库水位下降对三峡库区浅层堆积物滑坡稳定性的影响研究

库水位变化对三峡库区堆积层滑坡稳定性的影响研究
刘贵应
（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆，400023）
摘要：库水位的长期周期性变化势必影响库区内崩滑体及库岸的稳定性。

特别是堆积层滑坡与库岸的稳定性对地下水周期性变化尤为敏感，本论文针对三峡库区内松散堆积层滑坡的特征，根据堆积层滑坡在库水位变化条件下的水压力变化，建立了松散堆积层滑坡渗流模型，并据此对库水位变化条件下滑坡渗流场与稳定性进行分析评价。

为松散堆积层滑坡的稳定性评价提供了另一条途径。

关键词：堆积层滑坡，稳定性评价，渗流模型
Chongqing Survey ＆Design Institute, China Railway Eryuan Engineering Group Co.LTD , Chongqing, 400023, China
三峡水库在运行过程中，每年将在145m～175m间周期性波动，库水位的长期周期性变化必将引起地下水位的长期周期性波动，从而影响库区内崩滑体及库岸的稳定性。

地下水对边坡稳定性有着重要影响，孙广忠指出“滑坡与地下水活动有关”[1]，据不完全统计“三峡库区欠稳定和不稳定的崩滑体约有1190处[2]”。

“90%以上的边坡失稳破坏与地下水活动有直接的关系[3]”。

地下水对边坡稳定性的影响主要表现在两个方面：一是地下水对边坡岩土体的物理化学作用使潜在滑动面强度产生弱化作用；二是地下水对边坡的力学作用，包括孔隙水压力（静水压力）和渗透压力作用[4,5]。

根据《三峡库区三期地质灾害防治工程应急抢险紧急实施项目》的通知，涉水156m及156m以上195个崩滑体、92.78Km库岸及257处（段）搬迁避让项目纳入三峡库区三期地质灾害防治工程应急抢险紧急实施项目。

其中堆积层滑坡与库岸占上述致灾体的80%以上。

因此，研究库水位变化对三峡库区堆积层滑坡稳定性的影响直接关系到目前正加紧库区滑坡的治理工作效果、库区人民的生命财产安全及水库的正常运行。

1．堆积层滑坡的特征
堆积层滑坡是滑坡中分布最为广泛、暴发频率高、持续危害性较大的一类致灾体。

其物质组成一般为次生堆积体，结构松软碎裂，力学性质随水文因素变异大，在库水位下降条件下，形变体表层、内部及下伏软弱结构面都能同时受到动水影响。

厚度通常小于10m，其特征如表1。

表1 堆积层滑坡综合特征表
Tab.1 the stacked stratum slide character table
2.堆积层滑坡在库水位变化条件下的水压力问题
堆积层滑坡与库水位变化有很大的关系。

一方面库水位的上升导致坡体浸水体积增加，滑面上的有效应力减少或抗滑阻力减少，部分滑带饱水后强度降低；另一方面库水位骤然下降时，由于坡体中地下水位下降相对滞后，导致坡体内产生超孔隙水压力，在滑坡体内形成暂态渗流场。

随后滑体孔隙水压力逐渐消散，土体由饱和变为非饱和状态，非饱和区土壤水的运动和饱和区水的运动相互联系，产生顺坡向的动态扩张力，使裂缝张大，逐步加剧斜坡松散堆积体的变形和位移。

堆积层含水层分布面广，当堆积层渗透性很差时，且在库水位达到一定水位的一定时间后库水位骤降，斜坡岩土体地下水随之向库内排泄，由于斜坡岩土体渗透性差而导致水层通道破坏，，流路堵塞，坡脚处动静压力迅速增长，容易引起斜坡失稳；当堆积层渗透性很强，且在库水位骤升时，库水迅速渗入坡体内并在斜坡坡脚处迅速形成很高的扬压力，以减小岩土体的有效应力，容易导致斜坡失稳。

同时，库水位变化对堆积层土体力学性质的影响也是非常显著的。

库水位变化对堆积层土体的力学性质的影响主要表现在物理作用、化学作用及力学作用。

地下水对堆积层土体强度的影响主要有三方面:(1) 库水位变化通过物理的、化学的作用改变堆积层土体的结构，从而改变堆积层土体的C、Φ值；(2) 库水位变化通过空隙静水压力作用，影响堆积层土体中的有效应力而降低其强度；(3) 库水位变化通过空隙动水压的作用，对堆积层土体施加一个推力，即在堆积层土体中产生一个剪应力，从而降低堆积层土体的抗剪强度[6]。

