三峽水庫蓄水運行滑坡滲流穩(wěn)定和防治設(shè)計研究

　　摘要：跟蹤分析2008～2020年三峽工程175m正常高程設(shè)計水位試驗運行調(diào)度過程，建立正常工況下庫水位多年平均升降典型曲線。以巫山塔坪滑坡為例，通過修正的一維非穩(wěn)定滲流方程解析解，建立庫水位多年平均升降與典型堆積層滑坡地下水浸潤線的關(guān)系;由此，采用包含時間變量的不平衡推力法計算堆積層滑坡安全系數(shù)隨庫水位升降的動態(tài)曲線。并采用數(shù)值模擬驗證解析分析的結(jié)果�？紤]到庫岸堆積層滑坡地下水與庫水聯(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水庫滑坡進(jìn)行防治的方法。值得指出，2020年8月，三峽庫區(qū)遭遇自2003年建庫以來的最大洪峰流量(百年一遇)，達(dá)到75000m3/s。本文對該水文年的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，可為特殊工況下庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性分析和防治設(shè)計提供參考。

　　關(guān)鍵詞：邊坡工程;三峽庫區(qū);水庫滑坡;浸潤線;防治設(shè)計

　　1引言

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

　　N.Morgenstern[8]編制了土質(zhì)岸坡穩(wěn)定性計算表，以預(yù)測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，水庫滑坡變形速率表現(xiàn)為顯著的季節(jié)性升降，與庫水位下降有緊密的聯(lián)系，且在庫水位降至最低時，滑坡運動速率達(dá)到峰值。M.G.Tang等[10]的研究表明，庫水位波動速率、滑體的滲透系數(shù)以及滑面的形態(tài)等均會導(dǎo)致水庫滑坡失穩(wěn)機(jī)制的改變。三峽工程水庫蓄水運行對滑坡穩(wěn)定性的影響受到了高度重視[11]。殷躍平[4]對三峽庫區(qū)滑坡防治工程設(shè)計中的滲透壓力問題進(jìn)行了研究。

　　鄭穎人等[12]通過解析解的方法計算了庫水位下降過程中坡體內(nèi)的浸潤線。譚淋耘等[13]研究表明，庫水位下降的越低，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)值計算獲取了庫水位升降作用下滑坡浸潤線和穩(wěn)定性變化規(guī)律[14-16]。自2001年以來，國家系統(tǒng)對三峽工程庫區(qū)受蓄水影響的滑坡進(jìn)行了工程治理。由于缺乏庫水位運行調(diào)度實測曲線，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年試驗性運行期間三 峽水庫實際調(diào)度過程和滑坡地下水位變化情況，認(rèn)為前期的30m驟降工況與實際運行工況明顯不符，帶來了滑坡滲流穩(wěn)定性分析和防治工程設(shè)計的明顯誤差。因此，本文將通過分析三峽工程2008～2020年試驗性蓄水期間庫水位實際調(diào)度曲線，建立符合實際的正常工況下庫水位多年平均升降曲線。

　　以巫山塔坪滑坡為例，擬改進(jìn)滑坡浸潤線解析公式和不平衡推力法，以分析多年平均庫水位升降工況下堆積層滑坡的浸潤線和安全系數(shù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證�？紤]到庫岸堆積層滑坡地下水與庫水聯(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水庫滑坡進(jìn)行防治的方法。值得指出，2020水文年，三峽庫區(qū)遭遇自2003年建庫以來的最大洪峰流量(百年一遇)[19]，達(dá)到75000m3/s。本文擬對該水文年滑坡浸潤線和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

　　2蓄水運行期三峽庫水位調(diào)度分析

　　三峽工程自2008年9月28日，開始175m正常高程設(shè)計水位試驗性蓄水，至2020年11月1日轉(zhuǎn)入了正常運行期。2010年以來，庫水位每年在145～175m之間升降：9～11月庫水位抬升至175m，11～1月處于175m高位運行，1～4月降至162m，5～6月降至145m，為了防洪需要，7～9月庫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)計水位試驗性蓄水以來三峽水庫實際調(diào)度過程曲線。

　　由于2008和2009年蓄水水位未達(dá)到175m高程，而2020年三峽水庫因遭遇建庫以來的特殊入庫流量，因此，僅對2010～2019年庫水位升降進(jìn)行分析，建立了三峽庫區(qū)多年平均庫水位升降曲線(圖2(a))。作者建議，將多年平均庫水位升降工況代替現(xiàn)行規(guī)范中的庫水位驟降工況，進(jìn)行水庫滑坡穩(wěn)定性計算，更符合175m試驗性蓄水以來三峽庫區(qū)的實際水位運行情況。2020年汛期，長江發(fā)生流域性大洪水，三峽庫區(qū)寸灘站洪峰和洪量達(dá)到了百年一遇[19]，三峽水庫迎來史上最大75000m3/s洪峰。

