蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究.pdf

水利水电技术第47卷2016年第9期蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究宋丹青1，王志强2(1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030；2．水利部水利水电规划设计总院，北京100081)摘要：以九甸峡库区燕子坪滑坡为例，采用GPS对滑坡外部进行变形监测的方法确定滑坡的变形特征。结合库水位变化及降雨等影响因素，定量研究蓄水条件下库岸滑坡的水力触发因素及形成机制，并采用极限平衡法对分析规律进行验证。结果表明：(1)库岸滑坡的变形破坏是一个蠕变破坏过程，主要因素是较大蓄水速率的加剧条件下短时间发生的，次要因素是强降雨；(2)燕子坪滑坡主要是由于库水位上升和开挖公路的共同作用导致了滑坡体中部及前缘牵引后部滑坡体滑动。关键词：水库蓄水；库岸滑坡；形成机制；监测doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2016．09．020中图分类号：TU432文献标识码：A文章编号：1000．0860(2016)09．0101．06StudyonformationmechanismofreservoirbanklandslideunderimpoundmentconditionSONGDanqin91，WANGZhiqian92(1．SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivilEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，ShaIlg,hai200030，China；2．GeneralInstituteofWaterResourcesandHydropowerPlanningandDesign，MinistryofWaterResources，Beijing100081，China)Abstract：BytakingYanzipingLandslidewithintheareaofJiudianxiaReservoir船anactualcase．thecharacteristicsofthede-formationofthelandslideisdeterminedwiththemethodthatmonitoringthedeformationoftheoutsideofthelandslidebyGPS．Combinedwiththefactorsofreservoirwaterlevelchange，rainfall，etc．，thehydraulictriggeringfactorsandtheirformationmechanismsofthereservoirbanklandslideunderimpoundmentconditionarequantitativelystudied，andthentheanalyzedlawisverifiedwiththelimitequilibriummethod．Theresultshowsthat：(1)thedeformationdamageofthereservoirbanklandslideisacreepingdamageprocess．forwhichthemainfactoristhatalargerimpoundingrateisintensifiedinashortperiodandthesec-ondaryfactorisjusttherainfall．(2)YanzipingLandslideismainlyinducedbythatthereal"partofthelandslidebodyispulledtoslidebythecentralpartandtheleadingedgeofthelandslidebodyduetothecommoneffectfromthereservoirwaterlevelriseandtheexcavtionofahighwaytherein．Keywords：reservoirimpoundment；reservoirbanklandslide；formationmechanism；displacementmonitoring研究蓄水条件下库岸边坡失稳问题已成为一项亟待解决的课题【1。