库水位原文升降条件下滑坡

1、库水位升降条件下滑坡的稳定性极小状态以三峡库区为例谭建民伏永朋常宏摘要：关键词：Lowest Stability State of Landslides Under Rising and Descending ofReservoir Water Level: A Case Study on Three Gorges AreaTAN Jian-Ming, FU Yong-Peng, CHANG Hong库岸滑坡在库水位波动情况下的稳定性，一直是滑坡研究的热点问题之一。已有的研究表明， 库岸滑坡稳定性变化的关键要素是地下水1。地下水随库水位的动态过程导致了滑坡体水压力的重 新分布，破坏原有滑动力和

2、抗滑力之间的对比状态，从而使滑坡的稳定性系数增加或减小。根据现 有统计，三峡库区在蓄水范围内的滑坡有1190余个，它们在三峡库区蓄水运行期间的稳定性评价 成为三峡库区地质灾害防治的关注点。基于库岸滑坡地下水动态的分析和计算，研究者发现在库水 位下降时滑坡的稳定性并非单调下降，而是可能在过程中出现一个稳定性系数极小的状态叫。然而， 对这个极小稳定性状态的形成及特征还缺少论述。目前，库水位下降诱发滑坡是三峡库区滑坡研究 的重点问题，而库水位上升期间滑坡稳定性的变化趋势相对不受重视。实际资料表明，滑坡破坏或 变形加速也会在库水位上升期间出现，引人注目的秭归千将坪滑坡就是三峡水库蓄水至135 m高 程

3、1个月后发生的。这说明滑坡稳定性并不仅仅在库水位下降时才发生。那么，在库水位上升和 下降都可能导致滑坡稳定性下降的情况下，滑坡稳定性的极小状态在那个阶段出现，也是一个值得 探讨的问题。1三峡库区滑坡的典型特征三峡库区的大型滑坡主要发育在深切河谷的两岸。根据前人调查，三峡库区从宜昌三斗坪到重 庆附近的长江干流两岸，体积大于100万m3的崩塌滑坡堆积体有134处7，其中有比较著名的新滩 滑坡、黄腊石滑坡、黄土坡滑坡、鸡扒子滑坡、白衣庵滑坡等。三峡库区滑坡物质以碎屑岩块和第四系松散堆积物为主，这种类型的滑坡约占总数的87%，其 中一半以上的滑坡体厚度大于10m8。滑坡体的基岩主要为侏罗系砂泥岩和三叠

4、系巴东组泥岩、泥 灰岩、粉砂岩互层岩体，局部为碳酸盐岩，发育软弱结构面形成滑动面。大型滑坡前缘高程集中分 布在6090m，115140m，170200m三个高程段上，与阶地的分布相对应凶。其中，前两个高程段 的滑坡将强烈受到水库蓄水的影响。滑坡堆积体一般渗透性较好，构成潜水含水层。滑动带渗透性很差，构成滑体含水层的相对隔 水底板。滑床基岩一般渗透性较小，但也可能发育成下部含水层，其地下水位与滑体含水层的地下 水位不一致，有相对独立性。当滑坡体结构复杂时，还有可能形成强弱透水相间的多层结构滑坡含 水层系统。长江及其支流通常是三峡库区滑坡含水层系统的排泄边界，而滑坡体后缘的基岩可以构 成隔水边界或

5、裂隙水补给边界。当滑坡呈串珠状态分布时，位置高的滑坡可能对位置低的滑坡起到 地下水补给作用。地下水接受大气降水和地表泉、沟流水的补给。库区降雨多集中在59月份，多年平均降雨量 为1439 mm，日最大降雨量可接近200 mm。这种气候特征决定了库区滑坡地下水的天然动态，即夏 季水位高而冬春季水位低，枯水季节滑体中甚至见不到地下水位。滑坡地下水的这种动态与地表水 位的季节性动态具有一致性。滑体天然地下水位坡度基本上小于地形坡度，随着滑动面倾角的增加， 地下水坡度有增大的趋势。三峡水库蓄水之后，库区涉水滑坡的排泄边界条件将发生变化。排泄区 水位抬高且比天然状态稳定，这些滑坡将长期保持一定的地下水水

