基于Scoops3D模型的区域库岸边坡稳定性分析

赵志阳 杨雪琪 宋扬

摘 要：库岸边坡失稳滑移是工程中常见的地质灾害，针对库水位变动及降水影响下的区域性库岸边坡稳定性问题，引入Scoops 3D模型，采用瞬态非饱和渗流理论计算降雨入渗，并利用Boussinesq理论计算库水位匀速变动情况下的浸润线，综合分析区域性库岸边坡的稳定性状态。以三峡水库万州段为例，采用3种工况进行对比分析，表明区域内库岸边坡的稳定性对降雨的响应更为明显，计算结果一定程度上反映了库岸边坡的稳定性时空分布。

關键词：库岸滑坡;稳定性;降雨;库水位;Scoops 3D模型

中图分类号：TV698.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.028

Abstract：Reservoir landslide is one of the main geological hazards in the project. Aiming at the stability of regional reservoir bank slope under the influence of reservoir water level fluctuation and precipitation， Scoops 3D model was introduced to calculate rainfall infiltration by using transient unsaturated seepage theory and Boussinesq theory to calculate the saturation line under the condition of uniform variation of reservoir water level. Based on this， the stability state of regional reservoir bank slope was comprehensively analyzed. Taking Wanzhou section of the Three Gorges Reservoir as an example， three sets of working conditions were used for comparative analysis. The results show that the stability of the reservoir bank slope in the region responds is more obviously to rainfall， and the calculation results reflect the temporal and spatial distribution of the stability of the reservoir bank slope to a certain extent.

Key words： reservoir landslide; stability; rainfall; reservoir water level; Scoops 3D model

长江三峡工程建成后对航运、发电、灌溉等起着非常重要的作用，但是三峡水库库水位变幅大，岸坡受水流冲刷持续崩退，对岸坡的稳定性造成了一定的影响，据统计，自20世纪90 年代以来，仅长江中下游河道的崩岸就多达数百处，崩岸段总长达1 520 km，占两岸岸线总长的35.7%[1]。针对岸坡失稳机理，众多学者进行了深入研究，如刘磊等[2]将区域稳定性计算模型引入岸坡稳定性分析中，深入分析了区域性岸坡稳定性;黄达等[3]综合分析了长江航道塔坪H2岸坡的变形规律与失稳机理;张景昱等[4]基于水–岩循环作用，建立了岩体强度劣化模型，对岸坡的长期稳定性进行了分析;李卓等[5]设计了岸坡滑坡试验装置，以龙江水电站近坝岸坡为例进行了针对性分析;李景娟等[6]对弯曲航道水流淘刷作用下的岸坡稳定性进行了分析;吴生才[7]分析了混合型生态修复技术在岸坡防护中的应用。上述研究在分析区域性库岸边坡稳定性时，很少同时考虑降雨与库水位变动对岸坡的影响，众多研究表明，降雨与库水位变动对岸坡的稳定性起着极其重要的作用，因此综合分析库水位变动与降雨共同影响下的区域性岸坡稳定性具有重要意义。

基于此，笔者引入美国地质调查局Reid等[8]研发的Scoops 3D模型（三维斜坡稳定性计算模型），采用瞬态非饱和渗流理论计算降雨入渗，并利用Boussinesq理论计算库水位匀速变动情况下的浸润线，综合分析库水位与降雨共同影响下的区域性库岸边坡稳定性，最后以三峡水库万州段为例进行验证。

1 库岸边坡稳定性分析基本原理

1.1 Scoops 3D模型

Scoops 3D是采用Fortran语言编写的一个开源计算程序[8]，可系统地搜索并计算整个数字高程模型（DEM）中数百万计的三维潜在滑动面的安全系数。Scoops 3D采用刚体极限平衡分析中的简化Bishop法或瑞典条分法作为理论基础，以球面作为潜在滑面，可以模拟复杂地形并考虑各种荷载，如地下水、地震等。Scoops 3D在计算分析中，首先将潜在滑坡体网格化为众多三维柱体，然后在DEM上生成球心，并据此生成半径不等的大量球体，以球体与DEM相交得到的球面作为潜在滑面，最后对球面网格化的潜在滑坡体采用刚体极限平衡法求解得到安全系数。三维柱体中的潜在滑面示意见图1。

