库水位抬升对老车村水库浸水滑坡稳定性影响的预测

秦二乐， 鲁 博， 李 萍， 葛书磊， 曹 博

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；3.黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站，甘肃正宁 745339）

已有大量的工程实例显示，水库蓄水过程中，库区沿岸的水文地质条件会显著改变，不仅会使原稳定的老滑坡再一次失稳，同时还将导致库岸边坡失稳，形成新的滑坡和垮塌［1-3］. 在日本大约40%的库岸滑坡发生在库水位上升时期［4］，还有1963年意大利Vajont 水库滑坡事件［5］和2003年三峡库区千将坪滑坡事件［6］均是由于库水位上升而引起的典型案例，给国民经济和人民生命财产造成严重损失.

库岸滑坡与库水位变化存在密切关系［7］. Griffiths等［8-9］利用强度折减法分析了水位变化对边坡稳定系数的影响，认为边坡稳定系数随着库水位的抬升呈先减小后增大的变化趋势. 另外还有学者［10-15］通过外部变形现场监测、数值模拟等手段研究了库水位上升对库岸边坡稳定性的影响，也获得了同样的认识. 刘才华等［16］以三峡库区千将坪高速滑坡为例，采用Mohr-Coulomb强度准则描述了孔隙水压力对土体应力状态的影响，解释了水位上升对边坡稳定性影响的机理. 陶宏亮等［17］研究库水位变化条件下堆积体滑坡的变形特征及稳定性，认为库水对岩土体的弱化作用会加剧堆积体的变形. 王明华等［7］研究了水库蓄水对库岸滑坡的影响，发现水库蓄水不仅使滑坡稳定性发生变化，滑坡的变形模式也将由推移式转变为牵引式. 闫国强等［18］分析了库岸滑坡地震作用下的动态响应，得到地震对滑坡稳定性及滑面的变形有显著影响.

以上学者多是研究库水位变化对滑坡稳定系数、变形特征及破坏方式的影响. 较少涉及库水位变化和地震因素对滑坡稳定性影响程度及潜在滑面位置变化的研究. 本文以引汉济渭调蓄工程中鲸鱼沟老车村水库滑坡为例，研究一般工况与地震工况下库水位上升对滑坡整体与局部稳定性的影响. 研究结果可为蓄水过程库岸滑坡的防治和稳定性评价提供参考.

1 滑坡概况

《陕西省引汉济渭二期工程可行性研究报告》将鲸鱼沟水库工程列为引汉济渭工程重要的调蓄工程，承担灞河支线调蓄的任务，同时兼作西安市备用水源. 工程区的鲸鱼沟位于秦岭北麓的渭河盆地内，西安市东南方向25 km，沟内已建多个水库，拟在老车村水库和红旗水库之间新建车村水库. 库区滑坡发育，距离新建车村水库坝址约1.75 km的老车村水库大坝左岸就发育有深层特大型堆积体滑坡，地理位置见图1（a）. 该滑坡发生于1965年7月22日，车村堰塞湖为该滑坡堵沟形成，图1（b）显示老车村水库滑坡全貌及坝址为滑坡的一部分. 滑坡体上陡中缓，表面发育有纵向冲沟，后缘剪切裂缝大量发育，这是差异剪切作用的构造表现. 滑坡前缘底部有河流相淤积，可以判定在滑坡发生后有大量滑坡堆积体涌入河道，将河道推向对面坡脚. 滑坡坡面主滑方向NE68°，发育高程500～570 m. 滑坡宽约320 m，长约350 m，推测厚度约20～50 m，方量约393万m3.

图1 老车村水库滑坡位置与全貌Fig.1 Location and overall view of the old Checun reservoir landslide

后缘有坡度较陡的后壁，总体呈圈椅状，后壁以下为宽阔的滑坡平台. 前缘直接抵于鲸鱼沟右岸，形成目前的坝体. 滑坡区未发现有明显的断裂构造现象. 滑坡体物质组成以黄土为主，成分为粉质黏土. 在左坝肩陡坎上可见黄土和古土壤层挤压变形，土体结构破碎. 滑坡下覆第三系砂泥岩，滑面为黄土与砂泥岩接触面，如图2所示. 滑坡体上植被发育，砂泥岩和滑坡堆积体接触处有下降泉出露. 现状水位（518 m）仅淹没坡脚小部分滑坡体，设计最高水位（550 m）将淹没大部分滑坡体. 老车村水库滑坡目前整体处于稳定状态，蓄水后由于受水浸泡，可能会整体复活或局部垮塌，增加水库淤积.