6、位，多年动态相对更加平稳。由 于滑坡前缘被库水淹没，改变了滑坡体的受力状态，可诱发古滑坡复活。175m520 m(a)(c)(b)11 0 9 3 m(d)图1给出了三峡库区若干滑坡的形态特征，可以初步判断库水位升降对滑体的影响范围多在滑 坡高程段中部以下，主要集中在高程段下1/3的下部。图1三峡库区若干滑坡形态及蓄水影响范围略图(a)秭归-龙王庙滑坡地(b)黄腊石-石榴树包滑坡US; (c)新滩滑坡11; (d)赵树岭滑坡122滑坡地下水与稳定性动态模型分析库水位升降条件下的地下水动态，必需建立滑坡体含水层的地下水计算模型。而稳定性的 动态变化需要把地下水动态分析的结果输入稳定性系数的计算程

7、序。因此，本课题的研究需要借助 于2个模型：滑坡地下水运动模型和稳定性评价的极限平衡模型。文献10基于条分法建立了滑坡地 下水的数值计算模型，同时利用条分法计算滑坡稳定性系数，对地下水和稳定性的联合动态进行了 分析。本文采用这个方法对库水位升降条件下滑坡稳定性极小状态的形成过程和影响因素进行研究。 2.1模型设计本文以图1中的秭归-龙王庙滑坡为例，来建立三峡库水位升降条件下的滑坡动态模型，但目的 并不是严格评价真实滑坡的稳定性。龙王庙滑坡的基本条件在文献9中已经有说明，本文做一些补 充。该滑坡的滑体为碎屑岩块堆积体，构成潜水含水层，根据钻孔注水试验，渗透系数为0.53.7 m/d， 滑带土的渗

8、透系数为0.0010.006 m/d，可作为相对隔水层。用于模型计算的有关工程地质和水文地 质参数见表1。稳定性系数采用Sarma法计算，但是水压力考虑为渗透力和浮力，条块受力平衡用 有效应力法进行分析，因此滑体和滑动面的强度参数为对应有效应力指标的粘聚力和内摩擦角。有 关计算方法见文献12。库水位升降考虑两个时期，即蓄水期和运行期。三峡水库的实际蓄水和运行过程比较复杂，本 文的模型研究中对此进行简化。假定蓄水期滑坡前缘水位从115 m抬升到145 m，抬升速率为1.0 m/d， 即持续30 d，然后保持较长时期的稳定。运行期库水位在枯水季节来临之前从145 m抬升到175 m， 稳定150

9、d，雨季来临之前又从175 m下降到145 m，库水位升降时变化速率为2.0 m/d。因此，库水 位的主动升降变化主要发生在非雨季，此期间平均降雨强度约为2.4 mm/d，考虑入渗系数为0.5,则滑坡地下水的平均入渗补给强度为1.2 mm/d。滑坡的初始地下水位采用江水位115 m时的稳定状态 解。表1三峡库区龙王庙滑坡模型参数参数粘聚力（c，kPa）内摩擦角（。,。）滑体2822滑动面32.517.3参数饱和容重（匕,kN/m3）天然容重(Y, kN/m3)渗透系数（K, m/d）入渗补给强度（, mm/d）给水度小）滑体22220.53.71.20.082.2地下水位动态260240220

10、200180160140120100-0100高程/m时间/d(a)260-240-220-200180 160-140-120-100（a）蓄水期；（b）运行期库水位下降阶段260240220200-260240-220200-180160140-120随着库水位的升降变化，滑坡地下水发生渗流响应，地下水位面的形态随之变化。模型计算出 了滑坡地下水的这种动态。图2给出的是当含水层渗透系数为K=0.5 m/d时，蓄水期和运行期库水 位下降阶段两个过程的滑坡地下水动态。200300400500距离/m图2滑坡地下水位变化图(K=0.5 m/d)：不同时期滑坡地下水的动态具有不同的特点。当库水位上