2J。涂国祥等∞1采用有限元研究了库水位变化时的滑体内的渗流场的变化特征；陈晓平等H1采用离心模型试验的方法研究了库水位变化引发的滑坡；唐晓松等∞1采用数值模拟手段研究了库水位变化对库岸边坡稳定性的影响；Zhou等Mo先后基于现场灌溉试验研究了黄土边坡失稳要素。目前，采用滑坡表面位移监测数据分析其运动模式已成为观察其滑动模式、评估其稳定性和研究水力触发因素的重要途径¨书J。采用GPS对九甸峡库区燕子坪滑坡进行位移监测，通过分析滑坡的位移变化规律，对其成因机制及复活机理进行研究。1滑坡特征和监测布置1．1燕子坪滑坡基本特征燕子坪滑坡位于燕子坪以南，滑坡平面平均宽约400m，形态呈长舌形，分布高程2095．00—2360．00收稿日期：2015—05—27基金项目：国家自然科学基金项目(41401107)；国家重点基础研究发展计划“973”计划(2014CB744701)。作者简介：宋丹青(1989一)，男。博士研究生。 宋丹青，等∥蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究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(见图1)。滑体基座面上覆盖有松散堆积层，厚约30—73m，坡度局部较陡，约为300～400，地下水含水层厚度10—35m，埋深1～15m。蓄水初始水位2070m，正常蓄水位2200m，滑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。080160240320400480560640x|mE羽砂岩区]滑面圈块石碎石土[虱监测点田测点钻井回倾斜计目圈页岩图1燕子坪滑坡剖面(单位：m)1．2燕子坪滑坡监测布置自1999年至2003年，九甸峡公司对燕子坪滑坡进行了为期50个月的滑坡位移监测旧J。为了保障九甸峡水利枢纽的顺利建成，于2006年12月1日恢复了对滑坡的监测工作。燕子坪滑坡的监测网布设方案如图2所示，滑坡主滑区域内有lO个监测点，监测装置采用北极星9600型GPS监测点水平及垂直方向误差分别为5mIn±1．0ppm和10．0mm±2．0ppm。收集数据的频率为5Hz。2监测位移数据及影响因素分析2．1滑坡破坏特征根据实际监测资料【93计算出蓄水过程中滑坡的位移(见图3和图4)，由图2可知，滑坡在蓄水过程中存在主滑动区域(MDZ)和快速滑动区域(FMZ)，其中MDZ包含FMZ(G1～G3、G5一G7)。由于滑体滑动时FMZ最为明显，因此选择此6个监测点作为研究对象具有代表意义。基于九甸峡水库蓄水实际情况，将蓄水分为3个阶段：蓄水初期(0～70m)，蓄水中期(70～100102图2MDZ滑坡监测点布置m)，蓄水后期(100～130m)。由表1可知，最大水平及垂直位移速率分别为1．45mm／d和一0．74mm／d；蓄水中期最大水平和垂直位移速率分别为5．11mm／d和一2．46mm／d，蓄水后期最大水平和垂直位移速率分别为3．05mm／d和一1．34mm／d，滑坡的监测位移在不同蓄水阶段表现出不同的变化趋势，整体上表现为较小一较大一较小的变化趋势，其中蓄水第2阶段为库岸滑坡最不稳定性阶段。由图3一图6可知，蓄水初期约占整个蓄水过程的一半，但是滑坡的水平与垂直位移相对中期及后期的位移增量很小，滑体在蓄水初期在库水位的作用下发生慢速变形。滑体在蓄水中期及后期的变形破坏，表现为较大蓄水速率变化时的快速变形破坏(FM)，FM均发生在各阶段的初期；但是，在中期和时间／年一月一日图3滑坡监测点水平位移水利水电技术第47卷2016年第9期Ⅲ抛瑚m∞grH 时间／年一月一日图4滑坡监测点垂直位移图5水库蓄水速率曲线．入?八／，一^＼．／“|一第1阶段．，一第3阶段一一第2阶段一●’Jh寸卜oN—o∞卜ot"qNg寻b穹导卜8gNt"q卜o。。o—o卜o。oN—o卜。。o水利水电技术第47卷2016年第9期图6∞口oN—o。。西ot"qNo口o寸o⑦小ot"q8Sg∞oNSgo宋丹青，等∥蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究后期的大部分时间仍表现为慢速的变形特征。因此，燕子坪滑坡在时间上具有长时间的慢速破坏及短时间的快速变形破坏特征，在空间上具有局部失稳的特征。2．