图2 老车村水库滑坡剖面图Fig.2 Section of the old Checun reservoir landslide

2 蓄水后滑坡稳定性影响因素分析

随着新建车村水库的修建蓄水，从现状水位518 m升至最高水位550 m，将淹没大部分滑坡体. 由于受水浸泡，滑坡整体可能会沿古滑面复活或者局部的滑坡堆积体沿不确定的滑面发生滑塌. 随着库水位变化，坡体内孔隙水压力、强度、滑面抗滑力、下滑力以及滑面倾角都将发生变化. 实际蓄水过程缓慢，故不考虑渗透力. 这些因素中一部分将有利于滑坡稳定，一部分将使滑坡稳定性劣化. 库水位上升初期，滑坡抗滑段为主要浸水部分，滑面倾角较缓. 滑坡体从前缘开始不断浸入水中，天然重度变为浮重度，浸水部分土体的有效重度使滑坡体变轻，减小了滑面的正压力，进而减小了抗剪强度，同时也减小了下滑力，导致边坡稳定性发生改变. 库水位上升后期，随着下滑段浸水面积占整个滑坡浸水面积的比例逐渐增加到一定程度后，库水对坡脚起压脚作用，增加了滑面的正压力，从而增加了下部滑体的抗剪强度，但同时滑坡潜在滑面因浸水饱和软化而抗剪强度参数降低，随之边坡稳定性发生改变. 因此，蓄水过程中，滑坡稳定性是库水位、滑面倾角、滑坡体土软化程度等多个因素对抗滑力和下滑力共同影响结果的反映.

地震也是诱发滑坡的主要原因［19-21］，鲸鱼沟所在的白鹿塬地区属于地震基本烈度8度区，地震加速度取a=0.20 g，属于强地震力作用区［22］. 因此，鲸鱼沟地区滑坡稳定性评估，需要考虑地震影响因素.

3 滑坡稳定性分析与评价

3.1 Morgenstern-Price法理论

本文研究基于极限平衡法，采用Geo-Studio 中Slope/W 模块建立地质模型，用Morgenstern-Price 法选取合理的地层物理力学参数计算滑坡稳定系数，评价滑坡整体与局部稳定性. Slope/W是岩土工程界应用较为广泛的专业边坡稳定性分析软件. 其中Morgenstern-Price 法适用于任意滑动面，同时满足力平衡和力矩平衡条件，推导严密. 条块受力分析如图3 所示. 作用于条块上的力有：外荷载Pi、条块自重Wi、水平地震力KWi、条块基底法向反力Ni、条块基底抗滑力Ti、孔隙水压力uili、条块受到的条间水平力Ei、Ei+1以及条间剪切力Xi、Xi+1. 该方法稳定系数计算公式推导如下.

将图3（a）所示滑体ABC划分为若干条块，选取第i 条块进行力学分析，第i 条块的宽度和形状如图3（a）所示；第i 条块的作用力、力作用位置如图3（b）所示.

由第i 条块的作用力在水平和竖直方向上的平衡可得：

式中：ψi为第i 条块外荷载与竖直方向的夹角；αi为第i 条块滑面的倾角.

图3 Morgensten-Price法条块受力分析Fig.3 Force analysis of Morgensten-Price method

在Morgensten-Price法计算中，假定了各条块受到的条间水平力E 和条间剪切力X 满足公式（3）.

式中：λ为任意常数；f（ x ）为边坡条间力函数，取决于坡面形态和滑面形状. 再根据滑动面上的极限平衡条件以及库伦公式，有

式中：c′ili为第i 条块基底黏聚阻力；φ′为第i 条块滑带土的内摩擦角.

