趙能浩，易慶林，3

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002;3.三峽大學(xué)湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站，湖北宜昌 443002)

0 引言

三峽水庫于2003年首次蓄水至135 m，一直持續(xù)到2006年，期間發(fā)生了177處滑坡變形，200處險(xiǎn)情，其中，2003年7月千蔣坪滑坡失穩(wěn)，因蓄水所致，為浮托減重型滑坡。水庫從2006年蓄水至156 m，并保持每年145～156 m的庫水位循環(huán)升降，一直持續(xù)到2008年，期間庫岸邊坡發(fā)生了152處變形，其中以秭歸縣白水河滑坡為例，為典型的動(dòng)水壓力型滑坡，因庫水位下降所致。三峽水庫于2008年、2009年進(jìn)行175 m實(shí)驗(yàn)性蓄水，其中2008年最高水位為172 m，2009年蓄至175 m，2年內(nèi)庫區(qū)發(fā)生196處滑坡。三峽水庫在2003-2009年的蓄水期間，庫區(qū)共出現(xiàn)525處滑坡變形，2009年以后維持庫水位在145～175 m循環(huán)升降，該期間滑坡變形數(shù)量明顯減少。庫區(qū)涉水滑坡災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)匕傩盏纳?cái)產(chǎn)安全以及航運(yùn)造成了巨大威脅，一直受到政府的高度重視，亦引起國內(nèi)外學(xué)者專家的廣泛關(guān)注。

滑坡體內(nèi)水動(dòng)力學(xué)條件的改變是水庫型滑坡發(fā)生的主導(dǎo)因素［1-3］，庫水位變化過程中，岸坡孔隙水壓力、地下水位線也在不斷變化，二者的組合變化可使庫岸土體蠕動(dòng)，產(chǎn)生拉張裂縫［4-9］。國內(nèi)外學(xué)者專家通過物理模型試驗(yàn)、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬等方法對(duì)水庫型滑坡體內(nèi)的水動(dòng)力條件的變化規(guī)律做了大量的研究。文獻(xiàn)［10］通過建立滑坡體孔隙水壓力、水分含量及庫水位實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，依托長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出庫水位上升時(shí)坡內(nèi)孔隙水壓力的響應(yīng)比庫水位下降時(shí)要快。文獻(xiàn)［11］針對(duì)浮托減重型滑坡，通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，認(rèn)為庫水位的升降通過改變滑坡體內(nèi)阻滑段有效應(yīng)力的大小來影響滑坡的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［12］通過研究庫水位變化與岸坡內(nèi)孔隙水壓力的變化來推導(dǎo)岸坡穩(wěn)定性，得出負(fù)孔隙水壓力、摩擦系數(shù)和水壓力是影響庫岸滑坡穩(wěn)定性的三大重要因素。文獻(xiàn)［13］通過模型試驗(yàn)方法，分析了土質(zhì)岸坡在一個(gè)蓄水降水循環(huán)周期內(nèi)裂縫體系的時(shí)空演化分期配套規(guī)律。文獻(xiàn)［14］提出增加庫水位升降速率，地下水位響應(yīng)滯后變得顯著，地下水位形態(tài)整體變陡，滑坡體動(dòng)水壓力增大，不利于邊坡穩(wěn)定。文獻(xiàn)［15］深入分析了樹坪滑坡變形失穩(wěn)機(jī)制，認(rèn)為庫水位下降導(dǎo)致坡體內(nèi)水力梯度和滲透力明顯增大，從而使滑坡穩(wěn)定性急劇下降，且?guī)焖幌陆邓俾试娇?，滑坡的位移速率也越大。文獻(xiàn)［16-17］運(yùn)用Geo-Studio軟件中的seep模塊模擬了不同庫水位升降速率及不同滲透系數(shù)下滑坡體內(nèi)地下水的暫態(tài)滲流場特征，認(rèn)為庫水位升降速率和滲透系數(shù)是影響坡內(nèi)滲流場的主要因素。文獻(xiàn)［18］通過GTS軟件模擬了秭歸縣馬家溝滑坡地下水位線隨庫水位的變化特征，結(jié)果表明地下水位和庫水位同步升降，影響其穩(wěn)定性的主要是浮托力。文獻(xiàn)［19］運(yùn)用有限差分程序軟件FLAC3D，對(duì)滑坡在庫水位驟然升降下的位移和應(yīng)力場進(jìn)行分析，研究應(yīng)力-滲流耦合作用下抗滑樁加固滑坡位移和受力特征，結(jié)果表明庫水位驟降對(duì)其減弱作用比庫水位驟升大。

