長期降水情況下高含沙水庫滑坡穩(wěn)定性評價

余博 廣東中灝勘察設(shè)計咨詢有限公司

由于我國特殊的地理特性，大部分河流的含沙量都較高。高含沙量的河流具有其獨特的運動特性、物理特性以及沉降特性，相對于含沙量較低的河流，更容易給相關(guān)河流設(shè)施造成不利影響。在高含沙量水環(huán)境條件下建立的水庫，具有一定的潛在破壞性。受長期降水影響，河流的水位會發(fā)生變化，累積的水位升降變化是一種臺階狀的曲線形式。在長期降雨的環(huán)境中，發(fā)生水庫滑坡的不穩(wěn)定危害的頻率會更高，規(guī)模會更大，降雨季節(jié)對邊坡滑動的位移與波動的影響非常大，阻礙了水利工程的建設(shè)進程，甚至?xí)恿髦車沫h(huán)境帶來一定的災(zāi)害?；谝陨媳尘埃芯吭陂L期降水情況下，高含沙水庫滑坡的原因及穩(wěn)定性評價方法，為水庫滑坡提供預(yù)防警示，可以有效提高水庫的穩(wěn)定性與安全性，為我國水利設(shè)施的長久穩(wěn)定發(fā)展提供一種基礎(chǔ)措施。

1.高含沙河水運動特征

河流的水流運動機理與水庫的變形、滑坡有很大的關(guān)系，水庫邊坡滑動是基于進出水庫的河流水動力變化作用的。在長期降雨的情況下，河水水流的運動根據(jù)降雨強度的不同有所改變。在高含沙河流中，河水流動的連續(xù)性表達式為：

上式中，α表示水庫斷面的平均河水流量；β表示計算步長；c表示匯入水庫的河水流量。得到含泥沙河水水流的運動狀況表達式為：

河流流動的時間比尺表示為：

可以得到水庫輸沙孔的糙率比尺為：

結(jié)合上述計算，分析降雨環(huán)境下，高含沙河流水流入水庫的運動機理，為水庫滑坡的穩(wěn)定性評價提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.高含沙水庫變形特征

為研究造成水庫滑坡的相關(guān)因素，基于水庫滑坡變形情況，進行分析。在持續(xù)降雨的環(huán)境中，水庫滑坡面，其順向的土體結(jié)構(gòu)抗位移能力降低，下滑力增強，導(dǎo)致水庫坡面中的后側(cè)部分土質(zhì)結(jié)構(gòu)向前推動，造成了水庫的滑坡現(xiàn)象。導(dǎo)致高含沙水庫其根本原因是，在長期降雨環(huán)境下，雨水不斷的滲入水庫及其周圍的土體內(nèi)，造成水庫周圍土體的含水率增加，不斷地軟化土質(zhì)，使水庫基底的抗剪強度降低，直接增加水庫滑坡的風(fēng)險率。

通過水庫內(nèi)高含砂河流水的入滲程度，是導(dǎo)致進入水庫的河流水位升降情況有所變化直接原因。因此，分析水庫內(nèi)河流水位與水庫浸潤線的關(guān)系，研究水庫的變形特征。根據(jù)水庫豎直方向的土體滑動情況，分別計算水庫水位最高、水位最低時水庫的下滑力，表示為：

上式中，γ、γ分別表示河水在水庫內(nèi)浸潤線為1、2時，水庫基底滑面的下滑力；μ表示天然重量；μ'表示浮重量；μ表示飽和重量；n表示水庫的最高水位與最低水位的豎直距離；n表示浸潤線1到水庫邊坡坡頂?shù)呢Q直距離；n表示浸潤線2到浸潤線1的豎直距離；n表示最低的水庫水位到浸潤線2的豎直距離；n表示水庫基底到最低水位的豎直距離。分別計算水庫水位最高、水位最低時的抗滑能力，表示為：

上式中，λ、λ分別表示河水在水庫內(nèi)浸潤線為1、2時，水庫坡體滑面的抗滑能力；t表示水庫坡體滑面的內(nèi)摩擦角；F表示水庫坡體滑面的內(nèi)聚力；L表示水庫基底長度。由上述計算可以得出由于長期降雨導(dǎo)致水庫水位升降導(dǎo)致水庫滑動的相關(guān)關(guān)系，由此可得到水庫邊坡的下滑力的影響因素包括，水庫水位的升降，河水水流動力，水庫邊坡與基底的角度等。在這些影響因素下，造成水庫邊坡下滑力變化，帶來水庫滑坡的風(fēng)險，使水庫整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。

