水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响

宋丹青，王　丰，梅明星，刘鹏飞

水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响

宋丹青1，王丰2，梅明星3，刘鹏飞4

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030；2.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475004； 3.东南大学 土木工程学院，江苏 南京 210096； 4.河南大学 黄河文明与可持续发展研究中心，河南 开封 475004)

摘要：水库蓄水使库岸边坡稳定性变化较大，以甘肃省九甸峡库区燕子坪(28#)滑坡为例,采用GPS对滑坡的位移进行定期监测，分析蓄水对库岸边坡稳定性的影响规律，并采用边坡熵的方法进行验证.分析结果表明：①蓄水过程可分为3个阶段，包括蓄水位0～70 m，70～100 m和100～130 m 3个阶段，且每个蓄水阶段对滑坡的影响程度不同.②蓄水位100～115 m与115～130 m两个蓄水范围内滑坡的稳定性受影响程度不同.③采用边坡熵的方法验证蓄水与库岸滑坡稳定性的关系是适用的，对于其他类似研究可以提供借鉴作用.

关键词：水库蓄水；库岸滑坡；稳定性；九甸峡水库

0引言

水库蓄水使地下水位和河流局部侵蚀基准面抬升，造成库区沿岸的水文地质条件发生显著变化，从而导致库岸边坡的稳定性也发生显著变化[1-2].水库蓄水初期李家峡水电站附近发生两起大型滑坡[3];湖北省秭归县千将坪因库水位上升导致滑坡灾害的发生[4];Malpasset薄拱坝在蓄水后的第5年，左坝头岩体发生失稳;Vajont水库由于蓄水造成了大型滑坡灾害的发生[5].因此，水库蓄水与库岸边坡的稳定性关系密切.在国内外，大量学者对库水位升降影响库岸边坡稳定性的研究已取得大量优秀成果.王明华等[6]分析了蓄水改变了临水边坡的安全系数和变形模式；李晓等[7]分析了库区临水坡稳定性与库水位下降之间存在的规律；张文杰等[8]模拟了库水位变化时滑体内的孔压场；李绍军等[9]模拟了库水位升降条件下的滑坡变形破坏过程；贾官伟等[10]对于库水位突降条件下库岸滑坡失稳模式和原因进行了研究.笔者采用GPS对滑坡位移进行监测，通过分析监测点的位移研究蓄水对库岸边坡的稳定性的影响，对于类似水利工程的建设具有重要借鉴意义.

1工程概况

1.1燕子坪滑坡基本概况

九甸峡库区位于洮河中游的临潭、卓尼县的九甸峡峡口处，库区面积约916 km2，为典型的河谷型水库，总体地势西高东低，沟壑纵横，山势挺拔，属西秦岭北缘山区.区内年均气温约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，滑坡平面平均宽约400 m，形态呈长舌形，分布高程2 095～2 360 m，上部以大块石为主，中部块石和土体混杂，下部以黄土类土为主.滑体基座面上覆盖有松散堆积层，厚约30～73 m，坡度局部较陡，约为30°～40°(图1)，滑体平坦蓄水水层厚度为10～35 m，埋深1～15 m.滑体前缘发育有宽约为100 m的Ⅰ级侵蚀堆积阶地，滑体表面发育两条冲沟，基座面较窄.前初始水位2 070 m，正常水位坡在蓄水过程中发生多次局部失稳，由于离主坝较近，对库区主坝及下游危害严重.

1.2滑坡现场监测

基于滑体各监测点的位移量的不同，将该滑坡分为Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ区4个区(图1)，采用北极星9 600 GPS对滑坡外部变形进行监测.根据滑坡特点选择布设方案(包括19个监测点)，且依据九甸峡公司滑坡外部变形监测报告[11]，各区的位移变化如图2～图5所示.

