库水位变动对岸坡稳定性影响研究

张 宁

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

1 概述

库岸边坡稳定性问题是水利、岩土行业研究的热门话题。随着水库大坝的修建，流域内的生态环境、经济、社会等方面均取得了一定的发展。大型水利设施修建影响范围广，库岸边坡的稳定性对当地居民生产生活影响较大[1- 2]。因此，对库岸边坡稳定性的研究是十分必要的。库水位变动是影响库岸边坡稳定性的一个重要因素[3- 4]。在库岸边坡稳定分析的研究中常用的方法包括：数值模拟法、理论计算法、物理模型试验等[5- 8]。其中，数值模拟方法是极为常用的方法，具备建模简单，计算准确，效率高等优势。三峡水库是我国修建的大型水库，蓄水后形成了众多的库岸边坡[9- 10]，因此岸坡稳定性分析十分必要。

2 库岸边坡概况

2.1 岸坡规模

研究的边坡位于长江左岸三峡库区，平面形态表现为簸箕状，岸坡两侧边界为天然形成的冲沟，斜坡后缘为弧形。根据现场调查，岸坡有多个斜坎，斜坡滑动主要是沿着基覆界面发生的。斜坡长约800～1000m、宽约400～600m，高差约为100m。钻孔资料表明，该斜坡覆盖层厚度约23～28m。该岸坡在规模上属于中—厚层特大型土质滑坡。

2.2 岸坡物质组成

岸坡潜在滑移体物质主要为第四系松散堆积物，主要为粉质黏土夹少量碎石土组成。区域内基岩以泥岩、泥灰岩为主，筛分试验结果表明覆盖层土石比为1∶1。岸坡表层为厚度约1.0m左右的耕植土，覆盖层整体胶结程度较差，较为松散。

2.3 岩土体渗透特性

在库区边坡分析中，岩土体的渗流参数对岸坡稳定性分析的结果影响较大。根据现场试验绘制渗流曲线如图1所示。

图1 渗流试验曲线

3 岸坡变形机制分析

岸坡的变形破坏是由多种因素综合影响造成的，其形成机理较为复杂，需综合考虑分析。根据现场调查，岸坡岩土体结构松散，岩性主要为泥岩，极易出现滑动破坏，松散堆积体胶结程度差，空隙大，有利于河水、降水入渗。雨水入渗后，在基岩表面汇集。由于泥岩属于隔水层，导致松散堆积体极易达到饱和，且泥岩在水浸泡作用下易软化。长江水流的长期侵蚀、冲刷在岸坡表面形成了良好的临空面，库水位变动过程中，岸坡在地下水等综合作用下极易出现滑动破坏。

4 库水位变动岸坡响应特征

4.1 计算工况

计算工况主要考虑水位从正常蓄水位到防洪控制水位再到正常蓄水位的变化过程。主要采用以下两种工况进行计算。

工况一：0.8m/d，水位变化范围：175～145～175m；

工况二：0.8m/d，水位变化范围：175～145～175m+50年一遇3日暴雨

4.2 计算模型及参数选取

采用中间剖面作为数值模拟计算剖面，结合已经收集的滑带土情况和地下水情况建立Geo-Studio数值模拟模型。模型如图2所示，数值模拟计算参数见表1。

图2 计算模型

表1 渗流、稳定分析参数取值汇总

4.3 降雨强度值的确定

降雨强度值的选取需要充分结合现场实际情况，因此收集了当地50年的降水资料，采用Matlab软件基于皮尔逊Ⅲ模型计算当地50年一遇的降雨雨强。多年一遇降雨极值曲线如图3所示。

图3 皮尔逊Ⅲ模型绘制多年一遇降雨极值曲线

从图3可以得知，采用P-III型模型在模拟岸坡所在区域降雨重现期强度中的应用效果良好。利用巫山县1964—2013年的降水资料计算岸坡所在区域降水重现期，经计算50年一遇的累计降雨强度值约为180mm，3天平均分配，降雨强度为60mm/d。当水位下降至159m，开始模拟降水。

4.4 数值模拟结果

Geo-Studio软件在渗流模拟计算中极为常用，具有模型建立简便，计算结果精确等优势[11- 13]。初始水位为175m，先对水库从175m下降至145m的过程中岸坡稳定性情况进行分析，之后再模拟水库蓄水，水位上升过程中岸坡的稳定性情况。

数值模拟计算结果如图4—7。数值模拟结果可以得出：库水位变动过程对库岸边坡稳定性影响较大，在库水位由正常蓄水位下降至159m的过程中库岸边坡的稳定性变化速率小于库水位从159m下降至145m的过程。当水位下降至145m后，一段时间内斜坡的稳定性有所提升，岸坡稳定性随着库水位上升而提高，当达到175m后，库岸边坡稳定性再次开始下降。在工况二的模拟中加入了50年一遇降水，持续的强降雨对岸坡的稳定性影响较大，在一定程度上导致了岸坡稳定性系数下降，根据图6可知，降雨对库岸边坡稳定性的影响具有一定的滞后效果。

图4 工况一数值模拟结果

图5 工况二数值模拟结果

图6 斜坡整体稳定性系数过程曲线(工况一、二)

图7 工况一、二斜坡最不利整体稳定性系数

在水库库水位下降过程中，岸坡前缘水压力减少，堆积体内部水位较高，导致下滑力提高，抗滑力减小，从而岸坡稳定性下降。当水位下降至145m并维持一段时间后，堆积体含水量降低，堆积体容重减小，岸坡稳定性出现回升。在水位上升过程中，抗滑力增大，岸坡堆积体并未达到饱和，下滑力降低，岸坡稳定性不断提升，当水位达到175m后，岸坡堆积体逐渐饱和，稳定性有所下降。库岸边坡随着水位的变化，其稳定性变化有一定的滞后效应，主要是由于堆积体吸水达到饱和或者排水达到干燥的时间滞后于水位变动的时间。

5 结论

(1)在库水位变化过程中库岸边坡的稳定性情况产生了一定的变化，在水位从175m下降至145m的过程中，前半段稳定性下降速率低，当下降至145m并保持一段时间后，稳定性有所提升。

(2)在水位达到145m后的蓄水过程中，库岸边坡稳定性呈现逐渐增大的变化过程，当水位达到175m后，库岸边坡稳定性有所下降。

(3)库岸边坡稳定性对降水影响具有一定的滞后效应，在降水发生后的一段时间内，岸坡稳定性下降。

(4)库水位变动对岸坡影响较大，在强降水、泄洪等工程中，需要加强对边坡稳定性的监测。