降雨与水位波动作用下的水库边坡稳定性影响研究

贺 鹏，贺 颜，张 晓

（陕西省水务集团水生态综合开发有限公司,陕西 西安 710018）

0 引言

由于水库多建设在峡谷等崎岖地形下,地质构造复杂,再加上调控蓄水等因素导致应力增加,在间歇性降雨作用下,库岸坡体极易产生失稳现象。库岸边坡坡体失稳对水电工程建设和运行造成极大的安全隐患,给人民财产安全和生命带来严重损害。因此,探究库岸坡体在水库运行期间的稳定性演化规律、变形破坏特征和坡体失稳机制,为建立库区安全预警机制提供试验依据。

目前,针对库岸滑坡的研究和分析,国内外学者已经取得了大量的成果。李晓[1]等为探究库水位耦合作用、降雨和库水位波动下对库岸边坡的影响,通过有限元软件构建库岸边坡渗流模型,分析库岸边坡内部地下水动态渗流的演变规律；Sun等[2]基于极限平衡法,评估库岸的长期稳定性,并探究库区水位波动和降雨对库岸边坡稳定性的演变规律。杨金林等[3]探究库区水位波动对库区坡体稳定性的演化规律,发现库水位波动与边坡安全系数呈线性正相关关系,库区水位上升会促进边坡安全系数增加。占清华等[4]通过大型模型试验,分析库区水位波动对含软弱层的库岸边坡稳定安全系数演化规律,量化位移、土压力及坡体孔隙水压力的演变,并将库岸坡体破坏划分为3 个阶段：整体滑移、缓慢变形和整体稳定。Xia等[5]基于某地区某项目边坡多年现场监测数据,发现降雨作用是库岸坡体浅层变形的主要因素,同时库区水位波动对库岸深层土体的稳定性具有显著影响。国内外学者为探究不同因素对库岸边坡稳定性的影响,进行不同的试验展开分析。但对降雨作用下库区水位波动对库岸滑坡的失稳机制仍缺乏详细的阐述,本文以某水库边坡为研究对象,基于当地水文状况,设定大型模型试验参数,分析库岸滑坡在不同降雨强度、库区水位波动及降雨-水位波动联合作用下的稳定性演化规律和变形机理,揭示库岸坡体的稳定机制和破坏机理。

1 水库概况

某水库控制流域面积875 km2,水库总库容9712 万m3。正常蓄水位1133.0 m,防洪限制水位1128 m,防洪高水位1135.66 m。水库是以防洪、城市及工业供水、灌溉为主,兼顾发电、养殖等综合利用的中型水库。水库枢纽由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和电站组成。水库大坝为混凝土面板堆石坝,坝顶高程1138.30 m,最大坝高88.3 m,坝顶宽10 m,坝顶长296.0 m。左岸布置正槽溢洪道,溢洪道总长305.45 m,最大泄量为894 m3/s。大坝上游约210 m的河床左岸布置泄洪发电洞,全长692.2 m,洞径5 m。电站为坝后引水式电站,装机容量为2×1600 kW。

2 滑坡模型试验

2.1 工程滑坡概况

水库库岸坡体结构复杂、由崩滑堆积体和古滑坡体组成。坡体南北长765 m,东西宽490 m,呈南北走向,坡体中部较厚,前缘较薄,平均厚度约55 m,土方总量约500× 104m3,由于坡体受多次人工改造和变形破坏,边坡逐渐形成多级平台,且坡面呈折线型（临江陡（32°～36°）、中缓（12°～17°）、上陡（28°～33°））,当地水文条件见图1和图2,图3显示了库岸坡体现场监测累计变形量。

图1 库区降雨情况

图2 库区水位波动情况

图3 现场GPS监测地表累计位移量

2.2 滑坡物理模型及试验方案

本文以库岸坡体主滑地质剖面作为试验结构参数,将模型坡体简化为：滑体、滑带和滑床。结合现场监测数据,将模型试验与现场数据的相似比定为1∶100,模型高285 cm,长770 cm（模型箱尺寸为800 cm×60 cm×350 cm）,见图3。具体参数基于量纲分析法和模糊综合评判法来设定参数的数值,具体见表1。同时为探究降雨作用、库水位波动和降雨-水位波动组合作用对库岸坡体变形机制和破坏演化机理的影响（沿图4 模型坡体左下角为原点,向右200 cm、300 cm、400 cm和600 cm分别设置监测点,其监测断面分别为剖面I、II、III和剖面IV）,本文设定3组试验工况,在试验过程中进行监测,具体试验方案见表2。

图4 滑坡模型试验系统示意图

表1 滑坡模型物理力学参数及材料配比

表2 试验模拟工况

3 试验结果及分析

3.1 库区水位波动

分析水位波动对库岸坡体变形演化规律,设定四组不同水位升降速率（40 cm/d、30 cm/d、20 cm/d、10 cm/d）,并将水位均速升降（水位升降高程沿145 cm→175 cm→145 cm,即全程60 cm）。并对模型箱体内部各剖面监测点进行全过程监测,发现在水位波动影响下,土压力和孔隙水压力呈相似的演变规律,但存在显著的滞后效应,且滞后效应随距库水距离增加而增强。本文以剖面II为例,发现同一剖面下,不同测点位置处的孔隙水压力在总趋势上相似,呈“几”字型分布,而不同监测点距库区水位距离的不同,其检测数据存在显著的差异,如图5 的II-1和II-2 监测点,其孔隙水压力峰值分别为6.3 kPa和2.5 kPa,存在显著的“滞后效应”,同时速率越小其孔隙水压力峰值越大,说明较低水位波动速率更便于入渗,增加库区坡体的孔隙水压力。

