庫水位變動對岸坡穩定性影響研究

張 寧

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概述

庫岸邊坡穩定性問題是水利、巖土行業研究的熱門話題。隨著水庫大壩的修建，流域內的生態環境、經濟、社會等方面均取得了一定的發展。大型水利設施修建影響范圍廣，庫岸邊坡的穩定性對當地居民生產生活影響較大[1- 2]。因此，對庫岸邊坡穩定性的研究是十分必要的。庫水位變動是影響庫岸邊坡穩定性的一個重要因素[3- 4]。在庫岸邊坡穩定分析的研究中常用的方法包括：數值模擬法、理論計算法、物理模型試驗等[5- 8]。其中，數值模擬方法是極為常用的方法，具備建模簡單，計算準確，效率高等優勢。三峽水庫是我國修建的大型水庫，蓄水后形成了眾多的庫岸邊坡[9- 10]，因此岸坡穩定性分析十分必要。

2 庫岸邊坡概況

2.1 岸坡規模

研究的邊坡位于長江左岸三峽庫區，平面形態表現為簸箕狀，岸坡兩側邊界為天然形成的沖溝，斜坡后緣為弧形。根據現場調查，岸坡有多個斜坎，斜坡滑動主要是沿著基覆界面發生的。斜坡長約800～1000m、寬約400～600m，高差約為100m。鉆孔資料表明，該斜坡覆蓋層厚度約23～28m。該岸坡在規模上屬于中—厚層特大型土質滑坡。

2.2 岸坡物質組成

岸坡潛在滑移體物質主要為第四系松散堆積物，主要為粉質黏土夾少量碎石土組成。區域內基巖以泥巖、泥灰巖為主，篩分試驗結果表明覆蓋層土石比為1∶1。岸坡表層為厚度約1.0m左右的耕植土，覆蓋層整體膠結程度較差，較為松散。

2.3 巖土體滲透特性

在庫區邊坡分析中，巖土體的滲流參數對岸坡穩定性分析的結果影響較大。根據現場試驗繪制滲流曲線如圖1所示。

圖1 滲流試驗曲線

3 岸坡變形機制分析

岸坡的變形破壞是由多種因素綜合影響造成的，其形成機理較為復雜，需綜合考慮分析。根據現場調查，岸坡巖土體結構松散，巖性主要為泥巖，極易出現滑動破壞，松散堆積體膠結程度差，空隙大，有利于河水、降水入滲。雨水入滲后，在基巖表面匯集。由于泥巖屬于隔水層，導致松散堆積體極易達到飽和，且泥巖在水浸泡作用下易軟化。長江水流的長期侵蝕、沖刷在岸坡表面形成了良好的臨空面，庫水位變動過程中，岸坡在地下水等綜合作用下極易出現滑動破壞。

4 庫水位變動岸坡響應特征

4.1 計算工況

計算工況主要考慮水位從正常蓄水位到防洪控制水位再到正常蓄水位的變化過程。主要采用以下兩種工況進行計算。

工況一：0.8m/d，水位變化范圍：175～145～175m；

工況二：0.8m/d，水位變化范圍：175～145～175m+50年一遇3日暴雨

4.2 計算模型及參數選取

采用中間剖面作為數值模擬計算剖面，結合已經收集的滑帶土情況和地下水情況建立Geo-Studio數值模擬模型。模型如圖2所示，數值模擬計算參數見表1。

圖2 計算模型

表1 滲流、穩定分析參數取值匯總

4.3 降雨強度值的確定

降雨強度值的選取需要充分結合現場實際情況，因此收集了當地50年的降水資料，采用Matlab軟件基于皮爾遜Ⅲ模型計算當地50年一遇的降雨雨強。多年一遇降雨極值曲線如圖3所示。

圖3 皮爾遜Ⅲ模型繪制多年一遇降雨極值曲線

從圖3可以得知，采用P-III型模型在模擬岸坡所在區域降雨重現期強度中的應用效果良好。利用巫山縣1964—2013年的降水資料計算岸坡所在區域降水重現期，經計算50年一遇的累計降雨強度值約為180mm，3天平均分配，降雨強度為60mm/d。當水位下降至159m，開始模擬降水。

4.4 數值模擬結果

Geo-Studio軟件在滲流模擬計算中極為常用，具有模型建立簡便，計算結果精確等優勢[11- 13]。初始水位為175m，先對水庫從175m下降至145m的過程中岸坡穩定性情況進行分析，之后再模擬水庫蓄水，水位上升過程中岸坡的穩定性情況。

數值模擬計算結果如圖4—7。數值模擬結果可以得出：庫水位變動過程對庫岸邊坡穩定性影響較大，在庫水位由正常蓄水位下降至159m的過程中庫岸邊坡的穩定性變化速率小于庫水位從159m下降至145m的過程。當水位下降至145m后，一段時間內斜坡的穩定性有所提升，岸坡穩定性隨著庫水位上升而提高，當達到175m后，庫岸邊坡穩定性再次開始下降。在工況二的模擬中加入了50年一遇降水，持續的強降雨對岸坡的穩定性影響較大，在一定程度上導致了岸坡穩定性系數下降，根據圖6可知，降雨對庫岸邊坡穩定性的影響具有一定的滯后效果。

圖4 工況一數值模擬結果

圖5 工況二數值模擬結果

圖6 斜坡整體穩定性系數過程曲線(工況一、二)

圖7 工況一、二斜坡最不利整體穩定性系數

在水庫庫水位下降過程中，岸坡前緣水壓力減少，堆積體內部水位較高，導致下滑力提高，抗滑力減小，從而岸坡穩定性下降。當水位下降至145m并維持一段時間后，堆積體含水量降低，堆積體容重減小，岸坡穩定性出現回升。在水位上升過程中，抗滑力增大，岸坡堆積體并未達到飽和，下滑力降低，岸坡穩定性不斷提升，當水位達到175m后，岸坡堆積體逐漸飽和，穩定性有所下降。庫岸邊坡隨著水位的變化，其穩定性變化有一定的滯后效應，主要是由于堆積體吸水達到飽和或者排水達到干燥的時間滯后于水位變動的時間。

5 結論

(1)在庫水位變化過程中庫岸邊坡的穩定性情況產生了一定的變化，在水位從175m下降至145m的過程中，前半段穩定性下降速率低，當下降至145m并保持一段時間后，穩定性有所提升。

(2)在水位達到145m后的蓄水過程中，庫岸邊坡穩定性呈現逐漸增大的變化過程，當水位達到175m后，庫岸邊坡穩定性有所下降。

(3)庫岸邊坡穩定性對降水影響具有一定的滯后效應，在降水發生后的一段時間內，岸坡穩定性下降。

(4)庫水位變動對岸坡影響較大，在強降水、泄洪等工程中，需要加強對邊坡穩定性的監測。