地下水对库岸边坡稳定性的影响

收稿日期：2003-01-05 修改稿收到日期：2003-02-28

基金项目：国家自然科学重点基金(No.50239070)，国家重点基础研究发展规划项目(No.2002CB412704)，武汉岩土研究所领域前沿基金项目(No.Q110217,

Q000302)。

作者简介：刘才华，男，1974年生，博士，主要从事岩土工程及裂隙岩体渗流方面的研究。E-mail: chliu@whrsm.ac.cn

文章编号：1000－7598－(2005) 03－0419－04

地下水对库岸边坡稳定性的影响

刘才华，陈从新，冯夏庭，肖国峰

（中国科学院武汉岩土力学研究所 环境岩土工程重点实验室，湖北 武汉 430071）

摘 要： 针对库岸边坡在库水位陡降时易发生失稳破坏这一特点，分析了地下水引发库岸边坡失稳的机理，指出在地下水作用下，边坡岩土物理力学性质恶化、库水浮托力以及坡体内渗透力是影响库岸边坡稳定性的重要因素，给出了考虑地下水影响的库岸边坡稳定性计算公式。对三峡库区的某边坡工程进行了分析，结果表明：边坡岩土体介质因饱水软化作用，其滑动面的力学参数值降低；库水浮托力在某种程度上有利于边坡的稳定。当库水位陡降时，坡体内产生较大的渗透力是导致边坡失稳的一个很关键的原因。同时指出，在进行库岸边坡治理设计时，采取合理的防冲刷、反滤及疏导措施，能有效地降低地下水对边坡稳定性带来的消极影响。 关 键 词：地下水；库岸边坡；稳定性 中图分类号：TU 457 文献标识码：A

Effect of groundwater on stability of slopes at reservoir bank

LIU Cai-hua, CHEN Cong-xin, FENG Xia-ting, XIAO Guo-feng

(Geo-environmental Engineering Key Laboratory, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: In allusion to the characteristic of easily losing stability for reservoir slopes when water level descending rapidly, the mechanism of losing stability resulting from ground water for reservoir slopes is analyzed. The important factors influencing the stability of reservoir slopes, such as decrease of physico-mechanical parameters, buoyancy and seepage force, are pointed out. The formulas for calculating the stability of reservoir slopes considering groundwater are given. A slope project in the Three Gorges is illustrated. The results show that the resisting force of potential sliding face decreases due to softening, that the buoyancy at a certain extent helps to enhance the stability of slopes, and that the seepage force in slope body is a key factor resulting in a slope losing its stability. In addition, for designing a slope project, it is necessary to adopt some reasonable measures effectively decreasing the disadvantageous influence of groundwater on the stability of slope, such as setting protecting, inversely filtrating and draining systems. Key words: groundwater; reservoir slopes; stability

1 引 言

水库在蓄水过程中及运行后，破坏了库岸边坡原有的自然平衡条件，引起边坡形状及稳定性的变化，导致库岸产生坍塌及滑坡等地质灾害，危害水坝、库岸城镇、过往船只的安全，同时造成大量的泥沙流失，堵塞河道，影响航运，降低水库的运行效益[1]。

库岸滑坡的原因是多方面的，首先是库岸自身的岩土性质及地质构造条件，这是库岸失稳的内在因素。其次是外力作用，其中地下水是库岸发生滑坡的主要诱发因素。一般而言，自然边坡经过长期

的地质作用，在自然营力的作用下，绝大多数已经趋于稳定，但在水库蓄水运行后，由于库水位的升高，库岸的水文地质条件发生了很大的改变，其岩土物理力学性质出现恶化，表现为岩土体的抗剪强度降低，浮托力增大，原处于极限平衡状态或接近极限平衡状态的库岸边坡往往发生失稳破坏。特别是在库水位陡降时，由于岩土体排水不畅，岸坡中的地下水形成了滞后的渗透力，使得坡体的下滑力急剧增加，促使滑坡产生，其变形破坏具有突发 性[2

