苏家峡水库边坡蓄水响应特征研究

张新艳

(鄯善县水管总站，新疆 鄯善 838200)

0 引 言

近年来，随着新能源的发展，水电站的覆盖面积得到明显提升。在大型水库的使用过程中，边坡稳定性下降造成的滑坡问题严重威胁到水库的使用寿命[1-2]。滑坡是指由于边坡内岩体受到地下水、地质变化等因素影响，在重力作用下，沿软弱面向下或向前滑动的现象。水库的滑坡多数是由于水库建设或运行过程中，由于水位周期性变化造成的滑坡。根据文献[3]研究可知，水库型滑坡的产生高发期是在水库蓄水到高水位的1～3 a中。随着我国西部开发战略的实施，水库建设成为影响国民经济的重点建设项目。但水库的运行中可能引发滑坡灾害，直接导致建筑物的破坏、水库淤积，危害人民的生命财产安全。因此，水库滑坡是目前重点研究问题。

鉴于此，本文将对苏家峡水库边坡蓄水响应特征展开研究。苏家峡水库隶属甘肃省秦安县水务局，位于天水市秦安县城东北 35 km 的中山乡境内，该水库建于苏家峡村以下 1.5 km王家河下游，隶属于清水河一级支流，全长18.35 km，流域面积为67.5 km2。苏家峡水库始建于1958年，是一座以防洪为主、兼有灌溉供水等综合利用功能的水电建筑。在此次研究中，将通过资料收集、现场调查、模拟计算、综合分析论证[4]等形式，研究蓄水过程中的地下水渗流变化规律及变形响应机理，对苏家峡水库滑坡地质结构、物理力学和渗透特性以及蓄水运行条件下的稳定性展开分析。此次研究对于水库使用寿命的延长具有重要的科学研究价值与现实意义。希望通过此种研究结果，为水库边坡灾害防治提供理论支持。

1 苏家峡水库地理位置条件分析

1.1 地形地貌

此次研究对象位于秦安东部黄土梁峁沟壑区[5-6]的王家河谷地，其地质形态是典型的黄土梁、沟壑河谷混合地貌。整体走向南高北低，其中王家河河床为此区域的最低点，两岸冲沟发育，沟梁相间。根据此区域特征，将其分为河谷区与黄土梁峁沟壑区两个地貌单元。苏家峡水库所在地地貌具体见图1。

图1 苏家峡水库所在地地貌示意图

根据图1可知，河谷区主要呈现出U字形，谷底河床宽100～160 m，地势较低且平坦；在河谷的两岸保留着较为完整的Ⅱ、 Ⅲ级基座阶地，地势起伏波动。黄土梁峁沟壑区被第四系黄土覆盖，侵蚀切割强烈，冲沟发育，在此区域两侧滑坡、崩塌等情况时有发生。

1.2 水文及气象

苏家峡水库位于甘肃省东南部，天水市北部，地处黄土高原西部梁峁沟壑区，峰峦叠起，沟壑纵横。此地区常年处于中温带半湿润气候[7-8]，具有冬季干燥 、夏季湿热的特征。年平均气温11.0℃左右，最高气温可达到37.8℃，最低气温为-18.9℃。年平均降水量为507.3 mm,最大积雪深14.0 cm。此区域内水分蒸发量为1 448.8 mm,冻土厚度为51.0 cm。

苏家峡水库主要为王家河流域与暴雨的汇流水提供处理，控制流域面积较大，水库水量主要通过暴雨的形式进行补给。水库中心枢纽多年平均径流量高达337.5×104m3。为确保此次研究精度，在研究过程中对苏家峡水库的洪峰流量进行分析，得到的最新数据为358 m3/s。

1.3 地质条件

在此部分中，将水库分为库区与坝址区两部分进行分析，具体内容如下。

苏家峡水库是较为典型的河槽型水库，在库区的两侧由震旦系下统灰绿色变质砂岩和第三系浅红、桔红色砂质泥岩围成，边坡所处山体结构较为紧密，没有与相邻山体相连的导水性渗漏通道。王家河为此区域内基准面的最低点，其流域的地表水与地下水均由两岸径流向水库进行水源补给。由此可知，此水库不存在向相邻地区的渗透问题。

