三峡水库蓄水运行滑坡渗流稳定和防治设计研究

　　摘要：跟踪分析2008～2020年三峡工程175m正常高程设计水位试验运行调度过程，建立正常工况下库水位多年平均升降典型曲线。以巫山塔坪滑坡为例，通过修正的一维非稳定渗流方程解析解，建立库水位多年平均升降与典型堆积层滑坡地下水浸润线的关系;由此，采用包含时间变量的不平衡推力法计算堆积层滑坡安全系数随库水位升降的动态曲线。并采用数值模拟验证解析分析的结果。考虑到库岸堆积层滑坡地下水与库水联通性良好，难以使用常规抗滑桩工程，本文还讨论采用中小口径抗滑桩群对水库滑坡进行防治的方法。值得指出，2020年8月，三峡库区遭遇自2003年建库以来的最大洪峰流量(百年一遇)，达到75000m3/s。本文对该水文年的滑坡稳定性进行了研究，可为特殊工况下库区滑坡稳定性分析和防治设计提供参考。

　　关键词：边坡工程;三峡库区;水库滑坡;浸润线;防治设计

　　1引言

　　水库蓄水运行诱发滑坡是普遍现象，最为典型的是意大利瓦伊昂水库库首区滑坡，该水库于1960年蓄水运行，1963年10月9日，2.4亿m3的巨型滑坡体滑入水库，导致坝体下游近3000人死亡[1-3]。国际上许多学者对水库蓄水诱发滑坡进行了研究，库水位抬升导致的孔隙水压力，以及库水位下降时滑坡体内的渗透力，被认为是导致水库滑坡失稳的主要因素[4-6]。K.Terzaghi[7]最早通过理论分析的方法，探讨了库水位缓慢下降和快速下降两种工况下库岸边坡的稳定性。

　　N.Morgenstern[8]编制了土质岸坡稳定性计算表，以预测不同水位下降工况下土质岸坡的稳定性变化规律。C.Zangerl等[9]的研究表明，水库滑坡变形速率表现为显著的季节性升降，与库水位下降有紧密的联系，且在库水位降至最低时，滑坡运动速率达到峰值。M.G.Tang等[10]的研究表明，库水位波动速率、滑体的渗透系数以及滑面的形态等均会导致水库滑坡失稳机制的改变。三峡工程水库蓄水运行对滑坡稳定性的影响受到了高度重视[11]。殷跃平[4]对三峡库区滑坡防治工程设计中的渗透压力问题进行了研究。

　　郑颖人等[12]通过解析解的方法计算了库水位下降过程中坡体内的浸润线。谭淋耘等[13]研究表明，库水位下降的越低，滑坡体内地下水位调整的滞后性越明显，指向坡外的渗透压力越大，滑坡稳定性越差。也有不少的学者使用有限元和离散元数值计算获取了库水位升降作用下滑坡浸润线和稳定性变化规律[14-16]。自2001年以来，国家系统对三峡工程库区受蓄水影响的滑坡进行了工程治理。由于缺乏库水位运行调度实测曲线，按蓄水前制定的技术标准，滑坡稳定性分析采用了175m正常高程设计水位到145m防洪高程水位骤降工况[17-18]，水头差达30m。

　　作者持续跟踪了2008～2020年试验性运行期间三 峡水库实际调度过程和滑坡地下水位变化情况，认为前期的30m骤降工况与实际运行工况明显不符，带来了滑坡渗流稳定性分析和防治工程设计的明显误差。因此，本文将通过分析三峡工程2008～2020年试验性蓄水期间库水位实际调度曲线，建立符合实际的正常工况下库水位多年平均升降曲线。

　　以巫山塔坪滑坡为例，拟改进滑坡浸润线解析公式和不平衡推力法，以分析多年平均库水位升降工况下堆积层滑坡的浸润线和安全系数，并与数值模拟结果进行对比验证。考虑到库岸堆积层滑坡地下水与库水联通性良好，难以使用常规抗滑桩工程，本文还将研究采用中小口径抗滑桩群对水库滑坡进行防治的方法。值得指出，2020水文年，三峡库区遭遇自2003年建库以来的最大洪峰流量(百年一遇)[19]，达到75000m3/s。本文拟对该水文年滑坡浸润线和稳定性进行研究。

　　2蓄水运行期三峡库水位调度分析

　　三峡工程自2008年9月28日，开始175m正常高程设计水位试验性蓄水，至2020年11月1日转入了正常运行期。2010年以来，库水位每年在145～175m之间升降：9～11月库水位抬升至175m，11～1月处于175m高位运行，1～4月降至162m，5～6月降至145m，为了防洪需要，7～9月库水位每年均有不同幅度的快速升降。作者分析了2008～2020年175m正常高程设计水位试验性蓄水以来三峡水库实际调度过程曲线。