图1　滑坡监测点布置及分区图

图2　Ⅰ区监测位移

图3　Ⅱ1区监测位移

2影响因素分析

库岸滑坡与水有密切关系的约占90%，在影响库岸滑坡发生的众多因素中，水是最难定量研究、最活跃的因素[12].研究水库蓄水对库岸滑坡的稳定性的影响，主要选取库水位和蓄水速率两个主要影响因素进行分析.在蓄水后期(蓄水位100 m至正常蓄水位)库区沿岸的水文地质条件已趋于稳定，库岸边坡内的渗流场变化较小，正常运营阶段的库水位变化与蓄水后期相似，因此研究蓄水后期的库岸滑坡的稳定性具有重要意义.

图4　Ⅱ2区监测位移

图5　Ⅲ区监测位移

2.1库水位变化的影响

以I区为例进行数据分析，由图2和图6可知：在蓄水位0～70 m阶段，JC17～JC19最大水平位移量约为40 mm，且随着蓄水位(图2)的增加呈线性上升关系.蓄水位70～100 m阶段，各监测点的位移增量约为80 mm；蓄水位100 m至正常蓄水位阶段，位移增量约为20 mm，其余各区均有相似规律.由数据分析可知：蓄水至70 m前蓄水对该滑坡的稳定性影响很小；蓄水位70～100 m阶段，蓄水对该滑坡稳定性有较大的不利影响；蓄水位100 m后蓄水有利于该滑坡的稳定.

2.2蓄水速率的影响

蓄水速率也是影响库岸边坡稳定性的重要因素之一，以JC17～JC19监测点的位移变化为例，研究蓄水速率对滑坡稳定性的影响.根据实际监测资料[11]：JC17的水平位移增量为18 mm，水平位移变化率为0.6 mm/d；蓄水速率为0.11 m/d时，JC17水平位移增量为15 mm，水平位移变化率为0.5 mm/d；蓄水速率为0.04 m/d时，JC17水平位移增量为8 mm，水平位移变化率为0.27 mm/d；蓄水速率为0.46 m/d时，JC18及JC19变化趋势与之相似.因此，蓄水速率对水平位移量有较大影响.

蓄水速率较小时，库水位上升较慢，滑体内的地下水位抬升也相对较慢，产生的孔隙水压力较小；蓄水速率较大时，由于库水位的抬升相对滞后，产生的超孔隙水压力，削弱滑坡的稳定性.蓄水速率保持在0.35 m/d范围内，对该滑坡的变形破坏影响较小；随着蓄水速率的升降，位移量及其变化率的大小也随之升降.蓄水速率的变化对该临水边坡的稳定性有着重要影响.蓄水速率越大，越不利于该滑坡的稳定；蓄水速率变化愈大，越不利于该滑坡的稳定，容易导致库岸边坡失稳.

2.3蓄水后期库岸边坡稳定性的影响

由于Ⅱ2区水平位移量变化最大，以该区为例具有实际意义.图6为九旬峡水库蓄水位随时间变化图，图7为Ⅱ2区水平位移量随时间变化图.由图6和图7可知：2009年3月～7月，蓄水位在100～115 m内波动，其位移增量约为500 mm；7月至12月，蓄水位在115～130 m变化，其位移增量约为200 mm.在蓄水位100～115 m阶段，库水位速率改变量越小，Ⅱ2区的位移增量较大，不利于库岸滑坡的稳定，库水位升降速率建议保持在0.03 m/d内；在蓄水位115～130 m，九甸峡库水速率的变化较大，Ⅱ2区的位移增量较大，滑坡处于较为稳定状态；在蓄水位115～130 m范围内，库水位下降有利于28#滑坡的稳定.根据实际监测资料显示[11]：Ⅰ区和Ⅲ区位移很小，较为稳定；Ⅱ区的位移较大，其中Ⅱ2区最大，很可能发生局部失稳.

3边坡熵计算结果分析

3.1滑坡稳定性计算模型及原理

安全熵是在关系矩阵和信息熵的基础上提出的，具有关系矩阵对敏感性及信息熵对紊乱度的量化的优点[13-14].当边坡变形无序时，其熵值较高，安全系数较大，稳定性较好；反之边坡信息熵低，处于熵减状态.Xi为主要影响边坡稳定性的因素，其中Xi的对应影响指数为Pi,边坡信息熵为SE，量化协调值为SSE，其中Pi、SE和SSE的计算公式可从文献[13]中查出.

