三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析.pdf

水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡 稳定性影响分析 尉壮岩1 ，宋军2 ，程英建2 ，张勇2 ( 1 中国地质大学( 北京) ，北京1 0 0 0 8 3 ；2 中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都6 1 1 7 3 4 ) 摘要：为了更好地研究在三峡库区增大库水降幅条件下奉节何家坡滑坡稳定性，预测评判其发展趋 势，通过现场地质调查和勘探，分析了何家坡滑坡的变形模式与形成机制，并考虑了库水位骤降作 用。利用G e o S t u d io 有限元分析软件对滑坡在增大库水位变幅的极端工况下进行渗流场模拟与稳定性 计算。研究表明，何家坡滑坡变形主要集中在坡体前缘与中部，表现为逐级牵引式变形破坏，库水位 降幅1 2 n d 条件下整体处于基本稳定状态。随着库水位下降速率增大，滑坡稳定性系数不断降低， 属典型的动水压力型滑坡。 关键词：涉水滑坡；库水变幅；渗流场；稳定性；三峡库区 d o i：1 0 1 3 9 2 8 j cnk j w T a h e 2 0 1 7 0 4 0 2 2 中图分类号：P 6 4 2 2 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 0 一0 8 6 0 ( 2 0 1 7 ) 0 4 - 0 1 1 8 一0 6 A 删y s iso nil l l p a ctn o n l 啪t e rl e v e ln u ct 腿t i佃so fT h r e eG o r g e sR 姻e r v o ir 鲫s t a b m 姆 o fH e j ia p oL a n d s id einF e n 西ie Y uz h u a n g y a n l ”，s o N GJ u n 2 ，cH E N GY in 舀ia n 2 ，z H A N GY o n 矿 ( 1 C h in aU I l iv e r s it yo fG e o s cie n ce s ( B e ij in g ) ，B e ij in g1 0 0 0 8 3 ，C h in a ； 2 I n s t it u t eo fE x p l o r a t io nT e ch n o l o g y ，C A G S ， C h e n g d u 6 11 7 3 4 ，S ich u a n ，C h in a ) A b s t m ct ：I no r d e rt ob e t t e rs t u d yt h es t a b il it yo fH e j ia p oL a n d s l id einF e n 舀ieu n d e rt h ein cr e a s eo ft l l ed r a w d o w I la I r l p l it u d e0 ft h e r e s e n ，o irw a t e rl e v e l ，a n dp r e d icta n da p p r a is et h ed e v e 王o p in gt r e n do fit ，t h ed e f o n n 捌o nf n o d ea r I df o 丌I l a t io nr n e ch a n is mo fH e j ia p 0L a n d s l id ea r ea I l a l y z e da n dt h ee f f e cto ft h er 印idd r a w d o w no fw a t e rl e v e l isco n s id e r e dt 1 1 r o u g ht h eins it u 耐。