联立式（1）～（4），并以条间力对条块基底中心取力矩，得条间力和条间力矩的递推公式：

式中：

解方程组（5），可得比例系数λ 和稳定系数Fs.

3.2 地质模型及工况

根据滑坡剖面（图2）的坡面、地层、滑面的几何信息，在Slope/W中建立老车村水库滑坡蓄水过程地质模型，地层划分为砂泥岩和黄土两层. 各地层服从Mohr-Coulomb破坏准则. 其中现状水位518 m和最高蓄水位550 m，设定库水位以2 m间隔上升，如图4所示. 整体稳定性分析采用剪入剪出方式搜索最危险滑面；局部稳定性分析采用自动搜索最危险滑面，并计算稳定系数. 每次计算划分土条数30条，最大迭代次数2000次，收敛允许值1×10-7.

滑坡前缘为老车村水库左坝肩，剪出口位于现水位之下. 根据滑坡的受力特征、可能出现的荷载情况及其组合，计算过程中主要考虑水位变化的影响，选定一般状态水位抬升过程和地震状态水位抬升过程. 滑坡整体稳定性考虑是否沿已有滑动面复活；局部稳定性考虑滑坡堆积体局部发生滑移的可能性及滑移区的范围. 总共考虑以下4种工况：

图4 老车村水库滑坡地质模型Fig.4 Geological model of the old Checun reservoir landslide

3.3 计算参数选取

滑坡堆积体主要是黄土，其上部滑面切黄土地层，下部沿黄土和砂泥岩界面滑动，部分砂泥岩卷入滑坡堆积体. 砂泥岩为水平层状，结构致密，强度高，滑坡稳定性主要取决于黄土的强度. 试验土样取自滑坡底部黄土和砂泥岩，由于滑动面平缓，滑坡沿基岩面剪出，相当于直接剪切的受力工况，故对试样进行固结慢剪试验，确定其有效强度指标. 考虑到库水位上升过程中滑坡体部分淹没于水下、部分在水上，故对滑坡土体进行天然含水率和饱和含水率下的剪切试验，取得其有效抗剪强度指标，并将黏聚力强度在计算过程中折减为零，是对工程较保守的估算. 测试结果见表1.

表1 天然和饱和状态下滑坡稳定性计算参数Tab.1 Calculation parameters of landslide stability under natural and saturated conditions

3.4 结果分析

在滑坡整体稳定性分析中，滑坡的稳定系数计算结果如图5. 确定坡顶为剪入口，坡脚为剪出口，随着库水位抬升，潜在滑动面基本沿老滑面形成可能的最危险滑动带（图6）. 由图5可见，稳定系数随库水位上升大致分为两段，即下降段和缓升段. 一般工况和地震工况下的稳定系数变化趋势相同，但后者较前者稳定系数总体显著降低，降幅约19.7%. 库水位在现状水位518 m时，一般工况和地震工况稳定系数分别为1.935 和1.589；在536 m 和540 m 时分别达到最小值1.523 和1.184，地震工况的最低稳定系数所在位置略高于一般工况. 稳定系数下降段的降幅分别为21.3%和25.5%. 最高蓄水位550 m 时，一般工况和地震工况的稳定系数分别为1.580 和1.206，稳定系数缓升段的增幅分别为3.74%和1.86%，后段考虑地震因素的稳定系数增大幅度减小. 图5 中绘制出了一般工况和地震工况下库岸滑坡规范要求的安全系数［23］，可见两种工况下随着水位抬升，最小稳定系数始终高于安全系数，即该滑坡处于稳定状态，发生整体滑动的可能性较小.