前人對(duì)水庫型滑坡的坡內(nèi)滲流場受庫水位變化的研究多基于數(shù)值模擬與物理模型相結(jié)合的基礎(chǔ)上，但庫水位變化的邊界條件過于簡化，與實(shí)際情況存在一定出入。此外，滲流場與應(yīng)力場之間是相互影響的，一旦滲流場發(fā)生變化，應(yīng)力場也隨之改變，前人的研究成果偏向于滲流場的變化規(guī)律，對(duì)應(yīng)力場的分析略顯不足。故此，本文以云陽縣黃泥巴蹬坎滑坡為例，以數(shù)值模擬的方法追蹤了該滑坡自2003年蓄水以來坡內(nèi)滲流場的變化規(guī)律，并進(jìn)行了應(yīng)力分析，研究了該滑坡自蓄水后12年內(nèi)的穩(wěn)定性隨庫水位的變化規(guī)律。

1 滑坡概況

黃泥巴蹬坎滑坡位于云陽縣人和街道蓮花社區(qū)2組，長江支流箭竹溪左岸，距河口1.4 km?；驴煞譃棰?、Ⅱ號(hào)滑體，Ⅰ號(hào)滑體位于南側(cè)，Ⅱ號(hào)滑體位于北側(cè)(圖1)。Ⅰ號(hào)滑體平面上呈舍形，剖面(圖2)呈直線形，主滑方向?yàn)?12°，為斜順坡，前緣高程130 m，后緣高程250 m，其縱長530 m，寬180 m，厚30 m，面積約為9.54×104m2，體積約為286.2×104m3。Ⅱ號(hào)滑體平面上呈矩形，剖面呈凸形，主滑方向?yàn)?65°，為橫向坡，前緣高程145 m，后緣高程210 m，后緣以上為基巖陡坎，左側(cè)與Ⅰ號(hào)滑體共邊界，右側(cè)邊界為臨空面。其縱長180 m，寬260 m，厚10 m，面積約為4.68×104m2，體積約為46.8×104m3。根據(jù)監(jiān)測資料及現(xiàn)場調(diào)查，目前Ⅰ號(hào)滑體變形較為嚴(yán)重，Ⅱ號(hào)滑體基本無宏觀變形，GPS地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，Ⅰ號(hào)滑體地表位移變形遠(yuǎn)大于Ⅱ號(hào)滑體，故本文研究對(duì)象以Ⅰ號(hào)滑體為主，后文中滑坡均指Ⅰ號(hào)滑體。

滑體物質(zhì)為紫紅色夾灰綠色碎塊石土，土石比約為3:7，碎石粒徑為3～10 cm，大者30～50 cm，土層厚3～40 m，靠近斜坡后部土層較薄，前部土層較厚，結(jié)構(gòu)松散?；瑤幬镔|(zhì)為粉質(zhì)粘土夾碎塊石，遇水易軟化。滑床基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組灰綠色厚層-巨厚層長石砂巖，泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層。

圖1 黃泥巴蹬坎滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig．1 Engineering geomorphic map of landslide1—滑坡邊界及滑坡體編號(hào);2—次級(jí)滑坡邊界;3—崩塌體邊界;4—地裂縫及編號(hào);5—墻裂縫及編號(hào);6—地面下座;7—巖土分界線;8—坡積物;9—?dú)埰路e物;10—侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組;11—地表位移監(jiān)測點(diǎn)及編號(hào);12—監(jiān)測點(diǎn)變形方向(箭頭長度代表位移大小);13—基巖產(chǎn)狀。

2 模型及參數(shù)

本文用加拿大的Geo-studio系列軟件，使用了其中的seep/w、sigma/w、slope/w等程序，分別建立了滑坡滲流模型、應(yīng)力分析模型和穩(wěn)定性計(jì)算模型。通過滲流模型，分析該滑坡在2003年蓄水以來的12年內(nèi)坡體內(nèi)的滲流場變化情況;滲流場的改變必然引起應(yīng)力場的改變，以滲流模擬結(jié)果為初始條件，建立應(yīng)力分析模型，剖析在庫水位變化過程中，滑坡體內(nèi)應(yīng)力調(diào)整情況;在滲流場、應(yīng)力場同時(shí)變化的條件下，建立滑坡穩(wěn)定性計(jì)算模型，研究庫水位變動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性的影響。

因本文著重研究庫水位升降對(duì)該滑坡的影響，故僅考慮了庫水位的作用，并未涉及降雨對(duì)該滑坡的影響。本文在模擬庫水位升降的過程中，為了使模型簡化，便于計(jì)算，因此未考慮模型材料參數(shù)的變化。各模型參數(shù)、初始條件、邊界條件分述如下。

