曹 博，鲁 博，于前伟，葛书磊，秦二乐，李同录，李 萍

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2. 黄土高原水循环与地质坏境教育部野外科学观测研究站，甘肃 正宁 745339；3. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

水库蓄水会导致库岸边坡岩土体强度降低，诱发滑坡和塌岸，造成直接破坏和淤积、涌浪等工程问题[1-3]。水库在蓄水过程中，库水位的升降使得水库岸坡的水文地质条件发生动态变化，临水斜坡稳定性也随之改变，一旦低于边坡的临界状态，则会发生失稳[4-6]。水的浸没产生的浮托力是库区岸坡变形、失稳的主要因素；同时库水位的升降在斜坡内形成水力梯度，产生的渗透力使边坡稳定性进一步恶化[7-8]。一些学者利用强度折减法分析了水位变化对边坡稳定系数的影响，认为边坡稳定系数随着库水位的增加有先变小后增大的趋势，并不是水位越高，边坡稳定性越差[9-10]。郑颖人等[11-16]分析认为边坡最危险的水位大约位于坡体1/3～1/4处，表明在涉水边坡稳定分析中有一定的危险水位。对三峡库区滑坡的调查发现，自2003年三峡水库蓄水开始，许多涉水滑坡一直在变形，至今还未停止变形，可见水库蓄水对边坡具有长期恶化效应[17]。因此研究涉水水库边坡的稳定性对水库工程具有重要的实际意义。

目前，对于涉水库区边坡研究大多以三峡岩质水库边坡(滑坡)为主要研究对象，黄土地区的水库边坡研究较少[18-21]。我国在黄土地区修建了较多类型的水库，蓄水水位的上升对库岸边坡稳定性会造成严重影响，出现滑坡、塌岸等问题[22-26]。水库作为区域性工程，涉水边坡的类型较多，但对黄土地区的水库边坡仅有个案研究，缺乏系统性、区域性的整体研究，因此针对性的研究只能解决个案问题，着实难以解决水库区域产生的问题[27-28]。因此，依据水库区的边坡演化、地层结构、库水位与地层的关系等因素，对一个水库的边坡进行分类，按边坡类型进行边坡稳定性分析，是非常有必要的。

本文以新建陕西省引汉济渭二期工程为基础，其水库建设加高了鲸鱼沟内原有水库的坝高，增大了原水库的库容量，导致第三系砂泥岩上披覆的黄土会被淹没，易于诱发滑坡，对水库造成一定危害。新建水库蓄水对库岸边坡稳定性的影响，是二期工程特别关注的地质问题。本文在现场调查的基础上，针对鲸鱼沟的地层结构和边坡演化情况，对引汉济渭鲸鱼沟调蓄工程51个边坡进行统计与分类，建立起边坡工程地质模型，计算了水库蓄水过程中不同类型边坡的稳定系数，预测了不利水位下危险岸坡类型的滑移方量，对该水库工程的前期设计和后期运营管理具有一定的借鉴和参考价值。

1 鲸鱼沟水库工程地质条件

1.1 水库区地质特征

鲸鱼沟水库位于渭河盆地中部的黄土台塬白鹿塬上。白鹿塬为渭河盆地中骊山隆起断块西南侧的一个次级断块，与骊山断块之间以灞河断裂为界，与秦岭山地以华山山前断裂西段为界，与少陵塬之间以浐河为界，与渭河阶地间以临潼-长安断裂为界。白鹿塬既是一个构造地块，也是一个独立的台塬地貌单元，如图1所示。

图1 鲸鱼沟水库大坝位置Fig.1 Dam Site of Jingyugou reservoir

白鹿塬长25 km，宽6～9 km，面积263 km2，是西安境内最大的黄土台塬。塬面自东南向西北倾斜，海拔680～780 m，东北侧高出灞河240～320 m，西南侧高出浐河150～200 m，塬面高亢，与灞、浐河谷高差悬殊。塬内鲸鱼沟顺塬面倾斜方向发育切割，将塬面分割为南北两部分，左侧南塬称炮里塬，塬面平缓；右侧北塬称狄寨塬，起伏较大。

1.2 水库区地层岩性特征

白鹿塬是一个相对独立的构造地块，形成了一套以新生代地层河湖相砂泥岩和风积红粘土、黄土为特征的独特的地层系统。邻近与灞河、浐河和渭河冲洪积地层及秦岭基岩地层截然分界。基座是由第三系渐新统至上新统地层构成，上部覆盖巨厚的第四系风积黄土，如图2所示。

