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庫水位變化對全強風化邊坡穩定性的影響

文檔作者：潘盛澤，羅平，高奮飛文檔來源：貴州省水利水電勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 2025年08月29日
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第53卷第1期
2017年1月
甘肅水利水電技術
GANSU WATER RESOURCES ANDHYD腫POWER偶C姍q0LOGY
V01．53．No．1
Jan．，2017
·設計與研究·
庫水位變化對全強風化邊坡穩定性的影響
潘盛澤，羅平，高奮飛
(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550003)
摘要：為研究水庫蓄水與供水條件下水位變化對邊坡穩定性影響，以榕江縣龍塘水庫庫尾處的歸布邊坡為例，利用
Geo$tudio軟件的SEEP／W與SLOPE／W模塊對其進行了瞬態滲流耦合邊坡穩定性分析，并考慮了基質吸力的影響，結
果表明：庫水位上升過程中，坡體非飽和區基質吸力不斷減小，巖土體在水的作用下軟化，邊坡穩定性逐步下降；庫水
位下降過程中，庫水向坡體外滲出，邊坡穩定性在滲透壓力的影響下快速下降，但隨著浸潤線的下降而逐步升高。在庫
水位升降過程中，水位變化會降低邊坡穩定性，可能會導致邊坡失穩。
關鍵詞：水位變化；全強風化邊坡；滲流；穩定性；GeoStudio
中圖分類號：P642．22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-0144(2017)01—0028-05
1 前言
水庫庫岸邊坡的穩定與水庫水位變化密切相
關。庫水位的升降會改變庫岸邊坡的水文地質條件，
是引起邊坡失穩的重要因素。大量事實表明邊坡失
穩與水有關【l】，劉貴應[21在三峽庫區正常蓄水位影響
范圍內，對1 190余個不穩定和欠穩定的崩滑體進
行了統計，其中90％以上的邊坡失穩破壞與地下水
有關。在日本發生的庫岸滑坡中，約40％發生在庫水
位上升時，約60％發生在庫水位急劇下降時期[31。水
庫滑坡會摧毀農田、建筑物、公路，危害人身安全，甚
至給鄉村和城鎮帶來毀滅性災難；高速下滑的巖土
體進入水庫會產生巨大的涌浪，不僅威脅大壩的安
全，而且易造成漫壩等更嚴重的災害；此外，水庫滑
坡后，大量巖土體進入水庫，易使水庫淤積，嚴重時
會導致巖土體堵截河谷發生堰塞湖險隋。因此，研
究水庫水位變化對邊坡穩定性的影響意義重大。
全風化巖石的組織結構完全破壞，已崩解和分
解成松散的土狀和砂狀；對于結構面呈網狀且風化
嚴重的強風化巖石，其邊坡變形破壞的形式類似于
土質邊坡，斷面滑動線近似于弧形。此類全強風化
邊坡屬類土質邊坡，其巖體部分繼承了原巖的結構，
滑面形態、破壞機理和特點與土質邊坡相似。作者
以歸布全強風化邊坡為例，利用GeoStudio軟件的
SEEP／W模塊，基于非飽和土力學對庫水位升降后
的邊坡進行飽和一非飽和滲流分析，選擇Morgen—
stem—Price計算方法并利用滲流分析結果對邊坡
穩定性進行評價。
2地下水對土質邊坡穩定性的影響
地下水對土質邊坡穩定性的影響主要體現在如
下4個方面。
(1)影響邊坡土體的物理力學性質
土體浸水后顆粒軟化、棱角破碎且發生濕化變
形，在自重作用下土顆粒之間的位置被重新調整，其
原有結構被重新分布，由此土體產生變形，摩擦系數
及膠結能力有所降低【4I，進而減小了土體的抗滑力，
降低了邊坡穩定性。另外，水庫供水或放空時庫水位
快速下降導致坡體內的地下水向坡外滲流。在滲流
作用的影響下，土體內細小的顆粒被帶出。坡體出現
掏蝕現象，其內部形成細管狀滲流通道，從而降低了
潛在滑動面的抗剪強度。
(2)靜水壓力刪
水庫正常運行時，正常高水位以下的邊坡土體
受到孔隙水壓力(即靜水壓力)的作用，由天然重度
變為浮重度，土體的有效重量減小。靜水壓力的大小
等于水下土體的體積和水重度的乘積，一般計算水
下邊坡滑體重量時，按浮重度考慮。靜水壓力對邊坡
穩定性有雙重的影響。一方面，它減小了滑體的重
量，有利于邊坡的穩定；另一方面，它降低了滑面的
收稿日期：：2017—01-09
作者簡介：潘樣(1984一)，男，貴州天柱^，工程師，碩士，主要從事水利水電工；匿牯疋地質、工程地質勘察，E—mail：panshengze@126．com。
·28·
萬方數據
第1期潘盛澤。等：庫水位變化對全強風化邊坡穩定性的影響第53卷
抗滑力，不利于邊坡的穩定。因此，分析靜水壓力對
于邊坡穩定性影響時，要結合水文地質、工程地質條
件與土體力學參數進行綜合評定。
(3)動水壓力
庫水位的升降，使庫岸坡體內產生滲流。水在
土體內流動的過程中受到土的阻力影響，對土骨架
