水库蓄水对堆积体岸坡的影响及作用

7.4.1.1　岩土体与水相互作用机理

从岩土体与水的作用类型来看，水与岩土体的作用方式主要包括物理作用、化学作用以及力学作用(图7.2)。

图7.2　水岩相互作用过程示意图

水对岩土体的物理作用主要是表现为综合软化效应，直接使岩土体的结构、强度发生改变，主要包括软化、润滑等作用。软化效应是指岩土体遇水后，岩土体物理性质(如含水量)的变化，导致岩土体内摩擦角和黏聚力的减小。一般随着含水量的增加，软化效应增强，尤其是岩土体中存在某些软弱夹层或黏土矿物时，软化效应更加明显。润滑作用主要表现为使岩土体中裂隙面上的摩阻力减小。

水岩力学作用主要包括静水压力、渗透压力方面。静水压力主要是指孔隙水压力通过改变岩土体中的有效应力来影响岩土体的力学强度。对于饱和岩土体而言，根据有效应力原理：有效应力=总应力-孔隙水压力，σ′=σ-PW。根据摩尔—库仑准则，τ=σ′tanφ+c=(σ-PW)tanφ+c。显然，孔隙水压力增大，岩土体的抗剪强度减小，土体更容易发生破坏。渗透压力是在渗流过程中水流作用于土颗粒产生的方向与渗流方向一致的力，其大小主要取决于水力梯度。对于边坡来说，渗透压力的危害是两方面的：一是在渗流过程中，水流带走土体中的细颗粒，随着孔隙的增大，粗颗粒也可能被带走，改变岩土体的结构组成，降低土体强度，造成渗流破坏；二是在渗流过程产生的与坡向一致的渗流推力，直接增加了斜坡的滑动力，导致斜坡发生破坏。

斜坡体内部水化学作用加强了对岩土体的侵蚀、风化，使岩土体物理力学性质减弱，降低了岩土体抵抗破坏的能力。主要包括溶解溶蚀作用、水解作用及离子交换作用等。

水在堆积体形成、演化及改造过程中发挥着重要作用，包括软化作用、渗透作用、物理化学作用及冲刷剥蚀作用等。

7.4.1.2　库水位变动对堆积体岸坡稳定性的影响

水库蓄水后堆积体的水文地质环境将发生很大程度的变化，浸水后堆积体的强度参数将发生明显的改变，进而影响着堆积体的稳定性问题。因此，分析蓄水过程中堆积体内地下水位及渗流场的变化，对于分析堆积体在蓄水过程中的稳定性尤为重要。库水位升降对堆积体岸坡稳定性的影响主要表现在两方面：一是水与堆积体之间的物理化学作用，即软化、溶解作用等，降低了岩土体强度；二是水与堆积体的力学作用，包括在库水升降过程中产生的孔隙水压力、超孔隙水压力、浮托力和动水压力。

水库蓄水后，当库水位上升时，堆积体的渗流场、应力场和位移场都发生了变化。库水位的变化将直接影响堆积体岸坡内部地下水位。库水位上升抬升了堆积体岸坡内部地下水位，使得地下水作用于岸坡的面积增大，更大范围堆积体岸坡在水的浸泡作用下软化，使其抗剪强度参数c、φ值降低。另外在地下水浸泡范围内的坡体孔隙水压力增加，法向应力减小，导致岸坡抗滑力降低，不利于岸坡稳定；而水位上升导致浮托力的增加，具体表现为滑体重度由天然重度变为浮重度，重度的减小，即使得滑动力减小，也使得抗滑力减小，而岸坡稳定性的变化取决于滑动力和抗滑力的减小程度。

库水位的突然骤降导致堆积体内的地下水不能及时排除，产生超孔隙水压力，法向应力减小，从而降低岩土体力学强度，使抗滑力减小，引发滑坡。库水位的突然降低还会使得内部地下水位高于库水位，地下水通过岸坡向库区排泄，排泄过程中会产生较大的水力梯度而导致较大的动水压力，从而增加滑动力，不利于堆积体岸坡稳定。