通过对当地地形的实地考察可知，苏家峡水库坝线河道较为曲折，并呈S形，河道由南向北流动，经过库区，在坝区处转向东。坝址区边坡呈对称发育状，基座高程1 608.65～1 616.28 m，高出原河床面 52.5～62 m，阶地面宽阔平坦，宽度大于 100 m。坝址区右侧边坡较高，基岩裸露，中细粒变余结构，岩石质地较为坚硬，抗风化能力较强。坝址区存在相应的地质断层带，当此层级不存在导水性，对边坡渗漏起到控制性作用。

2 苏家峡水库现状分析

2.1 运行历史数据分析

苏家峡水库始建于1958年，次年因暴雨洪水的袭击而遭受到冲毁，同年11月份进行了两次修建，并于1962年7月基本竣工。当时水库坝身高达37 m,由于工程建筑配套造成水库淤积严重的问题，1972年对坝身加高5 m，水库总容纳量为820×104m3。在大坝初建时对于抗震问题的考虑较少，因此在1981年对其进行抗震加固设计，完成了水库房后安全与抗震安全的鉴定。目前，苏家峡水库由大坝、输水洞及泄洪洞三大部分组成，属于水库中IV等小(Ⅰ)型工程[9]，防洪标准设定为50年一遇洪水设计，地震设防烈度为VII度。同时，在水库左边坡构建输水洞，将其设定为无压隧洞形式，为水库的给排水提供可能。

根据上述数据可知，在苏家峡水库的使用过程中，自然灾害现象发生较为频繁，在蓄水过程中，需要对自然因素进行一定的衡量。

2.2 工程存在问题分析

根据文献[10]研究可知，目前苏家峡水库中存在大量的工程问题。首先，对坝顶高程进行复核可知，目前水库坝顶高程不满足相应规定的要求，且在地震情况下，大坝下游稳定度较差，坝体施工夯填密实度部分达不到设计要求。其次，输水洞衬砌破坏较为严重，泄洪洞进口与闸室连接处止水破损，时常出现渗水问题。泄洪洞在选址过程中出现失误，脱离主流侧，造成水库淤积严重的问题。虽然水库中设立了大量的位移监测点与水位监测点，但观测设施设定较为陈旧，大坝管理室破旧，通讯设备陈旧，交通设备缺乏，均造成水库管理能力的下降。

在此次研究中，将针对上述分析结果，采用更为全面的分析方法对水库边坡蓄水响应特征进行研究，并根据研究结果提出相应的解决方案与策略。

3 水库边坡蓄水响应特征分析

在此次研究中，涉及到大量的数学运算过程，需要模拟计算结果完成分析过程。同时，根据相应的地理理论与物理力学作为分析过程中的基础。因此，将水库边坡蓄水响应特征分析设计如下。见图2。

图2 水库边坡蓄水响应特征分析路线

根据上述设定的分析路线，完成此次研究的主要部分。在此次研究中，主要将蓄水响应特征划分为3部分，分别为边坡渗透情况分析、边坡变形分析以及边坡地质结构强度分析。在此分析过程中，包含了大量的数据与运算，因此将数据处理保留后两位小数，实现数据的统一性与精确性。

3.1 边坡渗透情况分析

在此次研究中，使用达西定律[11-12]作为分析的基本原理，对水库的宏观水渗透规律进行分析与计算，具体计算过程如下:

(1)

将此定律延伸为非饱和水流中，用边坡的导水率替换饱和渗透系数，则有：

A=-i(h)∇H

(2)

或：

A=-i(φ)∇H

(3)

式中：∇H为饱和流场中的总水势梯度[13]；i(h)为边坡的导水率，是非饱和边坡基质势h或是含水率φ的函数。

根据苏家峡地区的地质特征，将水库边坡的数据输入模拟软件Geo-Slope中，水库的边坡参数取值设定见表1。

表1 水库边坡参数取值结果

根据上述数据与计算过程，对水库边坡在蓄水过程中的渗透情况进行分析。通过数据计算与水库实地考察分析结果可知，此阶段内的水向边坡内渗透的情况较低，在边坡地质结构中浸润线出现了明显的滞后情况。此阶段内，地下水位的提升主要由水库补给。随着水库内水位的不断提升，库水渗透速度增加，浸润线的滞后情况会更加明显。目前苏家峡水库处于稳态状态，对于水库边坡的影响较小。由此可知，在蓄水过程中，水库边坡会出现相应的渗透情况，但不会对水库边坡造成影响。随着蓄水时间的增加，渗透情况减弱，地质条件对于蓄水渗透的滞后现象会更加明显。