2.1 滲流模型

滲流模型以A-A’縱剖面為基礎(chǔ)，將其劃分為3354個(gè)節(jié)點(diǎn)，3476個(gè)單元，為了提高滑體、滑帶處計(jì)算結(jié)果的精度，設(shè)置滑體每個(gè)單元長度為5 m，滑帶每個(gè)單元長度為2 m。模型中的各材料參數(shù)見表1。

在滑體表面175 m高程以下設(shè)置庫水位隨時(shí)間變化的邊界條件，該邊界條件如實(shí)地反映了三峽大壩自2003年蓄水一直到2014年6月的庫水位運(yùn)行情況(圖3)，從2003年6月9日庫水位漲到130 m開始，經(jīng)過2006年、2007年漲到156 m，再經(jīng)過2008年、2009年實(shí)驗(yàn)性蓄水漲到172 m，2010年后每年庫水位在145～175 m運(yùn)行。整個(gè)過程共持續(xù)4024 d。相應(yīng)于該邊界條件，模型共設(shè)置2012個(gè)步時(shí)，每2天1個(gè)步時(shí)，計(jì)算周期為4024 d。初始條件為130 m地下水位線。

圖2 黃泥巴蹬坎滑坡A-A'工程地質(zhì)縱剖面圖Fig．2 Engineering geological profile of landslide1—第四系滑坡堆積物;2—侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組;3—碎塊石土;4—粉砂質(zhì)泥巖;5—細(xì)砂巖;6—泥巖;7—地表裂縫;8—推測滑動(dòng)面及剪出口;9—巖層產(chǎn)狀;10—地下水位線。

表1 滲流模型參數(shù)Table 1 Percolation model parameters

圖3 2003－2014年庫水位－時(shí)間曲線Fig．3 The reservoir water level from 2003 to 2014

2.2 應(yīng)力分析模型

滲流場的變化，會(huì)導(dǎo)致滑坡體內(nèi)孔隙水壓力的變化，從而引起土體顆粒間有效應(yīng)力的改變。因此，本文將seep/w計(jì)算出的滲流場導(dǎo)入應(yīng)力分析程序sigma/w中，計(jì)算出了每一個(gè)步時(shí)(對(duì)應(yīng)一個(gè)滲流場)的應(yīng)力狀態(tài)。其材料參數(shù)見表2。約束模型兩端水平位移為零，底部水平和垂向位移為零，模型初始應(yīng)力來源于原位初始應(yīng)力分析結(jié)果(只是重力作用的結(jié)果)。

表2 應(yīng)力分析模型參數(shù)Table 2 Parameters of stress analysis model

2.3 穩(wěn)定性計(jì)算模型

庫水位的變化，引起滲流場和應(yīng)力場的變化，最終導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性發(fā)生變化。本文將滲流模擬結(jié)果導(dǎo)入穩(wěn)定性計(jì)算模型中(圖4)，采用摩根斯坦極限平衡法，將滑體、滑帶劃分為73個(gè)條塊，分別計(jì)算出了相應(yīng)于每一步時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)。模型材料參數(shù)同表2。

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig．4 The stability calculation model

3 地下水位變化特征

三峽水庫于2008年首次蓄水至172 m，達(dá)歷年最高水位，從當(dāng)年9月26日的145 m水位開始，一直到11月5日到達(dá)172 m，此后每年庫水位基本上都在145～175 m運(yùn)行，截止于2014年6月，經(jīng)歷了6次落差近30 m的庫水位升降過程。此6次高水位循環(huán)升降必然引起滑坡體內(nèi)孔隙水壓力發(fā)生改變，為了研究這一變化，本文分別截取了第1次高水位升降期間(2008年下半年至2009年上半年)和第6次高水位升降期間(2013年下半年至2014年上半年)坡體內(nèi)地下水位的變化過程，即對(duì)比分析此期間因庫水位變化引起的孔隙水壓力的響應(yīng)。

研究表明，第1次庫水位升至172 m過程中(圖5(a))，滑體表層受庫水位上升的影響較大，滑體深部孔壓變化不大，由此產(chǎn)生方向指向坡內(nèi)的動(dòng)水壓力;隨后庫水位從172 m開始下降(圖5(b))，在此過程中，滑體表層浸潤線隨著庫水位的下降而緩慢下降，滑體深部浸潤線則緩慢向上抬升，表層和深部浸潤線呈方向相反的變化趨勢。在本次庫水位升降過程中，因土體內(nèi)地下水滲透速率低于庫水位升降速率，且蓄水前土體為非飽和狀態(tài)，因此而形成內(nèi)外水頭差，坡體內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，從而表現(xiàn)出地下水位明顯滯后效應(yīng)。

