水库诱发滑坡

xxxx大学2015-2016学年第二学期

《工程水文地质学》

随堂作业

水库诱发滑坡

库水位变化对不同滑坡的稳定性研究

指导老师：xxx老师

系别：地下水科学与工程

小组成员：xxx

xxx

xxx

统稿：xxx

2016年6月20日

库水位变化对不同滑坡的稳定性研究

xxx，xxx，xx

（xxxx大学 xxx，xxxxxx0000）

摘要：随着水库的运行，将形成大量的涉水岸坡，库岸滑坡体内地下水浸润线的变化与库水位的波动密切相关。通过不同类型的边坡进行了对比分析，滑体水位与库水位的之间存在着不同的水力联系。通过数值模拟库水位上升与下降时浸润面的解析解与数值解，来了解库水位对滑坡稳定性影响。研究成果表明，库水位上升与下降时滑体稳定性会发生显著变化，其与坡体本身性质和库水变化情况都有着密切的联系。

关键词：库岸滑坡；库水位变化；地下水位；数值模拟；浸润面

Researchon the stability of different landslide with the change of reservoir water

xxx, xxx,xxx

(DepartmentofGroundwater Science and Engineering, Chengdu University of

Technology, Chengdu, Sichuan 610000，China)

Abstract：With the operation of the reservoir, the formation of large amount of hydrous slope, reservoir bank landslide in groundwater infiltration line and the change of reservoir water level fluctuation is closely related to. Through different types of slope analysis, there is a difference between the water level and the water level of the sliding body. Through numerical simulation of the analytical solution and numerical solution of the reservoir water level rising and falling, the influence of reservoir water level on landslide stability is understood. The results show that the stability of the sliding body can be changed significantly when the water level rises and falls, which

is closely related to the nature of the slope and the changes of the reservoir water.

Key words：landslide；reservoir water level；groundwater level；numerical simulation ；infiltrated surface

目录

第1章引言...................................................... - 1 - 1.1问题提出.................................................... - 1 - 1.2库岸滑坡研究现状............................................ - 1 - 1.3论文研究内容................................................ - 1 - 第2章库水作用下的机理分析...................................... - 1 - 2.1库水影响下滑坡体的机理分析.................................. - 1 - 2.2库水影响下滑坡体的水循环条件分区............................ - 3 - 2.3库水影响下滑坡体的受力分析.................................. - 3 - 2.4库水位升降时坡体内水位的浸润线计算.......................... - 5 - 2.4.1库水位上升时的浸润线计算.................................. - 6 - 2.4.2库水位下降时的浸润线计算.................................. - 6 - 第3章岩质潜水含水层模式滑坡.................................... - 7 - 3.1植物油厂滑坡地质背景........................................ - 7 - 3.1.1主要出露地层.............................................. - 7 - 3.1.2构造背景.................................................. - 8 - 3.2泉水出露特征与成因浅析...................................... - 8 - 3.3水库蓄水后地下水排泄对滑坡稳定性影响分析.................... - 9 - 3.3.1水库蓄水时稳定系数变化.................................... - 9 - 3.3.2泉水量变化................................................ - 9 - 3.3.3受力变化................................................. - 10 - 3.4滑坡地下水运动数值模拟..................................... - 10 - 3.5降低边坡地下水位的工程措施分析............................. - 11 - 3.6结论....................................................... - 12 - 第4章土质承压含水层模式滑坡................................... - 12 - 4.1夹河子滑坡库岸概况......................................... - 12 - 4.2渗流基本模型............................................... - 13 - 4.3库水位上升阶段渗流场变化规律............................... - 13 - 4.3.1滑体渗流场特征........................................... - 14 - 4.3.2滑体浸润线变化与库水位及滑床地下水的变化................. - 15 -

4.3.3地下水动力学特征......................................... - 15 - 4.4库水下降阶段渗流场变化规律................................. - 15 - 4.4.1滑体内渗流场特征......................................... - 16 - 4.4.2滑体浸润线变化与库水位及滑床地下水的变化................. - 17 - 4.4.3地下水动力学特征......................................... - 17 - 4.5结论....................................................... - 17 - 结论........................................................... - 18 - 致谢........................................................... - 19 - 参考文献....................................................... - 20 -

第1章引言

1.1问题提出

水库岸的稳定对水电工程建设的顺利进行及正常运营意义重大[1]。水库岸的千差万别使得库岸研究的难度大幅度增高，斜坡变形破坏的发展及其相应的稳定状态取决于斜坡本身所赋存的地质环境条件。当斜坡所赋存的地质环境条件发生变化时,斜坡变形破坏发展及其稳定状态必然相应地发生变化，因此需对问题作