11、升时，靠近滑坡前缘的地下水位首先 跟随抬升，而靠近后缘的地下水位由于渗流滞后作用抬升较慢，特别是滑体上部的地下水位基本上 保持不变。这样就在库水位上升的初期形成了滑坡地下水的下凹形水位面，滑体的前部地下水流动 方向与滑体潜在滑动方向正好相反，有利于滑坡的稳定。不过，这种下凹形水位面不会长期存在， 随着库水位的稳定，下凹部位的地下水得到侧向补给而使水位面逐渐抬高，地下水流动方向恢复。 当库水位下降时，滑坡前缘的地下水位首先降低，而靠近后缘部位的地下水位下降有所滞后，产生 较大的水力梯度，不利于滑坡的稳定。库水位稳定之后，地下水位面逐渐变平缓。地下水的这种滞后响应特征与滑坡含水层的渗透性有关。渗透

12、系数越小，滑坡地下水对库水位 升降的响应滞后越明显。2.3滑坡稳定性动态库岸滑坡在库水位升降条件下，滑体被淹没部分的体积将发生变化，滑体中地下水的水压力甚 至流动方向也将发生变化，这种变化必然导致滑坡稳定性的减小或降低。把前述地下水的动态模拟 结果输入到滑坡条分法稳定性评价程序，可以得到不同时间滑坡的稳定性系数。图3给出了含水层渗透系数为K=0.5 m/d和K=3.7 m/d两种情况下，滑坡在蓄水期、即库水位从 115 m以1 m/d的抬升速率增大到145 m再保持稳定期间的稳定性变化曲线。两条曲线虽然有很大的差异，但有一个共同的特点，即随着库水位抬升，稳定性系数先是增大，达到某个峰值之后又开

13、始 下降，直到下降至一个比初始值更小的稳定性系数。K=0.5 m/d时稳定性系数降低到小于初始值（1.25）的时间是60 d； K=3.7 m/d时稳定性系数降低到小于初始值（1.28）的时间是19 d。这说明 即使滑坡初期处于临界失稳状态，也不会立即由于水库蓄水而发生破坏，而可能在蓄水到某个高度 或蓄水到目标高度维持一段时间后发生。数系性定稳-123 11O3 o O 7 5 11 11 .-i金水库5022050JIo1050 o时间/d图3蓄水期滑坡稳定性变化曲线图4给出了运行期库水位在145 m175 m之间升降时的滑坡稳定性变化曲线。可以看出，库水 位从145 m抬升到175 m时滑

14、坡稳定性的变化趋势，与蓄水期库水位从115 m抬升到145 m时类似。 但是，库水位从175 m下降到145 m时，滑坡稳定性的变化特征有很大的不同：随着库水位的下降， 滑坡的稳定性系数首先迅速减小，达到某个极小值后稳定性系数又开始增大，逐渐逼近库水位维持 到145 m时的值。陪0.5 m/dK=3.7 m/d库水位4o o o7 5 33 2 1 数系性定稳岛水库5050o20250o30oit时间/d图4 运行期滑坡稳定性变化曲线3稳定性极小状态的形成与影响因素寻找滑坡稳定性极低的状态及分析该状态的发生概率，是进行滑坡地质灾害风险评价的重要任 务。上述龙王庙滑坡的模型计算结果，可以用来分析

15、在库水位升降条件下，库岸滑坡稳定性极小状 态的形成机制和影响因素，为风险评估提供科学依据。首先，根据图3所显示的结果，蓄水期滑坡存在稳定性极小状态。这个极小状态是在库水位达 到目标水位145 m之后形成的。它主要是由于滑坡的下部被淹没，受浮力作用滑动面前端的有效压 力降低，导致抗滑力减小。极小稳定性状态的形成时间和稳定性系数，与滑坡含水层的渗透系数有 关。渗透系数越小，滑坡趋于极小稳定性状态的过程越慢，极小稳定性系数也越小。其次，根据图4所显示的结果，运行期库水位下降阶段滑坡存在稳定性极小状态。这个极小状 态是在库水位恢复到正常水位145 m之前形成的。它的形成机制与滑坡地下水响应的滞后性有关

16、。 从图2（b）可看出，在库水位下降初期，滑坡前端的地下水位降低快，远离前端的地下水位降低慢， 形成了较大的顺坡向水力梯度，必然提高滑体前半部分的地下水渗透力，导致下滑力增加，稳定性 系数衰减。但是，水力梯度的增加同时会提高地下水的排泄速率，加快降低离前端较远部位的地下水位，减小滑体前半部分的地下水渗透力，导致稳定性系数产生增大的趋势。当上述两种变化趋势 达到平衡时，滑坡稳定性达到极小状态。这个稳定性极小状态的形成时间和稳定性系数，既与滑坡 含水层的渗透系数有关，又受到库水位下降速率的影响。图5给出了龙王庙滑坡模型计算的库水位 下降阶段滑坡稳定性变化曲线，从中可以看出，随着含水层渗透系数的增加

