骤变水位对库岸边坡稳定性的影响分析

李秀萍1边盛凤2

摘要：抽水蓄能电站与常规水电站有所不同，其运行期间库水位具有骤升骤降的特点，对骤变水位库岸边坡稳定性展开研究具有一定的实际意义。本文借助Rocscience_Slide边坡有限元分析软件分别从库水位升降、库水位下降速率、库岸边坡渗透性三个方面对抽水蓄能电站库岸稳定性进行研究，主要得以下成果：库水位下降容易诱发滑坡，且水位下降越快，库岸边坡的稳定性越差；从总体趋势上来看，库水位升高是有利于库岸边坡稳定的，但在水位上升过程中，岸坡局部会发生失稳；库水位下降诱发库岸滑坡的主要原因是库岸地下水位与库水位形成水位落差，滑体受到向下渗流力的作用，导致滑体下滑力大于抗滑力而失稳，库岸边坡失稳范围主要分布在库岸地下水位与库水位之间部分，因此对库岸边坡治理时应重点关注该部分岸坡；库岸边坡渗透性越差，库水位下降时边坡越容易失稳，改善此类边坡的排水功能将有效提高岸坡的稳定性。

关键词：库岸边坡稳定性分析；库水位；有限元渗流分析；抽水蓄能电站等。

0引言

为排除西南某省抽水蓄能电站下水库左岸边坡失稳的风险，需对该水库库岸边坡稳定进行分析。与常规水电站不同，抽水蓄能电站库水位具有水位变化范围大、骤升骤降的特点，这也导致库岸边坡更容易失稳。许多学者已对常规水电站库岸边坡稳定性做了大量研究，郭志华等[1]采用计算程序对库岸边坡进行模拟得到库水位下降速率越大，越容易发生深层滑坡，其次边坡的渗透系数越大，边坡越稳定。廖红建等[2]研究发现当滑体材料相同时，库水位下降速率越大，库岸边坡的安全系数越小，该结论与文献[1]一致。柳群义等[3]提出水位升降时边坡的饱和渗透系数越大，边坡地下水位线越低、越平缓，越有利于边坡稳定。关于库水位变化对库岸边坡稳定性的影响，学者们更侧重于研究库水位下降这种工况，而对库水位上升这种工况确少有研究，宋丹青等[4]利用geo-slope软件分

析了库水位上升和下降对库岸边坡稳定性的影响，结果发现库水位上升和下降都会导致滑坡，当库水位上升速率相同时，不同渗透级别边坡的安全系数变化规律相似，都随库水位升高呈先减小后趋于稳定的变化，且相同条件下渗透系数越大，滑体的安全系数越小。当库水位下降时，滑坡体内地下水位下降滞后于库水位，滑体在超孔隙水压力及动水压力的作用下更容易失稳。张夏冉等[5]采用Geo-Studio对不同渗透系数下边坡稳定性变化规律进行了研究，结果表明边坡渗透系数越大越有利于边坡稳定。刘艺梁等[6]采用Geo-Studio研究了库岸边坡在不同渗透系数和不同库水位下降速率条件下的变形滞后规律，分析表明库水位下降速率越大，滑体地下水位下降滞后越明显；滑体渗透系数越大，滑体地下水位下降越快。

1 库岸边坡工程概况

1.1  库岸边坡地质条件

该抽水蓄能电站下水库置于“V”形谷内，库区地形地貌如图1所示。库区右岸正常蓄水位线附近多见基岩出露，岩层产状总体稳定，岩层走向与河流斜交，为逆向岸坡，岸坡地形坡度多在40°～50°之间，坡脚部位地形多近直立，岸坡坡体多为强～弱风化粉砂岩、砂岩夹泥质粉砂岩，岸坡稳定性较好。库区左岸岸坡下陡上缓，正常蓄水位线附近地形坡度较大，地表覆盖层为坡崩积层碎石土混块石、孤石，厚度在11.8m～18.04m之间，最大厚度约23.25m，结构松散～中密，水库蓄水后岸坡将会产生坍塌，本次研究对象为库区左岸。

图1 下库区地形地貌图

1.2  库水位变化特点

抽水蓄能电站与常规水电站有所不同，抽水蓄能电站运行期间库水位具有骤升骤降的特点，该抽水蓄能电站设计连续发满小时数6h，正常蓄水位与死水位高程落差30m，平均每小时水位变化5m。

