库水长期升降作用下库岸边坡稳定性研究

邓成进1，2，王孔伟3，袁秋霜1，2，贾巍1,2

(1.中国水电工程顾问集团 西北勘测设计研究院有限公司，西安710065；2.国家能源水电工程技术研发中心

高边坡与地质灾害研究治理分中心，西安710065；3. 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002)

摘要：选取三峡库区典型库岸的砂岩进行“浸泡-风干”循环试验，模拟库水升降条件对库区水位变幅区岩石强度的影响。根据岩石试验结果和岩体RMR法推算出经历不同水位条件下岩体参数劣化规律，并通过数值模拟研究变幅区砂岩的劣化对库岸典型滑坡区库岸稳定性的影响，分析库岸边坡在库水长期作用下演化规律。研究表明：水位升降过程对变幅区岩体质量的劣化作用较为明显，会导致库岸边坡破坏的时间大为缩短；库岸坍塌破坏过程与此类滑坡稳定性有直接的联系，可能最终会导致此类滑坡复活。研究成果可为库区内此类滑坡长期稳定性分析提供参考。

关键词：库岸边坡；浸泡-风干试验；库水位变幅区；滑坡复活；岩体RMR法

中图分类号：P642文献标志码：A

1研究背景

三峡库区蓄水后， 库区库岸水位变幅区的岩体将受到长期的“饱水-风干”循环作用， 使岩体产生渐进式破坏和不同程度的劣化[1-2]， 很可能使稳定的库岸边坡朝不稳定方向发展。 目前， 崔政权等[3-5]详细研究了三峡库区蓄水后水-岩作用对典型滑坡稳定性的影响， 为研究蓄水后库区滑坡的稳定性提供了参考依据。 而针对水-岩作用机制等内容的诸多研究成果， 主要集中在不同饱和状态、 不同pH值及不同化学溶液条件下岩石的强度及变形特征， 以及其强度随浸泡时间变化和破坏形态等方面[6-8]， 较少深入研究“饱水-风干”对库区水位变幅区岩体的长期作用过程， 以及水压力“楔入”作用下岩体的长期劣化规律对库岸滑坡稳定性的影响。

本文研究的库岸边坡距三峡大坝47～64 km，该库区岸段密集分布8个规模不一的滑坡，组成三峡库区内一个典型滑坡群，且为典型挤压—推移—剪切破坏类型顺层滑坡。本文重点针对该区域其中一个典型滑坡，研究库区水位变幅区岩体劣化对库岸边坡长期稳定性的影响，为三峡库区库岸边坡长期稳定分析提供参考依据。

2滑坡基本情况

滑坡位于长江右岸，两侧以沟为界，平面似一个“漏斗”，“漏斗”进口面向长江，高程135 m，宽约1 450 m，漏斗出口位于滑坡后缘北端，最高标高520 m，两侧沟大体近南北向延伸，后缘滑壁平直光滑，长约数百米，滑坡体方量总约9 000万m3。

滑床主要由香溪组中、下级地层组成，顺层滑动部分滑床以香溪组炭质粉砂岩为主；切层岩体由层状石英砂岩、含砾石英砂岩构成。滑坡地质剖面见图1，滑坡滑床的上部与岩层面一致，呈直线，倾角21°～25°，下部滑床顶面变缓。滑体顺层滑动的滑带由软弱的煤系地层构成，滑坡的前部为切层滑动，形成滑面较缓，有着明显的阻滑作用。

图1　滑坡地质剖面 Fig.1　Geological profile of landslide

3库水作用下岩石试验研究

本文通过试验研究变幅区岩石强度随库水位不断升降的劣化规律，岩石浸泡试验采用YRK-1岩石溶解试验仪。由于砂岩在该岸坡岩组中占较大比例，试验的试样均取自该滑坡体前部砂岩。

试验考虑3种水位升降(变幅深度)及浸泡方案，并模拟变幅区岩体经历的库水升降过程，方案见图2。其中，试验仪器最大水压分别为：①0.8 MPa水压，相当于库区80 m水位变幅；②0.4 MPa水压，相当于库区40 m水位变幅；③0 MPa水压，相当于常规的岩石“浸泡-风干”循环试验。3种方案的试验过程一致：每期试样在水中浸泡30 d，前10 d均匀上升到设计水位，中间10 d水位稳定期，后10 d为水位下降期。同时，对每一期“浸泡-风干”之后的试样进行单轴压缩试验，共进行6期(循环6次)试验，浸泡后各期岩石试验强度和变形模量见表1。

图2　库水升降作用下岩石浸泡方案 Fig.2　Plan of rock immersion under reservoir water level fluctuation 表1　岩石强度和变形模量试验结果 Table 1　Test results of rock strength and deformation modulus

