的計算

本文采用Pearson-III(P-III)型頻率曲線計算降雨極值。P-III型頻率曲線是我國水文、氣象頻率分析計算中最基本、最重要，也是現(xiàn)行《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》推薦的分布線型頻率曲線。P-III型分布函數(shù)是皮爾遜曲線簇中的一支，在數(shù)學(xué)上稱其為Γ分布，它的概率密度函數(shù)f(x)和累積分布函數(shù)F分別為

(4)

(5)

圖5 利用海森幾率格紙進行參數(shù)擬合Fig.5 Parameters fitting by Haisen probability lattice paper

4 麻柳林滑坡的穩(wěn)定性計算

4.1 計算模型

本文基于有限元軟件Geo-Studio，采用麻柳林滑坡塌岸前1-1′剖面(見圖2)，按照1∶1的比例建立二維計算模型，坐標(biāo)軸與地質(zhì)剖面保持一致，單元長度設(shè)為3 m，見圖6。本文假定基巖為隔水界面，因此建模時不考慮基巖的作用，只有滑體；基于巖土體的飽和-非飽和理論，根據(jù)SEEP/W模塊中的Van Genuchten土-水特征經(jīng)驗曲線和飽和巖土體參數(shù)來確定非飽和土體的計算參數(shù)，并通過加載降雨且改變庫水位下降速率來獲取不同時刻該滑坡的滲流場；最后將不同時刻的滲流場導(dǎo)入SLOPE/W模塊，并采用Morgenstern-Price方法計算麻柳林滑坡的穩(wěn)定性。

圖6 麻柳林滑坡塌岸前的計算模型Fig.6 Calculaion model of Maliulin landslide before bank collapse

初始地下水位及邊界條件：固定模型底部的水平和豎直位移，固定模型兩側(cè)的水平位移；滑體表面175 m以上設(shè)置為降雨入滲邊界，175 m以下設(shè)為庫水入滲邊界，基巖設(shè)為不透水層;結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測資料，取175 m穩(wěn)定時的地下水位為初始地下水位。

4.2 計算參數(shù)

根據(jù)三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)統(tǒng)計規(guī)律和相鄰滑坡勘查試驗資料，通過工程地質(zhì)類比法確定巖土體飽和抗剪強度參數(shù)和飽和體積含水量，麻柳林滑坡的容重γ取20.5 kN/m3，飽和體積含水量取0.392 m3/m3，黏聚力c取25 kPa，內(nèi)摩擦角φ取25.5°。通過現(xiàn)場單環(huán)滲水試驗確定其飽和滲透系數(shù)為0.5 m/d。

4.3 計算工況

為了研究塌岸對麻柳林滑坡穩(wěn)定性的影響，本文分塌岸前和塌岸后兩類工況進行麻柳林滑坡穩(wěn)定性的計算。每類工況中取50年一遇的降雨量作為降雨極值，并平均加載到3 d中，每天降雨強度為62.7 mm/d。庫水位以恒定的速率由175 m降至145 m，下降速率分4種，分別為0.5 m/d、1.0 m/d、1.5 m/d和2.0 m/d，用以研究庫水位下降速率對麻柳林滑坡穩(wěn)定性的影響。各組合計算工況見表2，按此工況逐個計算麻柳林滑坡的穩(wěn)定性。

表2 麻柳林滑坡穩(wěn)定性的計算工況Table 2 Calculation conditions of the stability of Maliulin landslide

4.4 地下水滲流場模擬

本文利用SEEP/W模塊計算庫水位聯(lián)合降雨作用下的地下水滲流場。根據(jù)計算結(jié)果，以0.5 m/d的庫水位下降速率為例，選取庫水位分別在175 m、170 m、165 m、160 m、155 m、150 m和145 m時的地下水浸潤線進行展示，詳見圖7和圖8。

圖7 塌岸前庫水位以0.5 m/d下降時的地下水浸潤線Fig.7 Infiltrating line before collapse at the drawdown rate of 0.5 m/d

圖8 塌岸后庫水位以0.5 m/d下降時的地下水浸潤線Fig.8 Infiltrating line after collapse at the drawdown rate of 0.5 m/d.

由圖7和圖8可見，塌岸后的地下水浸潤線與塌岸前的相比，地下水浸潤線更低。例如取橫坐標(biāo)220 m處作垂直輔助線，輔助線與各地下水浸潤線相交，標(biāo)出各交點的高程值。結(jié)果表明：塌岸前地下水浸潤線最低點的高程為170.4 m，塌岸后地下水浸潤線最低點的高程為168.5 m，較塌岸前降低了1.9 m。分析圖7和圖8可知，塌岸后滑坡前緣變平緩，與庫水接觸面積增大，在庫水位下降過程中，且在不考慮滲透系數(shù)改變的條件下，地下水的排泄更容易，地下水浸潤線更低。

4.5 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及分析

本文將滲流計算結(jié)果導(dǎo)入SLOPE/W模塊進行麻柳林滑坡穩(wěn)定性計算，得到塌岸前后不同工況下麻柳林滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，見圖9。

圖9 塌岸前后不同工況下麻柳林滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fig.9 Stability coefficient of Maliulin landslide at various conditions before and after collapse

通過對比分析工況1系列(塌岸前)和工況2系列(塌岸后)可知，在各個工況條件下，塌岸后麻柳林滑坡的穩(wěn)定性降低，各對應(yīng)工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降約3%。分析該滑坡剖面形態(tài)可知，滑坡中前緣為阻滑段，前緣阻滑段范圍內(nèi)塌岸后，造成阻滑力降低，但下滑力未減小，最終導(dǎo)致麻柳林滑坡的穩(wěn)定性下降。

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)岸坡地質(zhì)條件本文選用卡丘金法進行了三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測，在確定塌岸預(yù)測參數(shù)時，由于三峽庫區(qū)大型船只來往頻繁、波浪大，船行波的影響不能忽略，預(yù)測得到麻柳林滑坡最終塌岸的寬度為120 m。

(2) 塌岸使麻柳林滑坡前緣變緩，與庫水接觸面增大，在庫水位下降時，地下水浸潤線較塌岸前更低。

(3) 對于麻柳林滑坡，由于滑坡前緣阻滑段的侵蝕，導(dǎo)致滑坡的穩(wěn)定性有所降低，降幅約3%。此時，在庫水位快速下降過程中，麻柳林滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

通訊作者：劉 毅(1989—)，男，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害機理方面的研究。E-mail:liu_yi_369@163.com