3.建立評價體制

為研究長期降水情況下高含沙水庫滑坡的評價體制，對主要的滑坡評價指標進行分析和提取。

根據(jù)上文所述的水庫內(nèi)河水動力對水庫的影響，結(jié)合實際的河流地質(zhì)等因素，提取高含沙水庫滑坡的穩(wěn)定性評價指標。采用層次分析法，對評價指標進行劃分，并計算權(quán)重占比，確定穩(wěn)定性評價矩陣：

上式中ω表示評價指標Z，在評價準則T中的程度系數(shù)，其取值范圍在0～1之間。

對上述矩陣進行均衡計算，設(shè)懲罰型變權(quán)系數(shù)為H，得到：

上式中，φ（z）表示狀態(tài)變權(quán)系數(shù)，根據(jù)權(quán)重系數(shù)與狀態(tài)變權(quán)系數(shù)的關(guān)系，結(jié)合穩(wěn)定性評價矩陣ω，計算得到評價結(jié)果=?，其中，?表示模糊算子。根據(jù)以上計算，得到穩(wěn)定性評價指標的量化結(jié)果，量化結(jié)果如表1所示。

表1 水庫滑坡穩(wěn)定性評價量化結(jié)果表

基于以上穩(wěn)定性評價體制，結(jié)合實際的河流水庫現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)對水庫滑坡的穩(wěn)定性評價效果，為長期降水地區(qū)有滑坡趨勢的水庫提前做出預(yù)警，降低滑坡等事故的發(fā)生。

4.試驗與檢測

4.1 試驗準備

為檢測評價體制的評價效果與準確性，針對M河流現(xiàn)狀，進行高含沙水庫滑坡穩(wěn)定性評價的模擬訓(xùn)練。M河流屬于高含沙河流，整體坡度為25°，邊坡的平均厚度約32m，河流周圍地質(zhì)大部分為巖石層。該地的年平均降水量約1254mm，以往發(fā)生多次水庫滑坡的情況，多在雨季范圍，現(xiàn)對該地區(qū)進行水庫滑坡的穩(wěn)定性評價。試驗前，對穩(wěn)定性評價指標的層次分析方法的可行性進行檢驗。

4.2 一致性檢驗

為了檢測計算穩(wěn)定性評價指標權(quán)重采用的層次分析法的可行性與適用性，基于一組河流水庫實際數(shù)據(jù)，對層次分析法計算的權(quán)重值，進行一致性驗算，驗算的表達式為：

4.3 檢測結(jié)果及分析

基于一致性檢驗合格的基礎(chǔ)上，進行穩(wěn)定性評價指標的仿真模擬試驗。分別應(yīng)用本文設(shè)計評價體制與傳統(tǒng)評價方法，對M高含沙河流的一水庫的10項評價指標進行綜合性評價，將綜合評價計算結(jié)果，與表2所示的穩(wěn)定性評價結(jié)果量化表進行比照，得到計算結(jié)果對應(yīng)的水庫滑坡穩(wěn)定情況，記錄結(jié)果與實際情況進行對比，對比結(jié)果如下圖1所示。將10項評價指標權(quán)重進行隸屬向量化，得到最終整體的河流水庫穩(wěn)定性評價結(jié)果，如表2所示。

圖1 高含沙河流水庫不同指標穩(wěn)定性評價結(jié)果對比圖

表2 水庫穩(wěn)定性評價結(jié)果

由圖1可知，對于10項穩(wěn)定性評價指標，試驗組的評價結(jié)果與實際河流水庫的現(xiàn)狀情況完全一致，而對照組的結(jié)果有5項指標與實際現(xiàn)狀不一致。結(jié)合水庫整體的穩(wěn)定性評價結(jié)果對比，試驗組評價結(jié)果與河流實際穩(wěn)定狀態(tài)相同，表明穩(wěn)定性評價正確，對照組評價結(jié)果與水庫實際穩(wěn)定狀態(tài)不一致，表明評價錯誤。由上述試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的長期降水情況下高含沙水庫滑坡穩(wěn)定性評價體制貼合實際，具有科學(xué)性與適用性，為長期降水地區(qū)有滑坡趨勢的水庫提前做出預(yù)警，降低滑坡等事故的發(fā)生。

5.結(jié)束語

水庫是河流的重要水利設(shè)施建設(shè)，在長期降水環(huán)境下，高含沙的水庫會出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊坡位移現(xiàn)象。不利于水利設(shè)施的穩(wěn)定與安全。為提高水庫的穩(wěn)定性，分析高含沙水庫邊坡變形的演化趨勢，建立高含沙水庫滑坡的穩(wěn)定性評價機制，對水庫的滑坡起到預(yù)防警示的作用，提高長期降水環(huán)境下，高含沙量水庫的穩(wěn)定性，提高我國水利工程的經(jīng)濟效益與社會效益。