图5 不同工况下滑坡整体稳定性随库水位变化曲线Fig.5 Variation curve of landslide overall stability with reservoir water level under different working conditions

图6 潜在滑动面随水位上升变化过程Fig.6 Variation process of potential sliding surface with water level rising

在滑坡局部稳定性分析中，设定剪入剪出口在边坡的任意位置. 由图7可见，一般工况和地震工况下的稳定系数变化趋势相同，从现状水位518 m 至最高蓄水位550 m，前者稳定系数由1.814 逐渐波动减小到1.067；后者稳定系数由1.521 逐渐波动减小到0.820. 后者较前者稳定系数显著降低，降幅约21.4%. 在局部分析的两种工况下，潜在滑面在蓄水初期的范围大致在508～550 m高程之间，呈浅层滑坡形式. 当库水位上升至530 m，淹没滑坡中部的平台时，潜在滑面范围缩小至水位附近，类似于塌岸的形式（图8）. 一般工况和地震工况下各水位的局部最危险滑面位置基本一致. 前者在530 m潜在滑面突变，稳定系数向上跳动；后者在库水位532 m潜在滑面突变，稳定系数向上跳动，滑面位置突变造成稳定系数的突变，滑面位置突变与靠椅型的老滑坡滑面形态和圈椅状的滑坡体形态有很大的关系. 靠椅型滑面滑坡通常为浮托减重型滑坡［24］，前部倾角较缓，或前缘出现反翘，组成滑坡体的主要抗滑段. 库水位由低水位上升至滑坡前部，滑坡体内地下水位也随之上升，处于水位以下的滑坡体为饱和状态. 滑坡体的涉水段重度变为浮重度，重量减小. 抗滑段在浮托减重效应的作用下，抗滑力降低，不利于滑坡的整体稳定性，潜在滑面呈大范围的浅层滑坡形式. 库水位继续升高至滑坡体中后部时（滑坡平台），由于下滑段也受到浮托减重效应影响，下滑段滑坡体的下滑力降低，有利于滑坡的整体稳定性，滑坡发生整体滑移的可能性减小. 但是水位上升，上部黄土水敏性高，水位变动带附近易于塌岸，造成潜在滑面范围发生突变，随库水位上升缩小至水位变动带附近. 可见，在库水位上升过程中，稳定系数逐渐波动减小，没有增大的趋势，与整体稳定系数变化趋势有所差异，并且局部稳定性都低于整体稳定性，这与滑面位置逐渐变化有关. 当库水位上升至滑坡平台530 m附近，潜在滑面由大范围缩至小范围，造成稳定系数突增后，又一致性降低；当在最高水位550 m时，潜在滑面局限在一个非常小的范围，表明最危险滑面对稳定性有控制作用. 一般工况下库水位上升至538 m后，稳定系数小于1.2，与安全系数相比存在局部失稳的风险；地震工况下库水位上升至532 m后，稳定系数小于1.1，与相应的安全系数相比也存在局部失稳的风险［23］. 局部失稳后的滑塌量约为0.6～1.0万m3，为滑坡总方量的0.26%.

图7 不同工况下滑坡局部稳定性随库水位变化曲线Fig.7 Variation curve of landslide regional stability with reservoir water level under different working conditions

图8 潜在滑动面随水位上升变化过程Fig.8 Variation process of potential sliding surface with water level rising

由以上分析，老车村水库滑坡整体稳定性高，在库水位上升过程中都可满足工程要求. 当库水位上升至532 m以上，局部可能有滑塌现象，但其方量有限，滑塌后对库容和库区设施不会造成大的危害.

4 结论

本文研究了引汉济渭调蓄工程中白鹿塬鲸鱼沟新建车村水库水位上升对老车村水库滑坡稳定性的影响，分析了一般工况和地震工况下滑坡的整体稳定性与局部稳定性，得到以下结论.

1）在库水位由坡脚上升过程中，滑坡的整体稳定性先降低后增加，在水位升至536～540 m高程，稳定系数达到最小，滑坡最终的稳定性可按最小稳定系数评价；局部稳定性随着潜在滑面的变化一致降低，当水位上升至530 m，淹没滑坡中部的平台时，潜在滑面范围缩小至水位附近，类似于塌岸的形式，继续上升至532～538 m高程，稳定系数将减小至工程要求的安全系数以下.

2）地震作用对边坡稳定系数有约20%的减损. 局部破坏中潜在滑面的位置与水位变化密切相关，但地震作用对滑面的影响不显著.

3）老车村水库滑坡整体稳定性高，在库水位上升过程中都可满足工程要求. 当库水位上升至532 m以上，局部可能有滑塌现象，但其方量有限，滑动后对库容和库区设施不会造成大的危害.