2水力触发因素由图2一图6可知，滑坡存在一个快速移动阶段(FM)，FM位于蓄水中期的开始阶段。由图5及图8可知，该阶段蓄水速率及降雨量均较大，因此快速移动阶段是由于较大蓄水速率和降雨量的共同作用下产生的。在蓄水后期(100—130m)蓄水速率较小，均未超过0．15mm／d，蓄水后期降雨量较大，但是滑体监测位移相对较小，处于相对稳定状态，降雨对滑坡的稳定性影响较小。由此可知，蓄水条件下库岸滑坡的变形破坏的水利触发因素为较大蓄水速率和强降雨，其中蓄水速率是主要加剧因素，强降雨是次要因素。2．3蠕变破坏由图3一图5可知，滑坡位移速率在蓄水中期急剧增加，蓄水速率是蓄水初期的数倍，滑坡位移的急剧增加也在这个阶段，在蓄水中期蓄水速率是滑坡发生的主要加剧因素，直接导致了库岸滑坡的产生。由此可见，滑坡在不同蓄水阶段的滑动速率有很大差别，蓄水初期最小，蓄水中期最大；蓄水速率对库岸滑坡的产生具有重要影响。燕子坪滑坡的失稳是经历蓄水初期长时间的蠕变破坏，并且由于蓄水速率的急剧增加，加剧了库岸滑坡的发生。由图3一图6可知，若蓄水过程中将蓄水速率控制在O．25m／d以内，库岸边坡的破坏将经历长时间的蠕变破坏而不会发生快速滑动。因此，蓄水条件下库岸103。。．。磊蕊，蛾∞o-∞o-∞00N丹划∞。-9。-8。。N年位／水∞。喜-80。N恫誊 宋丹青，等∥蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究表1蓄水过程中FMZ内监测点位移变化mm／d蓄水深度各监测点位移变化／m方向G192G3G5G9水平0．461．171．451．330．780_70垂直—0．35一O．29—0．74一O．35—0．31水平1．293．454．854．554．1270一100垂直—1．08一1．0l—2．46—1．29—1．36水平0．652．322．693．052．651∞一130垂直—0．49—0．69一1．34—1．14一O．88滑坡的变形破坏是长时间的蠕变破坏的结果，蓄水速率是蓄水中期的主要加剧因素，降雨是次要因素，蓄水过程中控制蓄水速率对库岸边坡稳定性具有重要影响。3滑坡形成机制分析燕子坪滑坡的滑动机制包括内因和外因作用，其中内因包括滑坡的地形和存在老滑坡的地质背景，外因包括库水位上升、边坡开挖扰动、降雨影响和牵引式破坏。3．1内因作用从地质构成来看，燕子坪滑坡为老滑坡体，有明显的上下层结构。上部以大石块为主，下层以黄土类土为主，中间为滑动带，块石土体混杂，滑动面、擦痕清晰，并有水从滑体渗出。滑坡在滑动过程中出现大量裂缝，如滑坡后缘2280m高程出现大量的剪切裂缝，如图7(a)所示；滑坡在滑体前缘挡土墙出现裂缝，如图7(b)所示；滑坡体2350m处出现拉裂变形特征，如图7(c)所示；从路基施工形成的边坡揭露来看，右侧为滑坡周界，如图7(f)所示。3．2外因作用3．2．1库水位上升在蓄水过程中燕子坪滑坡出现多次局部失稳现象，并出现大量裂缝，如图7(a)所示。由于滑坡的特有工程地质条件，蓄水影响该滑坡的机理可分为3个阶段进行分析：蓄水位0—1／2阶段，较大的蓄水速率使地下水位抬升较快，造成滑体中部(FMZ)的稳定性较差，其余各区稳定性较好；蓄水位1／2—3／4阶段，随着地下水位的抬升，产生的孔隙水压力影响到FMZ区，FMZ104图7燕子坪滑坡野外调查图区部分的滑带的抗剪强度因浸水饱和下降，不利于滑坡的稳定；3／4以上阶段地下水位趋于稳定，水体人渗至滑坡内部使其产生自外向内的渗透压力，有利于滑坡的稳定性。因此，蓄水速率对滑坡发育起到重要加剧诱发作用。3．2．2边坡开挖的扰动在库区建设过程中，为了方便工程建设在滑体中部开挖了公路，造成原来连接在一起的古滑坡体被切割开来，形成临空面，并在蓄水的作用下形成牵引式滑坡。由于路堑边坡施工开挖后，古滑坡中部受到扰动，造成滑坡体松弛、开裂，使滑体内部应力状态进行重新调整，导致滑坡的稳定性遭到很大程度上的改变。3．2．3降雨降雨增加了滑体内的含水量，在蓄水过程中滑体产生大量剪切裂缝和张裂缝。拉张裂缝分布在2270m以上高程，剪切裂缝分布在2240～2310m高程。降雨通过裂隙迅速入渗到滑体内，使土体的容重显著增加，土体迅速达到饱和，造成抗滑力矩增加，又由于抗滑力矩增量小于滑动力矩的增量，降低滑坡的稳定性(见图8)。蓄水过程中该滑坡发生滑动时间／年一月一日图8九甸峡库区降雨量水利水电技术第47卷2016年第9期 前，首先出现局部的失稳破坏，在滑坡中后部产生裂缝、局部沉陷或隆起。