在經(jīng)歷了5次變幅為30 m升降過程后，第6次庫水位升降過程中(圖5(c)(d))，僅坡體表層浸潤線受庫水位影響較明顯，坡體深部浸潤線基本無明顯變化。亦表明在回水區(qū)內(nèi)，滑坡體內(nèi)部土體已基本飽和，僅表層土體受庫水位影響而處于飽和/非飽和交替狀態(tài)。

4 內(nèi)應(yīng)力變化特征

自2003年水庫蓄水以來，滑坡體內(nèi)滲流場發(fā)生了較大變化，這必將引起滑坡體內(nèi)應(yīng)力場的調(diào)整，其中土體間有效應(yīng)力變化的大小及方向直接影響滑坡的穩(wěn)定性。為此，本文通過以下兩個(gè)方面來分析該滑坡歷經(jīng)12年的應(yīng)力調(diào)整情況。

4.1 滑帶有效應(yīng)力

滑帶處土體有效應(yīng)力的變化，是滑坡穩(wěn)定性變化的最直接反映。本文截取了2003年6月9日(130 m庫水位)、2008-2014年每年某時(shí)刻(145 m庫水位)滑帶處土體的平均有效應(yīng)力數(shù)據(jù)(圖6)，結(jié)果表明:

圖5 滑坡體內(nèi)浸潤線變化過程Fig．5 The variation of phreatic table in landslide

圖6 滑帶有效應(yīng)力變化特征Fig．6 Effective stress variation of slip zone soil

(1)2003年6月～2008年9月，在經(jīng)歷了5年最高水位為156 m的庫水位升降之后，該滑坡滑帶距前緣剪出口200 m范圍內(nèi)的有效應(yīng)力有所降低，因孔隙水壓力增大所致，且該范圍內(nèi)滑帶各點(diǎn)處有效應(yīng)力降低值相差不大，平均為100 kPa，呈線性變化，以上表明，此5年內(nèi)滑坡前部涉水區(qū)坡內(nèi)水位有所抬升，且坡內(nèi)水位線較為平直，基本能與庫水位的變化保持同步。

(2)2008-2011年，在經(jīng)歷了3年最高水位為175 m且變幅為30 m的升降循環(huán)之后，滑帶土體有效應(yīng)力變化區(qū)域再次向后擴(kuò)張，退至距前緣剪出口280 m處，且呈非線性變化，即在變化區(qū)域內(nèi)，越靠近滑坡后緣，有效應(yīng)力降低幅度越大，最大降低值達(dá)272 kPa。

(3)2003年-2010年9月期間，滑帶前部有效應(yīng)力雖有降低，但并未影響滑帶有效應(yīng)力最大值點(diǎn)，其值為804 kPa，距前緣剪出口280 m處。從2010年以后，滑帶有效應(yīng)力的變化已影響至原有效應(yīng)力最大值點(diǎn)處，截止于2014年6月，該滑坡滑帶處土體有效應(yīng)力最大值點(diǎn)退至距前緣剪出口318 m處，較2003年后退38 m，其值為784 kPa，較2003年降低20 kPa。由此可見，在經(jīng)歷了12年的庫水位運(yùn)行之后，該滑坡滑帶處土體有效應(yīng)力最大值有所降低，且最大值位置沿滑帶逐步后退。

(4)2012-2014年，滑帶土體有效應(yīng)力無明顯變化，說明自2012年以后，該滑坡基本上已適應(yīng)落差30 m的庫水位升降變化，內(nèi)應(yīng)力基本調(diào)整完畢。

4.2 特征點(diǎn)應(yīng)力變化

由前文可知，自2008年175 m實(shí)驗(yàn)性蓄水后，滑帶處有效應(yīng)力發(fā)生了較大變化，為了深入研究這一變化過程，本文追蹤了滑帶某一點(diǎn)處在2008-2014年期間庫水位為145 m和175 m時(shí)的有效應(yīng)力情況。為了使分析結(jié)果更具代表性，所選研究節(jié)點(diǎn)位于滑帶處，距前緣剪出口153 m，其正上方的地表高程為165 m，且該點(diǎn)處的滑體厚度為33 m，與滑坡平均厚度接近。

