三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行滑坡滲流穩(wěn)定和防治設(shè)計(jì)研究

　　摘要：跟蹤分析2008～2020年三峽工程175m正常高程設(shè)計(jì)水位試驗(yàn)運(yùn)行調(diào)度過(guò)程，建立正常工況下庫(kù)水位多年平均升降典型曲線。以巫山塔坪滑坡為例，通過(guò)修正的一維非穩(wěn)定滲流方程解析解，建立庫(kù)水位多年平均升降與典型堆積層滑坡地下水浸潤(rùn)線的關(guān)系;由此，采用包含時(shí)間變量的不平衡推力法計(jì)算堆積層滑坡安全系數(shù)隨庫(kù)水位升降的動(dòng)態(tài)曲線。并采用數(shù)值模擬驗(yàn)證解析分析的結(jié)果�？紤]到庫(kù)岸堆積層滑坡地下水與庫(kù)水聯(lián)通性良好，難以使用常規(guī)抗滑樁工程，本文還討論采用中小口徑抗滑樁群對(duì)水庫(kù)滑坡進(jìn)行防治的方法。值得指出，2020年8月，三峽庫(kù)區(qū)遭遇自2003年建庫(kù)以來(lái)的最大洪峰流量(百年一遇)，達(dá)到75000m3/s。本文對(duì)該水文年的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，可為特殊工況下庫(kù)區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析和防治設(shè)計(jì)提供參考。

　　關(guān)鍵詞：邊坡工程;三峽庫(kù)區(qū);水庫(kù)滑坡;浸潤(rùn)線;防治設(shè)計(jì)

　　1引言

　　水庫(kù)蓄水運(yùn)行誘發(fā)滑坡是普遍現(xiàn)象，最為典型的是意大利瓦伊昂水庫(kù)庫(kù)首區(qū)滑坡，該水庫(kù)于1960年蓄水運(yùn)行，1963年10月9日，2.4億m3的巨型滑坡體滑入水庫(kù)，導(dǎo)致壩體下游近3000人死亡[1-3]。國(guó)際上許多學(xué)者對(duì)水庫(kù)蓄水誘發(fā)滑坡進(jìn)行了研究，庫(kù)水位抬升導(dǎo)致的孔隙水壓力，以及庫(kù)水位下降時(shí)滑坡體內(nèi)的滲透力，被認(rèn)為是導(dǎo)致水庫(kù)滑坡失穩(wěn)的主要因素[4-6]。K.Terzaghi[7]最早通過(guò)理論分析的方法，探討了庫(kù)水位緩慢下降和快速下降兩種工況下庫(kù)岸邊坡的穩(wěn)定性。

　　N.Morgenstern[8]編制了土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性計(jì)算表，以預(yù)測(cè)不同水位下降工況下土質(zhì)岸坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。C.Zangerl等[9]的研究表明，水庫(kù)滑坡變形速率表現(xiàn)為顯著的季節(jié)性升降，與庫(kù)水位下降有緊密的聯(lián)系，且在庫(kù)水位降至最低時(shí)，滑坡運(yùn)動(dòng)速率達(dá)到峰值。M.G.Tang等[10]的研究表明，庫(kù)水位波動(dòng)速率、滑體的滲透系數(shù)以及滑面的形態(tài)等均會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)滑坡失穩(wěn)機(jī)制的改變。三峽工程水庫(kù)蓄水運(yùn)行對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響受到了高度重視[11]。殷躍平[4]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡防治工程設(shè)計(jì)中的滲透壓力問(wèn)題進(jìn)行了研究。

　　鄭穎人等[12]通過(guò)解析解的方法計(jì)算了庫(kù)水位下降過(guò)程中坡體內(nèi)的浸潤(rùn)線。譚淋耘等[13]研究表明，庫(kù)水位下降的越低，滑坡體內(nèi)地下水位調(diào)整的滯后性越明顯，指向坡外的滲透壓力越大，滑坡穩(wěn)定性越差。也有不少的學(xué)者使用有限元和離散元數(shù)值計(jì)算獲取了庫(kù)水位升降作用下滑坡浸潤(rùn)線和穩(wěn)定性變化規(guī)律[14-16]。自2001年以來(lái)，國(guó)家系統(tǒng)對(duì)三峽工程庫(kù)區(qū)受蓄水影響的滑坡進(jìn)行了工程治理。由于缺乏庫(kù)水位運(yùn)行調(diào)度實(shí)測(cè)曲線，按蓄水前制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滑坡穩(wěn)定性分析采用了175m正常高程設(shè)計(jì)水位到145m防洪高程水位驟降工況[17-18]，水頭差達(dá)30m。

