三峡水库年周期调度内降雨模式对白水河滑坡稳定性影响研究

马云彪 张胜佳 赵想利 付玲莉

(三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

三峡库区历来是我国地质灾害高发区，其中滑坡是该区域主要的地质灾害，历史上曾发生过多次大规模滑坡[1，2]．三峡大坝蓄水以来，水库水位的变化和降雨引起了库岸边坡地下水渗流场的改变，使许多老滑坡复活并诱发了新的滑坡．许多学者对三峡库区滑坡进行了深入分析研究，并取得了丰富的成果．廉城[3]提出了一种基于误差修正EOS-ELM的滑坡位移模型，并用白水河滑坡为例验证了其有效性；吴琼[4]在库水和降雨联合作用下研究了库岸边坡的浸润线变化规律；曹阳健[5]在库水和降雨联合作用下对加卸载响应比进行了分析；易庆林[6]、卢书强[7]结合滑坡监测数据，分析了白水河滑坡的变形特征及主要影响因素；叶建华[8]、李道臣[9]又分别进行了不同工况条件下的极限平衡计算．

已有研究为白水河滑坡变形监测及稳定性预测提供了参考，但在稳定性研究中，大多将库水作用以一定的升(或降)速率来进行模拟，较少考虑在年调度周期内将库水作用按照不同变幅速率来分段研究，更鲜有在分段调度内考虑不同降雨作用的研究报道．本文在白水河滑坡已有研究的基础上，重点在对滑坡产生不利影响的调度阶段，根据各阶段内实际降雨的特点，分别分析不同的降雨开始时间及不同的降雨方式对白水河滑坡稳定性的影响．

1 白水河滑坡地质特征

在白水河滑坡位于三峡大坝上游的长江南岸，距三峡大坝约56 km，地形南高北低，呈阶梯状，属秭归县沙镇溪镇白水河村．坡顶高程450～500 m．高程180～500 m段地形坡度24°～36°；130～180 m地形较平坦，坡度5°～12°；80～130 m高程坡度27°～31°．总体前缘和后缘地形坡度较抖，中部比较平缓，属单斜顺向坡．

滑体形态总体为不规则的圈椅状，西侧以山羊沟为界，东侧以黄土包凹槽为界，后缘高程为约297 m，前缘为120～130 m.滑体长约500 m，宽约430 m，滑体平均厚度约30 m，体积550×104[10]，属深层大型土质滑坡(图1)．

1.第四系残坡积土；2.第四系崩坡堆积物；3.第四系滑坡堆积物；4.侏罗纪下统香溪组粉砂岩；5.滑坡边界；6.裂缝；7.钻孔；8.深部测斜钻孔；9.GPS监测点；10.地层分界线；11.覆盖层与基岩的分界线；12.地层产状图1 白水河滑坡平面图[7]

从钻孔揭露的地层特征来看，滑体主要物质成分为粉质黏土夹碎石，土质稍湿、可塑，未见统一连续的土层界限；滑带物质成分主要是粉质粘土夹碎石和角砾，土体密实、潮湿，呈硬塑状；滑坡下沿基岩多呈中风化-强风化状，局部滑床表面风化严重，裂隙高度发育且切割岩体，钻孔岩芯多呈破裂状[6]．

2 三峡水库年调度周期特点

从2008年开始，三峡库区水位调度进入了周期性平稳运行状态．虽然年库水位周期调度会有所差别，但综合分析年调度周期水位变化特征[6，7，9，10]，依据水位变化速率的不同，可以将三峡水库年周期调度概化为6个阶段(如图2所示)，6个阶段的具体概况为：

