降雨及库水位变动对向阳水库岸坡稳定性的影响研究

摘要：

在水的作用下，岸坡内地下水渗流场和岩土体力学性质发生变化，从而影响岸坡的整体稳定性。以重庆市向阳水库平进村岸坡工程为例，基于非饱和流固耦合理论、弹塑性理论和强度折减法，采用有限差分方法，分析在降雨工况、库水位升降等多种工况条件下平进村Ⅱ级缓坡的滑移破坏模式和安全系数变化规律，评价在岸坡前缘段采取压脚治理措施的防护效果。结果表明：① 在不同工况下，岸坡均存在3种潜在滑移模式，即坡表覆盖层滑移、沿浅层软弱夹层滑移以及沿深层破碎夹层滑移。② 岸坡天然地下水位埋深浅，当遭遇极端降雨时，大量雨水入渗将引起地下水位上抬，坡体有效应力降低，抗剪能力削弱，导致边坡稳定性明显降低。③ 采取前缘压脚防护措施可有效提高岸坡整体稳定性，压脚前后岸坡多滑移模式的安全系数提高约0.01～0.30。

关键词：

水库岸坡； 蠕动变形； 降雨入渗； 强度折减方法； 向阳水库

中图法分类号：TV223

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.011

文章编号：1006-0081（2025）01-0061-07

0 引 言

若水利水电工程建设发生重大滑坡问题或事故，不仅增加工程难度和投资成本，还威胁库区居民和施工人员的安全［1］。库岸滑坡是水利水电工程地质灾害防治的重点，水对坡体的作用是库岸滑坡形成和发展的关键。因此，水作用下岸坡的稳定问题一直是大型水利水电工程建设中迫切需要解决的难题。

多年来，国内外专家学者针对水作用下的库岸滑坡形成机理、破坏模式及发育阶段等开展了多方面的探索和研究。刘才华等［2］分析了地下水引发库岸边坡失稳的机理，指出在地下水作用下，边坡岩土物理力学性质恶化、库水浮托力以及坡体内渗透力是影响库岸边坡稳定性的重要因素，给出了考虑地下水影响的库岸边坡稳定性计算公式。柴波等［3］通过统计获得三峡库区红层滑坡的分布规律，并通过X射线衍射对矿物进行分析，结合崩解试验观察滑带土微观结构扫描，分析红层岩石遇水崩解、软化（泥化）和膨胀的水岩作用特性。倪卫达等［4］研究库水对库岸边坡岩土材料的弱化机理，将水致弱化效应具体分为干湿循环弱化及长期饱水弱化两种，并根据相关试验给出了水致弱化效应的数学表达式，采用Geo-Studio进行地下水渗流场的动态计算，结合Morgenstern-Price法计算水库运行期间稳定性系数的变化过程，从而提出一种考虑水致弱化效应的库岸边坡动态稳定性计算方法。李卓、江强强等［5-6］开展了降雨与库水位共同作用下滑坡大型模型试验研究，认为降雨是引起近坝库岸边坡滑坡的重要因素，降雨与库水位共同作用下近坝库岸滑坡有效应力减小，库岸滑坡是由降雨和库水位共同作用引起，库水位以下边坡土体水分入渗充分，边坡内部孔隙水压力较大，边坡易产生滑坡且滑坡规模较大，近坝库岸边坡滑坡属于浅层牵引式滑坡。汪斌、付敬等［7-8］进行了考虑流固耦合作用的库岸滑坡变形失稳机制研究，研究强降雨在坡体的裂缝末端形成的暂态水源对滑坡渗流场和地下水位的影响机制，通过强度折减法计算雨水入渗对滑坡稳定性带来的不利影响。王明华等［9］开展了水库蓄水对库岸滑坡的影响研究，水库蓄水将显著改变库岸的水文地质条件，进而影响滑坡的稳定状态。

