平缓细粒土岸坡水库塌岸机理研究*

张景顺 张世殊 周光明 徐 旭 冯建明



平缓细粒土岸坡水库塌岸机理研究*

张景顺 张世殊 周光明 徐 旭 冯建明

大量工程实践和统计数据表明，水库塌岸多发生在自然坡度15°以上的松散堆积层岸坡。一般认为自然坡度10°左右的平缓堆积层岸坡发生水库塌岸的可能性小，但在四川省宝兴河硗碛水电站库区却发生了大规模的平缓型堆积层塌岸，蚂蝗沟5#堆积体即属于此类型。蚂蝗沟5#堆积体由砾质黏土组成，土中小于0.075mm的细粒含量约占60%，蓄水后塌岸模式为缓慢的蠕滑变形。蓄水9年多来，变形范围由前缘的小规模塌岸逐渐向后缘扩展至大范围滑坡，目前变形仍然在持续。本文以该堆积体为例，通过对土体结构、颗粒组成等的勘探试验，并结合水库运行方式和变形监测成果，采用有限元瞬态渗流分析与稳定性分析的耦合分析计算，系统地开展了其塌岸机理研究。研究结果表明：细粒为主的土体结构及其弱透水性，是平缓堆积体在库水位反复升降作用下蠕滑变形的根本原因； 平缓细粒土岸坡的稳定性与库水位的升降具有明显的相关性，随库水位的周期性变化岸坡呈现出不同的稳定状态，其蠕滑变形速率也明显不同。

水库塌岸 蠕滑 砾质黏土 瞬态渗流分析 变形监测

0 引 言

近年来，随着我国水利水电工程建设的快速发展，建成了一大批大中型水库。三峡、二滩、宝珠寺、天生桥一级、瀑布沟、溪洛渡、小湾、硗碛、毛尔盖等库区蓄水后的水库塌岸问题均较为突出(罗选红等， 2006； 汤明高等， 2006； 何元宵等， 2011； 彭世雄等， 2014)，水库塌岸已成为库区主要工程地质问题。据统计， 90%以上的水库塌岸发生在自然坡度15°以上的松散堆积层岸坡(汤明高等， 2006； 何元宵等， 2011)。一般认为自然坡度10°左右的平缓堆积层岸坡发生水库塌岸的可能性小，但在四川省宝兴河硗碛水电站库区却发生了大规模的平缓堆积层塌岸。

硗碛水电站水库蓄水后，受库水作用的影响，库区发生规模不等的松散堆积层塌岸数十处，塌岸问题十分突出。在2007～2008年首轮库水位升降过程中，库区即出现18处规模数十万至数百万立方米的塌岸，其中包括蚂蝗沟5#堆积体，塌岸模式以逐级牵引式的缓慢蠕滑变形为主(胡卸文等， 2009； 刘娟等， 2010； 赵国宣等， 2015)。根据跟踪调查情况和监测资料分析，在经历9年多的库水位周期性变化影响后，细粒为主的松散堆积层岸坡的蠕滑变形仍然十分明显。上述塌岸(蠕滑变形)不仅造成库区大量居民房屋开裂、破坏，公路路基沉降，同时也增加了水库淤积，影响水库运行。若近坝库岸塌岸导致滑坡涌浪将直接威胁大坝安全，造成严重后果。

系统地开展细粒土岸坡的塌岸机理研究，有助于正确判断岸坡的稳定性及发展趋势，评价塌岸对水工枢纽建筑物、库区房屋和公路等的影响，为治理设计提供依据。另一方面，相关的研究方法和结论对类似工程也具有一定的借鉴意义。

1 硗碛水电站水库运行方式

硗碛水电站是宝兴河流域开发的龙头水库工程，电站采用高土石坝长隧洞引水发电。水库正常蓄水位2140m，死水位2060m，总库容约2×108m3，调节库容1.87×108m3，具有年调节能力。

2006年12月5日开始水库蓄水， 2007年底水库最高蓄水至2125m， 2008年水库初次蓄水至正常水位2140m。根据水库运行方式，水库每年5月～11月为蓄水期， 12月至翌年4月为供水期(图7)。

2 蚂蝗沟5#堆积体塌岸特征

2.1 蚂蝗沟5#堆积体基本地质特征

蚂蝗沟5#堆积体位于硗碛水电站库区蚂蝗沟右岸，地貌上呈扇形堆积的缓坡形态，自然坡度一般7°～14°。该堆积体顺坡长约700m，沿河宽400～830m，后缘分布高程约2244m，前缘分布高程约2070m，坡高约174m(图1)。

