水庫蓄水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

宋丹青，王　豐，梅明星，劉鵬飛

水庫蓄水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

宋丹青1，王豐2，梅明星3，劉鵬飛4

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030；2.河南大學 生命科學學院，河南 開封 475004； 3.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096； 4.河南大學 黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心，河南 開封 475004)

摘要：水庫蓄水使庫岸邊坡穩(wěn)定性變化較大，以甘肅省九甸峽庫區(qū)燕子坪(28#)滑坡為例,采用GPS對滑坡的位移進行定期監(jiān)測，分析蓄水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并采用邊坡熵的方法進行驗證.分析結(jié)果表明：①蓄水過程可分為3個階段，包括蓄水位0～70 m，70～100 m和100～130 m 3個階段，且每個蓄水階段對滑坡的影響程度不同.②蓄水位100～115 m與115～130 m兩個蓄水范圍內(nèi)滑坡的穩(wěn)定性受影響程度不同.③采用邊坡熵的方法驗證蓄水與庫岸滑坡穩(wěn)定性的關系是適用的，對于其他類似研究可以提供借鑒作用.

關鍵詞：水庫蓄水；庫岸滑坡；穩(wěn)定性；九甸峽水庫

0引言

水庫蓄水使地下水位和河流局部侵蝕基準面抬升，造成庫區(qū)沿岸的水文地質(zhì)條件發(fā)生顯著變化，從而導致庫岸邊坡的穩(wěn)定性也發(fā)生顯著變化[1-2].水庫蓄水初期李家峽水電站附近發(fā)生兩起大型滑坡[3];湖北省秭歸縣千將坪因庫水位上升導致滑坡災害的發(fā)生[4];Malpasset薄拱壩在蓄水后的第5年，左壩頭巖體發(fā)生失穩(wěn);Vajont水庫由于蓄水造成了大型滑坡災害的發(fā)生[5].因此，水庫蓄水與庫岸邊坡的穩(wěn)定性關系密切.在國內(nèi)外，大量學者對庫水位升降影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的研究已取得大量優(yōu)秀成果.王明華等[6]分析了蓄水改變了臨水邊坡的安全系數(shù)和變形模式；李曉等[7]分析了庫區(qū)臨水坡穩(wěn)定性與庫水位下降之間存在的規(guī)律；張文杰等[8]模擬了庫水位變化時滑體內(nèi)的孔壓場；李紹軍等[9]模擬了庫水位升降條件下的滑坡變形破壞過程；賈官偉等[10]對于庫水位突降條件下庫岸滑坡失穩(wěn)模式和原因進行了研究.筆者采用GPS對滑坡位移進行監(jiān)測，通過分析監(jiān)測點的位移研究蓄水對庫岸邊坡的穩(wěn)定性的影響，對于類似水利工程的建設具有重要借鑒意義.

1工程概況

1.1燕子坪滑坡基本概況

九甸峽庫區(qū)位于洮河中游的臨潭、卓尼縣的九甸峽峽口處，庫區(qū)面積約916 km2，為典型的河谷型水庫，總體地勢西高東低，溝壑縱橫，山勢挺拔，屬西秦嶺北緣山區(qū).區(qū)內(nèi)年均氣溫約7 ℃，年均降水量588.2 mm，多集中在7～9月份.28#滑坡位于燕子坪以南，滑坡平面平均寬約400 m，形態(tài)呈長舌形，分布高程2 095～2 360 m，上部以大塊石為主，中部塊石和土體混雜，下部以黃土類土為主.滑體基座面上覆蓋有松散堆積層，厚約30～73 m，坡度局部較陡，約為30°～40°(圖1)，滑體平坦蓄水水層厚度為10～35 m，埋深1～15 m.滑體前緣發(fā)育有寬約為100 m的Ⅰ級侵蝕堆積階地，滑體表面發(fā)育兩條沖溝，基座面較窄.前初始水位2 070 m，正常水位坡在蓄水過程中發(fā)生多次局部失穩(wěn)，由于離主壩較近，對庫區(qū)主壩及下游危害嚴重.