图2 库水位周期调度示意图

1)AB阶段：AB阶段处于一年中的1月初到6月初，库水位由175 m降至145 m左右，时间上处于一年中的枯水期，降雨稀少，并且随着月份的增加，降雨逐渐增多．

2)BC阶段：BC阶段处于一年中的6月初到7月初，库水位围绕145 m水位小幅波动，时间上处于一年中的汛期，降雨多．

3)CD阶段：CD阶段处于一年中的7月初到8月初，库水位由145 m升至162 m左右，时间上处于一年中的汛期，降雨多．

4)DE阶段：DE阶段处于一年中的8月初到8月中旬，库水位由162 m降至145 m左右，时间上处于一年中的汛期，降雨多．

5)EF阶段：EF阶段处于一年中的8月中旬到11月初，库水由145 m升至175 m左右，时间上处于一年中的枯水期，降雨较多，并且随着月份的增加，降雨逐渐减少．

6)FG阶段：FG阶段处于一年中的11月初到12月底，库水保持在175 m左右小幅波动，时间上处于一年中的枯水期，降雨稀少．

3 数值分析模型和工况

3.1 计算模型

根据滑坡勘测资料，选取白水河滑坡3-3'剖面作为计算模型(如图3所示)．计算方法为考虑基质吸力的Morgenstern-Price法．

图3 白水河滑坡数值计算模型

3.2 边界及材料参数

在边界条件设定：库水位以上坡面为降雨边界；库水位在固定水位时为定水头边界，库水位变化时为动水头边界；底部为不透水边界；初始地下水位由野外勘测资料获得．

根据试验成果，地勘报告[11]建议值以及反演分析结果，结合类似地质条件工程经验等综合分析，岩土体计算参数的选取见表1．

表1 白水河滑坡岩土体物理力学参数

3.3 计算工况

由以上年调度周期各阶段的概况特征，同时考虑到高库水位和库水上升对滑坡稳定性具有增强作用[12]．故CD、EF和FG阶段暂时不做分析，着重分析最不利阶段AB、BC和DE阶段对滑坡稳定性的影响．

结合三峡水库防洪、发电和航运需要，同时根据现场勘查、相关文献[13]及地勘报告[11]，汇总得AB阶段的平均库水位降速为0.2 m/d(实际库水位下降速率为0.2～0.4 m/d)．库水下降速率是其主要影响因素．BC阶段库水位在145 m低水位(实际库水在145 m上下小幅波动)，降雨是其主要影响因素．DE阶段平均降速为1 m/d(实际库水位下降速率为1～2 m/d)．库水下降速率和降雨是其主要影响因素．依据秭归县降雨资料统计分析，20a一遇枯水期暴雨强度为40.571 mm/d[14]，20a一遇汛期暴雨强度为142.87 mm/d[15]．

最不利阶段AB、BC和DE阶段分析的降雨模式见表2．具体的计算工况为：

1)针对不同的降雨发生时间，考虑到BC阶段仅为145 m低水位，降雨开始时间先后产生的效应相同，进而主要分析AB和DE阶段降雨开始时间先后对滑坡稳定性的影响，各自降雨强度分别选取枯水期20a一遇暴雨和汛期20a一遇暴雨．降雨持续时间分别为1 d、5 d和10 d，默认每天降雨强度保持不变．下降速率均选取相应阶段的平均下降速率．

2)针对不同降雨方式，在最不利阶段AB、BC和DE的基础上研究不同降雨方式对滑坡稳定性的影响．为了保证可比性，每种降雨方式总降雨量和降雨天数保持一致，同时仍采用20a一遇暴雨进行研究，降雨总量枯水期和汛期分别取202.855 mm(AB阶段)和714.35 mm(BC和DE阶段)，降雨天数为10 d．这样不仅可以使20a一遇暴雨成为不同降雨方式中最大降雨强度，也可以使降雨天数相关性最好[16]．

表2 库水调度年周期内各阶段概况

4 结果分析

4.1 降雨开始时间对稳定性的影响

从图4可以看出，在库水位以0.2 m/d从175 m降至145 m过程中，不同时间(对应库水位也不同)开始降雨时，滑坡稳定性系数随着降雨开始时间呈现先略微增大再震荡减小的趋势．且随着降雨天数从1 d增加到10 d时，稳定性系数在降低．

图4 AB阶段稳定性与降雨开始时间先后关系

分析其原因是因为当降雨天数相同时，不同时间开始降雨，对应的库水位不同，降雨覆盖滑体面积有所差异．降雨开始后，水分入渗进入土体，引起土体性质和滑体重量改变．同时随着库水位的下降，动水压力(渗透力)在增大[17]．库水位处于相对高水位时，降雨和低动水压力促进了滑坡稳定性；相对低水位时，降雨和高动水压力降低了滑坡的稳定性．当降雨天数不同，相同时间开始降雨时，滑体重量改变不同，滑体中饱和和非饱和土大小和分布也不同，导致稳定性不同．降雨持续时间越长，滑体重量增加越大，土体饱和区域也越多，土体抗剪强度降低，下滑力增大，滑坡稳定性降低．

