奴尔水利枢纽工程库区粉土岸坡稳定性研究

郭大海

摘要：奴尔水利枢纽工程2018年下闸蓄水，2019年10月初蓄水至2488.31m，2021年底前水库水位一直低于2488.31m历史最高水位运行。期间，库区左右两岸巨厚风积粉土出现了不同程度大面积塌滑的现象。为分析和预测水库蓄水至正常蓄水位2497.0m时库区岸坡岸坡的塌滑规律和特征，通过现场踏勘、应用InSAR等技术开展库岸边坡塌滑时空演化特征、岸坡风积粉土的工程特性试验、库岸边坡浸水的室内模型试验和现场试验、塌岸稳定性评价及预测分析等工作。为奴尔水库的安全运行提供了一定的理论基础。

关键词：库区粉土、岸坡、稳定性研究

1.概况

奴尔水利枢纽工程位于新疆策勒县奴尔河上，是一座集灌溉、发电综合利用任务的中等Ⅲ型工程。水库设计淤积前总库容0.69亿m3，淤积30年后总库容0.43亿m3，正常蓄水位为2497m，死水位2465m，电站总装机容量为6.2MW，多年平均年发电量为0.217亿kW·h。工程由拦河坝、导流兼泄洪冲沙洞、表孔溢洪洞、发电引水系统及电站厂房等组成。最大坝高80m，泄洪发电建筑物在左岸集中布置。

奴尔水库库岸为基岩上覆盖的粉土边坡，其厚度在30～70m，水库蓄水后，库岸自然条件将会发生急剧变化，库水位以下土体处于饱和状态，抗剪强度将会大幅下降，加之水位附近土体的冲刷及掏蚀作用，使得土坡在重力作用下发生变形破坏，破坏形式将主要表现为坍塌、滑塌等，形成库岸再造。

2.库岸变形时空变化规律及特征

2.1库水位演化特征

奴尔水库于2018年8月5日蓄水至今，共经历近4次大的蓄泄水过程，水位最高升至2496.75m，近正常蓄水位2497m。库水位过程线及各年最大及最小值统计见图1。

图1  库水位过程线及各年最大最小值统计

2.2 库岸边坡滑塌及形变时空演化规律与特征

为查明库岸边坡蓄水前后以及蓄水后滑塌及变形情况，应用InSAR和光学影像耦合解译技术，开展库岸边坡不同阶段的变形时空演化规律与特征研究。

1）库区边坡蓄水前未监测到显著的形变区域（见图2(a)），整体处于稳定状态，局部存在持续性形变趋势。库区边坡坡脚表现为持续性形变，速率在-18 ~-10mm/year。

2）库区左岸边坡滑塌主要发生在蓄水及高水位波动阶段，不同年度所对应的库水位2472m、2483m和2487m。2018年8月底左右出现第一处大面积滑塌。滑塌逐渐向下游向坡内扩展，2018年发展至上下游向900m，坡内向250m；2019年发展至上下游向2240m，坡内向330m；2020年发展至上下游向2240m，坡内向385m。

   

（a）蓄水前                （b）20181218

   

（a）20191014                （b）20201003

图2  InSAR解译库岸形变及塌岸分布

3）库区右岸边坡滑塌主要发生在蓄水及高水位波动阶段，不同年度所对应的库水位2472m、2484m和2487m。2018年9月初左右出现第一处大面积滑塌。滑塌逐渐向上游向坡内扩展，2018年发展至上下游向137m，坡内向92m；2019年发展至上下游向717m，坡内向185m；2020年发展至上下游向717m，坡内向253m。

4）2018年度滑塌量值发生较大月份判定为2018年9月~12月，累计滑塌面积14.46万m2；2019年度滑塌量值发生较大月份判定为2019年9月~10月，累计滑塌面积46.45万m2；2020年度滑塌量值发生较大月份判定为2020年9月~10月，累计滑塌面积50.63万m2。

2、基于室内外试验的奴尔水利枢纽库岸滑塌成因机理

2.1室内浸水模型试验及冲刷模型试验

浸水模型试验结果表明（见图3），在坡外水位缓慢提升过程中粉土边坡坡脚部位趋于饱和，表现出一定的湿陷性，但整体上保持稳定，未发生大面积滑移。即使继续提高水位将粉土边坡全部浸于水下，粉土边坡仍然整体上保持稳定。

图3浸水模型及试验成果

冲刷模型试验结果表明（见图4），在水流冲刷作用下，粉土颗粒不断脱离坡面进入水体并随之运移。粉土颗粒的冲刷侵蚀使得分布于其上的土体失去支撑，进而在重力作用下发生失稳破坏、向下滑移。水流的进一步冲刷侵蚀将引发新一轮的粉土边坡滑移。总体上，粉土边坡呈层状逐渐滑移，最终堆积于岸坡低洼处或进一步向坡外水库内运移。历次冲刷后的坡面形态与原型塌岸后的地面线较为相近。

