地下水位升降變化引起的邊坡失穩問題

2024年3月12日發(作者：伊優)

地下水位升降變化引起的邊坡失穩問題

1 青島市市北區城市管理局，266011，李少琪

2 煙臺騰遠建筑工程有限公司，264000，趙凌峰

0 引 言

引起地下水位變化的原因有很多，總體巖性、含水層結構、降雨、氣溫以及人為施工和

灌溉等行為都會引起地下水位的波動。

地下水位的升降變化也會引起一系列的問題，常見的有土壤鹽漬化、粉細砂的液化和管

涌、地下洞室的上浮和滲漏水、人工建構筑物的腐蝕以及海水入侵、地面沉降等。除此以外，

地下水位的升降動態變化也會引起邊坡的失穩。自然環境中，邊坡失穩大多與降雨引起的巖

土體強度參數降低有關，但是也有一些特定情況下滑坡的產生主要是由于水位升降引起。在

這類情況中，比較典型的是水庫水位變化引起的庫岸邊坡失穩破壞以及渠道通水—斷水引起

的渠道邊坡失穩破壞。

1 庫水位變化引起庫岸滑坡

在全球范圍內，至少有1%的水庫一定程度上受到滑坡的影響

[1－3]

，水庫庫岸

滑坡對水庫及大壩的危害主要包括兩個方面，一是大量巖土體滑入水庫，減少了

有效庫容，使水庫的正常運營和使用壽命受到影響；二是如果滑坡體高速滑入水

庫，造成巨大的涌浪，直接危及大壩安全及電站的運營。因此，庫岸穩定性問題

的研究越來越引起工程技術人員的重視

[4－7]

。水庫滑坡既有一般山地災害的共性，

又有其特殊性，特殊性表現為它的活動與庫水位的漲落關系密切

[8]

。庫水位的上

升導致滑坡體浸水面積增加，滑動面上的有效應力降低，部分滑帶飽水后強度降

低；庫水位下降時，如果滑體的滲透性較差，就會由于滑體內地下水位下降相對

滯后， 導致坡體內產生超孔隙水壓力，從而對滑坡體的穩定性產生不利影響。

因此，研究庫水位漲落對滑坡穩定性的影響時，問題的關鍵在于如何定量計算庫

水位變化而導致的滑坡體內孔隙水壓力的變化，從而進一步采用技術成熟的計算

方法進行滑坡穩定性分析，獲得穩定性隨庫水位變化的時間過程。以往對庫水位

上升或下降及降雨對庫岸滑坡穩定性影響的研究一般都建立在飽和穩定滲流假設

基礎上。

三峽水庫運營過程中，庫水位在145～175m間周期性漲落，庫水位變化必將

引起庫岸水文地質環境條件的改變，從而影響庫岸的穩定性。據統計

［2］

，受三

峽水庫蓄水及庫水位變動影響，不穩定和潛在不穩定的涉水滑坡有1130處，水

庫滑坡與庫水位漲落的關系密切．文獻

［9］

調查了Roovelt湖附近地區1931—

1953年發生的一系列滑坡，發現有39%發生在1931—1932年的蓄水初期，30%發

生在水位驟降10～20m階段。有關庫水位變化誘發滑坡的事例屢見不鮮，2003年

7月13日，三峽水庫在初期135m高程蓄水30d后，秭歸縣發生了千將坪滑坡。

對滑坡而言，地下水位升高，一方面降低了滑坡體的有效應力，同時由于水的軟

化浸泡作用，降低了滑體及滑帶的強度參數

［10］

。

為了盡可能地模擬實際情況下庫水位變化對庫岸邊坡的影響，現場試驗往往

造價太大并且實現困難，數值模擬又存在模型選取的問題，因此選擇室內的物理

模型試驗來進行研究。

物理模型試驗基本都是以實際滑坡為依據，結合實際的巖土參數和工況來進

行研究。馮文凱

[11]