2  边坡计算模型

2.1边坡渗流假设条件

以库水位为界，假设库水位以下滑体处于饱和状态，库水位以上滑体处于非饱和状态。在抽水蓄能电站运行期间，库水位处于升降交替状态。饱和与非饱和渗流控制方程为：

  （1）

            （2）

边界条件：

            （3）

流量边界：

            （4）

式中，为水头；、分别为水平方向和垂直方向的饱和渗透系数；为体积含水量；为时间；为水的容重；为体积含水量；为基质吸力；为渗透系数；为边界流量；为水头分布规律已知的边界。

2.2建立边坡模型

本文采用Rocscience_Slide软件渗流有限元分析模块对库岸边坡进行模拟。选取左岸边坡一剖面进行分析，边坡地质情况如图2所示。

图2库岸边坡地质示意图

冲洪积层覆于沟底，对库岸边坡稳定性没影响。库岸边坡的覆盖层为深厚的坡崩积层，厚度在11.8m～18.04m之间，最大厚度约23.25m，根据坡崩积层中孤石、块石、碎石的占比，将坡崩积层由上到下划分为了三层，分别是：第①层，粉质粘土夹碎石、块石；第②层，碎石土混块石、孤石；第③层，孤石、块石夹粉质粘土。其中，第①层岩石占比最少，粉质粘土占比最多，第③层岩石占比最多，粉质粘土占比最少，第②层居中。根据勘探资料显示第③层含孤石块石较多，局部存在架空现象，因此渗透系数较大，第②层渗透系数次之，第①层渗透系数最小。通过试验得到的各岩土层的物理力学参数如表1所示。

表1  岩土体物理力学参数表

名称	重度 （KN/m3）	内摩擦角（°）	粘聚力(KN)	渗透系数K (m/h)
冲洪积层	21	23.5	3.5	0.12
坡崩积①层	21	20	18	0.0036
坡崩积②层	21	27	17	0.038
坡崩积③层	22	31	16.7	0.15

抽水蓄能电站连续发满时长为6小时，电站运行期间下水库库水位在高程1936m至1966m之间变化，以每小半时平均变化水位2.5m作为建模工况,共生成12各分析步。

3 水位升降对边坡稳定性的影响

3.1水位骤将对边坡稳定性的影响分析

如图3.（a）所示，初始状态下滑体中的水位梯度为0，地下水渗透力对滑体的影响可忽略不计，边坡稳定性系数k=1.042，边坡处于稳定状态，此时影响边坡稳定性的因素主要是滑体自身的下滑力以及地下水对滑体的软化作用。如图3.（b）所示，当t=0.5h时，库水位下降了2.5m，此时滑体内部存在沿滑面向下的水力梯度，滑体在地下水渗流力及自重的作用下开始下滑，随后在库水位下降的过程中，边坡稳定性系数均小于1，边坡处于失稳状态。

 （a）初始状态边坡水力梯度及安全系数

   （b）0.5h时坡水力梯度及安全系数 

（c）3h时坡水力梯度及安全系数 

（c）6h时坡水力梯度及安全系数 

图3.水位骤降时边坡水力梯度云图

通过图3.（b）~(c)，不难发现，库岸边坡容易发生失稳的部位主要分布在库岸地下水位与库水位落差范围内，因此滑体内的沿滑面向下的水力梯度是造成库岸边坡失稳的重要因素。当滑体受到向下的渗流力时，滑体的受到的下滑力增大，而抗滑力不变或减小，因此导致了滑坡的发生。

图4.库水位下降与库岸边坡稳定性关系图

边坡稳定性系数随库水位下降的变化关系如图4所示，从图中可知库岸边坡的稳定性与库水位下降呈正相关，库水位下降越大，边坡的稳定性越差。

3.2水位骤升对边坡稳定性的影响分析

如图5所示，随着库水位的上升，边坡稳定性系数先减小后又反增，最终趋于稳定。

（a）初始状态边坡水力梯度及安全系数

（b）3h时坡水力梯度及安全系数

（c）3.5h时坡水力梯度及安全系数

 

