蓄水作用下白鹤滩库区石碓窝岸坡稳定性分析

齐 洋

（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

库岸边坡的稳定性问题已成为影响水库正常运营的关键性因素[1]，对于岸坡稳定性问题的分析和处理，直接关系到工程的施工安全和经济效益，甚至威胁水上交通及岸上居民的人身安全。意大利的瓦伊昂水库大坝在未对其稳定性和发展趋势做出明确判断的情况下，库水下降阶段大坝发生失稳破坏，造成2 600 余人遇难的灾难性后果。金沙江溪洛渡水电站星光三组岸坡，在高于正常蓄水位785 m 处发生拉裂变形，涉及人口约270 人，耕园约2 800 亩，甚至威胁水上交通及岸上田坝镇的安全[2]。2014年4月在库水升降作用下峡谷河道型青杠坪水库滑坡发生复活，近3×106m3的滑坡体滑入金沙江中，使130 多间房屋、0.6 km 乡村公路等损毁，造成直接经济损失约500 万元[3]。因此，针对库水升降作用下水库岸坡的稳定性研究具有重要的现实意义。

在库水上升和下降过程中，库水与地下水的相互补给使岸坡渗流场发生动态的调整和变化，从而影响岸坡的整体和局部的稳定性。陈涛[4]利用FLAC3D模拟了库水升降作用下岸坡渗流场的变化，研究表明库水下降（上升）作用过程中渗流方向由坡内（坡外）指向坡外（坡内）渗流，随着坡内浸润线与库水位的差逐渐增大，使得坡内（坡外）指向坡外（坡内）的渗透压力增大，增加坡体的下滑力（抗滑力），对稳定性不利（有利）。徐文杰等[1]针对金沙江中游碎石土岸坡，通过FLAC3D模拟库水升降作用下岸坡稳定性变化特征，研究得到边坡的稳定系数在库水上升阶段先减小后升高，即存在一个危险水位；库水位骤降不利于岸坡稳定性，库水下降速度越大则岸坡稳定系数下降幅度越大。杨继红等[5]以西南地区某水电站堆积体边坡为研究对象，计算库水上升作用下堆积体边坡整体以及消落带区域的瞬态稳定性系数，得到库水上升阶段岸坡整体稳定性呈下降趋势，而岸坡稳定性系数表现为先下降，当下降到最低值时开始回弹。涂国祥等[6]通过GEO-studio 有限元计算与刚体极限平衡分析相结合的方法，研究库水升降速度对岸坡渗流场及稳定性的影响规律，得到库水上升速度较大有利于岸坡稳定，库水下降速度较大不利于岸坡稳定。周云涛等[7]以三峡水库青石岸坡为研究对象，考虑库水下降速度、时间以及初始水位高度对岸坡稳定性系数的影响，得到随库水下降速度的增加，岸坡渗流驱动力变大，岸坡稳定系数降低，降低幅度先慢后快。

白鹤滩水电站是金沙江下游最后一个计划投产运营的大型水电工程，该电站全部投产发电后将成为仅次于三峡水电站的我国第二大水电站[8]。白鹤滩库水蓄水发电后，库水水位将在765~825 m 之间呈周期性升降变化。在大变幅的库水周期性升降作用影响下，一些岸坡可能会因此出现变形失稳现象，响应库水发电、通航和移民安全。白鹤滩库区石碓窝岸坡位于白鹤滩库区，岸坡上部靠近格巧高速公路，冲沟后部为格巧高速石碓窝大桥桥址区。水库蓄水运行后的岸坡稳定性问题成为有关各方关注的问题。基于此，本文在野外调查和资料分析的基础上，对石碓窝岸坡首次蓄水作用下的渗流场和稳定性进行了分析，为石碓窝岸坡的地质灾害防治提供借鉴。

