徐 平，李同录，李 萍

（长安大学地质工程系，陕西 西安 710054）

0 引言

水库水位的升降对库岸滑坡稳定性有着显著影响。国内外由于库水位涨落引起库岸滑坡发生的实例较为常见。Jones等［1］调查了Roosevelt湖附近地区1941～1953年发生的滑坡，30％发生在水库水位骤降时期，有49％发生在蓄水初期；日本大约有60％发生在水位骤降时期；1963年瓦依昂水库滑坡发生在库水位下降时期。1961年，湖南省安化县资水河谷的柘溪水库在连续降雨后，导致库水位上涨，引发了一起重大库岸滑坡，造成64人死亡，伤24人。在三峡库区，2003年湖北千将坪滑坡发生在三峡二期蓄水过程中［2］。2008年7月，珠海吉大水库由于连降暴雨发生滑坡，导致1人死亡。

水库水位升降引起滑坡体内地下水位变化，进而引起滑坡体内渗流场变化。在水库滑坡稳定性评价中，主要是地下水作用力的计算。目前，工程界及一些文献［3、4］使用饱和稳定渗流方法计算水位升降时滑坡的稳定性。一些学者偿试在非饱和渗流场基础上［5-10］，建立了渗透力或基质吸力作用下的极限平衡法来评价滑坡稳定性，其计算过程复杂。实际上，滑坡体内渗流场变化是从非饱和到饱和的过程，用非饱和渗流分析方法可获得符合实际的地下水状态。

本文从非饱和渗流理论出发，以三峡库区马家沟滑坡为例，根据三峡水库水位调控方案，使用Midas GTS模拟库水位升降时滑坡体内的暂态渗流场，将所得的孔隙压作为荷载进行叠加，使用有限元的强度折减法，计算各水位状态下的稳定性，得出并分析滑坡体在一个水文周期内稳定性的变化规律及库水位升降速度对稳定性的影响。把最不利稳定状态作为滑坡稳定性判别的依据［11］，并做出抗滑设计方案［12］。

1 马家沟滑坡概况［13］

马家沟滑坡位于秭归县吒溪河左岸的马家沟沟口处，距长江支流吒溪河河口2.1km。2003年三峡水库蓄水至135m后的三个月内，滑体后缘出现了一条长20m、宽3～5cm、局部达10cm的拉张裂缝。其后拉裂变形趋于稳定，没有进一步发展。这说明该滑坡的稳定性对水库蓄水有敏感的反映，在水位继续升高或下落时，有复活的可能性。由于该滑坡前缘淹没在水下，三峡水库水位涨落幅度达30m，水位涨落对该滑坡稳定性的影响是需要研究的核心问题。

马家沟滑坡区外围出露侏罗系遂宁组（J3s）细砂岩和泥岩互层，岩层倾向 270°～290°，倾角 25°～30°，与主滑方向接近，岩体破碎，裂隙发育。马家沟滑坡发育在一个巨型老滑坡堆积体前缘，该巨型滑坡为一顺层基岩滑坡，堆积体覆盖了吒溪河左岸的马家沟下游左侧的半个山体，高程从沟底到330m，面积约5km2，体积超过2×108m3。老滑坡堆积体由紫红色泥岩碎屑夹块石组成，接近地表有一层3～5m厚的褐红色残积粘土夹块石。

在该老滑坡体前缘坡面上，形成了三个局部复活的滑坡。其中位于马家沟上游的两个滑坡前缘在高程175m以上，堆积体滑落至沟底，没有进一步滑移的空间，可以确定是稳定的。马家沟沟口处的一处滑坡前缘直接伸入咤溪河中，马家沟滑坡指的就是该次级滑坡（图1）。

图1 马家沟滑坡平面图Fig.1 Plan map of Majiagou landslide

马家沟滑坡平面形态总体呈舌形展布，滑体主滑方向290°。南北侧以冲沟为边界；后缘以形成的裂缝为边界，高程280m，坡度为30°～35°。前缘为高度30～45m的陡坎，形成临空面，剪出口淹没于135m水位下，伸入吒溪河中，前缘高程130m，高差150m，整体坡度为15°。滑体宽度为150m，纵向长度538m，厚度8.9～17.5m，滑体体积127.8×104m3（图2）。

图2 马家沟滑坡主滑面图Fig.2 Main section of Majiagou landslide

滑体的物质分为两层（图2），上层为3～5m厚的第四系残坡积粉质粘土夹碎石；下部为块石夹泥岩及粘土，厚度8～11m，结构松散，局部架空，透水性强。滑带由泥化的泥岩夹少量砂岩碎石组成，厚度0.5～0.8m，见磨光面和擦痕。滑带上有一层滞水。滑床物质与滑体类似，由碎块石夹风化破碎泥岩组成，滑坡体上所有钻孔都没有揭露到完整基岩，说明老滑坡规模大、滑面深，马家沟滑坡仅仅是老滑体前缘一个次级滑坡的再次复活。