3.2 边坡变形分析

根据中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院提供的岸坡变形监测资料[14]，在此次研究中对水库边坡共设定3个深入监测孔与5个表面监测孔，设定监测周期为1年。在此监测过程中，将初始测点作为基准点，并以此作为参照，计算坐标位移。测孔及表面监测点中，其监测物理单位及方向规定设定见表2。

根据表2设定，获取边坡变形情况分析结果。在此环节的分析中，将其分为表面变形与深度变形两部分，具体分析结果见表3和图3。

表2 边坡监测物理单位及方向设定

表3 深度变形监测点监测成果特征值

图3 表面变形监测点监测成果特征值

从表3数据可以看出，水库边坡的深度变形具有先慢后快的特征，随着蓄水高程的推动，呈现出降低的情况。同时，水库边坡变形情况同水库蓄水量的高程具有明显的关联性。在对水库边坡地质条件展开分析时可知，边坡岩性坚硬，导水性较弱，在遇水后其物理力学指标明显下降，可能会出现相应的破坏情况。

综合上述观测点获取到的表面形变相关数据以及基于目前水库蓄水的水位稳定性，在监测过程中可以发现，其表面的坡体形变量与蓄水时间具有正比例关系。对比水位下降阶段与水位稳定状态下的形变可以发现，水库边坡处于稳定状态。同时，将此结果与钻孔资料和变形监测资料相结合可以发现，蓄水后库水对泥岩风化层的软化作用是影响水库边坡稳定性的主要原因。

根据上述分析结果可以看出，在蓄水期间边坡形变受到多种因素的控制，但综合分析可知主要与蓄水量相关。将其与边坡渗透情况融合分析可知，当水库的水位上升一段时间后，边坡的地下水位也得到提升，边坡内地质结构导水性由不饱和状态转为饱和状态，边坡结构呈现出不稳定性状态。反之，当水库的水位回落一段时间后，边坡的地下水位下降，边坡内地质结构导水性由饱和状态转为不饱和状态，边坡结构呈现出稳定性状态。

3.3 边坡地质结构强度分析

此环节对蓄水过程中的边坡强度进行分析，在此分析过程中，使用PFC计算方法[15]对边坡的内聚力与内摩擦角关系进行分析。具体分析过程通过公式表示如下：

(4)

K=NBS/SBS

(5)

式中：hn为边坡的法向刚度；hs为边坡的切向刚度；SBS为切向黏结强度；NBS为法向黏结强度；a为颗粒摩擦系数。

通过上述公式对苏家峡水库边坡的实际情况进行分析，得到蓄水过程中边坡强度示意图，见图4。

图4 边坡强度变化示意图

由图4可以看出，在蓄水的过程中，随着时间的不断增加，水库边坡的强度也在随之发生变化。当地质压力恒定的情况下，水库边坡地质结构强度在固定的区间内活动。当蓄水过程实现饱水状态后，边坡的地质结构强度逐步下降；当饱水状态维持一段时间后，边坡地质结构强度随着饱水时间的增长而增加；当饱水状态维持60 d以上时，边坡地质结构强度再一次下降。由此可知，在蓄水过程中，边坡地质结构强度存在相应的软化系数，并随着岩石保水时间而增加，具体公式可表示为：

ui=Ti/T0*100%

(6)

式中：T0为未蓄水状态下的边坡岩石结构强度；Ti为不饱和水时间下的岩石结构强度。

将以上部分进行综合分析可知，在水库蓄水过程中，水库边坡也会发生相应的响应性变化。其渗透率会发生一定的滞后，内部变形明显，表面变形情况较为缓慢，且地质结构会随着蓄水时间的变动而发生上下波动的情况。根据此综合分析结果，可对苏家峡水库的管理展开优化，保证当地人民的人身财产安全不会受到水库边坡结构变化导致的滑坡灾害的影响。

4 结 语

此次研究在水库滑坡的基础上，收集了大量的苏家峡水库数据资料。根据监控数据质量，对蓄水过程中的水库边坡响应规律进行总结。通过数据分析与物理学分析的方式，获取饱和水力参数，获得水库水位变化条件下，边坡内部结构的变化以及强度应力应变分布情况，为今后苏家峡水库的管理与修建提供理论基础。