通过对库水位不同上升速率对堆积体渗流场影响分析发现，库水位上升速率对滑坡渗流场的影响起着至关重要的作用。在库水位上升过程中，若库水位抬升速率小于滑体渗透系数，库水能及时入渗补给地下水，使得库水位的抬升速度与斜坡内地下水位的抬升基本同步，属于蓄水同步型；若上升速率大于滑体渗透系数，库水位的抬升速度大于库水入渗引起的地下水位的抬升速度，地下水位线出现内凹，呈滞后现象，属蓄水滞后型。

无论是库水位上升还是下降，孔隙水压力、浮托力和渗透压力的变化都对岸坡的稳定性起着不同程度、甚至相反的重要作用，因此库水位变化过程中，岸坡稳定性的变化趋势很大程度上取决于哪一种力起着主导作用，对岸坡稳定性的影响最大。除此之外，岸坡地形、潜在滑面形态、堆积体岸坡岩土体的渗透性以及库水位调度情况和抗滑段、下滑段的相对关系也会影响库水位作用下堆积体稳定性的变化趋势。因此，根据库水位变动过程中，斜坡破坏方式、库水对岸坡对主要作用方式、岩土体渗透性、基覆界面形态等，可将堆积体岸坡在库水位作用下的变形响应模式分为浮托减重型、动水压力型和冲刷侵蚀型。

(1)浮托减重型，通常地形上中前部地形较平缓，潜在滑面前部形态较平缓或水平，存在明显的抗滑段，渗透性较好的斜坡受浮托力影响较大，在库水位上升过程中稳定性可能会呈下降趋势，而当库水位继续上升超过抗滑段，影响到下滑段后，斜坡稳定性又开始逐渐上升，其对应的地下水渗流响应模式为蓄水同步型。

(2)动水压力型，通常直线形坡面，潜在滑面形态较陡、呈直线形或近弧形，渗透性一般或较差的斜坡容易产生较大的渗透压力，在库水位下降过程中容易导致岸坡稳定性降低，其对应的地下水渗流响应模式为退水滞后型。

(3)冲刷侵蚀型，通常前缘临江处地形形态陡峭，物质结构松散或胶结较好，渗透性较差但遇水极易崩解。在库水位变动过程中，堆积体被水浸泡后软化，强度降低，受水冲刷，形成凹腔，发生坍塌，反复循环，岸坡逐级后退。

7.4.1.3　工程实例分析

(1)黄润秋、许强、陶连金等对三峡水库蓄水前后1000余个滑坡堆积体稳定性的变化情况进行了预测(表7.5、图7.3)，其结果表明蓄水以后，库岸稳定和基本稳定的滑坡数量大幅下降，潜在不稳定和不稳定的滑坡数量则大幅度增长。

表7.5　蓄水前后三峡工程移民区滑坡稳定性变化情况单位：处(www.xing528.com)

图7.3　蓄水前后三峡工程移民区滑坡堆积体稳定性变化情况

1—稳定或基本稳定；2—潜在不稳定；3—局部不稳定；4—不稳定；5—变形体

(2)天生桥一级水电站库区蓄水后失稳区多次现场调查成果分析，水库大型堆积体岸坡变形塌岸主要有以下两种形式：

1)水库蓄水使古滑坡堆积体整体或部分复活，主要特征是沿滑坡后缘或前缘中部产生开裂。

2)由于支沟或冲沟两侧自然岸坡较陡，且岸坡中的覆盖层(坡残积层)较厚，在库水的浸泡下，沿覆盖层内部或覆盖层与基岩接触面产生塌滑，该类塌岸表现形式为牵引式滑移错落。

总体上以第二种类型最多，典型实例见图7.4。

图7.4　天生桥一级水电站水库堆积体库岸再造典型滑坡地质剖面图

(3)阿墨江普西桥水电站库尾H23滑坡堆积体，分布高程720.00～840.00m，地形坡度约15°～20°，前缘至江边。临江面受江水冲刷形成内凹形弧形陡坎，岸坡地形坡度为35°～45°，局部可达55°，该滑坡体长约650m，相对高差大于120m，厚约15～67m，平均厚度为42m，坍滑体体积约为750万m3。底部距河床高约3～5m组成物质为碎砾石质粉质黏土混漂石，上部为含碎石砾质土，近地表2m为含砾粉质黏土。蓄水前处于稳定状态，在正常蓄水位或校核洪水位条件下，滑坡体前缘大部分坡脚被淹没，长期浸泡的条件下，松散堆积体抗剪强度大幅降低，同时在浪蚀、侧蚀作用下，坡脚逐渐掏蚀，土体易失稳，形成圆弧形渐进式牵引坍滑，易诱发滑坡体局部复活，在一定范围内进行库岸再造，分布范围沿江呈条带状展布。经分析计算，滑坡体范围内大部分公路及公路以下所有民用建筑物均处于失稳区内，公路以上大部分民用建筑物也处于失稳区内。失稳范围根据滑坡体物质组成和现水位以上自然坡度采用工程类比法及经验数据推算，面积约为25.5万m2，牵引式坍滑不会造成滑坡体的整体速滑(图7.5)。