2 工程概况

2.1 工程地质概况

以三峡水库万州段为例建模计算。该段地层岩性以沉积岩为主，主要包括三叠纪和中生代侏罗纪页岩、泥岩、灰岩和砂岩等，研究区内宽阔向斜和紧密背斜间隔分布，无大型断裂构造，地貌单元主要为构造剥蚀低山丘陵、侵蚀堆积阶地以及堆积河漫滩等，区域内存在第四系松散堆积层，厚度为0.5～50.0 m。根据地质灾害调查统计发现，研究区内受库水位变化影响的大型堆积滑坡有87个，厚度为10～20 m，基本处于稳定状态。

2.2 库水位变动特征

三峡水库水位单日最大降幅曾被严格限制在60 cm，2016年10月中旬经专家组评审，决定将库水位单日最大降幅增大到120 cm。三峡大坝自建成蓄水后，库水位的涨落呈现周期性变化，大体可分为高水位期、缓慢蓄水期、快速蓄水期、水位波动期、快速下降期、缓慢下降期6个阶段（见表1）。

2.3 降雨数据

本次库岸边坡稳定性分析主要针对库水位变动的快速下降期，根据万州区1964—2013年共50 a的降雨資料，统计得到三峡水库处于快速下降期的日最大降雨量和持续降雨天数，并根据Gumbel概率密度分布模型拟合日最大降雨量的概率密度曲线（见图4），从而得到概率为2%（重现期50 a）的日最大降雨量为134 mm，概率为10%（重现期10 a）的日最大降雨量为100 mm。

2.4 岩土物理力学参数

按照岩土渗透系数量级将万州段库岸边坡划分为1区（渗透系数为10-7量级）、2区（渗透系数为10-6量级）、3区（渗透系数为10-5量级）3个区，根据边坡岩性，将2区进一步细分为2-A、2-B、2-C 3个亚区，各区的岩土物理力学参数见表2。根据表2各区渗透性参数及Boussinesq潜水一维非稳定渗流理论，即可计算确定浸润线高程。

2.5 计算工况的确定

为了综合分析降雨与库水位变动对边坡稳定性的影响，先设置库水位从175 m以60 cm/d的速率等速下降到159 m（工况0），在此基础上再设置3种工况：①工况1，库水位从159 m以60 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重现期为10 a的单日最大降雨量100 mm，降雨历时6 h，降雨强度16.7 mm/h;②工况2，库水位从159 m以120 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重现期为10 a的单日最大降雨量100 mm，降雨历时6 h，降雨强度16.7 mm/h;③工况3，库水位从159 m以60 cm/d的速率等速下降到145 m，降雨采用重现期为50 a的单日最大降雨量134 mm，降雨历时6 h，降雨强度22.3 mm/h。

2.6 模型参数

Scoops 3D模型在计算过程中，需要建立不同的球面与DEM相交形成众多滑动面，在此基础上寻求稳定性安全系数最小的滑动面作为潜在滑动面，这些球面的建立首先需要在DEM上形成众多球心，球心的搜索范围为三维搜索矩阵。由于DEM的最大高程为330 m，因此设置三维搜索矩阵的高程范围为200～400 m，间距为5 m×5 m，共形成1 915×2 793个栅格，其主要参数见表3。

3 库岸边坡稳定性分析及验证

为了便于库岸边坡稳定性分析，根据边坡稳定性安全系数，将边坡稳定性等级划分为低、较低、中、较高、高5类（见表4）。

3.1 175 m初始水位计算结果及分析

在进行上述工况计算分析前，为了验证本文方法的可行性和准确性，针对坡体内有地下水和无地下水两种情形进行敏感性分析，并将其计算结果（见表5）与库岸边坡的实际稳定状态进行对比分析。

