地下水位升降变化引起的边坡失稳问题

李少琪1， 赵凌峰2

1 青岛市市北区城市管理局，266011，李少琪

2 烟台腾远建筑工程有限公司，264000，赵凌峰

0 引 言

引起地下水位变化的原因有很多，总体岩性、含水层结构、降雨、气温以及人为施工和灌溉等行为都会引起地下水位的波动。

地下水位的升降变化也会引起一系列的问题，常见的有土壤盐渍化、粉细砂的液化和管涌、地下洞室的上浮和渗漏水、人工建构筑物的腐蚀以及海水入侵、地面沉降等。除此以外，地下水位的升降动态变化也会引起边坡的失稳。自然环境中，边坡失稳大多与降雨引起的岩土体强度参数降低有关，但是也有一些特定情况下滑坡的产生主要是由于水位升降引起。在这类情况中，比较典型的是水库水位变化引起的库岸边坡失稳破坏以及渠道通水—断水引起的渠道边坡失稳破坏。

1 库水位变化引起库岸滑坡

在全球范围内，至少有1%的水库一定程度上受到滑坡的影响[1－3]，水库库岸滑坡对水库及大坝的危害主要包括两个方面，一是大量岩土体滑入水库，减少了有效库容，使水库的正常运营和使用寿命受到影响；二是如果滑坡体高速滑入水库，造成巨大的涌浪，直接危及大坝安全及电站的运营。因此，库岸稳定性问题的研究越来越引起工程技术人员的重视[4－7]。水库滑坡既有一般山地灾害的共性，又有其特殊性，特殊性表现为它的活动与库水位的涨落关系密切[8]。库水位的上升导致滑坡体浸水面积增加，滑动面上的有效应力降低，部分滑带饱水后强度降低；库水位下降时，如果滑体的渗透性较差，就会由于滑体内地下水位下降相对滞后， 导致坡体内产生超孔隙水压力，从而对滑坡体的稳定性产生不利影响。因此，研究库水位涨落对滑坡稳定性的影响时，问题的关键在于如何定量计算库水位变化而导致的滑坡体内孔隙水压力的变化，从而进一步采用技术成熟的计算方法进行滑坡稳定性分析，获得稳定性随库水位变化的时间过程。以往对库水位上升或下降及降雨对库岸滑坡稳定性影响的研究一般都建立在饱和稳定渗流假设基础上。

三峡水库运营过程中，库水位在145～175m间周期性涨落，库水位变化必将引起库岸水文地质环境条件的改变，从而影响库岸的稳定性。据统计［2］，受三峡水库蓄水及库水位变动影响，不稳定和潜在不稳定的涉水滑坡有1130处，水库滑坡与库水位涨落的关系密切．文献［9］调查了Roosevelt湖附近地区1931—1953年发生的一系列滑坡，发现有39%发生在1931—1932年的蓄水初期，30%发生在水位骤降10～20m阶段。有关库水位变化诱发滑坡的事例屡见不鲜，2003年7月13日，三峡水库在初期135m高程蓄水30d后，秭归县发生了千将坪滑坡。对滑坡而言，地下水位升高，一方面降低了滑坡体的有效应力，同时由于水的软化浸泡作用，降低了滑体及滑带的强度参数［10］。

为了尽可能地模拟实际情况下库水位变化对库岸边坡的影响，现场试验往往造价太大并且实现困难，数值模拟又存在模型选取的问题，因此选择室内的物理模型试验来进行研究。

物理模型试验基本都是以实际滑坡为依据，结合实际的岩土参数和工况来进行研究。冯文凯[11]采用离心模型对三峡木鱼包滑坡进行了研究，试验模型滑床采用砖石和混凝土填筑；滑带采用黏土和石英砂配置，比例为8：2，含水率7.5%，厚度依据原型厚度的不同3~6mm之间；岩质滑体采用重晶石粉、细石英砂、石膏、水泥和水按36∶108∶5∶45∶30比例制备相似材料，并按滑坡原型节理裂隙的发育情况切割，间隙使用相似材料粘结。覆盖层采用黏土和石英砂按照5∶5配置，根据滑坡原型覆盖层厚度按比例涂抹在模型表层。试验模型制作完成后，将其静置固结，以备试验。此外，在模型的制作过程中同步埋设土压传感器、孔隙水压力传感器和位移传感器，并采用高速摄像机记录试验过程。