深入研究。

1.2库岸滑坡研究现状

目前，研究库水位下降对滑坡稳定性的影响还不够深入，以往在滑坡稳定性评价方面在考虑地下水的力学作用时，大多只涉及静水压力的作用，而往往忽视渗透压力的作用从而使评价结果与实际有较大的出入[2]。由于滑坡变形和破坏机理的不同，水库滑坡体不同于一般的滑体，因此滑坡渗流有一系列的理论和实际问题。水库边坡存在着不同的类型，其中的岩性组成，地层结构都存在着不同的差异，其中与水的相互作用关系更是千差万别，这对水库边坡的稳定性研究带来了一定的难度。

1.3论文研究内容

本篇论文根据前人对库水作用机理，研究岩质和土质边坡和库水的水力联系，分析各种力学作用可能产生的滑坡问题以及稳定性的变化，并通过数值模拟等技术手段来深入的研究库岸边坡的变形发育特征与形成机理，为库岸预防、监测和治理的提供相应的理论。

第2章库水作用下的机理分析

2.1库水影响下滑坡体的机理分析

对于库水诱发滑坡成因机理，许多学者曾经做过大量的研究工作，现有的研

究结果表明，库岸滑坡除具有一般山地滑坡的地滑坡的基本特征外，其特殊性在

于水库蓄水及水库运着使滑坡所赋存的地质环境不断发生变化[3]。主要表现在如

下几个方面：①水库蓄水造成岩土体的强度软化效应和悬浮减重效应而可能改变

滑坡体的稳定性态；②库水位的骤然变化(升、降)产生了动水压力可能诱发滑坡

体的变形与破坏；③在蓄水过程中处于水位面以下的岩土体在水库水位下降过程

中可能发生固结沉降，从而产生坡体的变形破坏；④水库的蓄水可能会诱发地震，而地震可能触发滑坡的变形和破坏。故将滑坡分为直接诱发型、间接诱发型两大

类和五个亚类（表2-1）。

表2-1水库诱发滑坡机理简表[3]

该类水库蓄水诱发滑坡发生的特点

主要表现为：水库水位频繁涨落，地

下水在滑坡体内流动而产生动水压

力；

土体存在时，

利了

2.2库水影响下滑坡体的水循环条件分区

对水库进行水循环分区可以确定滑体受库水影响区域[4]，水库诱发滑坡的水循环条件分区可分以下三个区域：

（1）径流区

（2）降雨-地表水入渗补给区：取决于岩土的性质

（3）库水影响区（前沿）：滑坡前部变形受库水位涨落的影响比较明显，并受到库水的切割与冲蚀

（1）（2）为所有滑坡都有的水循环条件分区，其中（3）为水库诱发滑坡所特有的水循环条件分区。

图2-1滑坡地下水循环条件分区[4]

2.3库水影响下滑坡体的受力分析

对直接受到库水影响区域，可以分析滑坡稳定性主要是对滑坡体所受到的下滑力和它的最大抗滑力之间的大小关系，所以我们要对库水影响下的坡体受力情况进行分析。首先，我们模拟出一个库水浸润部分坡体的受库水影响的库岸边坡模型，如图2-2

图2-2 受库水影响的坡体模型[3]

根据无限边坡理论、摩尔库伦定律，并结合受力分析可以得出：

单位宽度上滑坡体的抗滑力：

?θγγγtan cos ][)(h h h D C T w s t f -+-+=（2-1）

单位宽度上滑坡体的下滑力：

θ

γγsin ][)(h h D T s t s +-=（2-2）

从而得出稳定性系数： θ

γγγ?θγγγγsin ])([t an cos ])([h D h D C T T F t s t w t s t s f S ---+++==（2-3）

式中：C ——有效的粘聚力；

φ——有效内摩擦角；

θ——坡角；

H ——隔水层上地下水深度；

D ——潜在坡体的垂直厚度；

γw ——水的重度；

γt ——岩土的天然重度；

γs ——岩土的饱和重度。 从抗滑力的计算公式中我们可以看到由于库水浸润坡体而产生的浮托力使坡体的有效容重，则坡体的抗滑力就会变小。也就是滑坡的稳定性降低了。同样的，我们先建立出坡体被库水全部浸没的库岸边坡模型如图2-3，

图2-3 处于库水位以下的岸坡稳定性模型[3]

根据无限边坡理论、摩尔库伦定律，并结合受力分析可以得出：

单位宽度上滑坡体的抗滑力：

?