降雨迅速人渗至裂缝，使滑体内产生裂隙水的劈裂作用，导致裂隙的加深和贯通。3．2．4牵引式破坏蓄水过程中，由监测位移(见图2～图4)可知，滑坡的中部及下部滑动位移速率及滑动累积位移均远大于滑体后部，MDZ位于滑体中、下部。如果滑体在外界诱发条件下，滑体中下部会牵引滑体后部产生滑动变形破坏，最大位移位于滑体中部及前缘，表明该滑坡在天然状态下后缘为稳定性较差的部位，但蓄水后失稳部位由滑坡前缘向后缘转移。由此可知，蓄水后滑坡中部和前缘是潜在失稳的关键部位，在治理和监测过程中应重点考虑。因此，在蓄水前后滑坡的变形模式发生巨大改变，该滑坡的变形模式由推移式变为牵引式。4滑坡稳定性分析稳定性计算主要考虑不同库水位的工况，计算参数选自文献[10]。采用极限平衡法对该滑坡进行稳定性计算¨0I，结果如图9所示。由图9可知，蓄水前滑坡的稳定性较好；库水位上升至70m过程中，安全系数逐渐减小，滑坡处于稳定状态；库水位70～100m蓄水位阶段，安全系数减小较大导致局部失稳；100～130m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70～100m阶段。J／m图9滑坡安全系数计算结果在天然状态下滑坡的稳定性较好，蓄水位80～100m阶段的稳定系数均小于设计滑坡安全系数，滑坡处于不稳定状态，因此必须进行及时治理。由此可见，采用GPS对滑坡外部变形监测方法的分析滑坡滑动规律和采用极限平衡法计算所得的稳定性系数变化规律比较一致，并且与地表变形破坏的发育情况也水利水电技术第47卷2016年第9期宋丹青，等∥蓄水条件下库岸滑坡形成机制研究相吻合，故可以作为判断蓄水过程中该滑坡稳定性的依据，并据此提出综合的治理措施。5滑坡治理建议滑坡的治理总是根据其主要诱发因素采取不同的工程措施控制或消除其影响，并且辅以其他措施进行综合治理。结合燕子坪滑坡实际情况，提出以下治理措施：(1)削头压脚：滑坡的滑动模式由于水库蓄水转变为牵引式，因此通过削头压脚的方式进行减重，使未滑动滑体的稳定系数Fs>1，稳定系数计算按照分块推力传递法进行，通过计算找到推滑部分位置；对头部进行削坡以降低滑坡的下滑力，削下的土石压在坡脚可以提高滑体的抗滑力。(2)针对燕子坪滑坡的牵引式滑动模式，可考虑设置抗滑桩工程，同时考虑减小埋深，应设置在滑体前缘，使抗滑力削弱抗滑桩上的作用力，其布置方式为垂直布设三排；滑坡后部裂缝分布广泛，由于降雨入渗削弱了滑坡的稳定性，可考虑蓄水前在滑体两侧布设排水沟；2200m以上部分的椭圆形有积水洼地，将截水沟布设在中后部。(3)蓄水位115～130m范围内滑坡较为稳定，建议蓄水完成后蓄水位保持在115～100m，并且蓄水速率控制在0．35m／d以内，有利于库岸边坡的稳定。6结论(1)蓄水过程中，燕子坪滑坡是由于滑体中部施工开挖公路使古滑坡前缘失去支挡，并且主要是在库水位上升的作用下，使滑体内地下水发生明显变化，导致滑坡体中部及前缘牵引后部滑体沿黄土层与砂岩和页岩层交接面的滑动带滑移破坏。根据古滑坡复活情况分析，燕子坪滑坡为牵引式滑坡，当滑体中部及前缘滑动后，后面的滑体陆续出现滑动，出现大量裂缝向纵深方向发展。(2)现场监测表明：燕子坪滑坡滑动面位于30m左右，监测点水平位移与垂直沉降位移随时间持续缓慢增长，为滑坡蠕动变形的典型特征。该滑坡在蓄水初期处于蠕动变形破坏阶段，蓄水中期在较大蓄水速率的加剧作用下产生局部失稳，蓄水后期由于蓄水速率较小滑坡仍处于蠕变破坏阶段。蓄水条件下的滑坡变形破坏是蓄水速率主要加剧作用和降雨次要作用下的蠕变破坏。(下转第109页)105 图解法一样，要求需要观测孔到抽水井的距离较小或利用较长的抽水时间后得到的试验观测数据，即需当(误差在0．25％以内)或(误差在2％以内)时才能应用。5结语通过理论推导、数值试验结果和初步讨论，可以知道在分析非稳定流抽水试验数据确定含水层参数方法中，文中提出的用MATLAB曲线拟合工具箱求含水层参数的方法，较其他现有方法具有原理简单、易于实现的突出优点，并且所得到的曲线拟合精度高，计算结果可靠，便于应用。致谢：本文的通讯作者马秋娟老师在论文的写作过程中提供了细致的指导，特此感谢!参考文献：[5][6][7][8][9][10][12][1]薛禹群，朱学愚．地下水动力学[M]．北京：地质出版社，1981．[13][2]王静云，常安定，郭建青，等．基于混沌人工鱼群混合算法确定含水层参数[J]．中国农村水利水电，2013(3)：27—29．[3]郭建青，李彦，王洪胜，等．粒子群优化算法在确定含水层参[14]数中的应用[J]．