研究結(jié)果(圖7)表明，該點(diǎn)處有效應(yīng)力在2008年9月～2011年11月期間變化幅度較大，最大變幅為205 kPa;從2011年11月份以后，隨著庫水位的循環(huán)升降，該點(diǎn)有效應(yīng)力變化幅度基本維持在100 kPa，且水位越高，有效應(yīng)力越小。由此可見，在2012-2014年內(nèi)，該滑坡體內(nèi)應(yīng)力受庫水位升降影響的變化規(guī)律已基本趨于穩(wěn)定，印證了上文滑帶處的應(yīng)力變化特征。

圖7 特征點(diǎn)有效應(yīng)力變化Fig．7 Effective stress variation of feature points

5 穩(wěn)定性變化規(guī)律

庫水位的變化引起滑坡體內(nèi)滲流場和應(yīng)力場的變化，從而導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性發(fā)生變化。模擬結(jié)果(圖8)表明，在2003年蓄水至130 m前，該滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.206，經(jīng)過12年的庫水位循環(huán)升降運(yùn)行之后，其穩(wěn)定性系數(shù)最小值降低至0.977。另外，從2008年實(shí)驗(yàn)性蓄水期間來看，在升至最高水位172 m時(shí)，即2008年11月5日，其穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)最大值，為1.286，是由于坡內(nèi)地下水位滯后于庫水位的上升而產(chǎn)生方向指向坡內(nèi)的動(dòng)水壓力和靜水壓力，有利于滑坡的穩(wěn)定。隨后穩(wěn)定性系數(shù)迅速降低，結(jié)合上文2009年上半年坡內(nèi)浸潤線的變化特征，分析可知該期間穩(wěn)定性系數(shù)的降低，一方面緣于庫水位的下降引起滑體表層浸潤線隨之下降，從而產(chǎn)生方向指向坡外的動(dòng)水壓力，不利于滑坡穩(wěn)定;另一方面在滑體表層浸潤線隨庫水下降的同時(shí)，其深部浸潤線逐步向上抬升，由此而產(chǎn)生的巨大孔隙水壓力亦降低了滑坡的穩(wěn)定性。從2006年開始，該滑坡的最小穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)明顯的逐年降低趨勢，至2011年5月30日，最小穩(wěn)定性系數(shù)降低至1.00，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2012-2014年期間，該滑坡最小穩(wěn)定性系數(shù)基本維持在0.977左右，未見明顯的降低，此3年內(nèi)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在1.133和0.977之間來回波動(dòng)。

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)與庫水位對(duì)比分析Fig．8 Comparison between stability factor and reservoir water level

6 結(jié)論與探討

本文運(yùn)用數(shù)值模擬方法，通過對(duì)三峽庫區(qū)黃泥巴蹬坎滑坡進(jìn)行12年(2003-2014年)的滲流場、應(yīng)力場以及穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論:

(1)在2003年6月至2008年9月期間，該滑坡穩(wěn)定性受庫水位影響不大，穩(wěn)定性系數(shù)僅降低0.086。此5年內(nèi)，運(yùn)行水位較低，且升降幅度較小，對(duì)滑坡體內(nèi)滲流場的影響不大，無明顯動(dòng)水壓力的產(chǎn)生，影響滑坡穩(wěn)定性的主要為坡體外部靜水壓力的變化。

(2)在2008-2011年內(nèi)，該滑坡體內(nèi)滲流場、應(yīng)力場以及穩(wěn)定性狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。2008-2009年內(nèi)庫水進(jìn)行175 m試驗(yàn)性蓄水，初期坡內(nèi)地下水位明顯滯后于庫水位的上升，產(chǎn)生了較大的指向坡內(nèi)的動(dòng)水壓力和靜水壓力，有利于滑坡穩(wěn)定;隨后坡內(nèi)地下水位逐步抬升，所產(chǎn)生的浮托力降低了滑坡的穩(wěn)定性，此外，坡體表層因庫水位升降而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力亦影響滑坡的穩(wěn)定性。

(3)在2012-2014年內(nèi)，該滑坡體內(nèi)的滲流場趨于穩(wěn)定，且內(nèi)應(yīng)力基本調(diào)整完畢，穩(wěn)定性系數(shù)最小值基本保持不變。此階段滑坡體深部地下水位基本不變，僅近表層地下水位受庫水位的升降變化明顯。庫水位上升，產(chǎn)生指向坡內(nèi)的動(dòng)水壓力和靜水壓力，有利于滑坡穩(wěn)定;庫水位下降，產(chǎn)生指向坡外的動(dòng)水壓力，不利于滑坡穩(wěn)定，因此滑坡的穩(wěn)定性表現(xiàn)為隨庫水位的升降而發(fā)生周期性變化。

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