　　作者持續(xù)跟蹤了2008～2020年試驗(yàn)性運(yùn)行期間三 峽水庫(kù)實(shí)際調(diào)度過(guò)程和滑坡地下水位變化情況，認(rèn)為前期的30m驟降工況與實(shí)際運(yùn)行工況明顯不符，帶來(lái)了滑坡滲流穩(wěn)定性分析和防治工程設(shè)計(jì)的明顯誤差。因此，本文將通過(guò)分析三峽工程2008～2020年試驗(yàn)性蓄水期間庫(kù)水位實(shí)際調(diào)度曲線，建立符合實(shí)際的正常工況下庫(kù)水位多年平均升降曲線。

　　以巫山塔坪滑坡為例，擬改進(jìn)滑坡浸潤(rùn)線解析公式和不平衡推力法，以分析多年平均庫(kù)水位升降工況下堆積層滑坡的浸潤(rùn)線和安全系數(shù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證�？紤]到庫(kù)岸堆積層滑坡地下水與庫(kù)水聯(lián)通性良好，難以使用常規(guī)抗滑樁工程，本文還將研究采用中小口徑抗滑樁群對(duì)水庫(kù)滑坡進(jìn)行防治的方法。值得指出，2020水文年，三峽庫(kù)區(qū)遭遇自2003年建庫(kù)以來(lái)的最大洪峰流量(百年一遇)[19]，達(dá)到75000m3/s。本文擬對(duì)該水文年滑坡浸潤(rùn)線和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

　　2蓄水運(yùn)行期三峽庫(kù)水位調(diào)度分析

　　三峽工程自2008年9月28日，開(kāi)始175m正常高程設(shè)計(jì)水位試驗(yàn)性蓄水，至2020年11月1日轉(zhuǎn)入了正常運(yùn)行期。2010年以來(lái)，庫(kù)水位每年在145～175m之間升降：9～11月庫(kù)水位抬升至175m，11～1月處于175m高位運(yùn)行，1～4月降至162m，5～6月降至145m，為了防洪需要，7～9月庫(kù)水位每年均有不同幅度的快速升降。作者分析了2008～2020年175m正常高程設(shè)計(jì)水位試驗(yàn)性蓄水以來(lái)三峽水庫(kù)實(shí)際調(diào)度過(guò)程曲線。

　　由于2008和2009年蓄水水位未達(dá)到175m高程，而2020年三峽水庫(kù)因遭遇建庫(kù)以來(lái)的特殊入庫(kù)流量，因此，僅對(duì)2010～2019年庫(kù)水位升降進(jìn)行分析，建立了三峽庫(kù)區(qū)多年平均庫(kù)水位升降曲線(圖2(a))。作者建議，將多年平均庫(kù)水位升降工況代替現(xiàn)行規(guī)范中的庫(kù)水位驟降工況，進(jìn)行水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，更符合175m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)三峽庫(kù)區(qū)的實(shí)際水位運(yùn)行情況。2020年汛期，長(zhǎng)江發(fā)生流域性大洪水，三峽庫(kù)區(qū)寸灘站洪峰和洪量達(dá)到了百年一遇[19]，三峽水庫(kù)迎來(lái)史上最大75000m3/s洪峰。

　　汛期庫(kù)水位最高蓄至167.65m，單日最大降幅2.15m，最大漲幅3.8m，均為三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)的特殊調(diào)度工況。因此，可使用2020水文年的庫(kù)水位升降曲線作為特殊工況，對(duì)水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為今后庫(kù)水位特殊升降工況下的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

　　3堆積層滑坡滲流與穩(wěn)定性解析計(jì)算

　　本節(jié)以三峽庫(kù)區(qū)特大堆積層滑坡—巫山塔坪滑坡為例，通過(guò)浸潤(rùn)線解析解耦合剩余推力法，計(jì)算獲取多年平均庫(kù)水位和2020水文年庫(kù)水位升降工況下坡體的浸潤(rùn)線和穩(wěn)定性。