　　由于2008和2009年蓄水水位未达到175m高程，而2020年三峡水库因遭遇建库以来的特殊入库流量，因此，仅对2010～2019年库水位升降进行分析，建立了三峡库区多年平均库水位升降曲线(图2(a))。作者建议，将多年平均库水位升降工况代替现行规范中的库水位骤降工况，进行水库滑坡稳定性计算，更符合175m试验性蓄水以来三峡库区的实际水位运行情况。2020年汛期，长江发生流域性大洪水，三峡库区寸滩站洪峰和洪量达到了百年一遇[19]，三峡水库迎来史上最大75000m3/s洪峰。

　　汛期库水位最高蓄至167.65m，单日最大降幅2.15m，最大涨幅3.8m，均为三峡水库蓄水以来的特殊调度工况。因此，可使用2020水文年的库水位升降曲线作为特殊工况，对水库滑坡稳定性进行评价，可为今后库水位特殊升降工况下的滑坡稳定性评价提供参考。

　　3堆积层滑坡渗流与稳定性解析计算

　　本节以三峡库区特大堆积层滑坡—巫山塔坪滑坡为例，通过浸润线解析解耦合剩余推力法，计算获取多年平均库水位和2020水文年库水位升降工况下坡体的浸润线和稳定性。

　　3.1塔坪滑坡概况

　　塔坪滑坡位于重庆市巫山县曲尺乡的长江北岸，滑坡长约330m，宽约450m，分布面积约1.49×105m2，平均厚度约50m，总方量为6.34×106m3。深部位移和钻孔资料表明，滑带最深可达63m。塔坪滑坡地表局部分布含砾粉质黏土，滑体主要由须家河组碎裂状石英砂岩组成，基岩为须家河组石英砂岩。勘察表明，塔坪滑坡极易沿着滑体内部的软弱夹层和基岩—堆积层接触面失稳滑动。现场抽水试验结果表明，塔坪滑坡滑体的渗透系数为1～10m/d。

　　4堆积层滑坡渗流和稳定性数值模拟

　　本节使用有限元数值计算获取了巫山塔坪滑坡在多年平均库水位升降工况和2020水文年库水位升降工况下的浸润线。接着将不同时步下的浸润线耦合代入有限差分软件FLAC3D中，使用强度折减法计算两种工况下塔坪滑坡的安全系数。

　　5库区堆积层滑坡防治设计研究

　　5.1蓄水运行期塔坪滑坡下滑推力计算

　　使用现行规范中的荷载组合[17-18]计算获取塔坪滑坡的安全系数，计算参数和一致，计算方法为剩余推力法。结果表明，175和145m静止水位工况下，塔坪滑坡的安全系数为1.152和1.221;175至145m水位骤降工况下，塔坪滑坡的安全系数为1.043。

　　由第二节计算结果可知，塔坪滑坡在多年平均库水位升降工况下的安全系数为1.092，在2020水文年库水位升降工况下的安全系数为1.093。相较现行规范中的荷载组合，使用175m试验性蓄水运行以来实测水位建立的两种工况，计算获取的塔坪滑坡安全系数提高了约0.05。当设计安全系数取值为1.10时，库水位骤降工况与本文提出的库水位升降工况下的滑坡剩余推力。

　　在浸润线波动较大的坡脚8～11号条块，库水位升降工况下计算获取的滑坡剩余推力显著小于水位骤降工况。设桩位置为第8条块时，水位骤降工况计算获取的桩后设计剩余推力为17081kN/m;库水位升降工况计算获取的桩后设计剩余推力为15131kN/m。考虑桩前抗力的影响，水位骤降工况下桩后设计剩余推力为5467kN/m;库水位升降工况下的设计剩余推力为3754kN/m。后者相较前者降低了31.3%。

　　5.2中小口径抗滑桩群防治工程设计

　　由于塔坪滑坡前缘位于175m水位线之下，滑体结构松散，水力连通性好，渗透系数大;且存在多层滑移面，滑带最深可达63m。采用常规的人工挖孔抗滑桩时，水下施工难度较大，安全性低。鉴于此，作者提出一种适用于堆积层滑坡的新型抗滑结构—埋入式中小口径抗滑桩群。