（d）6h时坡水力梯度及安全系数

图5.水位骤降时边坡水力梯度云图

出现上述现象的原因是，库水位在骤升的过程中，库水位高于库岸地下水位，此时滑体受到方向指向坡体内部的渗流力，从而滑体作用在滑面上的法向力增加，由强度理论不难得出此时滑体受到的抗滑力增大，边坡的稳定性增强。在库水位上升的过程中，地下水又会软化坡脚，因此导致边坡局部失稳，但从总的趋势上来看，库水位升高是有利于库岸边坡稳定的，边坡稳定性系数随库水位上升的变化关系如图6所示。

图6.库水位上升与库岸边坡稳定性关系图

3.3水位下降速率对边坡稳定性的影响

为了研究库水位下降速率对库岸边坡稳定性的影响，保持计算模型其他条件不变，只改变库水位的下降速率，分别建立了每小时库水位下降2.5m、5m、10m三种工况，最后得到不同水位下降速率下，相同下降水位时边坡的稳定性系数分布图，如图7所示。

图7.库水位下降速率与库岸边坡稳定性关系图

模型计算结果表明，不同库水位下降速率下，边坡稳定性系数随水位下降的变化趋势相同，均为水位下降幅度越大，边坡的稳定性系数越小，最后趋于稳定。其次，水位下降速率与边坡稳定性系数具有明显的正相关系，水位下降的越快，边坡稳定性越差。因为库水位下降速率决定了单位时间内库水位与库岸边坡地下水位间的落差，也反映了单位时间滑体所受渗流力的大小。

3.4渗透系数对边坡稳定性的影响

通过以上算例发现库岸边坡失稳主要发生在渗透系数较小的坡崩积①、②层中，于是本文将只改库岸边坡第①、第②岩土体的渗透系数，从而研究渗透系数对边坡稳定性的影响，为了方便分析，现将对第①、②层岩土体设置统一的渗透系数，而其他岩土体物理力学参数保存不变。为了让计算结果具有参考，本次计算以第③层岩土体的渗透系数k=0.15m/h为基准，依次减小两个数量级，即第①、②层岩土体渗透系数分别取k1=0.15m/h、k2=0.015m/h以及k3=0.0015m/h。库岸边坡透水性与边坡稳定性系数的关系如图8所示。

图8.渗透系数与库岸边坡稳定性关系图

从图8可看出，相同条件下岸坡滑体渗透系数越小，边坡越容易失稳。当滑体渗透性较差时，库水位下降后，滑体内部地下水排出较慢，滑体受到的下滑力增大，加上地下水对滑动面强度的削弱作用，使得透水性差的库岸边坡更容易失稳。因此，工程实践中改善此类库岸的排水功能，能明显提高边坡的稳定性。

4  结论

通过本文研究主要得到以下结论：

1. 库水位下降容易诱发滑坡，且水位下降越快，库岸边坡的稳定性越差
2. 从总体趋势上来看，库水位升高是有利于库岸边坡稳定的，但在水位上升过程中，岸坡局部会发生失稳。
3. 库水位下降诱发库岸滑坡的主要原因是库岸地下水位与库水位形成水位落差，滑体受到向下渗流力的作用，导致滑体下滑力大于抗滑力而失稳，库岸边坡失稳范围主要分布在库岸地下水位与库水位之间部分，因此应重点关注该部分岸坡的支护；
4. 库岸边坡的渗透性越差，库水位下降过程中边坡越容易失稳；针对此类边坡，加强排水措施能显著提升边坡的稳定性。

5参考文献

[1]郭志华,周创兵,盛谦等.库水位变化对边坡稳定性的影响[J].岩土力学,2005,26(S2):29-32.DOI:10.16285/j.rsm.2005.s2.029.

[2]廖红建,高石夯,盛谦等.渗透系数与库水位变化对边坡稳定性的影响[J].西安交通大学学报,2006,(01):88-92.

[3]柳群义,朱自强,何现启等.水位涨落对库岸滑坡孔隙水压力影响的非饱和渗流分析[C]//中国水利学会岩土力学专业委员会.第二届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集（一）.中南大学信息物理工程学院;中南大学资源与安全工程学院;中国水电工程顾问集团公司中南勘测设计研究院;,2008:5.

[4]宋丹青,宋宏权.库水位升降作用下库岸滑坡稳定性研究[J].东北大学学报(自然科学版),2017,38(05):735-739.

[5]张夏冉,殷坤龙,夏辉等.渗透系数与库水位升降对下坪滑坡稳定性的影响研究[J].工程地质学报,2017,25(02):488-495.DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2017.02.028.