蚂蝗沟5#堆积体主要为坡洪积(Qdl+pl)砾质黏土，土体颗粒较细，总体结构较松散。2158m高程(环湖公路附近)以上地形坡度12°～14°，砾质黏土厚度约16～35m。2158m高程以下坡洪积砾质黏土堆积在原河谷基岩岸坡及河床冲洪积(Qal+pl)块(漂)碎(卵)石土上。其中， 2110～2158m高程地形坡度7°～9°，砾质黏土厚度约40～80m； 2070～2110m高程地形坡度约14°，砾质黏土厚度约5～40m。下伏基岩为泥盆系(D)粉砂质千枚岩、炭质千枚岩夹薄-极薄层灰岩。整体来看，蚂蝗沟5#堆积体坡洪积(Qdl+pl)砾质黏土厚度16～80m不等 (图2)，规模约1100×104m3，其中正常蓄水位以上约170×104m3。

蚂蝗沟5#堆积体坡洪积(Qdl+pl)砾质黏土的颗粒级配组成(表1)。另据室内试验成果：土体天然密度20.2～22.2kN·cm-3，直剪试验(饱和固结快剪)摩擦角11.1°～19.2°，黏聚力10.4～25.0kPa。

图1 蚂蝗沟5#堆积体地质平面图

图2 蚂蝗沟5#堆积体1—1′工程地质剖面图

表1 砾质黏土颗粒级配表

Table1 Grain size distribution of gravelly clay

土样编号颗粒级配组成/%60～40mm40～20mm20～10mm10～5mm5～2mm2～0.5mm0.5～0.25mm0.25～0.075mm0.075～0.005mm<0.005mmM5-12.673.553.557.115.405.571.583.9936.0830.49M5-21.683.365.044.205.705.101.634.2437.6331.41M5-3 3.794.315.176.515.961.634.2434.3633.01M5-42.846.6811.6813.354.454.391.373.4726.4125.37M5-53.305.7810.7314.044.474.131.123.0129.3824.04M5-63.716.2310.6814.834.424.391.073.0727.3624.26

图3 蚂蝗沟5#堆积体全貌及蠕滑变形

2.2 蓄水后变形过程及塌岸特征

据2008年4月初调查，在2007年底水库首次蓄水至2125m以及后续的首次库水位下降过程中，蚂蝗沟5#堆积体前缘临河部位出现小规模坍塌现象，坡面出现变形裂缝并逐渐向后缘扩展。变形后缘边界高程约2140m，尚未对环湖公路造成影响。

2008年 “5·12 汶川地震”后调查发现，变形后缘边界已经到达2157m高程附近的环湖公路，导致路基沉降，坡上多处居民房屋受损严重。

蓄水后9年多以来，蚂蝗沟5#堆积体一直在缓慢的蠕滑变形 (图3)，变形边界持续向岸坡后缘扩展，目前变形后缘边界已到达2244m高程的基覆界线附近。

通过对蚂蝗沟5#堆积体变形过程的回顾，可以总结出硗碛水电站库区平缓细粒土岸坡水库塌岸有以下几个显著特点：(1)塌岸模式以逐级牵引式的缓慢蠕滑变形为主，塌岸范围不断向岸坡后缘发展； (2)变形与库水位存在明显的相关性，库水位快速消落过程中蠕滑变形较显著；(3)蠕滑变形持续时间长，变形逐年趋缓。

3 蚂蝗沟5#堆积体监测成果分析

在蚂蝗沟5#堆积体内部及周边布置了9个地表位移监测点，分别是MD501～MD509，各监测点位置详(图1)。

自2014年12月底开始实施监测，每月监测1次，汛期增加监测次数，截至2016年4月22日，已实施监测19期。对监测数据整理后与库水位进行了相关性分析(图4)。

监测数据表明，除MD505、MD508等两个监测点未产生变形外，其余监测点虽然位移量存在差异，但位移具有同步性，均揭示了变形与库水位的周期性变化具有明显的相关性(张友谊等， 2007； 易武等， 2011； 王世梅等， 2015)。

以累计位移量较大的MD506监测点为例，该监测点487d总位移量384.7mm。其中2014年12月23日～2015年12月22日一年时间的总位移量260mm，日平均位移速率约0.71mm·d-1。2014年12月23日～2015年3月8日，日平均位移量约0.49mm·d-1； 2015年3月8日～2015年4月26日，日平均位移量约2.34mm·d-1； 2015年4月26日～2015年12月9日，日平均位移量约0.41mm·d-1； 2015年12月9日～2016年2月29日，日平均位移量约0.45mm·d-1； 2016年2月29日～2016年4月22日，日平均位移速率约1.73mm·d-1。