舀ca lin v e s 啦哥 t io na I l de x p l o r a t io n F u n h e 珊o r e ，t l l es im l l l a t i叽o fs e e p a g ef ie l da n ds t a b il it yca l cu l 鲥o nf o rt h el a J l d s l id e 咖d e rt l I ee x n 蜘1 e 叩e r a t io nco n 出t io no fin cr e a s eo ft h ew a t e rl e v e ln u ct u a t io na r em a d ew it l lt h ef in it ee l e m e n ta n a l y s iss o f 抽a r e 一( k o S t u d io T h es t u d y r e s l l l ts h o w st h a tt h ed e f o 册a t io no fH e j ia p oL a J l d s l id eism a il l l yco n ce n t r a t e da tt h ef r o n te d g ea I l dt l l eH 1 id - p a r to ft h es l o p e ，w h ich p r e s e n t sas t e pb ys t e pp u 一d e f o n n a t io nf 越l u r ea n disw h o U yu n d e rab a s ica l I ys t a b I es t a t u su n d e rt h eco n d it io n d t ht h ed 1 a w d o w n 锄p l it u d e0 ft h er e s e r v o irw a t e rl e v e lo f1 2 d T h es t a b il it yco e m cie mo ft h el a I l d s l id eisl o w e r e da l o n gw it ht h ein cr e 私e0 ft h e r a t eo ft 1 1 ed L a W d o w no ft h er e s e r v o irw a t e rl e v e l ，t h u sitb e l o n 铲at y p ica l1 a 1 1 d s l id eca u s e db yh y d r o d y n a I l l ic p r e s s u 豫 K e y w o r d s ：w a t e rr e l a t e d l a n d s l id e ；n u ct u a t io n o fr e s e r v o irw a t e rl e v e l ；s e e p a g ef ie l d ；s t a b il it ) r ；a r e ao fT h r e eG m g e sR e s e n ，o ir 由于三峡库区斜坡地理条件特殊，成因环境复杂，三峡库区蓄水以来严重破坏了岸坡的原有平 收稿日期： 基金项目： 作者简介： 通信作者： ”8 2 0 1 6 一0 8 2 9 中国地质调查项目( D D 2 0 1 6 0 2 7 8 ) ；国土资源部公益性行业专项( 2 0 1 5 1 1 0 5 1 ) 尉壮岩( 1 9 9 3 一) ，男，硕士研究生，从事地质工程和地质灾害研究工作，E m a il ：y u z l u a l l g y a I l 1 6 3 co m 宋军( 1 9 6 3 一) ，男，教授级高级工程师，博士，主要从事探矿工程及地质灾害防治技术研究。E m a il ：s o n 舒u n 8 0 l 1 6 3 co m 肋把，R 酷D 懈4 以H y d 唧D 盯E 馏f H 卵啦的f 钳N D 4 衡1J ，加之移民安置等大规模人 类工程活动，使得库区地质灾害 频发。滑坡是三峡库区的主要地 质灾害类型之一。据统计。2o 库水 位升降是导致滑坡失稳较为普遍 的影响因素之一，发生在库水下 降期间的滑坡失稳事件约占3 0 ， 特别是某些大型滑动往往发生于 库水达到峰值后的骤降阶段。 目前国内外有关三峡库区滑 坡的研究，主要集中于库水位变 动对滑坡的影响机制上3 。