θγγγtan cos )]([Z D Z D C T w w s f +-++=（2-4）

单位宽度上滑坡体的下滑力： θ

γγγsin )]([Z D Z D T w w s s +-+=（2-5） 稳定系数：

θγγγ?θγγγsin )]([t an cos )]([Z D Z D Z D Z D C T T F w w s w w s s f S +++++==--（2-6）

式中：C ——有效的粘聚力；

φ——有效内摩擦角；

θ——坡角；

D ——潜在坡体的垂直厚度；

γw ——水的重度；

γt ——岩土的天然重度；

γs ——岩土的饱和重度；

Z ——滑体处于水位以下的深度。

2.4库水位升降时坡体内水位的浸润线计算

对滑体内受到库水影响的区域，可以通过计算地下水浸润线来间接分析受力

[5]。

2.4.1库水位上升时的浸润线计算

库水位上升时地下水位浸润线计算示意图,如图2-4

图2-4 库水位上升时地下水位浸润线计算示意图[3]

此时的浸润曲线计算公式：

)

2^2^(s'

2^p p h h s y y -+=（2-7）

式中：y ——库水位上升后计算点的水位；

y p ——上升后的库水位；

h ——水位上升前计算点的地下水位；

h p ——水位上升前的库水位；

s ——水位上升前计算点到库岸的距离；

s’ ——水位上升后计算点到库岸的距离；

2.4.2库水位下降时的浸润线计算

库水位下降时地下水位浸润线计算示意图如下图2-5

图2-5 库水位下降时地下水位浸润线计算示意图[3]

此时的浸润曲线计算公式：

)()(,00,00,0,λF h h h h t t x --=（2-8）

式中：h 0,0——下降前库水位（m ）；

h 0,t ——下降后的库水位（m ）；

h x ,t ——下降后计算点的库水（m ）;

t ——库水位下降经历的时间（s ）。

F （λ）库水位对地下水位的影响系数，其中

t αχλ42

=（2-9）

μαkM =（2-10）

F （λ）的值可以根据查表得到，从λ以及α的计算方法可以看出F （λ）的值与边坡土体的性质相关如，含水层厚度、给水度、渗透系数、和计算点距离库岸的距离有关。

第3章 岩质潜水含水层模式滑坡

3.1植物油厂滑坡地质背景

3.1.1主要出露地层

区内出露地层主要为三叠系中统巴东组(T2b)第一段至第三段。

第一段(T2b1):灰黑色(含)炭质页岩、灰黄色泥灰岩夹紫红色粘土岩、黄绿色薄一中厚层泥灰岩、钙质页岩。厚度大于80m 。此段上部以软岩为主,主要出露于沿江水边线一带。

第二段(T2b2):主要为紫红色及少量灰黄、灰绿色粉砂质粘土岩、钙质粘土岩与粉砂岩、细砂岩互层,厚度100-150m 。主要出露于三马山地质体两侧及前缘滑坡滑床。

第三段(T2b3):总厚度约为320-380m,为灰、深灰色灰岩、含泥灰岩、泥灰岩夹钙质页岩、钙质粘土岩。该段下部以硬岩为主,上部呈软硬相间互层。区内广泛分布。

3.1.2构造背景

三马山向斜、连接道背斜、猴子石向斜[6]是工程区内的主要控制性构造其控制,区内次级褶皱发育,并伴生有断层、裂隙及层间错动带等构造形迹。区内发育具一定规模的断层21条,规模较大对滑坡发育有直接影响的有F8、F18、F19,、F20、F26等5条。张性断层,主要包括F8、F18、F19,、F26等断层（见图1-1）。

图3-1植物油厂滑坡工程地质纵剖面图[6]

3.2泉水出露特征与成因浅析

三马山前缘在高程100-130m间有-系列的泉水呈线形出露[7],主要出露部位为:①白杨坪沟沟底至东坡127-148m高程共发育5个泉点,泉水流量约43.1L/min；

②水井沟沟口西侧100-106m高程共出泉点5个,流量约9.7L/min;③植物油厂江边一带(高程109-116m)共出露泉点19个,流量约100-150L/min；④老房子-带江边(高程104-109m),共出露泉点9个,流量约10-15L/min。