1 岸坡基本特征

石碓窝岸坡位于巧家县境内煤炭村、金沙江右岸。该岸坡属高中山地貌，地形起伏较大。山体自然坡度25~60°，两侧边坡为45~50°。岸坡区地表水不发育，赋水条件一般；两侧冲沟呈“V”型，旱季无水，雨季水量较大，沟底有碎石块堆积，沟口有泥石流堆积（图1）。如图2 所示，石碓窝岸坡上部为第四系坡洪积覆盖层，表层为黄褐色粉质粘土（Q4el+dl），可塑-硬塑，稍湿，含少量的碎石，含量约15%，碎石粒径1~3 cm；下部为黄褐色、灰白色碎石土（Q3dl+pl），稍密~中密，湿，碎石矿物成分以灰岩为主，粒径3~5cm，含量50%~60%。偶夹块石、大孤石，其岩性为灰岩等，岩石坚硬，块径2~4m 不等。下伏基岩主要为二叠系下统栖霞茅口组（P1q+m）灰岩、石炭系下统摆佐组（C1b）灰岩，岩层产状312°∠25°。

图1 石碓窝岸坡全貌图

图2 石碓窝岸坡典型工程地质剖面图

2 岩土体物理力学参数

2.1 物理性质

粉质粘土和碎石土的渗透试验采用双环法（图3）在坡体选取1 处试验点进行，试验过程与数据记录均按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[9]操作。每处试验点开展4 次试验，取渗透系数的平均值作为该地层的渗透系数取值。此外，在开展的试验过程中，进一步测得土层的天然重度、饱和重度和饱和含水率。经数据处理，最终测得粉质粘土层渗透性为6.28×10-6cm/s，天然重度为19.8 kN/m3，饱和重度为20.9 kN/m3，饱和含水率为21%。碎石土层渗透系数为4.11×10-2cm/s，天然重度为18.5 kN/m3，饱和为21.0 kN/m3，饱和含水率为31%。

图3 双环渗透试验

2.2 抗剪强度

在岸坡消落带现场取粉质粘土和碎石土原状样（图4）进行原状土和饱和土的中型剪切试验（图5）。试验按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[9]及DL/T 5356—2006《水电水利工程粗粒土试验规程》[10]有关要求进行。剪切试验时对同组4个试验分别按100、200、300、400 kPa 施加法向应力。试验过程中在剪应力与水平位移的数据记录表中无明显峰值或稳定值，则取水平位移达到试样直径的1/10（约30 mm）处的剪应力作为抗剪强度，采用最小二乘法线性回归分析所拟合曲线计算得到天然状态粉质粘土的内聚力c为43.5 kPa，内摩擦角φ 为25.2°；饱和状态粉质粘土的内聚力c为15.6 kPa，内摩擦角φ 为15.5°。天然状态碎石土内聚力c为31.8 kPa，内摩擦角φ 为34.9°；饱和状态碎石土内聚力c为20.0 kPa，内摩擦角φ 为18.1°。

图4 现场取样

图5 室内中型剪切试验

3 岸坡稳定性分析

3.1 数值分析模型与参数

数值分析采用Geo-Studio 软件，在SEEP/W 模块计算结果的基础上耦合SLOPE/W 模块进行及时处理。根据白鹤滩库区库水位波动特点，将岸坡按消落带高程近似简化分为3个区域：（1）高程765 m 以下为岩土体长期饱和含水率状态区域；（2）高程765～825 m为岩土体周期性库水升降状态区域；（3）高程825 m以上为岩土体长期天然含水率状态区域。整个计算过程考虑基质吸力的影响，其计算模型如图6 所示。

图6 数值分析模型

根据上述岸坡所取的粉质粘土室内中型直剪试验成果以及类比本地区的经验值，综合确定石碓窝岸坡岩土体物理力学计算参数，计算参数取值见表1。当岩土体为饱和含水率状态时，渗透系数与体积含水量为固定值；当岩土体为非饱和含水率状态时，将其渗透系数与体积含水率视为岩土体基质吸力的函数。结合软件提供的岩土体土水特征曲线（SWCC）经验数据库获取。