，3]

。可见，在对库岸边坡进行稳定性分析时，

应重点考虑地下水的影响。

岩 土 力 学 2005年

2 地下水引发库岸边坡失稳的机理

2.1 地下水对边坡稳定性的影响

地下水对库岸边坡稳定性的影响主要表现在以下三个方面。

（1）地下水对边坡岩土物理力学性质的影响 水库蓄水后，一方面岩土体饱水软化，由于水的润滑作用，土体颗粒间的摩阻系数及胶结能力降低，边坡潜在滑动面抗剪参数降低，进而降低了坡体的抗滑力；另一方面，当水库运行时，库水位反复升降，使得坡体内出现循环的渗流作用，地下水渗流对坡体产生溶滤作用，即细小颗粒在地下水的作用下发生运移，坡体出现侵蚀现象，坡体潜在滑动面出现细观或宏观上的孔穴，从而使得潜在滑动面的抗剪强度降低。

（2）浮托力

浸没于库水中的岩土体受到水的浮托作用，浮托力的大小等于水下计算岩土体的体积和水重度的乘积：w w γA ，一般水下边坡在计算滑体重量时，按其浮重度考虑。浮托力对边坡稳定性有两方面的影响。由于浮托力减小了滑体的有效重量，一方面，它降低了滑面的阻滑力，给边坡的稳定性带来不利的影响，另一方面，滑体重量的减小，使其下滑力减小，有助于边坡的稳定，因而，不能简单的评价浮托力对边坡稳定性的利弊，而应根据具体的工程地质条件和岩土体的力学参数进行综合评判。

（3）渗透力

许多库岸边坡在库水位陡降时发生失稳破坏，除了因陡降部分岩土体由于浮托力消失而有效重度增加，导致坡体稳定性发生变化外，水位陡降引起岩土体内地下水渗流运动，产生渗透力是导致边坡失稳的一个重要因素。渗透力的大小与浸润线形状、岩土体渗透系数、岩土体饱水面积大小及潜在滑动面倾角等多种因素有关。目前，还没有准确的计算方法，其中坡体内浸润线的确定比较复杂，其形状与岩土体的渗透系数、给水度以及库水位的降落速度有关[4]。《基坑工程手册》[5] 提出，在计算渗透力时采用平均水力坡降，即浸润线与滑体交点间的连线坡比（如图1中的AB 线的斜率），滑带岩土体的总渗透力T 按下式计算：

I A T w w γ= （1）

式中 w γ为水的重度；w A 为浸润线以下滑体饱水面积；I 为平均水力坡降。

渗透力作用方向沿平均水力坡降方向。式（1）

虽然对水力坡降计算进行了简化，但在计算饱水面积时需确定浸润线形状，显然，式（1）比较适合于圆弧滑动面的情况。对于折线滑动面，工程上从简化和安全的角度考虑，在用传递系数法分析坡体稳定时，一般认为，库水位陡降后坡体浸润线为坡面线，假定渗透力作用方向为滑动面切向，采用如下计算公式：

i i A D ωγsin w w = （2）

式中 D i 为条块i 的渗透力；i ω为条块i 的滑面倾角。

图1 边坡水力坡降示意图 Fig.1 Hydraulic gradient in a slope

2.2 考虑地下水作用的库岸边坡稳定性计算模型

边坡稳定性计算有多种方法，如有限元法、概率法及极限平衡法等等[6～8]

，其中极限平衡法为最

常用的计算方法，下面介绍折线滑动面的极限平衡

分析法。

采用传递系数法计算坡体剩余下滑力及边坡的稳定系数。根据滑动面的折线形状，在折线拐点处对滑体进行竖向条分（图2），自上而下计算条块的剩余下滑力E i 的传递系数的表达式如下：