从表5可以看出，两种情形下三峡水库万州段的库岸边坡稳定性都处于较高状态。无地下水时，较高及高稳定性状态的边坡面积共5 314万m2（占总面积的94.79%），较低及低稳定性状态的边坡面积共152万m2（占总面积的2.71%）。考虑地下水时，较高及高稳定性状态的边坡面积共5 022万m2，占总面积的89.58%，比不考虑地下水的减小了5.21%;较低及低稳定性状态的边坡面积共324万m2，占总面积的5.78%，比不考虑地下水的增大了3.07%。上述分析表明，考虑地下水后库岸边坡的稳定性下降明显，其中较低以下稳定状态的边坡主要分布于三峡水库万州段的上游，通过地质调查发现，该区域覆盖层较厚，其岩土体的抗剪强度明显低于其他区域的，因此本文的计算结果与实际情况是相符的。

3.2 不同工况对比分析及验证

将上述计算工况中拟定的库水位下降速率及降雨强度等资料输入Scoops 3D模型中，分别计算3种工况下库岸边坡的稳定性状态，结果见图5及表6。

由图5可知，随着库水位下降速率与降雨强度增大，库岸边坡的稳定性状态趋于恶化，低稳定性等级的库岸边坡在部分地区出现了贯通现象，主要分布于上游的溪口乡、燕山乡和瀼渡镇，因此实际工作中上述地区应当重点关注，防止出现险情。由表6可知，工况0时库岸边坡的整体稳定性比较好，较高及高稳定性状态的边坡面积占总面积的81.92%，较低及低稳定性状态的边坡面积仅占总面积的12.59%;随着库水位继续下降及考虑降雨的影响（工况1），较高及高稳定性状态的边坡面积减小到总面积的69.77%，较低及低稳定性状态的边坡面积增大到总面积的21.09%;继续加大库水位的下降速率（工况2），较高及高稳定性状态的边坡面积减小到总面积的63.06%（比工况1减小了6.71%），较低及低稳定性状态的边坡面积增大到总面积的27.51%（比工况1增大了6.42%）;在工况1的基础上加大降雨强度（工况3），较高及高稳定性状态的边坡面积减小到总面积的55.89%（比工况1减小了13.88%），较低及低稳定性状态的边坡面积增大到总面积的34.58%（比工况1增大了13.49%）。通过上述分析可知，相比于工况1，增大降雨强度（工况3），库岸边坡的稳定性状态恶化更为明显，因此库岸边坡的稳定性对降雨强度的变化更为敏感，这与近年来库岸边坡的地质灾害事件常发生于降雨期是相吻合的。

4 结 论

引入Scoops 3D模型，采用瞬态非饱和渗流理论计算降雨入渗，并以Boussinesq理论计算库水位匀速变动情况下的浸润线，综合分析库水位与降雨共同影响下的区域性库岸边坡稳定性。以三峡水库万州段为例，库水位为175 m时，针对有无地下水影响两种情形下的库岸边坡稳定性计算结果，对该方法进行了验证，在此基础上设置了3组对比工况，分析了库水位快速下降和降雨对库岸边坡稳定性的影响，结果表明：库岸边坡的总体稳定性较好，工况0情形下，较高及高稳定性状态的边坡面积占总面积的81.92%，较低及低稳定性状态的边坡面积仅占总面积的12.59%;低稳定性等级的库岸边坡主要分布于上游的溪口乡、燕山乡和瀼渡镇，实际工作中上述地区应当重点关注，防止出现险情;通过多工况对比分析，发现库岸边坡的稳定性对降雨强度的变化更为敏感，这与近年来库岸边坡的地质灾害事件常发生于降雨期相吻合。

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【责任编辑 张华兴】