2 库水位升降时渗流分析

2.1 非饱和渗流数学模型

水在非饱和-饱和土中的渗流服从Darcy定律，在各向同性土中，渗流方程为：

式中：kw——渗透性系数，对于非饱和土，是基质吸力或体积含水量的函数；

hw——渗流水头；

mw——土水特征曲线的斜率。

2.2 马家沟滑坡非饱和渗流分析

渗流分析程序采用Midas GTS，定义最左端节点为变水头边界［14、15］，如图 3 所示，在一个水文周期内，175m水位运行180d，汛期时，保持145m水位105d。在钻孔中，未有观测到地下水位，滑坡体最右端为定水头边界。

分析所用土水特征曲线［16］和渗透性函数见图4、5。参数由实测数据并结合工程类比，取饱和渗透系数为5.184m/d，滑床渗透系数为0.002m/d，渗透性函数是根据饱和渗透系数大小和土水特征曲线推导得出的［8-10］。

图3 三峡水库正常蓄水位水库调度图Fig.3 Storage circle of the Three Gorges Reservoir

库水位上升时，由于坡外水位上升快，向滑体内渗透慢，浸润线上凹。库水位上升越快，浸润线上凹现象越明显。库水位下降时，坡表附近浸润线上凸。浸润线的凹凸表明渗透的滞后现象。从图6可看出，暂态渗流场的变化，仅在库水位波动的范围内起作用，远离库水位的坡顶及滑坡上部，基本不受渗流的影响。

图4 土水特征曲线Fig.4 Soi-water characteristie curve

图6a 上升速度1m/d的第20d的渗流场Fig.6a Seepage field on the 20thday at the ascending speed of 1m/d

图6b 降速为0.67m/d的第30d时的渗流场Fig.6b Seepage field on the 30thday at the descending speed of 0.67m/d

3 库水位变动下孔隙水压力的变化

在暂态渗流场中，取滑带处相同节点在不同水位及不同升降速度下的孔隙水压力值。为了便于比较，在145～175m库水位之间取每上升或下降6m时不同速度下的孔隙水压力，绘制成图7。

图7 库水位上升时滑带处的孔隙水压力Fig.7 Pore water pressure curves of the sliding zone during the reservoir water level rises

由图7，在滑带的抗滑段部分孔隙水压力随库水位升高而增大，对滑坡起很大的稳定作用。图中横坐标0为坡脚剪出口，曲线起点表示库水位从145m上升到151m时，在剪出口处产生的孔隙水压力。上升到相同库水位时，上升速度以1m/d所产生的孔隙水压力最大，3m/d所产生的孔隙水压力最小。由于孔隙水压力增大，相当于在滑体前缘施加了压力，导致滑体稳定性增大。

在库水位下降过程中，由于滑体内渗流的滞后效应，作用于滑带上的孔隙水压力仅在坡脚附近变化较大，远离斜坡面的变化很小，取临近坡脚滑带抗滑段处的孔隙水压力绘成图8。

图8 库水位下降时滑带处的孔隙水压力Fig.8 Pore water pressure curves of the sliding zone during the reservoir water level decreases

图中横坐标0为坡脚剪出口，曲线表示从175m水位降到169m水位时，在剪出口处所产生的孔隙水压力。随着库水位的降低，孔隙水压力也下降。水位降到相同库水位时，下降速度越快，孔隙水压力下降就越大，下降速度3m/d的曲线最陡，而0.67m/d的孔隙水压力曲线相对平缓。曲线越陡，孔隙水压力差越大，即下滑力的增加量就越大，对滑坡稳定性越不利。在151m水位时的孔隙水压力曲线最陡，说明在151m水位附近，稳定性达到最小。降到145m水位时的孔隙水压力都较平缓，此时滑坡的稳定性又增大；0.67m/d的曲线最为平缓，说明此下降速度对滑坡稳定性较为有利。

4 库水位变动下滑坡的稳定性

4.1 正常蓄水周期内马家沟滑坡的稳定

根据实验结果，参考当地实际资料，滑体天然重度为21.4kN/m3，饱和重度22.2kN/m3；滑带强度参数在饱和状态下c值取10 kPa，内摩擦角φ为14°。滑床的重度25.5 kN/m3。滑坡体的弹性模量为30MPa，泊松比为0.40；滑床的弹性模量为1500MPa，泊松比为0.30。

用有限元模拟库水位涨落引起滑坡体内地下水渗流场的变化，将得到的暂态孔隙水压力以荷载的方式，叠加到有限元的强度折减法中，进行稳定性计算。根据计算结果绘出库水位涨落与滑坡稳定系数的关系如图9。