图2 白鹿塬地质剖面图Fig.2 A Geological section of Bailuyuan

白鹿塬第三系至第四系地层出露完整，据前人研究，将第四系以黄土为主，自上而下分为全新统、上更新统、中更新统和下更新统地层；第三系以砂泥岩为主，自上而下分为上上新统蓝田组、下上新统灞河组、中新统寇家村组和渐新统-始新统白鹿塬组。白鹿塬区域的地层自北东向西南缓倾，在工程区的鲸鱼沟两侧只出露第四系黄土到下上新统灞河组的地层，寇家村组和白鹿塬组地层未出露。因此鲸鱼沟库区主要为第四系黄土和下上新统灞河组的地层。此外在第三系砂泥岩表层有少量残坡积粉质黏土，在现有水库和沟谷底部有现代淤积的淤泥质土，库区还发育多个黄土滑坡。

白鹿塬自第四纪初就开始抬升，在第四纪晚期，塬中间的鲸鱼沟溯源侵蚀逐步形成。因此第三系和中更新世早期的黄土在库区为水平层状分布，中更新世末期至晚更新世的黄土则披覆在沟两侧的较缓斜坡上，在陡边坡上难以存留。

鲸鱼沟内已修建了红旗水库、车村水库、杨家沟水库等，引汉济渭鲸鱼沟工程将在红旗水库与老车村水库之间修建新车村水库，设计库区的正常水位高程为517.9 m，最高水位550.0 m，水位较原水库水位抬升了近60.0 m。

2 库区边坡结构特征

为了对鲸鱼沟水库塌岸和岸坡稳定性进行分析，勘察期间对两岸岸坡进行了详细调查，鲸鱼沟内涉水边坡高在55～110 m之间，坡度在30°～40°之间，根据涉水部分边坡地质结构将其分为四种类型，即第三系砂泥岩陡坡、黄土-砂泥岩缓坡、黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩陡坡，各类边坡的特征见表1。

表1 鲸鱼沟边坡特征表

由图2可见，白鹿塬的黄土和第三系砂泥岩为平行不整合接触，产状近水平。第四纪晚期，由于鲸鱼沟溯源侵蚀，沟谷下切，沿沟两岸的黄土披覆在沟两侧的第三系砂泥岩和更老沉积的黄土之上，披覆黄土的产状和坡面平行。根据现场调查，披覆黄土主要为L1—S2地层，即晚更新世黄土和中更新世的顶部。随着后期进一步侵蚀，这种披覆结构的黄土沟坡进一步改造，形成了不同地质结构的斜坡。其中下部较陡的黄土-砂泥岩段斜坡，披覆黄土被侵蚀，砂泥岩出露，形成了上述第一种类型，即第三系砂泥岩陡坡，典型斜坡如图3所示，坝址附近最高水位线以下出露第三系灞河组砂泥岩，黄土在最高水位线以上出露，地层结构如图4所示。下部较缓的黄土-砂泥岩斜坡，上部黄土很少被侵蚀，保持了原有地层结构，黄土自坡顶披覆到沟底，该类边坡为上述第二种类型，即黄土-砂泥岩缓坡，典型斜坡如图5所示，上游右岸L1—S2黄土自坡顶披覆到坡底，其地层结构如图6所示。下部较陡的黄土-砂泥岩斜坡，由于位于冲沟堆积岸，侵蚀作用不强，黄土依然存留，自坡顶披覆到沟底，该类边坡为上述第三种类型，即黄土-砂泥岩陡坡，典型斜坡如图7所示，寿阳山墓园上游L1—S2自塬顶顺坡披覆到沟底，下部坡度较陡，其地层结构如图8所示。在鲸鱼沟两侧发育的许多大型冲沟两侧形成洼地，有一定汇水面积，地表侵蚀能力强，黄土被侵蚀，第三系砂泥岩被风化剥蚀，形成了一定厚度的残坡积土，该类边坡为上述第四种类型，即残坡积土-砂泥岩缓坡，典型斜坡如图9所示，现车村水库坝址下游砂泥岩段斜坡被残坡积粉质黏土覆盖，含砂岩、钙板层大块石和碎石，该类斜坡一般为洼地，地表植被主要为竹林，地层结构如图10所示。

图3 第三系砂泥岩陡坡Fig.3 Tertiary sandstone and mudstone steep slope

图4 第三系砂泥岩陡坡Fig.4 Tertiary sand mudstone steep slope

图5 黄土-砂泥岩缓坡Fig.5 Loess sand mudstone gentle slope

图6 黄土-砂泥岩缓坡Fig.6 Loess sand mudstone gentle slope

图7 黄土-砂泥岩陡坡Fig.7 Loess sand mudstone steep slope

图8 黄土-砂泥岩陡坡Fig.8 Loess sand mudstone steep slope

图10 残坡积土-砂泥岩缓坡Fig.10 Eluvial soil sand mudstone gentle slope

3 边坡稳定性分析

3.1 边坡参数选取

经现场钻探采样及现场和室内试验，对鲸鱼沟区内的各层岩土的物理力学参数取值如表2所示。

本文借用Geo-Slope软件对鲸鱼沟内的边坡进行建模分析，采用Morgenstern-Price法计算稳定系数，由于此次水库蓄水时库水位快速上升，则不考虑非饱和区的渗流场以及水荷载对其安全系数的影响。