采用離心模型對三峽木魚包滑坡進行了研究，試驗模型滑床采

用磚石和混凝土填筑；滑帶采用黏土和石英砂配置，比例為8：2，含水率7.5%，

厚度依據原型厚度的不同3~6mm之間；巖質滑體采用重晶石粉、細石英砂、石膏、

水泥和水按36∶108∶5∶45∶30比例制備相似材料，并按滑坡原型節理裂隙的

發育情況切割，間隙使用相似材料粘結。覆蓋層采用黏土和石英砂按照5∶5配

置，根據滑坡原型覆蓋層厚度按比例涂抹在模型表層。試驗模型制作完成后，將

其靜置固結，以備試驗。此外，在模型的制作過程中同步埋設土壓傳感器、孔隙

水壓力傳感器和位移傳感器，并采用高速攝像機記錄試驗過程。

2 渠道水位變化引起兩岸滑坡

渠道是指是指為輸送水流而在地面上開挖填筑或埋設的人工水道工程。自然

狀態下渠道每年會經歷一次通水-斷水的干濕循環。普通土質的渠道邊坡大多坡

高不高且坡角平緩，不會發生滑坡破壞，但是對于一些特殊土邊坡，由于土體自

身特點在經歷干濕循環后經常會發生破壞，這其中膨脹土渠道邊坡的破壞最為常

見。

膨脹土由于其水敏性，在經歷干濕循環后強度迅速下降，且會產生大量裂隙，

導致土體強度進一步降低。當渠道邊坡為膨脹土時，每年的通水——斷水循環對

邊坡的膨脹土性質產生不利影響。

中國北疆供水工程位于阿勒泰地區，供水明渠沿線地質條件復雜，分布大量

的膨脹土。該地區屬溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，為了減少凍脹破壞，

渠道采取季節性供水，每年4—9月份通水，其它時間停水。渠道在每年歷經一

次通水—停水的干濕循環交替作用下渠坡表面極易產生裂隙，坡面土體崩解、強

度降低，導致渠道滑坡失穩頻繁發生，每年造成的經濟損失難以估量，這個問題

已經引起各方面的高度關注。

圖1 渠道圖片

為了使邊坡穩定分析計算結果的準確性，在由Seep3D軟件建立渠道邊坡的

三維有限元模型時，取兩種地下水位分別建模。當模型的地下水位高程高于渠底

7m時，計算出邊坡的滲流面水力坡度較大，滲流面相對陡峭一些；當模型的地下

水位高程高于渠底5m時，邊坡內部的滲流面相對平緩。在渠坡底段，流量線與

等勢線較為密集，水力坡降指向坡外，所以渠道邊坡的底部是最不穩定的。總的

來講：

（1）在各個不同工況下，排水有效的情況下的安全系數要比在排水失效情

況下的安全系數大，說明渠道邊坡在排水有效狀態下的安全度，明顯高于排水失

效狀態的安全度。

（2）判別邊坡是否失穩的依據，是觀察邊坡是否具有塑性貫通區域。由渠

坡剪應變增量云圖可以觀察到，每個模擬結果圖都具有明顯的貫通區域，即存在

潛在滑動面，貫通區域的范圍大致為從坡頂延至到坡腳處，潛在滑裂面的形狀都

為類似于圓弧狀，邊坡在此區域內發生滑動。

（3）由剪應變增量云圖還可看出，最大應變均出現在坡腳處，說明滑坡的

滑裂面從坡腳開始滑動，坡腳是渠坡失穩的最危險部位。滑坡首先會從坡腳開始

發生滑動，然后滑移動體會從下帶動上部土體進行滑移。

（4）進一步分析認為，最大的局部應力出現在坡腳，是因為該處最早產生

了很強的應力集中，當坡腳的應力集中達到膨脹土自身抗剪強度時，渠坡就會開

始產生損傷并發育塑性變形，局部塑性破壞區的出現，使得一定區域內的抗剪承

載力減低，而且范圍逐漸擴大，就會沿塑性區域形成剪切帶，滑動面就此形成。

從而整個土體結構發生變化出現滑坡。

蔡正銀等

[12]

試驗采用南京水利科學研究院60g·t 中型土工離心機，如圖4

所示。該離心機有效半徑為 2.24 m，最大加速度為 200g，有效載重為 3 kN，

掛籃空間為 0.9 m ×0.8 m×0.8 m。掛籃側面搭載了攝像系統，可以完成對離

心機室、模型箱等部位的監視及錄像。該離心機配備了先進的數據采集系統，可

在試驗過程中對模型的變形、土壓力、孔壓等物理量進行實時測量。

通過2組膨脹土渠道干濕循環離心模型試驗，研究了渠道邊坡裂隙演化規律

及變形情況，探討了渠道邊坡中的孔隙水壓力和飽和區變化，得出以下3點結論：

（1）隨著干濕循環次數的增加，膨脹土渠坡裂隙不斷擴張，膨脹性越強，

裂隙發育程度越高，經過多次循環后造成膨脹土邊坡的破壞。

（2）從變形模式來看，渠道水位升降造成的干濕循環作用下渠坡破壞模式

有別于傳統的牽引式滑坡，其破壞均始于坡面水位線附近的裂隙發育造成的崩解

剝落滑塌，而非由坡底向上逐級牽引破壞。

（3）隨著干濕循環次數的增加，渠水的入滲越來越強，飽和區也越來越大。

膨脹性越強，入滲越明顯，相應的飽和區也越大。

圖2南京水利科學研究院60g·t土工離心機

[12]