8J 。一 般认为，库水位多次升降下，边 坡水岩作用剧烈，库水浸润、软 化滑带，降低岩体的抗剪强度， 同时库水位下降导致坡体渗流场、 应力场的变动，使得库岸滑坡体 受到静、动水压力、浮托力周期 性改变的影响，其中动水压力是 导致大规模滑坡的主要诱发因素 之一。此外，李响等9o 研究认为， 提高库水位降幅速率可间接延长 尉壮岩，等三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析 回匿 羽囹匝目困圈圆 一三叠系巴东组；一等高线；一地裂缝；一滑坡边界；一探槽；一公路； 一岩层产状；一剖面线；一钻7 L 图1 滑坡全貌( 单位：m ) 三峡大坝最高水位运行时间，能大幅提升三峡发电效 益与防洪能力。因此，有必要对三峡库区具有潜在大 规模失稳的滑坡开展增大库水位降幅条件下的稳定性 评价，为库区水利调度提供技术支持。 本文以三峡库区奉节段何家坡滑坡为例，通过详 细勘察，分析滑坡的变形模式与失稳机制，利用G e o s t u d io 软件模拟增大库水位降幅条件下滑坡的渗流 场变化，并对不同渗流瞬态条件下的稳定性进行计 算，定量说明库水位降幅速率对滑坡稳定性的影响。 1 滑坡工程地质环境 1 1 滑坡概况 何家坡滑坡地处重庆市奉节县，长江支流梅溪河 右岸河口地段，为三峡库区二期避让、专业监测滑 坡。滑坡区地势总体西南高东北低，坡度2 5 。滑坡 体主滑方向约2 0 。( 见图1 ) ，长约2 5 9 0m ，宽约 2 4 6 0m ，滑坡堆积物厚度不均，一般厚度1 0 0 3 5 0m ，平均厚度为3 0 0m ，面积约为1 4 3 万m 2 ， 体积约为4 2 9 万m 3 。滑坡后缘为地形陡缓交界处， 可见基岩露头，为直线状斜坡，植被茂盛，高程 2 5 0 0m 左右；滑坡中部为滑坡平台，建有大量民房 以及一家制糖厂；坡体前部临空面坡度较陡，前缘剪 水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 出口高程约1 4 0 0m 左右，位于库水位变动带以内， 为一折线状坡，前后缘高差1 0 5 om 。总体上滑坡中 部较平缓，前、后缘较陡，右侧以滑坡侧向超覆面 ( 带) 为界，滑坡左侧以冲沟为界，冲沟外侧基岩出 露，冲沟内侧为滑坡堆积体。 滑坡体为斜坡中部崩坡堆积体滑动变形而成，主 要由褐黄色黏土、黏土夹碎块石及块石土组成。滑带 为土、岩接触带，其埋深1 0 5 3 5 5m 不等，为黏土， 呈软塑状，略具定向性排列和明显的揉搓现象，呈透镜 体分布，厚度小于0 3m ，局部未见出露。滑床为巴东 组第二段( T ，b 2 ) 泥灰岩、泥质灰岩，少量黏土岩、粉砂 岩，滑坡区单斜产出，产状3 2 8 0 二1 8 。( 见图2 ) 。 1 2 滑坡变形监测数据分析 自三峡大坝蓄水以来，三峡水库正常调度方式 为：一般情况下，5 月底之前，从1 7 5m 坝前水位降 至1 5 5m ，日均降幅0 1 3 3m ；6 月1 0 日之前，从 1 5 5m 坝前水位降至1 4 5m ，日均降幅0 6 0 0m 。 滑坡采用G P S 监测与宏观地质监测，由所采集 的监测数据来看( 见图3 ) ，自水库蓄水以来，各监测 点位移量缓慢递增，滑坡的变形量相应逐年增加，但 大部分监测点月变形量基本在测量误差范围内。结合 人工巡查可知，滑坡变形主要发生在前部与中部。从 1 1 9 尉壮岩，等三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析 E 裂 惶 一钻孑L ；一滑坡体；一灰岩；一泥灰岩；一三叠系巴东组 图2 滑坡剖面 整体上看，滑坡呈现小规模缓慢位移，并且在2 0 0 7 年库水位降幅下，各监测点均有5 0m m 左右的位移 量。在2 0 0 9 年正式蓄水至1 7 5m 水位后，各监测点 有较大的位移量，但都在允许范围内，随后随着库水 周期性降低，滑坡均有小规模位移，在2 0 1 2 年后趋 于稳定。F J 一1 1 5 监测点分布在滑坡体中部前缘，在 兰 g 血I 】 稔 烂 水库蓄水初期变形量有陡增，并 且在2 0 0 6 _ 2 0 1 2 年呈现缓慢变 形，位移突变均集中在库水下降 后期。