从图5可以看出，在库水位以1 m/d从162 m降至145 m过程中，不同时间(对应库水位也不同)开始降雨时，滑坡稳定性系数随着降雨开始时间整体平稳，但当降雨出现在较低水位时，呈现减小趋势．且随着降雨时间从1 d增加到10 d，稳定性系数在降低．

图5 DE阶段稳定性与降雨开始时间先后关系

分析其原因，此阶段降雨量大，且库水下降速率过快，滑体指向外部的渗透压很大，不利于滑坡稳定．因此主要表现为整体稳定并在低水位时呈现减小趋势．随着降雨持续时间的增加，土体渗透系数变小，土体饱和区域增加，这种饱和特性逐渐降低了滑坡的稳定性．

从图4和图5可以得到，在20a一遇暴雨情况下，不同降雨开始时间对滑坡稳定性具有影响．总体来说，无论枯水期的AB阶段还是汛期的DE阶段，在库水下降到145 m附近时开始降雨对滑坡稳定性都是不利的．同时，每条曲线稳定性系数震荡幅度(最大稳定性系数与最小稳定性系数的差值)见表3，可以发现，随着降雨持续时间的增加，稳定性系数震荡幅度在降低．说明随着降雨持续时间的增加，降雨开始时间对滑坡稳定性的影响在降低．

表3 稳定性系数震荡幅度

4.2 降雨方式对稳定性的影响

4种降雨方式分别为递增型(a方式)、递减型(b方式)、中间大型(c方式)和中间小型(d方式)．按照枯水期和汛期两种不同降雨总量，4种降雨方式分布如图6～7所示．由3.1节得出结论：在145 m附近叠加20a一遇暴雨对滑坡稳定性最不利．同时为了方便对比，按照降雨在最后10 d进行计算，并综合考虑降雨对滑坡稳定性影响的滞后性．计算得AB、BC和DE阶段4种降雨方式下的稳定性系数见表4．

图6 枯水期降雨方式

图7 汛期降雨方式

表4 4种方式下各阶段稳定性系数

由表4可得，降雨方式的不同，对不利阶段AB、BC和DE的稳定性是具有影响的．枯水期降雨量较少，降雨方式的不同导致的稳定性系数差异很大．汛期降雨量偏多，降雨方式的不同导致的稳定性系数差异相对较小．但共同点是在b方式和e方式这种后期降雨持续增加的降雨方式，稳定性系数相对较小．更容易出现失稳可能性．对于后期降雨持续减小的降雨方式，稳定性系数相对较大．稳定性相对较好．

5 结 论

白水河滑坡为特大型滑坡，历史上发生过多次滑移，稳定性较差．三峡水库年调度周期内，分阶段考虑了不同降雨特征情况对白水河滑坡稳定性的影响，得到：

1)在库水下降的AB阶段，发生20a一遇枯水期暴雨时，滑坡稳定性系数随着降雨开始时间呈现先略微增大后震荡减小的趋势；DE阶段叠加20a一遇汛期暴雨时，滑坡稳定性系数随着降雨开始时间整体平稳，在降雨出现在较低位水时，呈现减小趋势．

2)对于库水下降的AB和DE阶段，降雨发生时间越晚，即相应库水位越低时，对于滑坡稳定性越不利，尤其对于145 m水位更为显著．同时，随着降雨天数的增加，滑坡稳定性系数震荡幅度减小，即长时间降雨会弱化降雨开始时间对滑坡稳定性的影响．

3)在AB、BC和DE阶段下，当最大降雨强度为20a一遇暴雨时，不同降雨形式下白水河滑坡稳定性系数处于较低水平(0.999～1.075)，滑坡稳定性在递增型和中间小型的持续性降雨时较低，在递减型和中间大型的持续降雨时较高．

4)当白水河滑坡发生暴雨时，应该对降雨发生在低水位时进行重点监测，对后期不断增强的持续性降雨给出特别关注．同时，两种降雨模式可为类似滑坡研究提供一些参考．