1.2滑坡現(xiàn)場監(jiān)測

基于滑體各監(jiān)測點的位移量的不同，將該滑坡分為Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ區(qū)4個區(qū)(圖1)，采用北極星9 600 GPS對滑坡外部變形進行監(jiān)測.根據(jù)滑坡特點選擇布設方案(包括19個監(jiān)測點)，且依據(jù)九甸峽公司滑坡外部變形監(jiān)測報告[11]，各區(qū)的位移變化如圖2～圖5所示.

圖1　滑坡監(jiān)測點布置及分區(qū)圖

圖2?、駞^(qū)監(jiān)測位移

圖3?、?區(qū)監(jiān)測位移

2影響因素分析

庫岸滑坡與水有密切關系的約占90%，在影響庫岸滑坡發(fā)生的眾多因素中，水是最難定量研究、最活躍的因素[12].研究水庫蓄水對庫岸滑坡的穩(wěn)定性的影響，主要選取庫水位和蓄水速率兩個主要影響因素進行分析.在蓄水后期(蓄水位100 m至正常蓄水位)庫區(qū)沿岸的水文地質(zhì)條件已趨于穩(wěn)定，庫岸邊坡內(nèi)的滲流場變化較小，正常運營階段的庫水位變化與蓄水后期相似，因此研究蓄水后期的庫岸滑坡的穩(wěn)定性具有重要意義.

圖4?、?區(qū)監(jiān)測位移

圖5?、髤^(qū)監(jiān)測位移

2.1庫水位變化的影響

以I區(qū)為例進行數(shù)據(jù)分析，由圖2和圖6可知：在蓄水位0～70 m階段，JC17～JC19最大水平位移量約為40 mm，且隨著蓄水位(圖2)的增加呈線性上升關系.蓄水位70～100 m階段，各監(jiān)測點的位移增量約為80 mm；蓄水位100 m至正常蓄水位階段，位移增量約為20 mm，其余各區(qū)均有相似規(guī)律.由數(shù)據(jù)分析可知：蓄水至70 m前蓄水對該滑坡的穩(wěn)定性影響很??；蓄水位70～100 m階段，蓄水對該滑坡穩(wěn)定性有較大的不利影響；蓄水位100 m后蓄水有利于該滑坡的穩(wěn)定.

2.2蓄水速率的影響

蓄水速率也是影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，以JC17～JC19監(jiān)測點的位移變化為例，研究蓄水速率對滑坡穩(wěn)定性的影響.根據(jù)實際監(jiān)測資料[11]：JC17的水平位移增量為18 mm，水平位移變化率為0.6 mm/d；蓄水速率為0.11 m/d時，JC17水平位移增量為15 mm，水平位移變化率為0.5 mm/d；蓄水速率為0.04 m/d時，JC17水平位移增量為8 mm，水平位移變化率為0.27 mm/d；蓄水速率為0.46 m/d時，JC18及JC19變化趨勢與之相似.因此，蓄水速率對水平位移量有較大影響.

蓄水速率較小時，庫水位上升較慢，滑體內(nèi)的地下水位抬升也相對較慢，產(chǎn)生的孔隙水壓力較??；蓄水速率較大時，由于庫水位的抬升相對滯后，產(chǎn)生的超孔隙水壓力，削弱滑坡的穩(wěn)定性.蓄水速率保持在0.35 m/d范圍內(nèi)，對該滑坡的變形破壞影響較??；隨著蓄水速率的升降，位移量及其變化率的大小也隨之升降.蓄水速率的變化對該臨水邊坡的穩(wěn)定性有著重要影響.蓄水速率越大，越不利于該滑坡的穩(wěn)定；蓄水速率變化愈大，越不利于該滑坡的穩(wěn)定，容易導致庫岸邊坡失穩(wěn).