F J 一1 1 2 与F J 一1 1 8 监测 点在滑坡左侧前缘，位移量仅次 一 于F J 一1 1 5 监测点，这是由于滑 ；坡左侧临空在冲沟季节性水流加 。2 库水位升降、河流侵蚀切坡作用 下，坡体产生卸荷作用，前缘裂 隙发育，使坡体左侧前缘整体倾 向坡外移动。中部F J 一1 1 6 监测 点位移累计3 0 0m m ，由现场调 查可知，这是由于前缘位移导致 中部房屋裂缝，路面开裂、下挫， 裂缝长2 0 3 0m ，可见宽度2 3 cm 。由此可见，滑坡变形集中在 坡体前缘库水变动带，库水位下 降对滑坡变形影响明显。 1 3 库水位下降对滑坡的影响分析 滑坡初始变形发生在2 0 0 5 年蓄水初期，且变形 集中在坡体前缘库水位变动带。从图3 可以看出，监 测位移曲线随着库水位变动呈现出升高的趋势。滑坡 体前缘与坡体左侧前缘在库水位升降下反复出露，滑 坡体渗透系数较小，受库水变动影响剧烈，前缘植被 1 2 0 三暑云 苫 云=i 三苫 = = = = = 圣毒圣毒蚕 毒蕃毒 手 蓦葶葶季葶蕃 毒莓葶莓 譬譬里譬譬譬篡箜玺窭 oo 一一 “ 一一寸 蒿营蒿莒甍焉甍甍蔑甍焉蚕禹趸禹 蚕趸趸 时间年月日 图3 滑坡监测点变形曲线 水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 稀疏，库岸塌岸明显。坡体中部有大量房屋、耕地， 房屋开裂明显( 见图4 ) ，裂缝上宽下窄，由前缘位移 导致坡体中部滑移、下挫所致。卸荷使裂隙发育，出 现长度为2 0 3 0m 的多级拉裂缝( 见图5 ) 。后缘切 坡修路，改变了坡体结构。滑坡位移时间多发生在每 年5 “月，与库水位下降时间联系较为紧密。即当 库水位下降速率较快时，滑坡体内孔隙水压力不能及 时消散，导致坡面上产生超孔隙水压力，向坡外的渗 透压力增大，并且库水位下降越快，超孔隙水压力越 难消散怛o 。库水位动水压力对滑坡的影响较大，极 易发生变形。滑坡前缘坡脚侵蚀严重，致使库岸滑 塌、下挫，坡体中部出现拉裂，导致整个滑坡移动。 库水位变化是主要的变形诱发因素，属动水压力型滑 坡。 图4 滑坡中前部民房开裂 2 滑坡渗流场及稳定性分析 2 1 G e o S t u d io 软件数值模拟 在考虑孔隙水压力的情况下，采用G e o S t u d io 商 业软件的s E E P W 模块进行渗流分析，该软件具有 饱和一非饱和稳定渗流计算、饱和一非饱和非稳定渗 流计算等功能。采用s L O P E w 模块中M o r g e n s t e m P r ice 法，计算考虑孔隙水压力情况下的边坡稳定性 系数，该法目前在全国许多大型水利水电工程中均得 到应用，可靠性已得到充分地验证，效果良好。 根据滑坡物质组成与形态特征，选取图6 所示剖 面为计算模型，该剖面较好地体现 了滑坡的结构特征，网格划分采用 四边形单元。 2 2 计算工况和参数取值 根据现场试坑重度试验及室内 岩土试验成果确定岩土体物理力学 参数如表1 所列。 本次考虑在非汛期的情况下， 水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 尉壮岩，等三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析 图5 滑坡中部地面开裂 O4 08 01 2 01 6 02 0 02 4 02 8 03 2 03 6 0 距离m 图6 滑坡计算模型 库水位在设计降幅下的滑坡稳定性计算：斜坡体内水 位以左边边界水位高度2 5 0m ，右侧边界水位高度 1 7 5m 作为初始边界条件，进行稳态分析，然后在此 基础上模拟水库水位下降的全过程。基于前述几何模 型以及相关参数，在进行计算时，斜坡表面为人渗边 界，斜坡表层与库水位水头一致。以库区近年来的水 位调度为依据“ 1 ，设定如下四种工况。其中，1 7 5 1 5 9m 水位降速o 1 3 3m d ，将原来的水库汛前水位 1 5 9m 时下降速率自0 6 0 0n d 增加至0 8 0 0 d 、 1 0 0 0r n d 、1 2 0 0 d ，荷载组合为：自重+ 地表荷 载+ 库水位从1 5 9m 降至1 4 5m ( 不同库水位变降速 度) 荷载，详细工况组如图7 所示。 