从上述泉水点的分布特点来看,植物油厂滑坡前缘高程110-116m间泉水呈

大量集中出露的特点,泉流量之大,且动态基本稳定,说明其补给汇水面积较大,

且具有-定的蓄水空间[8]。究其原因,我们可以从以下三方面对其进行解释:

b2的隔水作用,为地下水储

①三马山向斜在三马山-带呈现的似构造盆地与T

2

存提供了空间

b3岩体的强烈风化破碎为地表水向地下入渗提供了通道（破碎程度较高

②T

2

的角砾状碎块石为主）

b2顶板低点),成为了盆地地下水

③由褶皱及断裂的切割形成的盆地缺口(T

2

的排泄的主通道,而植物油厂滑坡正位于通道上

3.3水库蓄水后地下水排泄对滑坡稳定性影响分析

3.3.1水库蓄水时稳定系数变化

b1软岩，受当库水位上升到175m(缓慢)时，在蓄水初期，由于滑体前沿为T

2

到浮托力的影响，滑体稳定系数减小[9]。

之后，由于水库蓄水对坡面产生了垂直坡体的水平的分力，随着库水的升高，稳定系数越来越大。由于T

b3为含有裂隙的灰岩，为地下水提供了良好的天然蓄

2

水库，而滑带由于前部受到库水阻挡，地下水在滑带中的流速较小,此时动水压力小，故稳定系数未出现下降。

图3-2 蓄水过程滑体稳定系数变化[9]

3.3.2泉水量变化

水库蓄水前，三马山前缘所有泉水量总和313m3/天。水库蓄水后，由于库水位抬高（见图3-3），使得滑体地下水水头差增大。故在水位骤降工况时(175m水位骤降至145m,水位平均按每天降1m考虑)，平均每天有约1070m3/天的水要从山体中排出，为之前的2-3倍。

图3-3 滑体潜水位变化图[6]

3.3.3受力变化

1、水库蓄水,库水出现倒灌,地下水因水力坡降的降低甚至消失而出现淤堵,三马山地下水位随库水位上升而上升，对滑动起到软化作用，使边坡体下滑力剧增，产生的巨大浮托力,对边坡稳定性影响不利[10]。

2、在库水骤降时,地下水排泄较慢，地下水形成较大渗透力,同时,由于三马山向斜盆地水位的涌高,浸泡滑坡上部滑带,且出现同-点滑床地下水高于滑体的现象,这样会对滑体产生水平方向的动水压力

3、地下水经滑床排泄，由于T

b2遭受了较强的溶蚀作用,岩体松散破碎,故

2

在水位上升后易产生不均匀沉降。

3.4滑坡地下水运动数值模拟

计算时假定研究区的地下水入渗补给量为定值,不随时间变化[11]。考虑水库蓄水位145m和175m边界条件,计算工况为:①工况1。库水位145m;②工况2。库水位175m;③工况3。库水由175m骤降至145m(瞬时下降)(表3-1)。

表3-1 单位宽度滑坡体所受动静水压力对照[11]

渗流场等水位线见图3-4～图3-6。由图可看出:①随库水位的升高,边坡地下水位也升高;②当库水位-定时,滑坡位置水力梯度较小;当库水位-定时,在滑坡位置主要受静水压力作用,动水压力值较小;③当库水位由175m骤降至145m 时,175m高程以下滑坡体内渗透力大幅增加。

图3-4 水库蓄水位145m边坡地下水渗流场图[11]

图3-5 水库蓄水位175m边坡地下水渗流场图[11]

图3-6 工况3边坡地下水渗流场图[11]

3.5降低边坡地下水位的工程措施分析

为降低三马山及前缘滑坡体内地下水位,减小因库水位骤降时产生的巨大渗透力对边坡产生的不利影响,拟在三马山水井沟处175m高程布设排水洞,以降低边坡地下水位[12]。采用自排模式,模拟时将排水洞洞壁作为溢出点边界考虑,计算时在洞壁满足水头等于位置高程的条件下进行迭代计算。工况1时,在三马山175m高程布置排水平洞,可有效降低地下水位约10m,滑坡所受的动水压力大幅减小,渗透力减小了近85%(表3-2)。

表3-2有无排水洞时受力分析

由图3-7可知,工况3时,排水降低地下水位不明显;作用于滑坡体重心处的动水压力减小了256kN,约占无排水洞时的4.2%[13]。因此,在库水位骤降时需结合其他排水措施才能有效减小滑坡体内所受的动水压力。

图3-7在三马山175m高程布设排水平洞时工况3边坡地下水渗流场[11]