　　3.1塔坪滑坡概況

　　塔坪滑坡位于重慶市巫山縣曲尺鄉(xiāng)的長(zhǎng)江北岸，滑坡長(zhǎng)約330m，寬約450m，分布面積約1.49×105m2，平均厚度約50m，總方量為6.34×106m3。深部位移和鉆孔資料表明，滑帶最深可達(dá)63m。塔坪滑坡地表局部分布含礫粉質(zhì)黏土，滑體主要由須家河組碎裂狀石英砂巖組成，基巖為須家河組石英砂巖。勘察表明，塔坪滑坡極易沿著滑體內(nèi)部的軟弱夾層和基巖—堆積層接觸面失穩(wěn)滑動(dòng)�，F(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，塔坪滑坡滑體的滲透系數(shù)為1～10m/d。

　　4堆積層滑坡滲流和穩(wěn)定性數(shù)值模擬

　　本節(jié)使用有限元數(shù)值計(jì)算獲取了巫山塔坪滑坡在多年平均庫(kù)水位升降工況和2020水文年庫(kù)水位升降工況下的浸潤(rùn)線。接著將不同時(shí)步下的浸潤(rùn)線耦合代入有限差分軟件FLAC3D中，使用強(qiáng)度折減法計(jì)算兩種工況下塔坪滑坡的安全系數(shù)。

　　5庫(kù)區(qū)堆積層滑坡防治設(shè)計(jì)研究

　　5.1蓄水運(yùn)行期塔坪滑坡下滑推力計(jì)算

　　使用現(xiàn)行規(guī)范中的荷載組合[17-18]計(jì)算獲取塔坪滑坡的安全系數(shù)，計(jì)算參數(shù)和一致，計(jì)算方法為剩余推力法。結(jié)果表明，175和145m靜止水位工況下，塔坪滑坡的安全系數(shù)為1.152和1.221;175至145m水位驟降工況下，塔坪滑坡的安全系數(shù)為1.043。

　　由第二節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，塔坪滑坡在多年平均庫(kù)水位升降工況下的安全系數(shù)為1.092，在2020水文年庫(kù)水位升降工況下的安全系數(shù)為1.093。相較現(xiàn)行規(guī)范中的荷載組合，使用175m試驗(yàn)性蓄水運(yùn)行以來(lái)實(shí)測(cè)水位建立的兩種工況，計(jì)算獲取的塔坪滑坡安全系數(shù)提高了約0.05。當(dāng)設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值為1.10時(shí)，庫(kù)水位驟降工況與本文提出的庫(kù)水位升降工況下的滑坡剩余推力。

　　在浸潤(rùn)線波動(dòng)較大的坡腳8～11號(hào)條塊，庫(kù)水位升降工況下計(jì)算獲取的滑坡剩余推力顯著小于水位驟降工況。設(shè)樁位置為第8條塊時(shí)，水位驟降工況計(jì)算獲取的樁后設(shè)計(jì)剩余推力為17081kN/m;庫(kù)水位升降工況計(jì)算獲取的樁后設(shè)計(jì)剩余推力為15131kN/m�？紤]樁前抗力的影響，水位驟降工況下樁后設(shè)計(jì)剩余推力為5467kN/m;庫(kù)水位升降工況下的設(shè)計(jì)剩余推力為3754kN/m。后者相較前者降低了31.3%。

　　5.2中小口徑抗滑樁群防治工程設(shè)計(jì)

　　由于塔坪滑坡前緣位于175m水位線之下，滑體結(jié)構(gòu)松散，水力連通性好，滲透系數(shù)大;且存在多層滑移面，滑帶最深可達(dá)63m。采用常規(guī)的人工挖孔抗滑樁時(shí)，水下施工難度較大，安全性低。鑒于此，作者提出一種適用于堆積層滑坡的新型抗滑結(jié)構(gòu)—埋入式中小口徑抗滑樁群。

　　埋入式中小口徑抗滑樁群的設(shè)計(jì)方法可參考相應(yīng)規(guī)范[18]。具體設(shè)計(jì)方案如下：埋入式中小口徑抗滑樁群?jiǎn)螛吨睆綖?m，樁間距4m，排間距3m，采用鉆孔灌注法成樁，品字型布置。將埋入式中小口徑抗滑樁群分為10塊獨(dú)立的樁群，樁群之間間隔10m，作為地下水的排泄通道，防止樁群阻礙滑坡體內(nèi)地下水排泄。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中水位驟降工況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，塔坪滑坡治理工程共需布置1236根中口徑樁，總造價(jià)約1.2億元。而采用多年平均庫(kù)水位升降和2020水文年庫(kù)水位升降工況，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，僅需布置781根，總造價(jià)約7900萬(wàn)元，降低約34%。

