宋丹青，王　豐，梅明星，劉鵬飛

水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)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(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；2.河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004； 3.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096； 4.河南大學(xué) 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(kù)蓄水使庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性變化較大，以甘肅省九甸峽庫(kù)區(qū)燕子坪(28#)滑坡為例,采用GPS對(duì)滑坡的位移進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，分析蓄水對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并采用邊坡熵的方法進(jìn)行驗(yàn)證.分析結(jié)果表明：①蓄水過程可分為3個(gè)階段，包括蓄水位0～70 m，70～100 m和100～130 m 3個(gè)階段，且每個(gè)蓄水階段對(duì)滑坡的影響程度不同.②蓄水位100～115 m與115～130 m兩個(gè)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(yàn)證蓄水與庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系是適用的，對(duì)于其他類似研究可以提供借鑒作用.

關(guān)鍵詞：水庫(kù)蓄水；庫(kù)岸滑坡；穩(wěn)定性；九甸峽水庫(kù)

0引言

水庫(kù)蓄水使地下水位和河流局部侵蝕基準(zhǔn)面抬升，造成庫(kù)區(qū)沿岸的水文地質(zhì)條件發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性也發(fā)生顯著變化[1-2].水庫(kù)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(kù)水位上升導(dǎo)致滑坡災(zāi)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(kù)由于蓄水造成了大型滑坡災(zāi)害的發(fā)生[5].因此，水庫(kù)蓄水與庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性關(guān)系密切.在國(guó)內(nèi)外，大量學(xué)者對(duì)庫(kù)水位升降影響庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的研究已取得大量?jī)?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(kù)區(qū)臨水坡穩(wěn)定性與庫(kù)水位下降之間存在的規(guī)律；張文杰等[8]模擬了庫(kù)水位變化時(shí)滑體內(nèi)的孔壓場(chǎng)；李紹軍等[9]模擬了庫(kù)水位升降條件下的滑坡變形破壞過程；賈官偉等[10]對(duì)于庫(kù)水位突降條件下庫(kù)岸滑坡失穩(wěn)模式和原因進(jìn)行了研究.筆者采用GPS對(duì)滑坡位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移研究蓄水對(duì)庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性的影響，對(duì)于類似水利工程的建設(shè)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(kù)區(qū)位于洮河中游的臨潭、卓尼縣的九甸峽峽口處，庫(kù)區(qū)面積約916 km2，為典型的河谷型水庫(kù)，總體地勢(shì)西高東低，溝壑縱橫，山勢(shì)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(zhǎng)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(jí)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(duì)庫(kù)區(qū)主壩及下游危害嚴(yán)重.

1.2滑坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

基于滑體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量的不同，將該滑坡分為Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ區(qū)4個(gè)區(qū)(圖1)，采用北極星9 600 GPS對(duì)滑坡外部變形進(jìn)行監(jiān)測(cè).根據(jù)滑坡特點(diǎn)選擇布設(shè)方案(包括19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，且依據(jù)九甸峽公司滑坡外部變形監(jiān)測(cè)報(bào)告[11]，各區(qū)的位移變化如圖2～圖5所示.

圖1　滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及分區(qū)圖

圖2?、駞^(qū)監(jiān)測(cè)位移

圖3?、?區(qū)監(jiān)測(cè)位移

2影響因素分析

庫(kù)岸滑坡與水有密切關(guān)系的約占90%，在影響庫(kù)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(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸滑坡的穩(wěn)定性的影響，主要選取庫(kù)水位和蓄水速率兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行分析.在蓄水后期(蓄水位100 m至正常蓄水位)庫(kù)區(qū)沿岸的水文地質(zhì)條件已趨于穩(wěn)定，庫(kù)岸邊坡內(nèi)的滲流場(chǎng)變化較小，正常運(yùn)營(yíng)階段的庫(kù)水位變化與蓄水后期相似，因此研究蓄水后期的庫(kù)岸滑坡的穩(wěn)定性具有重要意義.

圖4?、?區(qū)監(jiān)測(cè)位移

圖5?、髤^(qū)監(jiān)測(cè)位移

2.1庫(kù)水位變化的影響

以I區(qū)為例進(jìn)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(guān)系.蓄水位70～100 m階段，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)該滑坡的穩(wěn)定性影響很?。恍钏?0～100 m階段，蓄水對(duì)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(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一，以JC17～JC19監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化為例，研究蓄水速率對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響.根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)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(shí)，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(shí)，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(shí)，JC18及JC19變化趨勢(shì)與之相似.因此，蓄水速率對(duì)水平位移量有較大影響.

蓄水速率較小時(shí)，庫(kù)水位上升較慢，滑體內(nèi)的地下水位抬升也相對(duì)較慢，產(chǎn)生的孔隙水壓力較小；蓄水速率較大時(shí)，由于庫(kù)水位的抬升相對(duì)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(duì)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(duì)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(dǎo)致庫(kù)岸邊坡失穩(wěn).