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

　　3堆積層滑坡滲流與穩(wěn)定性解析計算

　　本節(jié)以三峽庫區(qū)特大堆積層滑坡—巫山塔坪滑坡為例，通過浸潤線解析解耦合剩余推力法，計算獲取多年平均庫水位和2020水文年庫水位升降工況下坡體的浸潤線和穩(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)的長江北岸，滑坡長約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�，F(xiàn)場抽水試驗結(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)值計算獲取了巫山塔坪滑坡在多年平均庫水位升降工況和2020水文年庫水位升降工況下的浸潤線。接著將不同時步下的浸潤線耦合代入有限差分軟件FLAC3D中，使用強(qiáng)度折減法計算兩種工況下塔坪滑坡的安全系數(shù)。

　　5庫區(qū)堆積層滑坡防治設(shè)計研究

　　5.1蓄水運行期塔坪滑坡下滑推力計算

　　使用現(xiàn)行規(guī)范中的荷載組合[17-18]計算獲取塔坪滑坡的安全系數(shù)，計算參數(shù)和一致，計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)計算結(jié)果可知，塔坪滑坡在多年平均庫水位升降工況下的安全系數(shù)為1.092，在2020水文年庫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試驗性蓄水運行以來實測水位建立的兩種工況，計算獲取的塔坪滑坡安全系數(shù)提高了約0.05。當(dāng)設(shè)計安全系數(shù)取值為1.10時，庫水位驟降工況與本文提出的庫水位升降工況下的滑坡剩余推力。

　　在浸潤線波動較大的坡腳8～11號條塊，庫水位升降工況下計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，水位驟降工況計算獲取的樁后設(shè)計剩余推力為17081kN/m;庫水位升降工況計算獲取的樁后設(shè)計剩余推力為15131kN/m�？紤]樁前抗力的影響，水位驟降工況下樁后設(shè)計剩余推力為5467kN/m;庫水位升降工況下的設(shè)計剩余推力為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

　　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，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)計方法可參考相應(yīng)規(guī)范[18]。具體設(shè)計方案如下：埋入式中小口徑抗滑樁群單樁直徑為1m，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)計計算，塔坪滑坡治理工程共需布置1236根中口徑樁，總造價約1.2億元。而采用多年平均庫水位升降和2020水文年庫水位升降工況，進(jìn)行設(shè)計計算，僅需布置781根，總造價約7900萬元，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，會導(dǎo)致滑坡中前部的浸潤線陡降，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)定性計算和工程設(shè)計，無法反映水庫滑坡的實際穩(wěn)定狀態(tài)，且已經(jīng)不符合三峽水庫175m試驗性蓄水以來的水位運行特征。

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

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

　　7結(jié)論

　　(1)本文通過分析試驗性蓄水期間三峽庫水位實際調(diào)度曲線，建立了庫水位多年平均升降曲線;建議使用多年平均庫水位升降工況，作為三峽水庫運行期水庫滑坡穩(wěn)定性評價和工程設(shè)計的常規(guī)工況。

　　(2)通過滑坡浸潤線解析解耦合剩余推力法和二維有限元滲流計算耦合強(qiáng)度折減法，獲取了多年平均庫水位升降工況和2020水文年庫水位升降工況下，巫山塔坪滑坡的浸潤線以及滑坡安全系數(shù)，結(jié)果表明庫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。兩種方法的計算結(jié)果較為接近。

　　(3)使用多年平均庫水位升降工況和2020水文年的庫水位升降工況，代替現(xiàn)行規(guī)范中的水位驟降工況，對塔坪滑坡的防治工程進(jìn)行了優(yōu)化。計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)計剩余推力相應(yīng)降低了31.3%。本文的研究內(nèi)容可為我國三峽水庫和西南山區(qū)水庫運行期水庫滑坡的穩(wěn)定性計算和防治設(shè)計提供重要參考。

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　　[4]殷躍平.三峽庫區(qū)地下水滲透壓力對滑坡穩(wěn)定性影響研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，3：4–11.(YINYueping.StudyontheeffectofgroundwaterseepagepressureonlandslidestabilityinThreeGorgesreservoirarea[J].ChineseJournalofGeologicalHazardsandPrevention，2003，3：4–11.(inChinese))

　　作者：殷躍平1，張晨陽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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