　　埋入式中小口径抗滑桩群的设计方法可参考相应规范[18]。具体设计方案如下：埋入式中小口径抗滑桩群单桩直径为1m，桩间距4m，排间距3m，采用钻孔灌注法成桩，品字型布置。将埋入式中小口径抗滑桩群分为10块独立的桩群，桩群之间间隔10m，作为地下水的排泄通道，防止桩群阻碍滑坡体内地下水排泄。依据现行规范中水位骤降工况进行设计计算，塔坪滑坡治理工程共需布置1236根中口径桩，总造价约1.2亿元。而采用多年平均库水位升降和2020水文年库水位升降工况，进行设计计算，仅需布置781根，总造价约7900万元，降低约34%。

　　6讨论

　　现行规范中[17-18]采用的175m降至145m水位工况，会导致滑坡中前部的浸润线陡降，产生较大的水头差，坡体中前部的下滑力偏大，滑坡安全系数偏低，低估了滑坡的稳定性。因此，采用单次水位骤降工况进行滑坡稳定性计算和工程设计，无法反映水库滑坡的实际稳定状态，且已经不符合三峡水库175m试验性蓄水以来的水位运行特征。

　　当采用实测数据总结获取的库水位连续升降工况进行计算时，坡体内的浸润线分时步逐渐变化，坡体内的渗透压力、浮托力和坡面库水压力与实际情况更加吻合。计算获取的安全系数和下滑力更能反映滑坡的真实状态。以巫山塔坪滑坡为例，使用实测数据总结获取的多年库水位升降工况和2020水文年的库水位升降工况，相较现行规范中的水位骤降工况，计算获取的滑坡安全系数提高了约0.05，滑坡设计剩余推力降低31.3%，防治工程的造价降低约34%。

　　综上所述，本文建议在三峡库区水库滑坡的稳定性计算和工程设计中，使用实测数据总结获取的多年平均库水位升降工况，代替现行规范中的库水位骤降工况，作为水库滑坡稳定性分析的常规工况。另外，可将2020水文年库水位升降工况下的滑坡稳定性计算结果，作为今后库水位特殊升降工况下滑坡稳定性评价的参考。在我国其他水电开发区域，如黄河流域的龙羊峡水库，长江上游的乌东德、溪洛渡、白鹤滩等水库区域，未来在水库滑坡的稳定性计算和防治工程设计中，作者建议可采用实测数据总结获取的库水位升降工况对其进行稳定性评价和工程设计。

　　7结论

　　(1)本文通过分析试验性蓄水期间三峡库水位实际调度曲线，建立了库水位多年平均升降曲线;建议使用多年平均库水位升降工况，作为三峡水库运行期水库滑坡稳定性评价和工程设计的常规工况。

　　(2)通过滑坡浸润线解析解耦合剩余推力法和二维有限元渗流计算耦合强度折减法，获取了多年平均库水位升降工况和2020水文年库水位升降工况下，巫山塔坪滑坡的浸润线以及滑坡安全系数，结果表明库水位快速下降期滑体内水力梯度显著增大，滑坡安全系数显著降低。两种方法的计算结果较为接近。

　　(3)使用多年平均库水位升降工况和2020水文年的库水位升降工况，代替现行规范中的水位骤降工况，对塔坪滑坡的防治工程进行了优化。计算获取的滑坡安全系数相较现行的水位骤降工况提高了约0.05，塔坪滑坡的设计剩余推力相应降低了31.3%。本文的研究内容可为我国三峡水库和西南山区水库运行期水库滑坡的稳定性计算和防治设计提供重要参考。

　　参考文献(References)：

　　[1]PARONUZZIP，RIGOE，BOLLAA.Influenceoffilling-drawdowncyclesoftheVermontreservoironMt，Tocslopestability[J].Geomorphology，2013，191：75–93.

　　[2]MÜLLERL.TherockslideintheJavonteValley.jour.oftheinter[J].RockMechanicsandEngineeringGeology，1964，2：148–212.

　　[3]MÜLLERL.NewconsiderationsontheVaiontslide[J].RockMechanicsandEngineeringGeology，1968，6：1–91.

　　[4]殷跃平.三峡库区地下水渗透压力对滑坡稳定性影响研究[J].中国地质灾害与防治学报，2003，3：4–11.(YINYueping.StudyontheeffectofgroundwaterseepagepressureonlandslidestabilityinThreeGorgesreservoirarea[J].ChineseJournalofGeologicalHazardsandPrevention，2003，3：4–11.(inChinese))

　　作者：殷跃平1，张晨阳2，闫慧3，肖明友4，侯雪峰4，朱赛楠1，黄波林5，代贞伟6，张楠1

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