图6　九甸峡水库蓄水位

图7　Ⅱ2区水平位移量

采用边坡安全熵(SSE)方法，以Ⅱ1区为例，计算蓄水位至2 130 m时的安全熵，通过其计算结果与数据分析结果进行对比，验证蓄水对库岸边坡稳定性的影响规律.选取燕子坪(28#)滑坡的边坡坡度、边坡高度、地下水、岩土体性质、施工、降雨和蓄水高程7个主要影响该滑坡稳定性的因素，并对7个主要影响因素进行赋值.采用方法定量评价边坡稳定性[15].

3.2不同蓄水位条件下稳定性分析

3.2.1边坡熵计算

按照安全熵模型计算出蓄水位至50 m时的边坡熵(表1)，滑坡的变形表现为杂乱无序, 因而蓄水初期整体稳定性较好，并采用同样方法计算在蓄水全过程中不同蓄水位时的边坡熵值.图8为不同水位下各区边坡熵值.由图8可知：Ⅰ区的边坡熵值整体上表现为杂乱无序，稳定性较好，边坡熵高.Ⅱ1区在蓄水位70 m之前变形杂乱无序，较为稳定.在蓄水位70～100 m阶段，滑坡变形朝着一个方向发展，已经开始变形有序，熵值在不断减小，这时边坡安全系数较小，稳定性差；在蓄水位100～130 m阶段，边坡熵值整体上杂乱无序，稳定性较好.Ⅱ2区蓄水位70 m之前阶段，变形无序，稳定性较好.在蓄水位70～100 m阶段处于熵减状态，也即内部变形有序，稳定性较差，发生了局部滑动，符合实际勘测情况.在蓄水位100～130 m阶段，边坡熵值整体上杂乱无序，稳定性较好.在蓄水位80～100 m阶段，Ⅲ区处于熵减状态，朝着一个方向发生变形，但是位移量不大.

表1　边坡熵值及稳定性分区

图8　不同水位下各区边坡熵值

3.2.2滑坡的安全系数

采用极限平衡法计算出不同蓄水位工况下的滑坡安全系数，如表2所示[16].蓄水前28#滑坡的稳定性较好；蓄水位上升至80 m过程中，其安全系数下降约17%，发生局部失稳现象；在蓄水位80 m至正常蓄水位阶段，滑体的安全系数逐渐增加.该现象说明安全系数最小发生在蓄水位80～100 m阶段.因此，采用边坡安全熵(SSE)方法的计算结果符合前文对各区水平位移监测数据的分析结果，这也与甘肃省水电勘测设计研究院的计算结果相吻合.

表2　不同工况滑坡稳定性计算表

4结论

库岸边坡的稳定性由于水库蓄水发生了较大变化，通过分析可得到如下结论：

1)该滑坡的稳定性随着蓄水位抬升，呈现先下降后上升的趋势；在蓄水位0～70 m阶段稳定性减小，但是整体上较稳定；70～100 m阶段稳定性最差，容易发生失稳；100～130 m阶段，该滑坡稳定性增大，且逐渐趋于稳定.

2)蓄水位100～115 m库岸边坡的稳定性较差；蓄水位115～130 m范围内稳定性较好、建议蓄水完成后蓄水位保持在115～130 m范围内，有利于库岸边坡的稳定.

3)采用边坡安全熵的方法分析蓄水对库岸滑坡稳定性的影响的规律，验证了利用GPS平面位移变形监测得出的规律.除此之外，利用边坡熵的方法研究蓄水与库岸滑坡稳定性的关系是适用的，对于其他类似研究可以提供借鉴作用.

参考文献：

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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；

修订日期：2015-05-16

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41401107)

作者简介:宋丹青(1989—)，男，河南郑州人，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究，E-mail:danqingsonglzu@163.com.

文章编号:1671-6833(2016)01-0060-05

中图分类号：TP391

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503040

引用本文:宋丹青，王丰，梅明星，等.水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响[J].郑州大学学报(工学版)，2016，37(1)：60-64.