分析监测成果可知： 2月底至4月底，库水位从2100m下降至死水位2060m过程中，库区水位下降最快，蠕滑变形最为显著； 4月底至12月中、下旬，库水位从2060m上升至正常蓄水位2140m，岸坡蠕滑变形在减速，说明随着库水位上升，岸坡稳定性提高； 12月中下旬至翌年2月底，库水位从正常蓄水位2140m下降至2100m，变形开始加速。

图5 第160d(水位下降至2090m时)瞬态渗流分析结果

图6 第280d(水位上升至2135m时)瞬态渗流分析结果

4 库水位作用下蚂蝗沟5#堆积体渗流场分析

对蚂蝗沟5#堆积体因库水位变化产生的瞬态渗流问题分析采用SEEP/W软件(张文杰等， 2005； 廖红建等， 2008)，渗流分析过程将硗碛库区水位随时间的变化函数 (图7)作为水头-时间函数。4月中旬至5月底期间，库水位低于计算剖面处的蚂蝗沟沟水，水头按剖面处蚂蝗沟沟水位2070m考虑。以10月20日正常蓄水位2140m作为计算起点，时间步长取10d，模拟分析1a内不同时间点的岸坡瞬态渗流问题。例如：第160d，水位下降至2090m时的瞬态渗流分析结果(图5)； 第280d，水位上升至2135m时的瞬态渗流分析结果(图6)。

5 蚂蝗沟5#堆积体塌岸机理分析

蚂蝗沟5#堆积体呈扇形堆积在蚂蝗沟沟床之上，前缘临河部位受沟水冲刷及公路开挖影响，形成高约3m的45°陡坎。另外，堆积体后缘有泉水出露，堆积体中部及下游侧各有1条水沟，沟内常年流水。因此，受沟水冲刷、公路开挖及地表沟水入渗等影响，蓄水前蚂蝗沟5#堆积体前缘局部稳定性差，整体稳定性一般。

渗流分析结果表明，库水位上升过程中，由于砾质黏土渗透性弱，地表水入渗较慢，地下水位上升相对滞后，库水位与坡体地下水位形成负落差，反压坡体，对稳定性有利。库水位下降过程中，由于库水位的快速消落，导致土体内的孔隙水来不及消散，地下水位下降也相对滞后，产生的动水压力对岸坡稳定不利。

综合分析水库运行方式、土体颗粒组成、变形监测以及渗流计算结果，认为以蚂蝗沟5#堆积体为例的硗碛库区平缓细粒土岸坡蓄水后蠕滑变形的主要原因是：(1)土体颗粒以细粒为主，透水性弱； (2)库水作用改变了岸坡地下水状态，使土体强度降低，特别是库水位消落过程中形成的动水压力对岸坡稳定性不利。

图7 蚂蝗沟5#堆积体稳定性安全系数-水库水位-时间关系曲线

图8 库水位上升至2140m时(10月20日前后)稳定性计算成果

图9 库水位下降至2090m时(3月底)稳定性计算成果

6 不同库水位下蚂蝗沟5#堆积体稳定性分析

6.1 稳定性分析方法

对蚂蝗沟5#堆积体的稳定性分析采用SLOPE/W软件，计算方法选择基于极限平衡理论的Morgenstern-Price法。将一个水库运行周期内每个时间点的瞬态渗流分析结果应用到稳定分析过程中，实现渗流与稳定性的耦合分析(张文杰等， 2005； 廖红建等， 2008； 牛文杰等， 2009)，研究库水位升降引起的地下水变化对岸坡稳定性的影响。

6.2 计算参数与成果

稳定性分析计算过程，对砾质黏土抗剪强度参数取值在一定范围内进行了试算，以找到符合岸坡蠕滑变形特征的抗剪强度参数。试算过程中，有效黏聚力c取值分别为： 15kPa、18kPa、20kPa、22kPa、25kPa和30kPa； 有效内摩擦角φ取值分别为： 9.5°、10°、10.5°、11°、11.5°和12°。计算过程中，通过土水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度(Fredlund et al.，1996)。渗流分析与稳定性分析计算采用的岩土体物理力学参数(表2)，稳定性计算成果(图7)。

表2 岩土体物理力学参数表

Table2 Rock and soil physical mechanics parameters table

岩土体参 数重度/kN·m-3有效黏聚力/kPa有效内摩擦角/(°)饱和渗透系数Ksat/m·s-1砾质黏土20.215～309.5～123.0×10-7块(漂)碎(卵)石土22.50291.0×10-5千枚岩2540341.0×10-8

计算结果显示，砾质黏土的有效黏聚力c取值15kPa，有效内摩擦角φ取值11°时，岸坡稳定性安全系数与实际情况较符合。其中，库水位由2137.5m上升至2140m时岸坡稳定性安全系数最大(1.189)，计算成果(图8)，库水位下降至2090m时岸坡稳定性安全系数最小(0.858)，计算成果(图9)。