2.3蓄水后期庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響

由于Ⅱ2區(qū)水平位移量變化最大，以該區(qū)為例具有實際意義.圖6為九旬峽水庫蓄水位隨時間變化圖，圖7為Ⅱ2區(qū)水平位移量隨時間變化圖.由圖6和圖7可知：2009年3月～7月，蓄水位在100～115 m內(nèi)波動，其位移增量約為500 mm；7月至12月，蓄水位在115～130 m變化，其位移增量約為200 mm.在蓄水位100～115 m階段，庫水位速率改變量越小，Ⅱ2區(qū)的位移增量較大，不利于庫岸滑坡的穩(wěn)定，庫水位升降速率建議保持在0.03 m/d內(nèi)；在蓄水位115～130 m，九甸峽庫水速率的變化較大，Ⅱ2區(qū)的位移增量較大，滑坡處于較為穩(wěn)定狀態(tài)；在蓄水位115～130 m范圍內(nèi)，庫水位下降有利于28#滑坡的穩(wěn)定.根據(jù)實際監(jiān)測資料顯示[11]：Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)位移很小，較為穩(wěn)定；Ⅱ區(qū)的位移較大，其中Ⅱ2區(qū)最大，很可能發(fā)生局部失穩(wěn).

3邊坡熵計算結(jié)果分析

3.1滑坡穩(wěn)定性計算模型及原理

安全熵是在關系矩陣和信息熵的基礎上提出的，具有關系矩陣對敏感性及信息熵對紊亂度的量化的優(yōu)點[13-14].當邊坡變形無序時，其熵值較高，安全系數(shù)較大，穩(wěn)定性較好；反之邊坡信息熵低，處于熵減狀態(tài).Xi為主要影響邊坡穩(wěn)定性的因素，其中Xi的對應影響指數(shù)為Pi,邊坡信息熵為SE，量化協(xié)調(diào)值為SSE，其中Pi、SE和SSE的計算公式可從文獻[13]中查出.

圖6　九甸峽水庫蓄水位

圖7?、?區(qū)水平位移量

采用邊坡安全熵(SSE)方法，以Ⅱ1區(qū)為例，計算蓄水位至2 130 m時的安全熵，通過其計算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行對比，驗證蓄水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律.選取燕子坪(28#)滑坡的邊坡坡度、邊坡高度、地下水、巖土體性質(zhì)、施工、降雨和蓄水高程7個主要影響該滑坡穩(wěn)定性的因素，并對7個主要影響因素進行賦值.采用方法定量評價邊坡穩(wěn)定性[15].

3.2不同蓄水位條件下穩(wěn)定性分析

3.2.1邊坡熵計算

按照安全熵模型計算出蓄水位至50 m時的邊坡熵(表1)，滑坡的變形表現(xiàn)為雜亂無序, 因而蓄水初期整體穩(wěn)定性較好，并采用同樣方法計算在蓄水全過程中不同蓄水位時的邊坡熵值.圖8為不同水位下各區(qū)邊坡熵值.由圖8可知：Ⅰ區(qū)的邊坡熵值整體上表現(xiàn)為雜亂無序，穩(wěn)定性較好，邊坡熵高.Ⅱ1區(qū)在蓄水位70 m之前變形雜亂無序，較為穩(wěn)定.在蓄水位70～100 m階段，滑坡變形朝著一個方向發(fā)展，已經(jīng)開始變形有序，熵值在不斷減小，這時邊坡安全系數(shù)較小，穩(wěn)定性差；在蓄水位100～130 m階段，邊坡熵值整體上雜亂無序，穩(wěn)定性較好.Ⅱ2區(qū)蓄水位70 m之前階段，變形無序，穩(wěn)定性較好.在蓄水位70～100 m階段處于熵減狀態(tài)，也即內(nèi)部變形有序，穩(wěn)定性較差，發(fā)生了局部滑動，符合實際勘測情況.在蓄水位100～130 m階段，邊坡熵值整體上雜亂無序，穩(wěn)定性較好.在蓄水位80～100 m階段，Ⅲ區(qū)處于熵減狀態(tài)，朝著一個方向發(fā)生變形，但是位移量不大.