表1 石碓窝岸坡岩土体物理力学计算参数表

3.2 库水升降工况设置

拟建白鹤滩水库为年调节水库，蓄水前常年水位680 m；蓄水后正常蓄水位825 m，死水位765 m，其蓄水期水位年运行模式如图7 所示。石碓窝岸坡库水水位主要经历4个阶段：（1）库水从680 m 逐渐升高至死水位765 m 左右并保持稳定，在这期间岸坡无明显变形迹象，本文研究将直接从水位稳定处于765 m 时开始计算；（2）上升阶段，库水位从765 m 逐渐升高至825m；（3）稳定阶段，库水位维持825 m；（4）下降阶段，库水位从825 m 逐渐下降至765 m。

图7 库水位年调度模式

由于石碓窝库水位升降过程中坡面水头边界动态变化，模拟按照白鹤滩水库年水位调度方式进行，即按照765 m~825 m~765 m 范围间进行调整水头，假定库水升降阶段均为匀速，水库水位以0.65 m/d、0.40 m/d 的恒定速度分别进行库水上升、下降，水位变化如图8 所示。边界条件设置为：首先在SEEP/W 模块中获取库水位已上升至765 m 稳定时的稳定渗流状态，以此作为渗透渗流的前提，即定义下游水位为765 m。之后在765 m 高程处稳态渗流基础上，在坡脚施加库水上升阶段、稳定阶段、下降阶段的水头以模拟库水升降过程。

图8 模拟的水位升降方案

3.3 岸坡渗流场分析

库水位从765 m 上升至825 m 阶段浸润线分布如图9 所示。受土体不同渗透系数影响，浸润线在粉质粘土层的抬升明显滞后且明显呈“波谷”状，而在碎石土层抬升稍滞后于库水上升且呈平缓状。浸润线整体分布呈上凹型，整个过程坡外指向坡内渗流，库水由坡外向坡内补给，存在坡外指向坡内的渗透压力。

图9 库水上升阶段不同时刻库水位及浸润线分布图

库水位于825 m 的稳定阶段浸润线分布如图10所示。这一阶段，岸坡浸润线总体呈上升趋势，但随着库水由坡外向坡内补给能力逐渐减弱，饱和区域面积逐渐趋于平衡状态，上升速度随时间增长而减小。受粉质粘土层渗透系数偏小影响，粉质粘土层内浸润线始终未达到库水位，“波谷”状有向平缓变化的趋势。而碎石土层内浸润线上升稍滞后于库水位，在第100 天仍未达到库水位，第120 天才达到库水位并趋于稳定。这表明碎石土层在稳定阶段仍存在坡外指向坡内的渗透压力，而后随着时间增长渗透压力逐渐减弱。

图10 库水位稳定阶段不同时刻浸润线分布图

库水位从825 m 下降到765 m 阶段的浸润线如图11 所示。坡体浸润线呈下降状态且基覆界面以上的消落带区域受库水下降影响明显。浸润线在粉质粘土层内下降明显滞后且明显呈“波峰”状，而在碎石土层内下降稍滞后于库水下降且呈平缓状。这表明，不同渗透系数土层始终影响着浸润线的变化，整个过程坡内指向坡外渗流，地下水由坡内向坡外补给，存在坡内指向坡外的渗透压力。

图11 库水下降阶段不同时刻库水位及浸润线分布图

3.4 岸坡稳定性分析

库水升降过程中岸坡渗流过程与稳定性计算相对应，按照库水循环1 次/年的频率，每30 天进行一次渗流场模拟并相应地进行一次稳定性计算，分别选用毕肖普法（Bishop）、简布法（Janbu）以及Morgenstern-Price 三种基于刚体极限平衡理论的方法，计算得到石碓窝岸坡段库水升降过程中岸坡稳定性系数的变化规律，计算结果见表2。在1 次库水升降作用下，三种计算方法的岸坡稳定性系数变化趋势一致。

