水库库岸边坡稳定性预测及治理研究

水库库岸边坡稳定性预测及治理研究

武罡

陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院   陕西 咸阳   712000

摘要：库水位升降将影响库岸边坡坡体内地下水位的变化，进而造成库岸边坡稳定性变化。以某水库为例，研究地下水位变化时边坡的稳定性变化机制。库水位变化过程中浸润线变化高度与距库岸边坡坡面距离成反相关; 边坡稳定性系数随库水位上升先缓慢减小随后迅速增大直至结束，边坡稳定性系数随库水位下降先急速降低随后缓慢增大直至稳定。

关键词：库岸边坡；地下水；稳定性；库水位；机制研究

引言

边坡工程是较为重要的水利工程项目，但是由于我国多地处于暴雨集中区，加之区域内边坡环境条件复杂，导致边坡灾害事故逐年增加，造成大量的人员伤亡和经济财产损失。引起边坡失稳的因素众多，如水位变化、降雨入渗、地震等作用，都极易触发边坡失稳破坏。因此，如何对复杂条件下边坡的稳定性进行合理有效地分析，是一项具有重要研究价值的工作，对目前的边坡工程设计以及施工都有着重大的现实意义。以某水库为例，研究地下水水位变化对岸坡稳定性的影响。该水库是一座以防洪为主的水库，保护着下游多个乡镇的安全。主河道长7.1km，属于武宁水支流大感桥水流域。最大坝高37.44m，总库容97.3万m3。库岸边坡水下部分宽度为140m，高度为45m，坡度范围33°～39°。库区周围斜坡覆盖层的岩土体类型主要为砂质土、黏土、粉质土和黄土。

1水位上升速率的影响

本节研究库岸边坡水位上升速率对库岸边坡稳定性的影响，分析了2种不同工况的结果。具体工况如下，初始水位为165m，结束水位为175m，水位上升速率分别为:0.5、1.0m/d。不同水位上升速率的浸润线数值结果(保持初始水位和结束水位不变)如图1所示。从图中可以看出，库岸边坡水位的上升会导致浸润线的上升，并且越靠近库岸边坡坡面浸润线抬升的越高，可见浸润线高度与距库岸边坡坡面距离成反相关，因此浸润线总体为凹型。对比图1(a)—(b)可见，库岸边坡的浸润线的上升速率与水位上升速率成正比，且随着水位上升速率的增大，库岸边坡水位与浸润线的高差更大。导致这一现象的原因是，水库水渗入库岸边坡是一个持续的过程，当上升水位高度一定时，水位上升速率越大，库水渗入库岸边坡的时长越少[1]。

图1不同水位上升速率下的浸润线

不同水位上升速率下边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线如图2所示。

图 2边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线

从图中可以看出，稳定性系数变化规律为:随着库岸边坡水位上升，边坡稳定性系数先缓慢减小随后迅速增大直至结束。这是因为水库水位上升的初期，水渗入库岸边坡导致的水浮力对边坡稳定性的增强作用小于土体含水量增大导致抗剪强度降低的不利作用，由此造成库岸边坡稳定性降低;当水库水位上升一定时间后，水渗入库岸边坡导致的水浮力对边坡稳定性的有利影响起主导作用，由此造成库岸边坡稳定性增强。对比两种不同速率的稳定性系数可看出，当上升水位的高度一定时，水位上升越快库岸边坡的最终稳定性越好。因为水位上升速率越快，边坡内部土体浸润线明显滞后于水库水位，导致指向边坡内部的动水渗透压力增大，边坡稳定性增强。

综上所述，水库在蓄水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位上升初期，应低速提升水库水位;当水位提升到某一高度后，需快速提升水位[2]。