重庆市平进村库岸距向阳水库上坝址河道最近约2.0 km，库岸边坡为顺向坡，地层产状与地形坡面基本一致。大气降雨、水库水位升降、地下水位变化均会引起库岸边坡变形破坏甚至失稳，因此，需要针对平进村库岸段稳定性问题展开深入研究。在前人研究的基础上，本文以平进村库岸岸坡工程为研究对象，综合现场地质调查宏观地质分析和变形监测成果，采用有限差分数值方法，基于非饱和流固耦合理论、弹塑性理论和强度折减法，模拟强降雨、库水位变动以及防护加固等多种工况，分析不同条件下平进村Ⅱ级缓坡地下水位的分布、岸坡滑移模式及其安全稳定性，探讨不同因素作用下岸坡地下渗流场的分布规律，合理分析和评价其对岸坡整体稳定性和局部稳定性的影响效果，以期为水库岸坡稳定性评价及岸坡滑坡防治措施提供借鉴和指导。

1 工程概况

向阳水库工程位于重庆市云阳县北部团滩河干流上，是一座以供水、灌溉及农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用效益的水利工程，是重庆市拟建重点水源工程之一。如图1～2所示，平进村库岸段位于向阳水库库区内团滩河的右岸，距向阳水库上坝址最近河道距离约2.0 km。库坡横向宽约2.0 km，纵向长约1.5 km，前缘坡脚高程360～443 m，后缘坡顶高程600～800 m。平进村库岸坡段为缓倾层状岩体为主的岸坡，上覆总体厚度不大，为多成因类型的第四系土体，下伏岩体具有成层性、完整性以及多条破碎夹层分布的特征。根据地形地貌特征，按照地势高低，将整段库岸分为三级缓坡，分别为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级缓坡。通过已完成的现场地质调查宏观地质分析和变形监测成果分析，平进村库岸Ⅰ级、Ⅲ级缓坡整体处于稳定状态，Ⅱ级缓坡浅表层强风化破碎岩体和上覆土体在3个变形监测点均反映有明显深部整体变形情况，Ⅱ-1和Ⅱ-2两个变形体处于缓慢蠕动变形状态，坡表覆盖层可见多处变形破坏迹象。

1.1 地质条件

平进村Ⅱ级缓坡段覆盖层大面积发育，覆盖层厚度1～20 m不等，覆盖层整体以第四系崩坡积层碎块石土为主，局部地形条件和地质条件的变化形成滑坡堆积体，物质成分略有不同，岩性以碎石土为主。下伏基岩强风化厚度4～20 m不等，强风化层裂隙发育，岩体较破碎。出露地层主要为侏罗系下统珍珠冲组（J1z）浅灰色夹紫红和深灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹砂岩和泥岩，岩层倾向320°～350°，倾角10°～30°，斜坡坡向与岩层倾向基本一致，整体地形坡度呈上陡下缓形态，地层产状与地形坡面基本一致，见图3。

Ⅱ级缓坡段发育3处滑坡堆积体，分别为黄泥磅滑坡、下七坝滑坡和五同庙滑坡，滑坡体厚度3～15 m不等。根据现场勘察钻探揭示，未发现明显滑带，滑坡体滑移变形方式主要以沿基岩面滑动型式为主，滑床岩性主要为侏罗系下统珍珠冲组泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。

1.2 岸坡岩体力学性质

平进村Ⅱ级缓坡段岩体岩性主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹砂岩和泥岩。在库岸边坡范围内共实施勘察钻孔取芯12组，并对岩样进行室内岩石试验，试验结果表明大部分岩样的单轴抗压强度为20～50 MPa，属较软岩—中硬岩。同时，根据库岸边坡的钻孔内岩芯编录和分析，揭示岩体内部发育夹层，厚度一般在0.1～0.3 m，大部分为碎石土。

1.3 地下水类型及补径排特征

平进村Ⅱ级缓坡段地表水系比较发育，冲沟众多且多深切，坡降大且常年流水；同时，研究区内人类活动频繁，较缓的坡地多被开垦为农田，区内分布有大量的农田灌溉网和水塘，客观上形成较为稳定的地下水面状补给源；大气降水也是地下水的重要补给来源。岸坡地下水主要分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，团滩河是坝址区两岸地表水及地下水的最低排泄基准面，地表水主要通过地表斜坡或冲沟径流排泄至团滩河。