()()i i i i i i ϕωωωωλtan sin cos 11++−−−= （3）

式中 i λ为条块i 剩余下滑力传递给条块1+i 的传递系数；i ϕ为条块i 滑面摩擦角，饱水时取饱和摩擦角。

这样，条块i 传递给条块1+i 的附加剩余下滑力为

i i i E E λ=′+1 （4）

图2 边坡条分示意图

Fig.2 Sketch of bar division

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第3期 刘才华等：地下水对库岸边坡稳定性的影响 显然，若i E ≤0，表明条块i 无剩余下滑力。 则边坡稳定系数及下滑推力计算公式如下：

∑∏∑∏−=−=−=−=+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛=11n 11

1n 1s n i n i j j i n i n i

j j i T T R R F λλ （5） i i i i i R T K E E −+=−−s 11λ （6） i i i i i i L c w W R +=ϕtan cos （7）

i i i i D w W T +=sin （8）

i i w A D sin w w γ= （9）

式中 F s 为边坡稳定系数；R i 为条块i 的抗滑力；K s 为边坡设计安全系数；T i 为条块i 的下滑力；W i 为条块i 的重量，饱水部分取浮重量；c i 为条块i 的滑面内聚力，饱水时取饱和内聚力；L i 为条块i 的滑面长度。

式（5）、式（6）全面包含了地下水对库岸边坡稳定性的影响（如滑面力学参数的变化、浮托力及渗透力等）。从这两个公式中，我们可以得到关于边坡稳定性的2个判据，即：若s F ≥K s ，边坡处于稳定状态，否则边坡不稳定；若n E ≤0，边坡处于稳定状态，否则边坡不稳定。

3 工程实例分析

三峡工程作为举世瞩目的世纪工程，水库库容量大，库水回程长，水位落差大。水库建成运行后，坝前正常水位为175 m ，防洪水位为145 m ，水位变化幅度达30 m 。随着库水位的循环涨落，库区的水文地质条件受到剧烈的影响，恶化了库岸边坡的岩土力学特性，并在坡体内产生了较大的静水压力和渗透力，使古老滑坡复活，造成部分现状稳定的边坡出现失稳破坏，给库区人民的生命财产及水库的运行带来巨大的安全隐患。针对三峡工程所带来的地灾问题，结合地下水对库岸的作用机理，对库区巫山县某库岸边坡进行稳定性分析。

地质勘察资料显示，该边坡地层从上到下依次为：

（1）人工填土层：黄褐～红褐色，松散～稍密状，厚度为0～4 m ，主要由碎石、粉质粘土及杂填土组成。

（2）残坡积层：以粉质粘土夹碎石为主，厚度一般在5 m 左右，呈稍密～密实状。

（3）灰岩层：浅灰～深灰色，中厚层状，岩体较坚硬，分布极广。

（4）灰岩～白云岩层：灰白～灰褐色，中薄层状，岩体坚硬。

针对这一地层分布，可将其划分为上覆土层和下卧基岩层，取岩土分界面为计算滑动面。覆盖层天然重度为19.9 kN/m 3，饱和重度为20.52 kN/m 3，滑动面天然内聚力及摩擦角分别为23.66 kPa ，16.15°，饱和内聚力及摩擦角分别为21.73 kPa ，14.98°。

选取典型剖面对边坡进行稳定性分析，图3为该剖面计算图。

图3 边坡稳定性计算示意图

Fig. 3 Sketch of stability calculation for a slope

采用式（2）～（9）对该剖面进行稳定性计算，分4种工况：（1）自重；（2）自重、暴雨；（3）自重、暴雨、库水位为175 m ；（4）自重、暴雨、库水位为175 m 陡降到145 m 。