图4冲刷模型及试验成果

综上，粉土边坡颗粒极细且粘性较差，抗水流冲刷侵蚀能力较弱，在水流顶冲和弯道环流作用下，凹岸侧粉土边坡坡脚处易于被水流冲刷侵蚀，上部土体在重力作用下失稳破坏。室内模型试验验证了水流冲刷侵蚀导致奴尔水库库岸粉土边坡失稳破坏这一现象。

2.2现场变水头和常水头边坡浸水试验

现场库岸变水头和常水头边坡试验（见图5）现象与奴尔水库初期蓄水库岸边坡崩塌较为一致，表明水库蓄水是库区边坡发生崩塌的主要影响因素。库水位高度越高，边坡出现裂隙位置越高；库水位波动范围越大，土体局部崩塌范围越大。在库水位高度和波动范围综合影响下，库岸边坡经历水库蓄水、毛细作用、湿化、饱和、强度降低、自重作用、局部崩塌等过程，之后发生多次局部崩塌及应力重分布调整，形成现状边坡。

图5常水头崩塌试验现场照片

综合室内和现场的试验成果，蓄水期库水位上升过程中造成库岸风积粉土边坡发生大面积塌滑主要由以下两方面的因素共同作用：1）库水位上升期，库水位上下毛细作用区内的中等透水性的风积粉土较短时间内即浸水饱和，粉土颗粒间胶结物质（主要是碳酸钙）部分溶解造成土体微观结构破坏，同时土体由不饱和进入饱和状态后，原来由基质吸力贡献的表观黏聚力丧失，造成土体的抗剪强度大幅降低，并最终导致边坡失稳破坏。2）岸坡表面松散风积粉土抗水流冲刷性能极差（抗冲流速几乎为零），库水位波动附近的土体遭受水力侵蚀而进入库水中，使得岸坡坡脚被掏蚀从而造成边坡局部崩塌。

3、库岸滑塌稳定性分析

采用考虑坡脚软化作用和基质吸力影响的土质边坡稳定分析方法，对水库蓄水前后库岸自然边坡稳定性进行分析可知：

（1）蓄水前由于粉土的凝聚力很小，采用传统的忽略土中的基质吸力的稳定分析方法时，利用最优化方法搜索获得的最小安全系数对应的临界滑裂面是一个非常浅的滑弧。但当采用考虑非饱和土中的基质吸力的分析方法时，计算结果与水库蓄水前库岸自然边坡的稳定现状是相符的。

（2）水库初期蓄水因库水位附近的土体强度丧失而被水流搬运携带，上部土体的稳定性极差。当水平掏蚀深度为1m~2m时，上部土体的安全系数小于1.0。这一结果与自然边坡的实际破坏状况是一致的，表现为一种随着水平掏蚀深度的增加，发生的一种渐近式破坏模式。

（3）水库蓄水至正常蓄水位2497.0m时（见表1和图6），水平掏蚀深度为6m~8m的边坡各计算剖面的安全系数小于1.0；水库水位骤降工况的边坡安全裕度不足，存在再次发生滑塌破坏的可能性。

表1 水库蓄水至正常蓄水位2497.0m时现状边坡的抗滑稳定分析成果
计算条件	计算剖面	水平掏蚀深度/m	抗滑稳定安全系数F
考虑基质吸力影响	左岸QHP4-2剖面	2.0	1.61
		4.0	1.30
		6.0	1.05
		8.0	1.03
		10.0	0.94
	右岸QHP6-4剖面	2.0	1.31
		4.0	1.00
		6.0	0.89
		8.0	0.82
		10.0	0.73

 

(a)左岸QHP4-2剖面                (b)右岸QHP6-4剖面

图6库岸边坡不同掏蚀深度的稳定特性

4、结论和建议

（1）库岸粉土边坡的滑塌破坏区别于一般土质边坡变形破坏，是一种渐近式浅层滑塌破坏。水库初次蓄水时，位于库水位以下的浅层粉土遇水饱和，发生湿陷变形、崩解，呈流塑状态，强度基本丧失，并在动水环境下被搬运带走，使上部土体处于临空状态。在自重的作用下，上部土体发生整体式滑动破坏，滑塌后的下部物质因遇水饱和，而呈流塑状态而被搬运带走，如此往复循环，最终导致库岸粉土边坡发生大规模滑塌破坏。发生塌岸后的粉土边坡的坡度一般在35°~50°（粉土的天然休止角），且滑裂面为直线型或近似直线型，表明其破坏类型为浅层滑动破坏。

（2）2022年9月，水库已蓄水至正常蓄水位2497.0m。在蓄水过程中，库岸多处出现了塌滑现象，符合前期研判。库岸正常蓄水位2497.0m附近虽基岩已基本出露，基岩表面及上部仍覆盖粉土层，在水库水位升降过程中仍然存在库岸塌滑的风险，但塌滑方量不大，不致影响水库的正常运行。

（3）鉴于库岸边坡未经历正常蓄水位长期运行考验，建议水库运行时：一是结合上游来水和下游计划，合理调控库水的升降速率，减少库岸局部塌滑的风险；二是加强巡视检查，并布设视频监控设施，开展左岸边坡变形及滑塌监控，发现问题及时处理。