2 库水位骤降时

由图 3可见，水库泄洪前，岸坡坡脚浸水，土体中孔隙水压力为正值；水库开始泄洪后，随库水位下降，地下水亦在降低，指定滑面上土体由饱和到非饱和，孔隙水压力由正值转变为负值。由于水库水位下降速率大，土体渗透性低，坡内地下水位下降缓慢。历时约 80 天后，地下水位才不再下降，滑面的孔隙水压力基本全部降为负值。沿指定滑面在边坡后缘，滑面中部，前缘位置分别选取节点，分析库水位骤降期间及后续剪应力与抗剪强度变化，如图 4所示：水库泄洪前，岸坡后缘、前缘、滑面中部的抗剪强度均大于剪应力值，岸坡处于极限状态；库水位下降 5 天后，各位位置抗剪强度均降低，后缘与中间部位的剪应力值变化不大，而前缘的剪应力值快速增高，较短时间内超过强度值，前缘局部土体应力屈服。而坡体内地下水位仍在降低，土体逐渐由饱和到非饱和，基质吸力开始发挥作用，土体抗剪强度持续增高；当历时共 80天后，强度值基本不再变化。

图3滑面孔隙水压力随时间变化  图4滑面不同位置应力和强度随时间的变化

3水位下降速率对坡体渗流场的影响分析

对具有代表性的组1、组2试验结果进行数据分析，其中1组分别为试验坡前水位下降速度v=0.043cm/s和v=0.039cm/s。图5为在坡前水位下降过程中，两组试验坡内浸润线随时间的变化规律图。

组1                                 组2

图5边坡稳定性系数随作用时长的变化曲线

由图5可知，在整体上，两组试验坡体内的浸润线均伴随坡前水位的下降而下降，且坡面水位要低于边坡后缘水位，存在一定的滞后现象。究其原因是由于坡体的渗流方向是由坡内指向坡面的，故而在坡体的内部形成水压力差，这种压力差不利于边坡的稳定性，当水压力差较大时易造成边坡的失稳破坏。在试验前期，浸润线变化出现的滞后现象。这是由于在坡前水位保持0.039cm/s的速度持续下降情况下，坡面与边坡后缘的水平距离逐渐增大，即坡内渗流路径增加，最后导致坡面与边坡后缘之间的水压力差同时也在不断增大，因此坡面与坡体后缘浸润线不能够保持同步。在试验后期，坡前水位保持稳定，在坡内水压力差作用下，边坡后缘水位稳定下降，水压力差也逐渐减小。在83min后，两组试验坡内所形成的水压力差基本消散

[3]。

4地下水对岩质边坡稳定性的影响

（1）斜坡岩土体结构面中存在地下水时，地下水会形成一定的静水压力。静水压力作用方向与岩土体结构面相垂直。其大小与水头高度关系密切。水头越高，水压力越大。当斜坡后缘存在裂隙时，水的入渗会形成一定的推力，促进斜坡向下滑动。

（2）水在向斜坡内部入渗过程中会形成动水压力。多个因素的综合作用控制了这个力的强弱，如流动水的体积、水容重、水力梯度等，其作用方向与水流运动方向相同。水的浮托力降低了结构面中充填物的自重压力，当水流速度较快时会携带走这些充填物。同时，长期的水流冲刷会对结构面高低不平的表面进行磨平，增加了结构面表层的光滑度，导致岩土体下滑力增大和抗滑力减小，最终造成斜坡整体稳定性变差[4]。

4结束语

水库在蓄水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位上升初期，应低速提升水库水位;当水位提升到某一高度后，需快速提升水位。水库在排水过程中为保证库岸边坡的稳定性，在水位下降初期，应以较低的速率排水;当水位下降到某一高度后，应该加快排水速度。

参考文献

[1]张均锋，孟祥跃，朱而千.水位变化引起分层边坡滑坡的实验研究[J].岩石力学与工程学报，2021（6）：2676-2680.

[2]蔡渊蛟，俞俊秋，茆丽霞.填土河堤滑坡的形成原因分析[J].水利规划与设计，2020（9）：40-42.

[3]占清华，王世梅，赵代鹏.库水位上升对含软弱夹层滑坡稳定性影响模型的试验研究［J］．长江科学学院院报，2022，33(2):86－90.

[4]纪南，吕城腾，王蓓.库水位变化对库岸稳定的影响［J］．中国煤炭地质，2021，28(10):48－52.