动态水位作用下库岸边坡稳定性分析

苟建平

（甘肃省宕昌县水务局，甘肃 宕昌 748500）

0 引言

库岸边坡安全稳定性评价分析算是一个长期困扰全球的问题。1963年意大利瓦伊昂水库巨型滑坡造成2600多人员死亡，引发全球热议[1～2]；受地质条件影响，我国库岸滑坡灾害尤以长江流域2014年9月，湖北省三峡库区宜昌市杉树槽走遍发生滑塌体积近90万立方的大规模山体滑坡，直接冲毁附近某大型发电站、堵塞或损坏当地交通要道，对当地居民生活造成了极大的影响。据不完全统计，三峡库区周边较密集分布着超过3000处滑坡灾害高发点，每年造成的经济损失高达数十亿元[3～4]。因此，对动态水位变化作用下库岸边坡安全稳定性作出准确的计算与评价显得十分重要[5～7]。基于Geo Studio有限元数值分析平台[8～10]，对动态水位作用下湖北省某水库库岸边坡稳定性进行计算；再结合应力场、渗流场多重条件深度分析库岸边坡安全系数变化规律，为今后库岸边坡在动态水环境中的评价、防治提供一定借鉴。

1 边坡概况

湖北省某边坡位于长江流域三峡库区，坡面位于水库北侧，地形坡度大约为15°～30°之间，向南倾斜入水库蓄水区域。坡面潜在滑体主要由碎石土、砾石以及粉质黏土、黏土组成，滑带为堆积层与基岩接触带，以含碎石黏土及粉质黏土为主。滑体后缘高约380 m，前缘长度接近750 m。岩层及松散堆积体的主要参数如表1。边坡剖面图如图1所示。

表1 滑床岩层及松散堆积体主要参数

图1 某边坡剖面图

2 基于Geo Studio边坡分析模型建立

选取某滑坡剖面基于Geo Studio软件建立数值模型及尺寸如图2所示，本模型节点数共计935个、单元数756个。全局单元尺寸为15 m×15 m。边坡模型包含滑体和滑床两部分，划分后模型如下图所示。

图2 Geo Studio分析软件边坡分析模型

3 计算结果分析

3.1 水库水位动态监测

对水库进行水位监测，每10天对水库周围进行水位高低测量，持续采样一年时间，采样监测结果如下图3。

图3 一年内水库水位变化图

由图3可知，湖北省某水库处于长江中下游流域，属于典型亚热带季风气候。春季河流水位受长江上游冰雪融化影响，水库水位小幅度上升，河流水库脱离枯水期；夏季后区域有强降雨，水库水位会突涨，进入丰水期；同时，由于水位突然上升，需视情况采取一定的防洪措施；秋冬季后水库水位迅速降低，进入枯水期。

3.2 库水位作用下岸坡安全性分析

根据Geo Studio软件建立数值模型计算结果，下图4为一年内边坡渗流场与安全系数随水位变化云图。

图4 坡渗流场与安全系数随水位变化云图

库水位从滑坡前缘处的初始水位约100 m以0.15 m/d～5.6 m/d（不同时间段上升速率不同）逐渐上升到235 m最高水位的过程中，浸润线在岸坡表面发生弯曲并指向边坡坡内，且可见坡表处明显高于坡内，这表明：坡内水位的上升滞后于坡外水位的上升，水分在库水上升过程中发生指向坡内的回流，在岸坡表面最为明显；同理可知，在库水位下降过程中在库水位升降过程中，坡内水位的下降滞后于坡外水位的下降，水分在库水下降过程中发生指向水库的回流。分析岸坡渗流场的重要基石是浸润线，通过浸润线的分布和形态，可以获取所需的基本渗流要素。

在水库水位上升过程中，坡表范围正孔压区范围逐渐扩大，同时负孔压区范围逐渐缩小。经过一定时间的水位上升，正孔压区孔压最大值由815 kPa逐渐增长到1752 kPa，负孔压区孔压绝对值在岸坡表面附近区域随库水位波动发生剧烈变化，其值变化的敏感性远远大于坡内。由前文分析可知，库水位上升过程中，产生由坡外向坡内的回流，渗透矢量在浸润线波动较大的坡表附近指向坡内和浸润线以上的坡内，产生这种现象的原因是库水上升造成近坡表范围浸润线下部正孔压增大以及上部负孔压的消散，由此产生的渗透力指向坡内。

同理，在水库水位下降的过程中，浸润线也随之缓慢下降，近坡表范围正孔压区范围逐渐缩小，同时负孔压范围逐渐扩增。经过水位下降过程后，正孔压区孔压最大值由1735 kPa逐渐降低到826 kPa，负孔压区孔压绝对值取值范围和水位上升时相似。库水位在下降的过程中，产生由坡内指向坡外的流动，渗透矢量在浸润线波动较大的坡表附近指向坡外，产生这种现象的原因是库水下降造成近坡表范围浸润线下部正孔压减小以及上部负孔压的扩张及由正变负，由此产生的渗透力指向坡外，表现在图中便是渗透矢量的上述分布状态。

3.3 动态水位作用机理分析

一年内库岸边坡安全系数随水位变化关系如图5所示。

图5 动态水位作用下边坡安全系数变化曲线

岸坡稳定性安全系数呈现出平稳—降低—升高—降低—升高—平稳。这是因为，当库水位上升或下降时，区域滑坡体渗透系数较小，坡体内地下水渗流速率低于坡外库水位升降速率，此时，坡内外便会产生水位差，造成破内外存在渗透压力，影响边坡的稳定性。具体可分为两种情况：

1）库水位上升。由于坡内水位上升存在滞后性，坡外水位高于坡内，产生指向坡内的渗透压力，坡表水位回流向坡内，向内的压力挤压岩土体，滑坡下滑力减小，边坡变形较小，稳定性情况相比增加。

2）库水位下降。此时情况边坡结果则截然相反。由于坡内水位相较坡外水位的下降存在一定的滞后性，滑坡体内水流来不及排出坡外，导致坡外水位明显低于坡内，产生与下滑方向一致的渗透压力，下滑力增大，边坡变形较大，稳定性情况相比降低，容易引发崩塌和滑坡的发生。

4 结论

（1）湖北省某水库处于长江中下游流域，属于亚热带季风气候。由降雨图可知，春季河流水位受上游冰雪融化影响水位上升；夏季有强降雨，水库水位会突涨，需采取一定的防洪措施；秋冬季水位降低，进入枯水期。

（2）湖北省某水库库岸边坡动态水位作用下，安全性系数随着水位变化而变化，总体呈现平稳—降低—升高—降低—升高—平稳的趋势。这是由于该水库边坡土层渗透率低，动态水位对边坡的作用机理属于渗透压力型。

（3)基于Geo Studio软件平台，通过耦合渗透场、应力场等多重条件，对动态水位作用下库岸边坡稳定性进行计算、分析与评价具有高度的准确性与科学性，对全国各区域尤其是长江流域库岸边坡防治有一定借鉴意义。