產生動水壓力(即滲透力)，致使土體中的應力與變
形產生變化。動水壓力是影響邊坡穩定的重要因素
之一，在地下水向坡體內滲流時，孔隙水應力減小，
數值上等于靜水壓力與動水壓力之差，根據有效應
力原理，在總應力不變的條件下，土體的有效應力增
加，滑體的抗滑力隨之增加，有利于邊坡的穩定。同
理，當地下水向坡體外滲流時，孔隙水應力增加，土
體的有效應力減小，滑體的抗滑力減小，給邊坡的穩
定帶來不利的影響。
(4)基質吸力
非飽和土體孔隙中充填有水與空氣，在水氣分
界面上承受著大于孔隙水壓力的空氣壓力，這個壓
力差值稱為基質吸力【6J。基質吸力可看作是土基質
對水的吸持潛能，由于土基質吸持水分的機理非常
復雜，通常在非飽和土力學定量研究中將基質吸力
的作用等同于毛細效應。基質吸力隨著土體中的含
水量增加而降低，當土體飽和時，孔隙被水填充，基
質吸力為零。基質吸力產生的負孔隙水壓力對邊坡
穩定性有顯著貢獻，甚至有時會對庫岸邊坡的穩定
起決定性的作用。
3計算理論
3．1 滲流計算基本理論
進行飽和一非飽和土體瞬態滲流數值模擬，需要
給分析模型設置邊界條件。計算中選用第一類邊界條
件(或稱為狄利克雷Dirichlet條件)，即給定水頭邊羅印：
日G，Y，z，力可b，y,z，t)l 0，Y，z，t)∈F (1)
達西定律可以應用于非飽和土滲流。采用水頭
為控制方程的因變量，對于考慮各向異性的二維飽
和一非飽和滲流控制微分方程表達為：
旦(kx塑)+旦(尼y塑)：m^塑(2)
ax ax ay a， at 式(1)、(2)中：卜總水頭；
卜_滲流區的邊界；
舷，y，z，t)——某一時刻的已知函數；
h，y≯位于邊界，上的時間；
kx．k，——分別x,y方向的滲透系數；
帆-—儲水曲線的斜率；
7。-一水的重度。
式(1)一(2)相結合，可求出某點一定時間內水流
入與流出單元體的變化，進而對瞬態的飽和一非飽
和滲流進行模擬。
3．2非飽和土抗剪強度理論
位于土體滲流浸潤線以上的孔隙水壓力為負值
(即基質吸力)。水庫蓄水或運行時，浸潤線的位置隨
著庫水位的升降而改變，進而改變了坡體內的基質
吸力，影響了邊坡穩定性。此處采用Fredlund等[81
(1978)提出的公式來計算基質吸力對非飽和土抗剪
強度的影響。在公式中采用的凈法向力和基質吸力
是最有力的組合，其抗剪強度表示為：
T=C’+(礦一Ua)tan咖7+(uo-uw)tan咖6 (3)
式中：C’、西’——土體常規強度參數；
曠——法向總應力； u—L隙氣壓力，在進行分析計算時，判定
其為大氣壓力，即數值為零；
M，。一L隙水壓力；
函’—一吸力內摩擦角，它是基質吸力的函數，
假設為常數。
3．3穩定性計算理論
在瞬態滲流耦合邊坡穩定性計算中，要考慮孔
隙水壓力和基質吸力對邊坡穩定性的影響，采用極
限平衡法中的Morgenstern—Price法。該方法假設相
鄰土條間法向與切向應力存在函數關系。
其土條力矩平衡微分方程積分滿足：
E。(只，A)=O (4)
土條側面的力矩需滿足：
r xn 1 悱I(x—E孚)dx=0 (5)
J xO a戈
式(4)、(5)中：
目，廣一任意土條間有效法向力；
只——安全系數； A、A、卜均為任意常數；
x——切向條間力； 卜土條間有效法向力；
y=Ax+B
-29·
萬方數據
2017年第1期甘肅水利水電技術
為滿足平衡方程，需要假定只、A兩參數的值，
通過有規律的迭代，不斷修正F與A，直到E，與尬．
都為0。最終可以求出邊坡的安全系數只191。
4邊坡穩定分析研究
4．1研究區概況
歸布邊坡位于榕江縣龍塘水庫庫尾，近幾十年
邊坡發生過數次小規模滑塌，但未發生過大規模
滑坡。坡腳河床高程為480 m，被水庫水位淹沒深
達11 m，為自然巖土混合逆向邊坡，地形坡度一
般為30。～40。。地層巖性由新到老依次為：第
四第系(Q)沖洪積砂卵礫石(坡腳河床處)與殘坡積黏
土(邊坡表面)；二疊系上板溪群清水江組(P岫。)變余
凝灰巖；基巖風化較嚴重，全風化帶已分解成松散的
土狀，受水流的侵蝕與搬運作用，靠近河床處厚度較
小，斜坡處較厚。受區域強烈構造運動影響，強風化
層節理裂隙較發育，巖體被切割成網狀結構。研究
區地下水補給河水，地下水位遠高于河水位。
4．2計算模型的建立
庫水位變化會影響地下水浸潤線的位置，最終
影響邊坡穩定性。GeoStudio軟件中的SEEP／W模坍
可對受庫水影響的邊坡進行瞬態飽和一非飽和滲
流分析，得到不同時間坡體內水位、孔隙水壓力與水
力梯度的分布，之后將分析結果導人SLOPE／W中
用Morgenstem—Price極限平衡法計算邊坡的安全
系數。根據歸布邊坡的地質條件，模型的x方向上
的最大長度為200 in，模型左邊l，方向的最大長度
為100 m，模型計算范圍為0<200>

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