2 岸坡稳定性宏观分析

如图4所示，从整体宏观上来看，平进村库岸覆盖层坡度较缓，结构较均一密实，整体处于基本稳定状态。但受河流冲刷下切和后期人类工程活动的影响，平进村库岸边坡部分段覆盖层堆积体形成潜在不稳定的形态，再加上暴雨和地下水的作用，易诱发滑坡。从整体宏观上来看，岩质坡前缘一定高度临空，但层面侧向约束，为斜顺向岩质坡，下伏完整岩体中未发现可以导致该岸坡段岩体发生大规模滑移破坏的软弱结构面，在临空面地段亦未发现基岩大规模滑移破坏迹象，岩质坡不具备大规模深部高速滑移破坏的边界条件，但存在风化带范围的浅层顺层失稳可能。变形监测数据表明：Ⅲ级缓坡与Ⅰ级缓坡地层结构比较相似，整体处于稳定状态；Ⅱ级缓坡在CX05号孔、CX07号孔和CX08号孔倾斜位移监测的3个变形监测点均反映有明显深部整体变形情况，变形深度有所不同，Ⅱ级缓坡多处位置处于缓慢蠕动变形状态。

结合Ⅱ级缓坡变形监测CX05号孔与CX07号孔、CX08号孔深部变形点所处的地层不同，根据勘察钻孔揭示地层特性和综合地质分析，Ⅱ级缓坡变形区可分为Ⅱ-1变形体（CX05所在范围）和Ⅱ-2变形体（CX07和CX08所在范围）两个区域。Ⅱ-1变形体底界沿珍珠冲组第19段（J1z19）泥岩发育，前缘顺坡向延伸至黄泥磅滑坡，推测前缘变形体底界高程约438 m，珍珠冲组第19段（J1z19）泥岩沿变形体后缘延

伸并出露，Ⅱ-1变形体顺坡向横向发育长度约470 m。Ⅱ-2变形体底界沿珍珠冲组第21段（J1z21）泥岩发育，前缘顺坡向延伸至后叶沟河床附近，前缘变形体底界高程约390 m，珍珠冲组第21段（J1z19）泥岩沿变形体后缘延伸并在下七小学前缘附近出露，与后侧五同庙土质滑坡体相接，Ⅱ-2变形体顺坡向横向发育长度约1 050 m。

3 计算理论与方法

采用有限差分法FLAC开展研究，基于非饱和渗流理论和强度折减方法分析降雨和库水位变动对岸坡地下水和稳定性的影响。

3.1 非饱和两相流基本理论

两相流体/固体相互作用具有如下特征：① 有效压力变化导致体积应变的产生（两相流的有效应力增量是太沙基有效应力增量，孔隙压力由饱和重量流体压力增量的平均值替代）；② 体积变形造成流体压力的变化；③ 毕肖普有效应力用于检查本构模型中的塑性屈服。

3.2 修正的Mohr-Coulomb破坏准则

在坡表及水位线以上滑体采用考虑基质吸力影响的修正Mohr-Coulomb破坏准则：

τmax=σbtanφ+C（1）

式中：τmax为材料的抗剪强度；φ为摩擦角；C为黏聚力；σb为毕肖普有效应力，其定义为

σb=σ-（SwPw+SaPa）（2）

式中：σ为总应力；Sw为水的饱和度；Sa为空气饱和度；Pw和Pa分别是水压力和空气压力。将式（2）代入式（1），屈服准则表达式为

τmax=（σ-Pa）tanφ+Sw（Pa-Pw）tanφ+C′（3）

式中：C′为有效黏聚力。

当土壤完全干燥或完全饱和时，破坏准则为经典的摩尔库伦判据。在非饱和条件下，Sw（Pa－Pw）表示因毛细压力产生的土壤附加黏聚力。

Cc=SwPctanφ（4）

式中：Cc为附加的黏聚力；Pc为毛细压力。

毛细压力与饱和度呈递减函数关系：

τ=C′+（σn－μa）tanφ′+（μa－μw）tanφb（5）

式中：τ为剪应力；C′为有效黏聚力；σn为正应力；μa，μw分别为孔隙气压力和孔隙水压力；φb为抗剪强度随基质吸力μa－μw而增加的速率。

3.3 边坡强度折减法

Duncan指出了边坡安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对岩土体剪切强度进行折减的程度，即定义安全系数为土的实际剪切强度与折减后达到临界破坏时的剪切强度的比值，见式（6）。