2 渠道水位变化引起两岸滑坡

渠道是指是指为输送水流而在地面上开挖填筑或埋设的人工水道工程。自然状态下渠道每年会经历一次通水-断水的干湿循环。普通土质的渠道边坡大多坡高不高且坡角平缓，不会发生滑坡破坏，但是对于一些特殊土边坡，由于土体自身特点在经历干湿循环后经常会发生破坏，这其中膨胀土渠道边坡的破坏最为常见。

膨胀土由于其水敏性，在经历干湿循环后强度迅速下降，且会产生大量裂隙，导致土体强度进一步降低。当渠道边坡为膨胀土时，每年的通水——断水循环对边坡的膨胀土性质产生不利影响。

中国北疆供水工程位于阿勒泰地区，供水明渠沿线地质条件复杂，分布大量的膨胀土。该地区属温带大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，为了减少冻胀破坏，渠道采取季节性供水，每年4—9月份通水，其它时间停水。渠道在每年历经一次通水—停水的干湿循环交替作用下渠坡表面极易产生裂隙，坡面土体崩解、强度降低，导致渠道滑坡失稳频繁发生，每年造成的经济损失难以估量，这个问题已经引起各方面的高度关注。

为了使边坡稳定分析计算结果的准确性，在由Seep3D软件建立渠道边坡的三维有限元模型时，取两种地下水位分别建模。当模型的地下水位高程高于渠底7m时，计算出边坡的渗流面水力坡度较大，渗流面相对陡峭一些；当模型的地下水位高程高于渠底5m时，边坡内部的渗流面相对平缓。在渠坡底段，流量线与等势线较为密集，水力坡降指向坡外，所以渠道边坡的底部是最不稳定的。总的来讲：

（1）在各个不同工况下，排水有效的情况下的安全系数要比在排水失效情况下的安全系数大，说明渠道边坡在排水有效状态下的安全度，明显高于排水失效状态的安全度。

（2）判别边坡是否失稳的依据，是观察边坡是否具有塑性贯通区域。由渠坡剪应变增量云图可以观察到，每个模拟结果图都具有明显的贯通区域，即存在潜在滑动面，贯通区域的范围大致为从坡顶延至到坡脚处，潜在滑裂面的形状都为类似于圆弧状，边坡在此区域内发生滑动。

（3）由剪应变增量云图还可看出，最大应变均出现在坡脚处，说明滑坡的滑裂面从坡脚开始滑动，坡脚是渠坡失稳的最危险部位。滑坡首先会从坡脚开始发生滑动，然后滑移动体会从下带动上部土体进行滑移。

（4）进一步分析认为，最大的局部应力出现在坡脚，是因为该处最早产生了很强的应力集中，当坡脚的应力集中达到膨胀土自身抗剪强度时，渠坡就会开始产生损伤并发育塑性变形，局部塑性破坏区的出现，使得一定区域内的抗剪承载力减低，而且范围逐渐扩大，就会沿塑性区域形成剪切带，滑动面就此形成。从而整个土体结构发生变化出现滑坡。

蔡正银等[12]试验采用南京水利科学研究院60g·t 中型土工离心机，如图4所示。该离心机有效半径为 2.24 m，最大加速度为 200g，有效载重为 3 kN，挂篮空间为 0.9 m ×0.8 m×0.8 m。挂篮侧面搭载了摄像系统，可以完成对离心机室、模型箱等部位的监视及录像。该离心机配备了先进的数据采集系统，可在试验过程中对模型的变形、土压力、孔压等物理量进行实时测量。