圖3模型渠道斷面示意圖

[12]

最近幾年，也有學者在進行試驗后將破壞的根本原因歸結為膨脹土的脹縮性

（膨脹性）。在排除了超固結性和裂隙性的影響后，試驗中膨脹土邊坡淺層土體

由于不均勻膨脹變形而導致局部剪切錯動，隨著水分在坡體內的遷移，局部滑動

面逐漸向邊坡縱深擴展，在不同深度、不同部位形成多重剪切滑動面，最終導致

邊坡整體塌滑。這與實際工程中膨脹土邊坡的多層逐級牽引性漸進破壞的特征保

持一致，因此在比對后，程展林

[13]

認為膨脹性是影響膨脹土邊坡失穩的主要原因。

3 總結

巖土的地下水力學作用，分為靜水壓力作用和動水壓力作用兩種。他們都對

邊坡穩定性有不利影響，但在計算分析中需要分別考慮。

3.1 地下水位變化對庫岸邊坡的影響

水庫的蓄水和周期性調度使得滑坡前緣水位不斷變化，庫水的滲入和滲出、

對巖土體的浸泡軟化及浮托減重效應使得滑坡前緣的應力狀態變化，穩定性隨之

改變。水位上漲過程中，被淹沒的滑坡前緣巖土體在浮托減重和泡水軟化雙重作

用下抗滑力下降，但庫水內滲透的作用產生朝向坡體的滲透壓力一定程度上對坡

體起到了加固，各種因素共同影響使第一期次滑坡區域應力場變化，但應力場的

變化未造成第一期次滑坡區域大的變形，因此未受到庫水位變化影響的位于第一

期次滑坡后的第二期次和第三期次滑坡也無明顯變形產生。水位上漲速度越快觀

察到的變形跡象越明顯，因為被淹沒的滑坡體受到的浮托力作用快速增大所致。

在水位穩定段，坡體應力無變化故亦無變形產生。水位下降過程中，經過庫水充

分浸泡的巖土體在水位下降后，坡內地下水向外滲出，滲透力的牽引下軟化的巖

土體逐漸變形產生拉裂縫，當水位下降速度越快時，拉裂縫擴張，向周圍和深部

發展并貫通，坡腳發生局部崩滑，表現出牽引式破壞特征。滑坡受庫水位下降影

響比受庫水位上漲影響更大，屬于動水壓力型滑坡。第一期次滑坡的變形與局部

破壞造成超覆在其后緣的第二期次滑坡穩定性變化，產生變形，進而造成第三期

次滑坡隨之產生變形，從試驗結果來看，庫水位漲落作用下第一期次滑坡的變形

和局部破壞不會引起第二期次和第三期次滑坡產生破壞。

地下水位升高，一方面降低了滑坡體的有效應力，同時由于水的軟化浸泡作

用，降低了滑體及滑帶的強度參數。

庫水位下降時，若滑坡巖土體滲透性較差，地下水會相對庫水位的下降而發

生驟降，導致斜坡巖土體的地下水向水庫排泄，引起動、靜水壓力迅速增大（超

孔隙水壓），從而誘發邊坡變形或發生滑坡． 因此，研究庫水位漲落條件下滑

坡地下水滲流場的動態特征是評價庫水位漲落對滑坡穩定性影響的關鍵。

3.2 地下水位變化對膨脹土渠坡的影響

（1）隨著干濕循環次數的增加，膨脹土渠坡裂隙不斷擴張，膨脹性越強，

裂隙發育程度越高，經過多次循環后造成膨脹土邊坡的破壞。

（2）從變形模式來看，渠道水位升降造成的干濕循環作用下渠坡破壞模式

有別于傳統的牽引式滑坡，其破壞均始于坡面水位線附近的裂隙發育造成的崩解

剝落滑塌，而非由坡底向上逐級牽引破壞。

（3）隨著干濕循環次數的增加，渠水的入滲越來越強，飽和區也越來越大。

膨脹性越強，入滲越明顯，相應的飽和區也越大。

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