图9 水库正常蓄水周期内马家沟滑坡的稳定性Fig.9 Stability of Majiagou landslide in a normal storage cycle of the reservoir

在水库蓄水时，滑坡的稳定性先略微减小后增大。由于坡外水位升高，而坡内水位较低，存在向坡内的缓慢渗透过程，相当于在坡体表面上施加了一个压应力，滑坡的稳定性增大。当水位从157m上升到175m时，稳定系数为1.26，稳定系数增大幅度有限，是由于水的渗透使抗滑段产生浮力及岩土参数弱化所致。

当175m水位持续180d后，滑坡稳定系数为1.24，再以0.67m/d的速度下降。滑坡稳定性在水位刚下降时没有明显变化，当水位由169m降到145m时，稳定性经历先减小后增大的过程，在151m附近时，最小稳定系数为1.04。

马家沟滑坡坡度相对较缓，正常蓄水周期内库水位下降速度也较小，当库水位刚开始下降时，由于渗流的滞后，稳定性几乎不变。随着库水位的不断降低，导致渗透力沿坡面向下，虽然此时浮力也很大，但渗透力占主导，对坡体稳定不利，稳定系数降低。当库水位下降一段时间后，坡体内的水位也相应的下降，此时，坡体内的水头差相对变小，渗透力减弱，而浮力占主导地位，所以稳定系数又逐渐增大。

4.2 库水位不同升降速度下滑坡稳定性

为了研究水库水位升降速度对滑坡体稳定性的影响，分别以1m/d、2m/d和3m/d的上升和下降速度模拟渗流场的变化，然后计算相应的稳定系数，其稳定系数与库水位关系绘成图10、图11。

从图10可看出，库水位在不同的上升速度下，滑坡的稳定性都是略微减小之后再增大，稳定系数相差较小，最小稳定性系数也大于1.1。水位以3m/d速度上升时滑坡稳定性较低，而水位以2m/d上升时稳定性相对较好，说明水库水位上升速度不宜过快。

图10 水位上升速度对稳定性的影响Fig.10 Stability of the landslide at different rising velocities of the reservoir water level

当库水位上升到175m后，稳定系数达到最大值1.26。经180d后，滑坡稳定系数为1.24，降低0.02，这是由于滑坡体内渗流场趋于稳定，内外水压力平衡所致。

由图11，当库水位从175m开始下降时，滑坡稳定系数略微变小、急剧降低、然后又开始增大。在下降曲线中，越靠近左端的曲线，下降速度越快，其稳定系数也越小；下降速度为3m/d的曲线靠近最左端，其最小稳定系数为1.01，而降速0.67m/d的最小稳定系数为1.04，说明水位下降速度不宜过快，速度太快，滑体内产生的不稳定渗流就会引起水下坡体的稳定性下降。库水位下降速度越大，对滑坡的稳定性越不利。下降时的最危险水位在151m附近，最小稳定系数为1.01。

图11 水位下降速度对稳定性的影响Fig.11 Stability of the landslide at different descending velocities of the reservoir water level

总之，滑坡稳定性评价按最不利情况考虑，即最小稳定系数，按三峡水库正常调控水位的速度下降时，在153m水位附近出现最小稳定系数1.04，处于欠稳定状态，为此对该滑坡在水位自135m上升到156m之前，进行了治理。在该滑坡上设了一排钢筋混凝土抗滑桩（图1），桩截面为2m（3m，桩间距6m，共20根，桩长22m，采用C30混凝土浇筑，保证抗滑桩嵌固段为8m。除抗滑桩外，还设置了完善的地表排水系统。抗滑桩完工后至今，已经历了近三个水文周期的检验，滑坡没有明显变形，说明滑坡治理是有效的。

5 结论

（1）库水位的变化引起滑坡体内渗流场的变化，是非饱和到饱和的过程。库水位上升时，浸润线上凹，下降时，浸润线上凸，水位升降速度越快，浸润线凹凸现象越明显。暂态渗流场的变化仅在库水位变动范围内，远离库水位的坡顶及滑坡上部，基本不受渗流的影响。

（2）孔隙水压力随库水位上升而增大，当上升到相同库水位时，上升速度越快，产生的孔隙水压力相对越小；孔隙压力随库水位下降而降低，当下降到相同库水位时，下降速度越快，孔隙水压力下降就越大。

（3）在库水位上升或下降时，滑坡稳定性都是先减小后增大，并且出现的最危险水位也不一致；库水位上升时，虽然滑坡体的稳定性是增大，但上升速度不宜过大。库水位下降，对滑坡的稳定性最不利，并且水库水位下降速度越快，其稳定性越不利。

（4）按水库正常蓄水周期内的下降速度0.67m/d所对应的最小稳定系数进行了抗滑桩和地表排水系统相结合的设计，经近三个水文周期的检验，滑坡没有明显变形，治理是有效的。

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