循环次数不同水压下的单轴抗压强度/MPa不同水压下的变形模量/GPa0.8MPa0.4MPa0MPa0.8MPa0.4MPa0MPa045.9845.9845.983.263.263.26148.2641.6937.543.512.772.30237.2333.0033.522.271.791.85330.9229.9430.921.561.451.56429.0728.9629.391.351.341.39528.5128.6428.721.291.301.31628.1028.5128.591.261.291.28

由表1可知，随着岩石经历“浸泡-风干”循环次数的增加，岩石强度和变形模量整体上均呈不断降低的趋势。经历第6次循环试验后，0.8 MPa水压条件下岩石劣化程度最高，强度值约为初始值的61.1%，变形模量为初始值的38.6%。

在不同水压条件下，岩石经历“浸泡-风干”循环试验后其质量劣化的变化规律并不一致。在常压条件下(0 MPa水压)，经历1次循环后岩石质量迅速劣化，其强度为初始值的81.6%，变形模量为初始值的70.6%，而后单次循环对岩石影响变小。在0.4和0.8 MPa水压条件下，岩石在经历1～2次循环后，其强度下降却并不明显，在经历3～4次循环时岩石强度迅速降低，而后变化速率变慢，其中在0.8 MPa水压条件下，岩石强度降低更快。

4库水压力长期作用下岩体参数的确定

为了得到库岸变幅区岩体参数劣化规律，假定在库水作用下库岸岩体变形模量与岩石变形模量的变化规律一致，根据岩体变形模量与RMR的关系[9]，可推求岩体RMR值变化规律。通过岩体RMR确定岩体参数初始值，最终得到不同“浸泡-风干”循环次数作用下岩体c和φ值变化规律。

根据地质资料，依据RMR值评分标准计算出修正后的初始RMR值为26，根据该RMR值估算岩体变形参数E及经验参数m，s值，计算岩体初始参数：黏聚力c0=0.617 MPa，内摩擦角φ0=43.3°。根据岩体RMR变化规律，推求出每次循环后岩体的c和φ值，并采用相应公式对岩体c和φ值变化规律进行拟合，拟合公式[10]为

(1)

式中：N表示期次；y为期次N对应的c或φ值；y0为初始的c0或φ0值；a，b均为拟合系数。通过拟合公式可计算出不同水压(水位变幅)条件下，不同循环次数N的变幅区岩体内摩擦角、黏聚力变化情况，见图3。

图3　拟合后内摩擦角和黏聚力的变化情况 Fig.3　Variations of internal friction angle and cohesion of rock mass according to fitting formula

由图3可知，在不考虑库水位变幅条件(0 MPa压力)条件下，前期岩体参数下降较快，其中在经历1次浸泡后岩体内摩擦角下降9%，黏聚力下降10.8%，而后单次循环对岩体参数影响较小，这与文献[10]常规的风干-饱和循环试验结果较为接近。但在考虑水位变幅作用(0.4和0.8 MPa水压)后，前期变幅区岩体参数的劣化不明显，而后期岩体参数劣化速度较快；而且库区水位变幅深度越大，变幅区岩体参数劣化也越为明显。

5滑坡在库水长期作用下稳定性分析

5.1　计算模型及计算参数

采用FLAC3D对该滑坡进行建模，本构模型采用摩尔-库伦屈服准则，模型长1 926 m，高1 028 m，网格剖分采用四边形或三角形网格(见图4)，共有单元5 640个，节点11 612个，模型底边和侧边法线方向约束。根据三峡库区蓄水后水位升降特点，库岸变幅区30 m岩体经受“饱和-风干”作用，根据上述试验结果进行插值取30 m水位变幅条件(0.3 MPa)下岩体参数的劣化规律，得出不同水位升降作用次数N对应的岩体力学参数。滑坡体物理力学参数如表2所示。

图4　模型单元网格 Fig.4　Element subdivision

表2　滑坡岩体物理力学参数 Table 2　Physico-mechanical parameters of slope rock mass

5.2　蓄水后滑坡稳定性分析

通过计算得出各个循环次数下的滑坡塑性区及水平位移变化情况(见图5、图6)，以分析库水位周期性升降对滑坡长期演化过程的影响。同时，在FLAC3D中计算滑坡在175 m正常蓄水位条件下的稳定安全系数，以评价和分析滑坡目前的稳定状态。采用强度折减法计算得出该滑坡安全系数为1.46，有一定的安全裕度。滑坡塑性区分布见图5(a)(循环1次)，塑性区并未贯通，只有水下部分滑带均呈塑性屈服状态，表明蓄水后滑坡处于稳定状态。