表2 库水升降条件下岸坡稳定性情况

在库水升降过程中的上升阶段，岸坡稳定性系数先呈现逐渐下降趋势而后呈回弹上升趋势。在库水上升初期阶段，岸坡浸润线以下部分容重变小，对于浸润线以下部分的下滑力与抗滑力均减小，但对于整个岸坡部分来说，下滑力的降低不显著，抗滑力降低较显著，所以岸坡的稳定系数减小。随着库水继续上升，岸坡消落带区域内部浸水区域越来越大，整个岸坡的抗滑力下降，下滑力也在降低，下滑力的降低幅度大于抗滑力的降低幅度，且由于库水压力作用面积越来越大的影响，岸坡的稳定系数逐渐上升。这种现象表明库水上升阶段初期浸水岩土的饱和加载效应、悬浮减重效应等降低岸坡稳定性的因素占据优势地位，而后随着库水继续上升，库水对岸坡形成的坡外指向坡内的水压力以及渗流力等增加岸坡稳定性的因素逐渐占据优势地位。研究结果与杨继红[5]和涂国祥[6]研究成果相符，说明0.65 m/d 小于该岸坡的临界库水上升速度，对于岸坡稳定性而言，在高程785 m 附近存在一个比较危险的水位。

在库水升降过程中的稳定阶段，岸坡的稳定系数先呈现逐渐下降趋势而后趋于稳定，且趋于稳定后的稳定性系数小于上升阶段的稳定系数。在库水稳定后，致使岸坡稳定性增加的因素仅坡外指向坡内的渗流力，随着浸润线逐渐趋于稳定，坡外指向坡内的渗流力将减弱。饱和加载效应、悬浮减重效应作用是促进岸坡稳定性降低的主要因素，同时占据优势地位。随着浸润线的稳定直至形成稳定的渗流场，饱和加载效应、悬浮减重效应作用也逐渐趋于稳定，岸坡稳定性也趋于稳定。

在库水升降过程中的下降阶段，岸坡的稳定系数先呈现逐渐下降趋势而后逐渐增大。在库水每下降30天后统计稳定性系数，由于表层粉质粘土的渗透性等级为微透水，坡体内浸润线下降滞后于库水下降，会形成坡内指向坡外的渗流力，致使稳定性系数降低。稳定性系数达到最低值后，随着时间增长，促进岸坡稳定性增加的因素逐渐占据优势地位。这与涂国祥[6]和梁学战[11]等研究结果相符。对于岸坡稳定性而言，在高程815 m 附近存在一个比较危险的水位。

4 结束语

通过对白鹤滩库区石碓窝岸坡首次蓄水作用下的渗流场和稳定性进行了分析，取得了以下认识：

（1）在库水升降作用下，峡谷河道型水库碎石土岸坡浸润线影响范围主要在基覆界面以上的消落带区域。在库水上升阶段，浸润线整体分布呈上凹型，整个过程坡外指向坡内渗流。在库水稳定阶段，岸坡浸润线总体呈上升趋势，但随着库水由坡外向坡内补给能力逐渐减弱，饱和区域面积逐渐趋于平衡状态。库水上升阶段，坡体浸润线呈下降状态且基覆界面以上的消落带区域受库水下降影响明显，整个过程坡内指向坡外渗流。

（2）在库水升降作用下，岸坡稳定性受浸水岩土的饱和加载效应、悬浮减重效应以及渗流力等影响。在库水上升阶段，石碓窝岸坡的稳定性系数先降低后逐渐回弹上升；在库水稳定阶段，石碓窝岸坡的稳定系数先减小后逐渐趋于稳定；在库水下降阶段，石碓窝岸坡的稳定系数先减小后逐渐增大。