通过2组膨胀土渠道干湿循环离心模型试验，研究了渠道边坡裂隙演化规律及变形情况，探讨了渠道边坡中的孔隙水压力和饱和区变化，得出以下3点结论：

（1）随着干湿循环次数的增加，膨胀土渠坡裂隙不断扩张，膨胀性越强，裂隙发育程度越高，经过多次循环后造成膨胀土边坡的破坏。

（2）从变形模式来看，渠道水位升降造成的干湿循环作用下渠坡破坏模式有别于传统的牵引式滑坡，其破坏均始于坡面水位线附近的裂隙发育造成的崩解剥落滑塌，而非由坡底向上逐级牵引破坏。

（3）随着干湿循环次数的增加，渠水的入渗越来越强，饱和区也越来越大。膨胀性越强，入渗越明显，相应的饱和区也越大。

最近几年，也有学者在进行试验后将破坏的根本原因归结为膨胀土的胀缩性（膨胀性）。在排除了超固结性和裂隙性的影响后，试验中膨胀土边坡浅层土体由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动，随着水分在坡体内的迁移，局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展，在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面，最终导致边坡整体塌滑。这与实际工程中膨胀土边坡的多层逐级牵引性渐进破坏的特征保持一致，因此在比对后，程展林[13]认为膨胀性是影响膨胀土边坡失稳的主要原因。

3 总结

岩土的地下水力学作用，分为静水压力作用和动水压力作用两种。他们都对边坡稳定性有不利影响，但在计算分析中需要分别考虑。

3.1 地下水位变化对库岸边坡的影响

水库的蓄水和周期性调度使得滑坡前缘水位不断变化，库水的渗入和渗出、对岩土体的浸泡软化及浮托减重效应使得滑坡前缘的应力状态变化，稳定性随之改变。水位上涨过程中，被淹没的滑坡前缘岩土体在浮托减重和泡水软化双重作用下抗滑力下降，但库水内渗透的作用产生朝向坡体的渗透压力一定程度上对坡体起到了加固，各种因素共同影响使第一期次滑坡区域应力场变化，但应力场的变化未造成第一期次滑坡区域大的变形，因此未受到库水位变化影响的位于第一期次滑坡后的第二期次和第三期次滑坡也无明显变形产生。水位上涨速度越快观察到的变形迹象越明显，因为被淹没的滑坡体受到的浮托力作用快速增大所致。在水位稳定段，坡体应力无变化故亦无变形产生。水位下降过程中，经过库水充分浸泡的岩土体在水位下降后，坡内地下水向外渗出，渗透力的牵引下软化的岩土体逐渐变形产生拉裂缝，当水位下降速度越快时，拉裂缝扩张，向周围和深部发展并贯通，坡脚发生局部崩滑，表现出牵引式破坏特征。滑坡受库水位下降影响比受库水位上涨影响更大，属于动水压力型滑坡。第一期次滑坡的变形与局部破坏造成超覆在其后缘的第二期次滑坡稳定性变化，产生变形，进而造成第三期次滑坡随之产生变形，从试验结果来看，库水位涨落作用下第一期次滑坡的变形和局部破坏不会引起第二期次和第三期次滑坡产生破坏。

地下水位升高，一方面降低了滑坡体的有效应力，同时由于水的软化浸泡作用，降低了滑体及滑带的强度参数。

库水位下降时，若滑坡岩土体渗透性较差，地下水会相对库水位的下降而发生骤降，导致斜坡岩土体的地下水向水库排泄，引起动、静水压力迅速增大（超孔隙水压），从而诱发边坡变形或发生滑坡． 因此，研究库水位涨落条件下滑坡地下水渗流场的动态特征是评价库水位涨落对滑坡稳定性影响的关键。

3.2 地下水位变化对膨胀土渠坡的影响

（1）随着干湿循环次数的增加，膨胀土渠坡裂隙不断扩张，膨胀性越强，裂隙发育程度越高，经过多次循环后造成膨胀土边坡的破坏。

（2）从变形模式来看，渠道水位升降造成的干湿循环作用下渠坡破坏模式有别于传统的牵引式滑坡，其破坏均始于坡面水位线附近的裂隙发育造成的崩解剥落滑塌，而非由坡底向上逐级牵引破坏。

（3）随着干湿循环次数的增加，渠水的入渗越来越强，饱和区也越来越大。膨胀性越强，入渗越明显，相应的饱和区也越大。

参考文献：

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