2.3蓄水后期庫(kù)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(shí)際意義.圖6為九旬峽水庫(kù)蓄水位隨時(shí)間變化圖，圖7為Ⅱ2區(qū)水平位移量隨時(shí)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(dòng)，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(kù)水位速率改變量越小，Ⅱ2區(qū)的位移增量較大，不利于庫(kù)岸滑坡的穩(wěn)定，庫(kù)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(kù)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(kù)水位下降有利于28#滑坡的穩(wěn)定.根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)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(jì)算結(jié)果分析

3.1滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型及原理

安全熵是在關(guān)系矩陣和信息熵的基礎(chǔ)上提出的，具有關(guān)系矩陣對(duì)敏感性及信息熵對(duì)紊亂度的量化的優(yōu)點(diǎn)[13-14].當(dāng)邊坡變形無序時(shí)，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(duì)應(yīng)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(jì)算公式可從文獻(xiàn)[13]中查出.

圖6　九甸峽水庫(kù)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(jì)算蓄水位至2 130 m時(shí)的安全熵，通過其計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證蓄水對(duì)庫(kù)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(gè)主要影響該滑坡穩(wěn)定性的因素，并對(duì)7個(gè)主要影響因素進(jìn)行賦值.采用方法定量評(píng)價(jià)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(jì)算

按照安全熵模型計(jì)算出蓄水位至50 m時(shí)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(jì)算在蓄水全過程中不同蓄水位時(shí)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(gè)方向發(fā)展，已經(jīng)開始變形有序，熵值在不斷減小，這時(shí)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(dòng)，符合實(shí)際勘測(cè)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(gè)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(jì)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(jì)算結(jié)果符合前文對(duì)各區(qū)水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，這也與甘肅省水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的計(jì)算結(jié)果相吻合.

表2　不同工況滑坡穩(wěn)定性計(jì)算表

4結(jié)論

庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性由于水庫(kù)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(shì)；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(kù)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(kù)岸邊坡的穩(wěn)定.

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

參考文獻(xiàn)：

[1]PARONUZZI P,RIGO E，BOLLA A.Influence of filling-drawdown cycles of the vajont reservoir on Mt.Toc slope stability [J]. Geomorphology, 2013,191: 75-93．

[2]朱繼良，黃潤(rùn)秋.某大型水電站水文站滑坡蓄水后的穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(8):1384-1389．

[3]白俊光，呂生弟，韓建設(shè).李家峽水電站壩前水庫(kù)滑坡蓄水前后穩(wěn)定性預(yù)測(cè)[J].巖土力學(xué)，2008，29(7):1723-1731.

[4]廖秋林，李曉，李守定，等.三峽庫(kù)區(qū)千將坪滑坡的發(fā)生、地質(zhì)地貌特征、成因及滑坡判據(jù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(17):3146-3153.

[5]王蘭生.意大利瓦依昂水庫(kù)滑坡考察[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18(3):145-148

[6]王明華，晏鄂川.水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸滑坡的影響研究[J].巖土力學(xué)，2007,28(12)：2722-2725.

[7]李曉，張年學(xué)，廖秋林，等. 庫(kù)水位漲落與降雨聯(lián)合作用下滑坡地下水動(dòng)力場(chǎng)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(21)：3714-3720.

[8]張文杰，詹良通，凌道盛，等.水位升降對(duì)庫(kù)區(qū)非飽和土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006，40(8)：1365-1370

[9]李邵軍，KNAPPETT J A，馮夏庭. 庫(kù)水位升降條件下邊坡失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(8)：1586-1593.

[10]賈官偉，詹良通，陳云敏.水位驟降對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(9):1799-1803.

[11]甘肅省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院第一分院.28#滑坡外部變形監(jiān)測(cè)報(bào)告[R].蘭州：甘肅省水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院第一分院，2010.

[12]彭良泉，王釗.對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析中危險(xiǎn)水力學(xué)條件的研究[J].人民長(zhǎng)江，2003,34(5)：39-41.

[13]程?hào)|幸，劉大安.基于安全熵的邊坡穩(wěn)定性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010,18(6)：851-856.

[14]丁繼新，周圣華，陳夢(mèng)熊，等.基于多因素相互作用關(guān)系矩陣的邊坡穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)[J].工程勘察，2006(7)：5-8.

[15]HUDSON J A.Rock Engineering Systems: Theoryand，Practice [M]. Chichester: Ellis Horwood,1992.

[16]甘肅省地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察設(shè)計(jì)院.洮河九甸峽水利樞紐災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告[R].蘭州：甘肅省地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察設(shè)計(jì)院，2003.

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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401107)

作者簡(jiǎn)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(hào):1671-6833(2016)01-0060-05

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)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(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的影響[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(1)：60-64.