Ci=C/fitanφi=（tanφ）/fi（6）

这种强度折减方法非常适合用有限元、有限差分等数值方法来实现。采用强度参数Ci和φi进行弹塑性数值分析，其中fi为强度折减系数。当fi不断增大并达到某一临界值时，边坡处于临界失稳状态，则将系统的安全系数取为此时的fi。

4 降雨和库水位变动对岸坡地下水分布和稳定性的影响分析

4.1 数值模型概化

选取位于平进村Ⅱ级缓坡区内典型断面（图5），模型范围：横河向为水平X轴方向，由河床中心线向山体水平距离为1 200 m；Y向为铅直向，高程范围由150 m至地表710 m；计算域内模拟了库岸顺向坡表层覆盖层（第四系崩坡积层碎石土、碎块石土），以及缓坡下伏不同风化程度的侏罗系粉砂基岩（强、弱及微新岩层），浅部及深部的软弱夹层。

4.2 计算条件

数值模型中的岩土介质均采用各向同性弹塑性Mohr-Coulomb模型。平进村库岸覆盖层根据现场取样的室内土工试验分析成果以及类似相关工程经验值选取建议值，顺向坡岩体强风化层和弱风化层在参考试验数据的前提下综合选取建议值，夹层的物理力学参数则参考覆盖层岩土体试验成果选取建议值。具体岩土体及结构面物理力学参数建议值见表1。

初始河床水位为390 m，坡内地下水位通过钻孔水位资料拟合获得。初始应力场考虑为自重应力场。侧向和底边均设置法向位移约束；底边界为不透水边界，两侧边界为水头边界，坡面为自由透水面。参照当地最大日降雨量，分析极端暴雨久雨工况，拟定日降雨量150 mm/d持续5 d。

治理措施：考虑在临河前缘段进行压脚处理以提高岸坡抗滑稳定性，实施方案利用弃渣前缘压脚，压脚填筑坡比1∶1.5，压脚顶部高程465 m，以达到提升斜坡整体稳定性，并兼顾库岸防护的目的，如图6所示。

4.3 成果分析

如图7所示，河床初始水位390 m，岸坡天然地下水位在390～420 m高程贴坡面并沿坡内向上延伸，至520 m高程区间地下水位较高，距坡面埋深约10～20 m；顺坡面往上水位线朝山体高处延伸，水位线距坡面埋深逐渐增大。在暴雨初期，由于滑坡表层土体存在基质吸力，渗透系数相对饱和状态的小，水分较难渗透到坡体深部；随着雨强增大及持时增长，地表含水率明显变大，浸润峰逐渐向坡内扩展，当极端降雨持续5 d，地下水位明显抬升，部分区域地下水位线上抬至坡表。

水库正常蓄水工况运行时，库水位由初始水位390 m抬升至456 m，坡体前缘部分没入水下，水上坡体地下水位随岩土体透水性差异表现出不同程度的抬升，库水入渗坡内，随入渗时间延续，岸坡地下渗流场动态调整，岸坡地下水流经坡体前缘高程456 m向水库排泄。在此工况下，如再遭遇极端暴雨（图8），岸坡缓坡地段地表基本没于水下，覆盖层坡体含水率趋于饱和状态。

采用强度折减方法，得到不同工况条件下边坡极限失稳状态的滑移模式及安全系数，针对不同区域进行滑移搜索，得到3种可能的滑动模式（图9），即表层覆盖层滑移、沿浅层软弱夹层滑移以及沿深部破碎夹层滑移失稳。将通过强度折减法得到的边坡最大剪应变增量集中带视为潜在危险滑面。天然工况下，岸坡3种滑移模式的强度折减安全系数依次为0.97，0.98，1.12。

如图10所示，岸坡的表层覆盖层滑移模式在天然工况下为欠稳定状态，当遭遇极端暴雨，其安全系数明显降低，减小为0.65，表现为明显滑移破坏；当水库蓄水，通过力学作用机制分析，岸坡前缘外水压增大有提高前缘覆盖层滑体的抗滑稳定作用。岸坡沿浅层软弱夹层滑移的模式在天然工况下为欠稳定状态，若遭遇极端暴雨，其安全系数减小0.24，为失稳滑移状态；水库蓄水至456 m水位工况时安全系数较天然工况减小0.02，为欠稳定状态；当再遭遇暴雨，其安全系数降低0.14，为失稳破坏。岸坡沿深部夹层滑移模式在天然工况稳定，若遭遇极端暴雨，其安全系数减小0.1，仍保持稳定；水库蓄水至456 m水位工况时安全系数较天然工况提高了0.16；当再遭遇暴雨，其安全系数降低0.08，仍为稳定状态。