17、，稳定性极小状态越可 能在库水位恢复到145 m之前达到。对于图(a)所示库水位以1m/d下降的情况，提前时间分别是： X=0.5 m/d为0 d，K=1.5 m/d为2 d，K=3.7m/d为7 d。但是，如果库水位下降很快，如达到图(b)所 示的2 m/d，则稳定性极小状态最可能发生在库水位恢复到145 m的时刻，而且稳定性系数小于低降 速所对应的数值。稳定性极小状态的稳定性系数随着含水层渗透系数的减小而降低。这是因为渗透 系数越小，地下水的响应越具有滞后性，越能形成陡倾的水位面增大下滑力。yK=0.5 m/d-K=1.5 m/dK=3.7 m/d051015202530时间/d1.3 1

18、1. 31数系性定稳tK = 0. 5 m/dK=1. 5 m/d1K = 3. 7 m/d15时间/d(a)(b)图5运行期库水位下降阶段滑坡稳定性变化曲线：(a)水位降速1 m/d； (b)水位降速2 m/d对比蓄水期和运行期库水位下降阶段滑坡稳定性极小状态，可以发现，蓄水期的稳定性极小状 态维持时间较长，而库水位下降阶段的稳定性极小状态维持时间较短。从稳定性系数上看，库水位 下降阶段的稳定性极小状态具有更大的失稳风险。因此，就库水位升降条件来说，库水位下降阶段 是库岸滑坡最为危险的阶段。虽然滑坡含水层渗透系数对稳定性极小状态的影响比较清楚，但是含水层的给水度也是一个重 要的参数，也会对稳

19、定性极小状态构成影响。根据地下水动力学原理，给水度越小，地下水对外界 条件的变化越敏感，而给水度越大则地下水的滞后性越强。因此，稳定性极小状态的形成与渗透系 数和给水度参数的综合作用有关，考虑到这两个参数与滑体介质的孔隙性质存在比较复杂的联系， 本文不专门对此进行研究。4结论与建议根据三峡库区典型滑坡在库水位升降条件下地下水动态和滑坡稳定性动态的分析，在水库蓄水 期和运行期的库水位下降阶段，库岸堆积体滑坡都会出现稳定性极小状态。蓄水期的初期滑坡地下 水可以形成下凹水位面，增加滑坡稳定性，而库水位维持到目标水位之后滑坡稳定性下降，逐渐逼 近稳定性极小状态。运行期库水位下降阶段的初期，滑坡地下水可

20、以形成陡倾的水位面导致滑坡稳 定性快速减小、在库水位恢复到正常水位的时刻或之前达到稳定性极小状态，此后随着库水位的维 持滑坡稳定性又逐渐增大。滑坡稳定性极小状态的形成时间和稳定性系数受到含水层渗透系数等参数和库水位升降速率的 影响。渗透系数越大，当库水位开始抬升或下降时，稳定性极小状态到达的时间越短，而对应的稳 定性系数也越大。在库水位下降阶段，库水位下降速率越大，则稳定性极小状态越可能发生在库水 位恢复到正常水位的时刻，且稳定性系数也越小。相对而言，滑坡在库水位下降阶段的稳定性极小 状态比蓄水期更加具有失稳风险。根据上述结果，库岸滑坡稳定性的评价应该特别重视库水位下降阶段。而且，由于稳定性极小 状态显著的受到滑坡含水层渗透系数等水文地质参数的影响，对于库岸滑坡的工程勘察，就应该把 滑坡水文地质条件的调查放在突出的位置。另外，实际的滑坡稳定性动态不仅仅受到库水位升降的 影响，还受到降雨条件的影响，本文只讨论了库水位升降条件下的稳定性极小状态，至于库水位升 降与暴雨等气候条件的联合作用，还需要进一步的研究。参考文献朱冬林，任光明，聂德