6.3 计算成果分析

根据稳定性分析计算成果，岸坡稳定性随库水位变化呈现周期性变化，且其稳定性变化与监测成果、库水位变化之间存在较好的对应关系(图4，图7)。

10月中、下旬，库水位从汛期控制水位2137.5m上升到正常蓄水位2140m。由于砾质黏土渗透性弱，地表水入渗较慢，库水位与坡体地下水位形成负落差，反压坡体，对稳定性有利，此时计算的岸坡稳定性安全系数全年最大。当库水位维持在2140m蓄水位一定时间形成稳定渗流时，库水位对坡体的反压作用消失，稳定性略有降低并维持在一定的安全系数。12月底水位开始下降，由于库水位快速消落产生的动水压力的不利影响，岸坡稳定性安全系数随之快速减小。至翌年3月底，库水位下降到2090m附近时，计算的岸坡稳定性安全系数最小。3月底至5月中旬，库水位经历了从2090m降至2060m再上升到2070m，在此期间，岸坡稳定性增加。由于计算剖面处蚂蝗沟水位约为2070m，当库水位低于2070m时，库水作用对岸坡稳定性影响甚微。5月中旬至6月初，库水位从2070m快速上升到2100m，受库水作用影响，岸坡稳定性降低。6月初至10月中旬，库水位从2100m上升到2137.5m，并维持汛期控制水位2137.5m一段时间，受库水位上升较快形成的反压坡体作用，计算得到的期间稳定性安全系数逐渐增大，库水位维持在2137.5m不变后反压作用逐渐消失，安全系数略有减小。

综上所述，随着库水位周期性变化，目前蚂蝗沟5#堆积体在不同时期的稳定性差异较大。在8月底至翌年1月中旬高水位运行期间处于基本稳定-稳定状态； 1月中旬至2月底处于欠稳定状态； 2月底至6月中旬处于不稳定状态，其中3月底岸坡稳定性最差； 6月中旬至8月底处于欠稳定-基本稳定状态。

7 结 论

通过对蚂蝗沟5#堆积体的颗粒组成、渗透特性以及变形监测资料分析，结合有限元瞬态渗流分析与稳定性分析的耦合分析结果，得出主要结论如下：

(1)蚂蝗沟5#堆积体为平缓细粒土岸坡，土体以粉粒、黏粒和砂砾为主，力学参数较低，透水性弱。其塌岸始于水库蓄水初期，塌岸模式以逐级牵引式的缓慢蠕滑变形为主，蓄水后9年多来蠕滑变形一直在持续。

(2)蚂蝗沟5#堆积体的蠕滑变形与库水位的周期性变化具有明显的相关性。库水位快速下降过程中，蠕滑变形加速，累计变形量大； 库水位上升过程中，蠕滑变形减速，累计变形量小。

(3)细粒为主的土体结构及其弱透水性，以及库水位反复升降作用，是平缓细粒土岸坡蠕滑变形的根本原因。

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COLLAPSE MECHANISM OF GENTLE INCLINED AND FINE-GRAINED SOIL SLOPE ON RESERVOIR BANK

ZHANG Jingshun ZHANG Shishu ZHOU Guangming XU Xu FENG Jianming

Engineering practice and statistics show that reservoir bank collapse usually occur in loose accumulation when slope is greater than 15 degrees. Reservoir bank collapse is small possibility when bank slope is 10 degrees or so. But it happens in Qiaoqi hydropower station reservoir area on Sichuan Baoxing River. As an factual example， the Mahuang valley 5#accumulation body is composed of gravelly clay. Particle size of less than 0.075mm is accounted for about 60%.The collapse mode of reservoir bank is slow creeping deformation after impoundment. Deformation range gradually expands backward. After more than nine years， deformation continues. This paper takes Mahuang valley 5#accumulation body as an example. It is on the basis of exploration and test work about soil structure and soil particle composition， reservoir operation mode and deformation monitoring results， and coupling analysis of finite element analysis of transient seepage and stability analysis. It studies the collapse mechanism of gently inclined slope on reservoir bank. The results show that fine-grained soil structure and weak water permeability are the main causes of accumulation of creep deformation in Qiaoqi reservoir area. The gently inclined slope stability and the periodical change of water level have an obvious correlation. With the rise and fall of water level change， the reservoir bank presents different steady states and the creep deformation rate differently．

Reservoir bank collapse， Creep， Gravelly clay， Transient seepage analysis， Deformation monitoring

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.004

2016-05-25;

2016-08-17.

张景顺(1980-)，男，学士，高级工程师，主要从事水电水利工程和岩土工程勘察设计工作. Email：10474590@qq.com

P642.2

A