　　6討論

　　現(xiàn)行規(guī)范中[17-18]采用的175m降至145m水位工況，會(huì)導(dǎo)致滑坡中前部的浸潤(rùn)線陡降，產(chǎn)生較大的水頭差，坡體中前部的下滑力偏大，滑坡安全系數(shù)偏低，低估了滑坡的穩(wěn)定性。因此，采用單次水位驟降工況進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算和工程設(shè)計(jì)，無(wú)法反映水庫(kù)滑坡的實(shí)際穩(wěn)定狀態(tài)，且已經(jīng)不符合三峽水庫(kù)175m試驗(yàn)性蓄水以來(lái)的水位運(yùn)行特征。

　　當(dāng)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)獲取的庫(kù)水位連續(xù)升降工況進(jìn)行計(jì)算時(shí)，坡體內(nèi)的浸潤(rùn)線分時(shí)步逐漸變化，坡體內(nèi)的滲透壓力、浮托力和坡面庫(kù)水壓力與實(shí)際情況更加吻合。計(jì)算獲取的安全系數(shù)和下滑力更能反映滑坡的真實(shí)狀態(tài)。以巫山塔坪滑坡為例，使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)獲取的多年庫(kù)水位升降工況和2020水文年的庫(kù)水位升降工況，相較現(xiàn)行規(guī)范中的水位驟降工況，計(jì)算獲取的滑坡安全系數(shù)提高了約0.05，滑坡設(shè)計(jì)剩余推力降低31.3%，防治工程的造價(jià)降低約34%。

　　綜上所述，本文建議在三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算和工程設(shè)計(jì)中，使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)獲取的多年平均庫(kù)水位升降工況，代替現(xiàn)行規(guī)范中的庫(kù)水位驟降工況，作為水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性分析的常規(guī)工況。另外，可將2020水文年庫(kù)水位升降工況下的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，作為今后庫(kù)水位特殊升降工況下滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的參考。在我國(guó)其他水電開(kāi)發(fā)區(qū)域，如黃河流域的龍羊峽水庫(kù)，長(zhǎng)江上游的烏東德、溪洛渡、白鶴灘等水庫(kù)區(qū)域，未來(lái)在水庫(kù)滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算和防治工程設(shè)計(jì)中，作者建議可采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)獲取的庫(kù)水位升降工況對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)。

　　7結(jié)論

　　(1)本文通過(guò)分析試驗(yàn)性蓄水期間三峽庫(kù)水位實(shí)際調(diào)度曲線，建立了庫(kù)水位多年平均升降曲線;建議使用多年平均庫(kù)水位升降工況，作為三峽水庫(kù)運(yùn)行期水庫(kù)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)的常規(guī)工況。

　　(2)通過(guò)滑坡浸潤(rùn)線解析解耦合剩余推力法和二維有限元滲流計(jì)算耦合強(qiáng)度折減法，獲取了多年平均庫(kù)水位升降工況和2020水文年庫(kù)水位升降工況下，巫山塔坪滑坡的浸潤(rùn)線以及滑坡安全系數(shù)，結(jié)果表明庫(kù)水位快速下降期滑體內(nèi)水力梯度顯著增大，滑坡安全系數(shù)顯著降低。兩種方法的計(jì)算結(jié)果較為接近。

　　(3)使用多年平均庫(kù)水位升降工況和2020水文年的庫(kù)水位升降工況，代替現(xiàn)行規(guī)范中的水位驟降工況，對(duì)塔坪滑坡的防治工程進(jìn)行了優(yōu)化。計(jì)算獲取的滑坡安全系數(shù)相較現(xiàn)行的水位驟降工況提高了約0.05，塔坪滑坡的設(shè)計(jì)剩余推力相應(yīng)降低了31.3%。本文的研究?jī)?nèi)容可為我國(guó)三峽水庫(kù)和西南山區(qū)水庫(kù)運(yùn)行期水庫(kù)滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算和防治設(shè)計(jì)提供重要參考。

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　　作者：殷躍平1，張晨陽(yáng)2，閆慧3，肖明友4，侯雪峰4，朱賽楠1，黃波林5，代貞偉6，張楠1

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