表1　邊坡熵值及穩(wěn)定性分區(qū)

圖8　不同水位下各區(qū)邊坡熵值

3.2.2滑坡的安全系數(shù)

采用極限平衡法計算出不同蓄水位工況下的滑坡安全系數(shù)，如表2所示[16].蓄水前28#滑坡的穩(wěn)定性較好；蓄水位上升至80 m過程中，其安全系數(shù)下降約17%，發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象；在蓄水位80 m至正常蓄水位階段，滑體的安全系數(shù)逐漸增加.該現(xiàn)象說明安全系數(shù)最小發(fā)生在蓄水位80～100 m階段.因此，采用邊坡安全熵(SSE)方法的計算結(jié)果符合前文對各區(qū)水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，這也與甘肅省水電勘測設計研究院的計算結(jié)果相吻合.

表2　不同工況滑坡穩(wěn)定性計算表

4結(jié)論

庫岸邊坡的穩(wěn)定性由于水庫蓄水發(fā)生了較大變化，通過分析可得到如下結(jié)論：

1)該滑坡的穩(wěn)定性隨著蓄水位抬升，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；在蓄水位0～70 m階段穩(wěn)定性減小，但是整體上較穩(wěn)定；70～100 m階段穩(wěn)定性最差，容易發(fā)生失穩(wěn)；100～130 m階段，該滑坡穩(wěn)定性增大，且逐漸趨于穩(wěn)定.

2)蓄水位100～115 m庫岸邊坡的穩(wěn)定性較差；蓄水位115～130 m范圍內(nèi)穩(wěn)定性較好、建議蓄水完成后蓄水位保持在115～130 m范圍內(nèi)，有利于庫岸邊坡的穩(wěn)定.

3)采用邊坡安全熵的方法分析蓄水對庫岸滑坡穩(wěn)定性的影響的規(guī)律，驗證了利用GPS平面位移變形監(jiān)測得出的規(guī)律.除此之外，利用邊坡熵的方法研究蓄水與庫岸滑坡穩(wěn)定性的關系是適用的，對于其他類似研究可以提供借鑒作用.

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Study on Influence of Water Impounding on Reservoir Landslide

SONG Danqing1， WANG Feng2， MEI Mingxing3， LIU Pengfei4

(1.School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China; 2.School of Life Science, Henan University, Kaifeng 475004, China; 3.School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096, China; 4.The Yellow River Civilization and the Sustainable Development of Henan University Research Center, Henan University, Kaifeng 475004, China)

Abstract:The landslide stability is affected by the reservoir impoundment in a large degree, taking an example of Yanziping(28#)Landslide of Jiudianxia reservoir in Gansu province. The landslide displacement was monitored by using GPS regularly for analyzing the law of the landslide stability affected by the the impoundment, and the law is validated by using the method of slope entropy. The results show that: (1) the process of impoundment can be divided into three stages including the 0～1/2, 1/2 to 3/4 and 3/4 above the stage of the storage level,which is affected to different influence degrees; (2) the landslide stability is affected at different levels between the range of water levelⅠ(100 m～115 m) and Ⅱ(115 m～130 m) in different degree; (3) it is suitable that the relationship between impoundment and the stability of reservoir bank landslide is validated by using the method of slope entropy with being provided by other similar studies.

Key words:water impounding; reservoir bank landslide; stability; Jiudianxia reservoir

收稿日期:2015-03-11；

修訂日期：2015-05-16

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41401107)

作者簡介:宋丹青(1989—)，男，河南鄭州人，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究，E-mail:danqingsonglzu@163.com.

文章編號:1671-6833(2016)01-0060-05

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503040

引用本文:宋丹青，王豐，梅明星，等.水庫蓄水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響[J].鄭州大學學報(工學版)，2016，37(1)：60-64.