表1滑坡物理力学参数取值 抗剪强度 容重厂弹性模量 泊松比y 渗透系数 岩土体类型状态 内聚力C内摩擦角 j 1 M P a肜m d “k N - m 一3 k P a 币( 。) 碎石混合土天然 2 1 51 3 31 4 O6 3O 2 9 O 4 5 含砾粉黏土天然 2 1 O1 8 51 7 28 00 3 50 3 8 泥灰岩天然 2 7 O30 0 03 7 O38 0 00 1 98 E 一4 1 2 1 O O O O O 0 0 0如勰拍N加博 尉壮岩，等三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析 时间d 图7 计算工况设定示意 2 3 渗流场与稳定 陛分析结果 采用G e o s t u d io 软件中的S E E P W 模块模拟坡体 在不同库水位降幅条件下的实时瞬态渗流场特征，并 导入S L O P E w 模块计算滑坡稳定性系数，得到各工 况下结果如图8 所示。 瓤 一面i翮 瓤 竺垡l 。L激 瓢U ，n 淞 书礴 O4 08 0】2 06 02 0 02 4 02 8 03 2 03 6 0 距离m 图81 2 几1 d 降幅条件下地下水位线变化趋势 由图8 可知： ( 1 ) 渗流场变化主要集中在滑坡体前缘，这与材 料性质、坡体形态、外界水头高度等有关，滑坡体渗 透性较好，而下部基岩渗透性很小，近乎隔水底板。 ( 2 ) 库水位从高水位下降到低水位时，水体由滑 坡体内向外排泄，滑坡体内的饱和流场是向外凸的， 有一定的滞后现象，待稳定后变得较平缓，这符合动 水压力型滑坡的特征。 该滑坡在库水位升降条件下的稳定性符合一般规 律，且具有如下特征： ( 1 ) 随着天数的增加，库水位从1 7 5m 水位匀速 下降至1 5 9m 水位过程中，即前1 2 0d ，滑坡稳定性 1 2 2 整体表现为缓慢下降最后趋近平稳，稳定性变化较 小，在1 2 0d 时稳定性系数为1 1 1 6 。从1 2 0d 当天 开始，库水位在不同降幅下变化。在1 2 d 的降速 下，滑坡稳定性系数陡降且降至最低点1 0 8 8 ，随后 稳定性系数上升( 见图9 ) 。 ( 2 ) 库水位在1 7 5m 起始降落阶段与1 5 9m 库水 下降速率变化阶段稳定性系数下降明显，尤其在库水 位降幅达1 2H d 时最大，表明滑坡稳定性突变主要 发生在库水位突变阶段( 见图1 0 ) 。 ( 3 ) 1 5 9m 水位后，库水位降速越大，曲线( 见图 9 ) 斜率越大，滑坡稳定性系数变化越快，对滑坡体 稳定性影响越显著。并且在1 2H d 的降速下，库水 位于1 3 1d 时降低至最低水位1 4 5m ，而滑坡稳定性 系数持续下降至1 4 0d 。表明增大库水降幅后，滑坡 稳定性系数下降具有一定的滞后性。 籁 垛 趟 彼1l o 蹭 10 9 10 8 繇 垛 趟 心 始 O2 04 06 08 0l O O1 2 01 4 01 6 0 时问d 图9 不同天数下稳定性系数变化 库水位高度m 图1 0 不同库水位高度下稳定性系数变化 4 结论 ( 1 ) 何家坡滑坡按正常设计工况运行时稳定性系 数最低为1 1 0 2 ，整体均处于稳定状态。在1 2 d 水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 湖渤姗渤猢m啪舳 u l 驰艇 的降速工况下，滑坡稳定性系数达到最低1 0 8 8 ，且 时间上具有一定的滞后性。预测当库水位下降速率超 过1 2H d 时，滑坡整体处于基本稳定状态。 ( 2 ) 何家坡滑坡属动水压力型滑坡，变形主要 集中在前缘，表现为逐级牵引式变形破坏。调查可 知前缘局部受库水影响较大部位会产生塌岸，危险 性小。 ( 3 ) 随着库水位的降落，滑坡体地下水浸润线变 化主要集中在坡体前端。库水位下降时，坡体内饱和 流场是外凸的，并且具有一定的滞后现象。 ( 4 ) 滑坡稳定性改变主要发生在库水位下降的 一段时间内。稳定性系数变化在前1 2 0d 表现为缓 慢下降，在1 2 0d 后表现为库水位下降速率越快， 稳定性系数降低越明显，尤以1 2 ，n d 的降幅下最 显著。 