3.2 边坡稳定性计算

库水位在现状水位和最高蓄水位之间变动，将边坡分为饱和区和非饱和区，据表2知，Q4、Q1以及N2的地层饱和度都在80%以上，处于饱和或接近饱和状态，而仅披覆的Q2-3土层的饱和度部分低于40%，属于非饱和土，且Q2的离石黄土和Q3的马兰黄土是高水敏性土，遇水粘聚力降低显著。因此，仅Q2-3土层水位淹没部分取饱和土抗剪强度，未淹没部分取天然强度。其他土层都按表2，取了天然含水率下的强度参数。高边坡设10.0 m水位为上升间隔，低边坡设5.0 m水位线为上升间隔计算稳定系数，建立水位逐步上升的工况，将4类典型边坡库水位变动与边坡稳定系数的变化关系绘制如图11。

表 2 边坡土体参数表

图11 安全系数与水位上升的关系Fig.11 The relationship between factor of safety and water level rise

《水利水电工程边坡设计规范》[29]规定边坡的设计安全系数为1.15～1.25，依据工程设计的安全系数来评价所选四类典型边坡的稳定性。由图11可见，在现状水位情况下，鲸鱼沟内第三系砂泥岩陡坡、黄土-砂泥岩缓坡、黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩缓坡的稳定系数分别为1.35、1.17、1.35和1.86，根据四种类型边坡所在鲸鱼沟的区域，认为在现状水位下，鲸鱼沟内从下游至上游的边坡均处于稳定状态。

随着库水位的升高，边坡的稳定系数均有所下降，在最高水位550.0 m时，第三系砂泥岩陡坡下降率为5.2%；黄土-砂泥岩缓坡下降率为11.0%；黄土-砂泥岩陡坡下降率为1.5%；残坡积土-砂泥岩缓坡下降率为4.3%。黄土-砂泥岩缓坡的稳定系数下降率最大，最低稳定系数仅有1.04，小于工程边坡的设计安全系数，发生边坡失稳的可能性大。而其他三类边坡均高于设计安全系数，处于稳定状态。

边坡在水库蓄水过程中，都会存在一个“最不利水位”，其对应的边坡稳定系数最小[30]。根据计算结果可知，最不利水位约在坡体的2/3位置处，黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩缓坡的稳定系数较现状水位下降率为5%左右，而第三系砂泥岩陡坡和黄土-砂泥岩缓坡稳定系数下降率大于5%，这也是由于高边坡所受的重力条件突出导致的。其中黄土-砂泥岩缓坡的稳定系数下降最多，下降率达16.2%，对应边坡的稳定系数仅为0.98，相比区内其他类型边坡最危险。黄土-砂泥岩缓坡边坡分布于鲸鱼沟下游，自塬顶至坡脚披覆大量的Q2-3非饱和黄土层，强度对库水位的敏感性较高，本文对粘聚力折减为0，是较为保守的估计。

4 滑移方量预测

新建车村水库的水位高程为550.0 m，比当前水位高出60.0 m，水位抬升以后，在最不利水位的情况下边坡更易失稳，产生的滑移方量也就越大。由上述结果可知，鲸鱼沟下游的黄土-砂泥岩缓坡在蓄水过程中是鲸鱼沟水库内一种较为危险的边坡类型，易于形成滑坡并产生库区淤积。库区内黄土-砂泥岩缓坡的延伸距离约1.5 km左右，可用6个剖面段估算的滑移方量，滑移方量的预测数据绘制如表3。

表3 滑移方量预测表

以两条剖面的塌岸面积和剖面间距离估算剖面段之间的滑移方量，将所有剖面段的滑移方量累加得到总的滑移方量。通过表3可知，黄土-砂泥岩缓坡段预测的总滑移方量为785 077.4 m3。相比整个库区的滑移方量而要言，仅占总体滑移方量的13%。

5 结论

1)任何库水位条件下，鲸鱼沟内的第三系砂泥岩陡坡、黄土-砂泥岩陡坡和残坡积土-砂泥岩缓坡的稳定系数均高于水利水电工程边坡的设计安全系数。黄土-砂泥岩缓坡在库水位上升过程中，稳定性降低幅度大，容易形成滑坡和库区塌方。因此，在鲸鱼沟新车村水库建设中应特别关注最不利水位下黄土-砂泥岩缓坡的稳定性。

2)黄土-砂泥岩缓坡位于鲸鱼沟下游，Q2-3黄土披覆于整个坡面，在库区内延伸距离大约1.5 km，不利水位下预测该类边坡的总滑移方量约为785 077.4 m3，占库区总滑移方量的13%。