中国农村水利水电，2008(4)：4-7．[4]王媛英，刘元会，郭建青，等．混沌粒子群混合算法估计各向王杰，等∥基于MATLAB曲线拟合工具箱确定含水层参数异性含水层参数[J]．南水北调与水利科技，2015(1)：87．90．范隽宏，程汉湘．MATLAB工具箱在软磁材料单位损耗曲线拟合中的应用[J]．机电工程技术，2014(8)：101-106．苏金明，张莲花，刘波，等．MATLAB工具箱应用[M]．北京：电子工业出版社，2004．伦冠德．MATLAB曲线拟合工具箱在试验数据处理上的应用[J]．拖拉机与农用运输，2006(4)：90·91．U．s．DepartmentoftheInterior(USDI)．GroundwaterManual[M]．BureauofReclamation．SupLofDocuments，U．S．Govt．PrintingOffice，Washington，D．C．，1977：119．Sushfl，KSingh．Confinedaquiferparametersfromtemporalderiva-fiveofdrawdowm[J]．JournalofHydraulicEn洳rlns，2001，127(6)：466—470．Sushil，KSinsh．Simplemethodforconfinedparameterestimation[J]．JournalofIrrigationandDrainageEngineering，2000，126(6)：404—407．郭建青，李彦，王洪胜，等．确定含水层参数的混沌序列优化算法[J]．中国农村水利水电，2006(12)：26·29．郭建青，周宏飞，李彦，等．分析非稳定流抽水试验数据的改进直线解析法[J]．中国农村水利水电，2009(4)：18-21．周秀秀，常安定。郭建青，等．混沌粒子群优化算法在确定含水层参数中的应用[J]．水资源与水工程学报，2013(1)：96．99．袁华，张玉海．识别含水层参数的单纯形一混沌优化算法[J]．常熟理工学院学报，2014(2)：53—55．(责任编辑陈小敏)(上接第105页)[4]陈晓平，黄井武，吴宏伟，等．库岸古滑坡离心模型试验研究(3)在对蓄水条件下燕子坪滑动破坏机制深入研[J]·岩土工程学报，2011，33(10)：1496-1503·究的基础士，耋詈曼篓望}罂!。，曼篓苎昱掣苎曼∞1言曩警击萋豁套墨蠹，样黻奶僦和删溅胛114．n、仕徂件H酉缘设置抗滑桩、滑体两侧布设排水沟和[6]i矗：品。；：。孟二。矗，。Y忑矗w2013，,3et5(5)：940。-ech947aIIi．WatThe。。of后缘截布设水沟的治理方法。同时，控制库水位升降。il陆l。麟al。。E。。k。。ubjectedt0。ate，iIlfiltrati0。[J]．c。p。t-速率及库水位也应引起重视，综合以上治理措施将有ersandGeotechnies，2014，55(1)：330．341．利于库岸边坡的稳定o[7]Massey，CI，PedeyDN·Patternsofmovementinreactivated致谢：在论文的写作过程中得到了九甸峡公司提供的宝贵l明dslid。8[J]．E“gineeringGeol。留，2013(159)：1—19‘监测数据和相关专家的支持，在此表示衷心的感谢!哺1lD蚰u越Ji,如Yi，n‰KL’C=：鼍：掣盖：Z=三絮参考文献：10(2)：203-218·[9][1]Pethy，DN．LandslidedisastermitigationintheThreeGorgesRes-ervoir，China[J]．Mr．Res．Dev．，2010，30(2)：184—185．[2]白俊光，吕生弟，韩建设．李家峡水电站坝前水库滑坡蓄水前[10]后稳定性预测[J]．岩土力学，2008，29(7)：1723-1731．[3]涂国祥，邓辉，黄润秋．水位变动速度对某库区岸坡堆积体稳定性的影响[J]．四川大学学报(工程科学版)，2011，43(4)：63．70．甘肃省水利水电勘察设计研究院第一分院．28号滑坡外部变形监测报告[R]．兰州：甘肃省水利水电勘察设计研究院第一分院，2010．甘肃省地质灾害防治工程勘察设计院．洮河九甸峡水利枢纽灾害危险性评估报告[R]．兰州：甘肃省地质灾害防治工程勘察设计院，2003．(责任编辑郭利娜)援逛竣镐缓迎钌渤织逛彳哆，謦庐铬水利水电技术第47卷2016年第9期109