考虑在水库运行前采取坡前缘压脚措施，对提高岸坡的抗滑稳定发挥积极的效果，岸坡对应工况的3种滑移模式安全系数均有明显提高，提升约0.01～0.30。相比而言，前缘压脚对沿浅层软弱夹层滑移模式的安全稳定性提高效果最明显，其次是浅表覆盖层滑移破坏模式，对沿深层夹层滑移模式安全稳定性提高效果相对较小。

5 结 论

（1） 平进村库岸Ⅱ区缓坡段天然地下水位埋深浅，当遭遇极端降雨时，大量雨水入渗将引起地下水位上抬，坡体有效应力降低，抗剪能力削弱，均导致边坡稳定性降低。Ⅱ区边坡变形破坏明显的区域位于前缘覆盖层堆积体，在雨水冲刷、地下水位变动等复杂条件下，将会产生一定规模的垮塌或滑移。

（2） 前缘压脚防护措施可有效提高岸坡整体稳定性，压脚前后岸坡多滑移模式的安全系数提高约0.01～0.30。对沿浅层软弱夹层滑移模式的安全稳定性提高效果最明显，其次是浅表覆盖层滑移模式，对沿深层夹层滑移模式安全稳定性提高效果相对较小。

参考文献：

［1］ 徐青.水利水电工程滑坡稳定性研究及灾害评价［D］.南京：河海大学，2005.

［2］ 刘才华，陈从新，冯夏庭，等.地下水对库岸边坡稳定性的影响［J］.岩土力学，2005（3）：419-422.

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［5］ 李卓，何勇军，盛金保，等.降雨与库水位共同作用下近坝库岸边坡滑坡模型试验研究［J］.岩土工程学报，2017，39（3）：452-459.

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［7］ 汪斌，唐辉明，朱杰兵，等.考虑流固耦合作用的库岸滑坡变形失稳机制［J］.岩石力学与工程学报，2007（增2）：4484-4489.

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［9］ 王明华，晏鄂川.水库蓄水对库岸滑坡的影响研究［J］.岩土力学，2007（12）：2722-2725.

（编辑：高小雲）

Influence study of rainfall and reservoir level fluctuations on stability of Xiangyang Reservoir bank slope

HUANG Gui1，FU Jing2，LU Zengmu3，ZHANG Yuting2

（1.Gongming Water Supply and Storage Project Management Department，Water Authority of Shenzhen Municipality，Shenzhen 518036，China； 2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Under the action of water，the seepage field of groundwater and the mechanical properties of rock and soil on the bank slope undergo changes，thereby affecting the overall stability of the bank slope.Taking the bank slope project of Pingjin Village，Xiangyang Reservoir in Chongqing City as an example，based on the unsaturated fluid structure coupling theory，elastic-plastic theory，and strength reduction method，and used finite difference method to analyze the sliding failure mode and safety factor change law of Pingjin Village Grade Ⅱ gentle slope under various working conditions such as rainfall and reservoir water level changes.The efficacy of the surcharge measures applied at the toe of the bank slope for erosion protection was assessed.The results indicated that： ① There were three potential slip modes on the bank slope under different working conditions，namely slip along the slope surface cover layer，slip along shallow weak interlayers，and slip along deep fractured interlayers.② The natural groundwater level on the bank slope was relatively low，when encountering extreme rainfall，a large amount of rainwater infiltration would rise the groundwater level，the effective stress of the slope would be reduced，the shear resistance would be weakened，and the stability of the slope would be significantly reduced.③ The adoption of leading edge foot pressure protection measures could effectively improve the overall stability of the bank slope，and the safety factor of multiple sliding modes after the foot pressure was" increased by about 0.01 to 0.30.

Key words：

reservoir bank slope； creep deformation； rainfall infiltration； strength reduction method； Xiangyang Reservoir