参考文献： 1 刘传正长江三峡复杂斜坡成因问题 J 水文地质工程地质， 2 0 0 5 ( 1 ) ：1 6 ( 上接第8 5 页) 提出了挑流水舌运动参数的S P H 数值解法。 ( 2 ) 采用s P H 方法进行建模，从粒子角度模拟挑 流水舌具体的运动情况，与桓仁水电站原型观测数据 进行了对比验证，水舌挑距等水力学参数验证结果良 好。 ( 3 ) 对水舌的厚度与其曲线长度的变化关系进 行对比处理，将水舌掺气过程分为2 个阶段：水舌 初始挑射阶段水舌厚度增加不明显；水舌明显掺气 阶段为整个过程后半段，是整个水舌厚度增加的主 要阶段。 本文基于S P H 方法对二维挑流水舌进行了实例 数值模拟研究，未来将拓展到对三维挑流水舌进行实 例数值模拟研究。 参考文献： 2 3 4 5 张华水电站泄洪雾化理论及其数学模型的研究 D 天津： 天津大学，2 0 0 3 张文周挑流水舌空中扩散消能研究 M 天津：天津大学， 1 9 6 4 刘宣烈，刘钧，姚仲达，等空中掺气水舌运动轨迹及射距 J 天津大学学报，1 9 8 9 ( 2 ) ：2 3 3 0 吴福生，阮仕平，冯新权龙潭沟水库溢流坝泄洪消能局部冲 刷试验研究 J 水利水运工程学报，2 0 0 4 ( 1 ) ：6 2 - 6 9 李玲，陈永灿，李永红溢洪道出口扭曲型挑坎水流的数值模 水利水电技术第4 8 卷2 0 1 7 年第4 期 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 6 7 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 尉壮岩，等三峡库区水位变幅对奉节何家坡滑坡稳定性影响分析 邓华锋，李建林库水位变化对库岸边坡变形稳定的影响机理 研究 J 水利学报，2 0 1 4 ，4 5 ( s 2 ) ：4 5 5 1 殷跃平三峡库区地下水渗透压力对滑坡稳定性影响研究 J 中国地质灾害与防治学报，2 0 0 3 ，1 4 ( 3 ) ：4 一1 1 廖红建，盛谦，高石夯，等库水位下降对滑坡体稳定性的影 响 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 ( 1 9 ) ：3 4 5 4 3 4 5 8 文宝萍，申健，谭建民水在千将坪滑坡中的作用机理 J 水文地质工程地质，2 0 0 8 ( 3 ) ：1 2 1 8 黄润秋，戚国庆非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响 J 工程地质学报，2 0 0 2 ，l O ( 4 ) ：3 4 3 3 4 8 卢书强，易庆林，易武，等三峡库区树坪滑坡变形失稳机制 分析 J 岩土力学，2 0 1 4 ，3 5 ( 4 ) ：1 1 2 3 1 1 3 0 + 1 2 0 2 张旭，谭卓英，周春梅库水位变化下滑坡渗流机制与稳定性 分析 J 岩石力学与工程学报，2 0 1 6 ，3 5 ( 4 ) ：7 1 3 7 2 3 李响，郭生练，刘攀，等三峡水库汛期水位控制运用方案研 究 J 水力发电学报，2 0 1 0 ，2 9 ( 2 ) ：1 0 2 一1 0 7 卢书强，易庆林，易武，等库水下降作用下滑坡动态变形机 理分析：以三峡库区白水河滑坡为例 J 工程地质学报， 2 0 1 4 ，2 2 ( 5 ) ：8 6 9 8 7 5 程英建，张勇，石胜伟三峡库区滑坡灾害工程防治技术体系 初探 J 兰州大学学报( 自然科学版) ，2 0 1 5 ，5 l ( 6 ) ：8 5 9 8 6 4 ( 责任编辑韩丽宇) 拟 J 水力发电学报，2 0 0 7 ，2 6 ( 2 ) ：7 9 8 2 张挺，麦栋玲高扩散低收缩差动坎高坎空中挑射水舌运动特 性 J 福州大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 8 ，3 6 ( 3 ) ：4 5 0 一4 5 4 叶茂，黄武林，伍超，等导流洞挑射水舌的模型试验及数值 模拟研究 J 水力发电学报，2 0 1 1 ，3 0 ( 4