在计算剩余下滑推力时，边坡安全系数取1.15，对结果分析如表1。

表1 给出了4种工况下稳定性计算结果

Table 1 Calculating results of slope stability

under 4 conditions

工况

参数 1 2 3 4 稳定系数 1.23 1.14 1.30 0.86 剩余下滑推力/ kN ·m -1

-266.92 46.95 -242.69

847.93

工况1只考虑坡体自重作用，滑动面力学参 数取天然值，在此工况下，剩余下滑推力为

－266.92 kN/m ，稳定系数为 1.23，大于安全系数

1.15，表明边坡现状稳定；工况2～4下滑动面力学参数均取饱和值，其中工况2相对于工况1来说，仅仅是滑动面力学参数由天然值改为饱和值，但其计算结果表明，边坡出现了剩余下滑推力，其值为

46.95 kN/m ，稳定系数为1.14，边坡处于临界稳定状态，这说明水对坡体力学参数的软化作用大大降低了边坡的稳定性；工况3为在工况2的基础上增加了静止库水位的影响，即浮托力对坡体的作用，工况3的剩余下滑推力为－242.69 kN/m ，稳定系数为1.3，坡体稳定。可见，对该库岸边坡来说，静止

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库水位产生的浮托力对坡体的稳定性是有利的；工况4考虑了库水位从175 m陡降到145 m，坡体由于水位陡降产生较大渗透力，同时，由于浮托力的消失而使坡体有效自重增加，此时，边坡的稳定系数为0.86，远小于工况3的1.3，剩余下滑力也由工况3的－242.69 kN/m剧增到847.93 kN/m，边坡严重失稳。对比工况4和工况2下的稳定性计算结果，工况4下边坡稳定系数比工况2小0.28，剩余下滑力增加800 kN/m，而在稳定性计算时，工况4只是在工况2的基础上考虑了库水位陡降时渗透力的影响，可见，在工况4下，渗透力是引发边坡失稳的关键因素。

在对边坡进行稳定性分析的基础上，采取抗滑桩和干砌片石的工程措施对库岸进行治理防护，值得指出的是，在对该库岸边坡进行稳定性计算时，并未考虑坡体在地下水运动的长期作用下，土体细小颗粒流失，造成滑动带土体疏松，降低滑动面力学参数的作用。因而，在进行护坡处理时，采取合理的反滤措施是非常必要的，可有效地消除这种负面影响。同时，应采取坡面排水措施，对地表水进行疏导。

4 结论

通过上述分析，可以得到如下结论：

（1）地下水恶化了库区边坡岩土体的物理力学参数，主要表现在由于水的润滑作用，土体颗粒间的摩阻系数及胶结能力降低，边坡潜在滑动面抗剪参数降低，进而降低了坡体的抗滑力。同时，当水库运行时，库水位的反复升降，使得坡体内出现循环的渗流作用，地下水渗流对坡体产生溶滤作用，土体细小颗粒流失，造成滑动带土体疏松，坡体出现侵蚀现象，坡体潜在滑动面出现细观或宏观上的孔穴，从而使得潜在滑动面的抗剪强度降低。

（2）库水对边坡岩土体产生浮托作用。浮托力对边坡稳定性的影响是两方面的。一方面，浮托力减小了滑体的有效重量，它降低了滑面的阻滑力，对边坡的稳定性带来不利的影响；另一方面，滑体重量的减小使其下滑力减小，有助于边坡的稳定。在进行工程治理设计时，应根据具体的工程地质条件和岩土体的力学参数进行综合评判。

（3）当库水位陡降时，在边坡坡体内产生较大的渗透力，许多库岸边坡的失稳破坏往往发生在库水位陡降后，除了因陡降部分岩土体由于浮托力消失而有效重度增加，导致坡体稳定性发生变化外，岩土体内地下水渗流运动而产生渗透力是导致边坡失稳的一个相当重要因素。

（4）对库岸边坡来说，应重点分析库水位陡降后边坡的稳定性，同时，采取积极有效的措施，如防冲刷、反滤及疏导等，尽可能降低地下水对边坡稳定性带来的消极影响。

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