3.6结论

a.植物油厂滑坡在正常库水位时主要受静水压力作用;当水库水位骤降时形成很大的动水压力,由175m骤降至145m时植物油厂滑坡所受动水压力为正常蓄水位时的43倍。

b.在三马山175m高程布置排水平洞可有效降低边坡地下水位,尤其在植物油厂滑坡处减小滑坡体内的动水压力利于维持滑坡稳定。但因排水洞仅能布置在175m高程位置,故对水位骤降情况,动水压力减幅有限。

c.计算考虑了库水位骤降情况,此时边坡内动水压力最大,实际情况中库水位下降有-定的时间,因此计算得到的动水压力相对偏大。

第4章土质承压含水层模式滑坡

4.1夹河子滑坡库岸概况

左侧dlQ

4土层未经压实,结构松散,透水性好。delQ

3

古滑坡堆积的褐黄色粉

质黏土混碎块石发育有管网状渗流系统,有良好的渗透性[14]。右侧坡积灰黄色粉

质黏土(dlQ

4)、alQ

3

冲积的棕褐色黏土层原始结构紧密,为相对隔水层。

古滑坡堆积土(del delQ2

3

)中由碎块石构成基本骨架,其间充填的亚黏土存

在空隙,因此发育了管网渗流系统[12-13],在自然状态下有良好的渗透性。斜坡

体后缘接受地表水和地下水补给,通过具有较强渗透性的滑坡堆积土(del delQ2

3

)向下排泄（图4-1）。

图4-1滑坡剖面地质图[12]

4.2渗流基本模型

岸坡均质理想岸坡，计算模型如图4-2所示，岸坡高30m，滑带地表出露点位于坡肩15m处，下部出露点位于坡脚转折点处[15]。研究地下水两种基本作用模式下岸坡地下水的渗流规律。在承压含水层模式假定滑体是微透水,其饱和渗透为k=1.0x10-8m／s，滑床为弱透水～强透水,其渗透系数k2=1．0×10-7～1.0×10-4m ／s。

图4-2渗流计算模型[15]

4.3库水位上升阶段渗流场变化规律

在承压含水层模式下,滑体为微透水,当滑床取k2=10-7～10-4m／s范围不同数量级的渗透系数时，由图4-3～图4-6中库水位上升各时段浸润线分布特征可以看出：

图4-3K2=1.0×10-7m/s时地下水浸润线[15]

图4-4K2=1.0×10-6m/s时地下水浸润线[15]

图4-5K2=1.0×10-5m/s时地下水浸润线[15]

图4-6K2=1.0×10-4m/s时地下水浸润线[15]

4.3.1滑体渗流场特征

从上升阶段滑体内渗流场的形态特征上看，滑床岩土体的渗透特性是影响渗流场分布的主要因素[16]。库水与滑床地下水对滑坡地下水形成双向补给现象，滑

面处浸润线变化相对较大，滑坡体内浸润线交角呈顺时针减小，滑床渗透系数越大，这种现象越明显。

4.3.2滑体浸润线变化与库水位及滑床地下水的变化

从滑体内浸润线变化与库水位及滑床地下水的变化关系来看，滑坡地下水浸润线变化较大幅度地滞后于库水位的变化[17]；同时滑坡地下水滞后于滑床地下水变化，由于滑坡地下水浸润线同时滞后于库水位及滑床地下水的变化，滑坡地下水浸润线呈“U”型，滑床渗透系数越大，这种现象越明显。

4.3.3地下水动力学特征

从地下水动力学的特征来看，库水与滑床地下水对滑坡地下水形成双向补给现象，尤其是在滑床渗透系数较大时，这种现象尤为明显。可以看到此时在坡面处形成较大的指向坡内的动水压力，有利于滑坡稳定；此时滑体相当于滑床地下水的隔水顶板，滑床地下水为承压水，滑体主要受到滑床地下水向上的浮托力作用，滑床渗透系数越大，这种现象越明显[18]。另外，由于滑体微透水，短期内滑体饱和非饱和区域变动不大，基质吸力变化较小，悬浮减重效应不明显。

4.4库水下降阶段渗流场变化规律

=10-7～10-4m／s范围不同在承压含水层模式下，滑体为微透水，当滑床取k

2

数量级的渗透系数时，由图4-7～图4-10中库水位下降各时段浸润线分布特征可以看出：

图4-7K2=1.0×10-7m/s时地下水浸润线[15]

图4-8K2=1.0×10-6m/s时地下水浸润线[15]

图4-9K2=1.0×10-5m/s时地下水浸润线[15]

图4-10K2=1.0×10-4m/s时地下水浸润线[15]

4.4.1滑体内渗流场特征

从下降阶段滑体内渗流场的形态特征上看，滑床岩土体的渗透特性是影响渗流场分布的主要因素。由于滑床地下水排泄速度较滑坡地下水快，形成了滑坡地下水向库水与滑床地下水双向排泄现象。滑床地下水浸润线基本呈水平状，在渗