3. 堆积层滑坡在库水位变化条件下的渗流模型
堆积层滑坡在库水位变化条件下的渗流模型基本假设：
1 滑坡体渗流场服从杜布依近似假设。

即由于渗流自由面的坡度很小，认为可以假定沿铅深度方向铅直线是等势线，即测压管水头为常数。

那么，对于二维纵剖面稳定渗流自由面是一条流线。

2 假设滑带是相对隔水层。

3 鉴于上面两个假设，库水位下降时的渗流按不透水层上的缓变渗流处理。

如图1为一个任意边坡，其中BC和CD为隔水边界。

当库水水位从G点降到A点时，各段边界分类如下：AB属于第一类边界中的动水头边界；BC、CD、DF和渗出面AF为第二类边界。

其中点A、F、D都是变动点，需要根据迭代计算确定其具体位置。

（1）定水头边界:
)
,
(
),
,
(
y
x
H
t
y
x
H=
(1)
（2）动水头边界AB:
t
V
y
x
H
t
y
x
H*
-
=)
,
(
),
,
(
0 (2)
（3）溢出面边界AF:
)
),
(
(
),
,
(y
t
H
MIN
t
y
x
H= (3)
（4）流量边界:
x
x
n
x
H
k
t
x
q
∂
∂
-
=
),
(
，
y
y
n
y
H
k
t
y
q
∂
∂
-
=
),
(
(4)
当采用水头 h 作为控制方程的因变量，对于各向异性的堆积层滑坡渗流控制方程[7]为:
t h g m w w 2222∂∂=∂∂+∂∂ρz
h k x h k z x (5)
图1 堆积层滑坡水位变化示意图
Fig.1 the water location transformation chart of the stacked stratum slide
式中：k x ，k y 分别为水平和垂直方向的饱和渗透系数； ρw 为水的密度；g 为重力加速度；m w 为比水容量，定义为体积含水量θw 对基吸力(u a -u w ) 偏导数的负值，即:
)
u u (m w a w w -∂∂-=θ (6) 4. 堆积层滑坡水位变化稳定性分析
4.1 云阳县甘家院子至人和大桥H 3前缘滑坡基本特征
云阳县甘家院子至人和大桥滑坡位于云阳县新县城以北约4km 的人和镇，地处小江右岸、木古河左岸的斜坡地带，属特大型土质滑坡群。

其中H 3滑坡为堆积层滑坡，体积约765
×104m 3，属大型土质滑坡。

该项目涉水156m ，纳入三峡库区三期地质灾害防治工程应急抢险紧急实施Ⅰ类项目。

H 3滑坡前缘直接临水，现标高139.00m ，在库区蓄水后该段位于水位涨落带内，受库水变动的影响，前缘不稳定，易发生滑动，形成库岸再造，并影响H 3滑坡的整体稳定性。

堆积层成分主要为粉质粘土夹块石，滑面位于土层与基岩的接触面，滑床主要为泥岩和泥质砂岩。

本论文采用MIDAS GTS 非线性有限元程序和收敛性能良好的渗流模型，为堆积层滑坡在库水位变化状况下稳定性分析的可靠性和计算精度提供了有力的保证。

根据室内试验、现场大剪试验、滑坡稳定性反分析及地区类似工程经验，确定滑带物理力学参数（在三峡动水位影响下，按照技术规程计算动水位浸润线，浸润线以下至库区防洪限制水位之间采用有效抗剪强度指标，其取值确定在天然和饱和指标之间，并结合经验值综合确定。

）见表2。

表2 稳定性计算参数选用表
Tab.2 the parameters for stability calculating
4.2计算结果及分析
图2为甘家院子至人和大桥滑坡库水位以0.5m/天的速度从175m缓慢降至145m的总水头等值线云图（20天后）。

图3为滑坡库水位在上述运行工况下的渗流场剪应变等值线云图。

图2 总水头等值线云图图3 渗流场剪应变等值线云图
Fig.2 the chart of the total water head Fig.3 the shear strain of the seepage surrounding 从模拟结果图2与图3可以看出:
1．当库水位从175m高程分别以0.5m/day、1m/day、2m/day的速度下降到145m高程时,水库水位依次在第30天、20天、15天后不再变化,但地下水却分别在第26天、12天、5天后才基本趋于稳定，依次滞后4天、8天和10天。

说明库水起始高程相同的情况下，库水位下降速度越大，地下水位达到稳定所需时间越长；
2．地下水是一条上凸的曲线，且后缘潜水面几乎水平，滑坡前沿水力梯度较后缘大；随着距水库越近地下水位线逐步降低，滑坡前缘地下水位线同时略微变陡，渗透压力有所增加。

3．库水位下降初期，滑坡前缘接近地表的地下水流流速有向上的分量，这表示滑坡前缘渗透压力减小，不利于滑坡稳定。

4．随着库水位下降，图中相应的等水位线向边坡体上游移动，饱和流场中的水压力在降低；
5.结论
1. 堆积层滑坡与库水位变化有很大的关系。

2. 基于MIDAS GTS的非线性有限元程序和收敛性能良好的渗流模型，为堆积层滑坡在库水位变化状况下稳定性分析的可靠性和计算精度提供了有力的保证。

3.基于非线性有限单元法的渗流模能够较好的模拟分析堆积层滑坡在库水位变化状况下的水头变化趋势及渗流场剪应变。

为堆积层滑坡的稳定性评价提供了另一条途径。

参考文献：
[1]孙广忠. 孙广忠地质工程文集 . 北京兵器工业出版社 . 1997：316-321.
[2]崔政权、曾新平. 长江三峡工程库区库岸稳态及崩、滑体专论. 水利部长江水利委员会综合勘测局，1996.
[3]王乾程, 李培铮, 谢建华等. 水作用下土坡稳定性分析及防治对策探讨[J]. 西部采矿工程, 2003, 84: 156－157.
[4]毛昶熙. 渗流计算分析与控制[M]. 北京: 水利水电出版社, 2003, 431－434.
[5]水利水电部水利水电规划设计院. 水利水电工程地质手册[M]. 北京: 水利水电出版社, 1985.
[6] (苏)叶米里扬诺娃著;滑坡作用的基本规律. 铁道部科学研究院西北研究所滑坡研究室译.重庆: 重庆出版社, 1986
[7] 吴宏伟，陈守义，庞宇威. 雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究[J]. 岩土力学，1999，20(1)：1–14.。