由图6和图7可知,随水位上升,库水逐渐入渗到坡体内内部,导致监测点内部的土压力逐渐增大,在水位波动30 cm（即高程175 cm处）达到土压力峰值13.9 kPa。由太沙基有效应力原理可知,在水位波动作用下,坡体有效应力是坡体内部抗滑力来源的主要参数,在水位升降趋势下,图7 的倒“几”字增幅规律符合太沙基有效应力原理。

图6 剖面Ⅱ土压力监测曲线

由图8和图9可知,坡体位移变形主要集中在水位下降阶段,说明库岸坡体在水位波动下,存在显著的“滞后效应”。在剖面II下,水位波动速率越大,下降期间,坡体变形越大,40 cm/d速率下,其位移峰值达到1.3 mm。而不同剖面显示位移变形呈现差异性,其坡体变形主要集中在剖面II处（即模型坡体左下角向右300 mm,坡体前缘处）。同时不同水位下降速率对坡体孔隙水压力的影响,见表3。

图8 剖面Ⅱ位移监测曲线

图9 不同剖面位移监测曲线

表3 不同水位下降速率下坡体孔隙水压力的平均演变速率

3.2 降雨作用

探究降雨作用对库岸坡体稳定性影响,通过洒水装置,将降雨强度设定为8.01 mm/h,降雨时间7.2 h。由图10可知,在降雨作用下,坡体不同剖面处的参数呈现显著的差异性演化规律。降雨入渗,使坡体内部孔隙水压力随之逐渐递增,在降雨结束后,剖面Ⅱ和Ⅲ处的孔隙水压力有小幅度下降趋势,符合太沙基有效应力原理的增幅趋势。坡体的内部土压力相对受降雨影响较小。而降雨对坡体位移变形的影响存在显著的“滞后效应”,特别是在降雨结束后,仍有小幅度的变形,这主要是降雨入渗过程的滞后性引起的。

图10 降雨作用下不同参数监测曲线

3.3 降雨与库水联合作用

由图11 可知,模型箱水位上升阶段,坡体后缘（剖面IV）的土压力、孔隙水压力和位移变形趋于定值,演化规律趋于直线,而坡体的前缘和中部（剖面II和剖面III）孔隙水压力和土压力呈现递增趋势。在第45 h处施加降雨因素,发现经过五个小时的降雨坡体开始产生显著的变化,坡体不同部位开始产生位移变形,且剖面II处位移变形趋势最大,达到30 mm。在降雨-水位波动的联合作用下,剖面II在试验的第58 小时左右,坡体位移、土压力和孔隙水压力呈现较大幅度波动,说明坡体前缘出现破坏,并基于图11 的演化规律可知,坡体前缘（剖面II处）的破坏变形呈现一个逐渐增加,并在双重因素下,呈牵引式破坏的形式。相对于坡体后缘（剖面IV处）受降雨入渗作用下,在53 小时左右,孔隙水压力逐渐急剧上升,且土压力在降雨因素施加后呈递增趋势,直至坡体产生滑移破坏,丧失稳定性,说明降雨对坡体剖面IV处影响显著。综上可知,库岸坡体失稳前,其内部孔隙水压力和土压力存在频繁的波动现象,今后可通过监测其数据来评估库岸边坡的稳定性,为库区安全预警预报提供参考。

图11 降雨和库水波动联合作用下不同参数监测曲线

4 结论

（1）库区水位上升阶段,库区水入渗到库岸坡体内部,坡体有效应力增加,加强坡体抗滑力,利于库岸坡体的整体稳定性,同时水位上升速率越快,影响越显著；库区水位下降阶段,库岸坡体地下水补给库区水位,导致坡体有效应力降低,降低坡体抗滑力,导致库岸坡体产生变形破坏,坡体变形随水位下降速率的增加而增大。

（2）库岸坡体前缘和后缘的稳定性受降雨因素影响显著。降雨作用下库岸坡体前缘迅速饱和,再加上库区水位波动影响,强度出现显著劣化,土体产生变形破坏,丧失稳定性；库岸坡体后缘在持续性降雨入渗作用下,加上坡体地形较陡,导致下滑力增加,易产生滑坡变形破坏。

（3）降雨-库区水位波动联合作用下,库岸坡体呈典型的牵引式破坏形式,初始阶段库岸坡体前缘局部变形失稳,而后变形逐渐向坡体内部延伸,直至坡体整体失稳,产生滑坡现象；在分析库岸坡体破坏机理时,发现降雨是破坏的主要诱发因素,雨水入渗对土体的软化作用、库区水位的波动影响以及坡体内部的有效应力波动是导致库岸坡体失稳的根本原因。库岸坡体失稳前,其内部孔隙水压力和土压力存在频繁的波动现象,今后可通过监测其数据来评估库岸边坡的稳定性。