图5　经历多次循环后滑坡塑性区分布 Fig.5　Distribution of plastic zone of landslide after cycles

图6　经历多次循环后滑坡水平位移 Fig.6　Horizontal displacement of landslide after cycles

5.3　滑坡长期演化规律分析

由图5(b)可知，蓄水之后到80次循环之间，随着滑坡前部变幅区岩体质量不断劣化，变幅区岩体塑性区范围不断扩大，而滑带的塑性区范围不断减少；经历80次循环后，随着变幅区岩体塑性区范围的扩大，滑带塑性区范围也逐渐增大；由图5(d)可见,在经历98次循环后，滑坡前缘部位已经完全破坏，前部滑体对滑坡的支撑阻滑作用明显减弱，滑带塑性区已经完全贯通。

由图6(a)、(b)可知，蓄水后至10次循环之间，滑坡最大水平位移为30～50 mm；而后至95次循环(图6(c))，滑坡前部最大水平位移逐渐增至100 mm；在经历98次循环作用后(图6(d))，滑坡前缘部位位移产生突变，滑坡最大水平位移约为1 000 mm，表明滑坡前缘部位已经完全破坏，且滑坡体出现明显的整体位移，表明滑坡可能复活。

综上所述，随着循环次数增加，库岸变幅区岩体不断劣化，最终在经历98次循环后，滑坡前部岩体软化、坍塌、破坏，滑带塑性区贯通，滑坡体出现明显的整体位移，滑坡重新复活。此时岩体参数c0=0.26 MPa，φ0=17.2°，由计算可知，此参数相当于未考虑水位变幅条件下循环202次、40 m水位变幅下循环81次、80 m水位变幅下循环21次时的岩体参数。表明库水位升降过程加剧原有水-岩作用，导致库岸边坡破坏的时间大为缩短，对该区域的滑坡长期稳定性构成极大的危害。

6结论

(1) 该滑坡为三峡库区内一个典型的挤压—推移—剪切破坏类型顺层滑坡，前部为切层滑动，滑面较缓，有着明显的阻滑作用。蓄水后该滑坡水位变幅区的岩体经历着长期“浸泡-风干”循环作用，水压力的“楔入”作用造成岩体劣化，库岸岩体破坏，极有可能引起此类型的滑坡重新复活。

(2) 岩石浸泡试验结果可知，在水压作用前期试验过程中，岩石质量劣化并不明显，而到后期其质量劣化速度加快，最终岩石强度更低，表明水位升降过程对变幅区的岩石质量劣化作用较为明显，加剧水-岩作用过程。通过岩体RMR法推算出不同条件、经历不同循环次数N后的内摩擦角、黏聚力的变化情况。研究表明，考虑水位变幅条件下前期参数劣化较慢，但在后期劣化较快，水位变幅深度越大，岩体参数劣化程度也越大。

(3) 数值模拟计算结果表明，滑坡体前部水位变幅区岩体塑性区扩展与滑坡稳定性有着密切关系，库岸坍塌过程与滑坡稳定性有直接的联系：随着变幅区岩体持续软化，经历98次循环后，变幅区的岩体全部坍塌，滑坡体出现明显的整体位移，塑性区贯通，此时滑坡重新复活。

上述研究表明，库水位升降过程加剧原有水-岩作用，导致库岸破坏的时间大为缩短，对区域滑坡群的长期稳定性构成极大的危害。

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(编辑：黄玲)

Stability of Reservoir Slope under RepetitiveVariation of Reservoir Water Level

DENG Cheng-jin1,2，WANG Kong-wei3，YUAN Qiu-shuang1,2，JIA Wei1,2

(1.Hydro China Xibei Engineering Corporation，Xi’an710065，China；2.High Slope and Geological Hazard Research Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center，Xi’an710065，China；3.College of Civil Engineering and Architecture，China Three Gorges University，Yichang443002，China)

Abstract:The influence of reservoir water level on rock strength in the water level variation zone was researched through immerse-dry test on sandstone collected from typical bank slope in Three Gorges Reservoir area. The degradation of rock mass parameters in the presence of different water levels was deduced by using the test results and RMR method. Furthermore, the impact of rock degradation in the variation zone on the stability of a typical landslide in the Three Gorges Reservoir Area was analyzed through numerical simulation. Results reveal that the increase and drawdown of water level has obvious deterioration effect on rock mass, and shortens the time of bank slope failure. The reservoir bank collapse is directly related with the landslide stability and may cause the reliving of landslide. This research is a reference for analyzing the long-term stability of landslide in the reservoir area.

Key words: bank slope of reservoir; immerse-dry test; variation zone of reservoir water level; landslide relive; RMR method