图7.5　普西桥水电站水库滑坡H23塌岸范围预测分析剖面图

(4)何元宵等通过对8个山区河道型水库(三峡、二滩、宝珠寺、大朝山、漫湾、天生桥一级、紫坪铺、小湾等)塌岸分布统计发现，堆积体岸坡结构类型塌岸所占比例高达85%以上。其中以残坡积堆积体岸坡占比例最大，为60.28%，其后依次为崩坡积堆积体岸坡占18.82%，冲积层堆积体占6.97%，古滑坡堆积体占2.79%。统计表明，山区河道型塌岸主要发育于坡残积堆积体中。据上述多个山区河道型水库塌岸模式分布统计发现，山区河道型水库主要以崩(坍)塌型和滑移型为主，分别占38.49%和37.77%，冲磨蚀型占23.74%。其中滑移型塌岸中，古滑坡复活型占5.04%，堆积体滑坡占26.62%，基-覆界面型滑坡占4.68%。

(5)紫坪铺水库区倒流坡库岸大型堆积体，为滑坡、崩塌及坡残积混合堆积体，可分为3个区，总方量大于300万m3，距紫坪铺水利枢纽工程坝址21km，紫坪铺水库正常蓄水位高程877.00m，水库蓄水后将淹没该库岸段及其该段国道213线，国道213线将改线抬高至920.00m高程附近，从倒流坡堆积体中部通过。为保证213国道改线公路的安全，必须正确评价倒流坡库岸堆积体稳定性，以及因水库运行造成滑坡复活的可能性。采用传递系数法和二维及三维弹塑性有限元迭代解法，对紫坪铺水库区倒流坡库岸堆积体的稳定性进行了计算分析。计算结果表明，天然状况下，Ⅰ区(1号滑坡体)稳定性系数K为0.95～1.0左右，滑坡体处于临界稳定状态。Ⅱ区(2、3号滑坡体)稳定性系数K为1.0～1.05左右，滑坡体处于欠稳定状态，但是在地震等极端荷载作用下，滑坡体将产生滑动。因此，Ⅰ区、Ⅱ区的滑坡体必须进行工程处理(杨建、李同春等，2003)。

(6)牛栏江天花板水电站近坝库岸田坝村堆积体，当水库水位达到正常蓄水位1071.00m高程后，堆积体前缘大范围产生变形。估计变形堆积物体积大约为3500万m3，变形体后缘、侧缘边界清晰，两侧坡体错距明显，近SN向展布，前缘顺河宽度约1.2km。由于岸坡坡度较陡(30°～45°)，前缘受库水位升降影响，塌岸现象比较普遍。堆积体变形最大合位移在300～1114mm之间。根据堆积体地形地貌特征、堆积体成因、裂缝分布形态及变形特征，可将变形体大致划分为3个区。其中Ⅰ区变形体位于田坝村堆积体下部，边界呈不规则M形展布，坡体平均宽度820m，斜长约560m，面积约45.92万m2，平均厚度约64.5m，估计方量约2960万m3。坡体上纵向、横向裂缝十分发育，横向拉裂缝多分布于坡体前缘，是导致塌岸的主要原因，中部的横向裂缝导致坡体形成后高前低的多级错坎。后缘裂缝张开宽度30～50cm，垂直落距3～4m；侧缘裂缝张开宽度20～30cm，垂直落距1.5～2.0m左右；坡体内部分布的两个村庄内的房屋均破坏比较严重。Ⅰ区变形体前缘变形监测成果见图7.6，堆积体的变形与水库水位变化及降雨具有一定的相关性。

图7.6　田坝村堆积体Ⅰ区后缘变形量、库水位、温度、降雨量与时间关系曲线