覃茂森，程圣國(guó)，劉 朝，陳 勇

(三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

三峽水庫(kù)建成蓄水后，壩前水位在145～175 m之間變動(dòng)。中村浩之［1］的研究表明，約49%的庫(kù)岸邊坡在水庫(kù)蓄水初期發(fā)生失穩(wěn)破壞，約30%發(fā)生在庫(kù)水位下降期間。水庫(kù)蓄水不僅使滑坡穩(wěn)定性發(fā)生變化，滑坡的變形模式也將由推移式轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳剑?］。庫(kù)水位升降是滑坡變形破壞的主要誘發(fā)因素之一［3-4］。眾多學(xué)者對(duì)庫(kù)岸滑坡的成因機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究［5-7］，林新等［8］通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究了均質(zhì)岸坡存在水平強(qiáng)透水層條件下，庫(kù)水位等速上升對(duì)岸坡土體內(nèi)浸潤(rùn)線的影響，提出了在庫(kù)水位等速上升的條件下浸潤(rùn)線的簡(jiǎn)化計(jì)算方法;張國(guó)棟等［9］以白水河滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合地質(zhì)勘察、宏觀變形跡象及監(jiān)測(cè)成果分析，對(duì)水庫(kù)型滑坡的變形特點(diǎn)及水動(dòng)力作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元分析，研究了庫(kù)水位變化、降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響;張巖等［10］以西南地區(qū)某庫(kù)岸滑坡為例，通過(guò)三維數(shù)值模擬，分析流固耦合作用下庫(kù)水位對(duì)庫(kù)岸滑坡的穩(wěn)定性結(jié)果表明，水位下降后滑坡穩(wěn)定性大幅降低;向玲等［11］研究了動(dòng)水壓力型滑坡對(duì)庫(kù)水位升降作用的響應(yīng)，指出庫(kù)水位升降速率越大，滑體滲透系數(shù)越小，庫(kù)水位變動(dòng)對(duì)滑坡滲流及穩(wěn)定性影響越明顯;時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人［12］根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定流微分方程，得到了庫(kù)水位下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤(rùn)線的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，用流網(wǎng)的性質(zhì)來(lái)確定土條邊界上的靜水壓力，證明了滲透力與土條中的水重和周邊靜水壓力是一對(duì)平衡力，并用滲透力代替土條周邊水壓力的方法得到了滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)公式，最后通過(guò)算例討論了各因素對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。

以上研究均是對(duì)庫(kù)岸滑坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，很少對(duì)滑坡的局部穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)探索，尤其是庫(kù)水位變動(dòng)作用下庫(kù)岸滑坡前緣的穩(wěn)定性。而在實(shí)際工程中，庫(kù)岸滑坡前緣經(jīng)常會(huì)發(fā)生局部垮塌或塌岸，由此帶來(lái)了滑坡滑動(dòng)模式的變化?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，本文以花蓮樹(shù)滑坡為研究對(duì)象，采用搜索滑移面的方法，對(duì)滑坡前緣的穩(wěn)定性特征進(jìn)行分析。

1 工程概況

花蓮樹(shù)滑坡地處重慶市奉節(jié)縣永樂(lè)鎮(zhèn)永樂(lè)村，處于巴務(wù)河向斜NE翼，位于長(zhǎng)江一級(jí)支流大溪河左岸的斜坡地形上，地形西高東低，坡面向東傾斜，坡向與巖層傾向相反，為一反向斜坡?；聟^(qū)內(nèi)發(fā)育有2條較大且垂直于大溪河的沖溝，分別為滑坡的左、右邊界?；潞缶壐叱?25 m，前緣高程110 m，后緣至前緣縱長(zhǎng)約1 800 m，滑坡寬約240～440 m，滑體平均厚度40 m，面積約72.1×104m2，總體積約2 880×104m3?；麦w表層由粉質(zhì)粘土覆蓋，厚1～2 m，其下為粉質(zhì)粘土夾碎、塊石，滑帶土物質(zhì)成分主要由粉質(zhì)粘土夾碎石、角礫組成。據(jù)鉆孔揭露，滑帶位于第四系滑坡堆積層與基巖的接觸面，厚0.6～1.7 m，滑面呈折線形，滑坡后部與中部的滑面傾角基本一致，約20°，至滑坡前部，滑面傾角漸漸變緩，約7°～10°，滑床為三疊系中統(tǒng)巴東組泥灰?guī)r和砂巖。

對(duì)花蓮樹(shù)滑坡GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［13］整理分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在庫(kù)水位變動(dòng)期滑坡前緣呈現(xiàn)出階躍式變形，變形程度從滑體后部至前部逐漸增大;另外，從時(shí)間上來(lái)看，每年6月～12月滑坡的變形相對(duì)較大，此時(shí)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位大幅變動(dòng)加之汛期降雨，極易造成滑坡的局部或整體失穩(wěn)。

滑坡區(qū)內(nèi)按地下水賦存條件可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水賦存于粉質(zhì)粘土夾碎、塊石中，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)變化影響，動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定?？碧劫Y料顯示，地下水位埋深為2.0～48.5 m，滑坡后緣地下水位埋深較淺，僅2.0 m，滑體中部地下水位埋深較大。地下水在滑坡形成的多級(jí)平臺(tái)的前緣沿基巖接觸面處以泉的形式排泄于地表，水量較為豐富，可供當(dāng)?shù)鼐用耧嬘谩?/p>

在滑坡體上布設(shè)有1條監(jiān)測(cè)剖面。其中，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)、傾斜孔4個(gè)、推力孔4個(gè)、水文孔4個(gè)，同時(shí)，在滑坡體外穩(wěn)定巖層上布置GPS基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 變形特征

從2007年6月開(kāi)始實(shí)施監(jiān)測(cè)到2009年12月期間，4個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，位于滑坡后部的FJ3021、FJ3022累積位移量達(dá)到80 mm，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024累積位移量達(dá)到160～180 mm，且4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移量距離河流越近位移量越大，其中滑坡前緣的FJ3024累計(jì)位移量高達(dá)180 mm。

此外，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移具有一定的分段同步特征，即位于滑坡中后部的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有較好的同步性，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024同步趨勢(shì)更明顯。并且，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移特征還表現(xiàn)出較為明顯的三次階躍型變形:即在2007年6月～9月、2008年7月～12月、2009年9月～12月地表位移明顯變大，位移速度變快;而在其他時(shí)段，地表位移變化處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 蓄水對(duì)滑坡變形的影響

結(jié)合奉節(jié)年降雨量特征以及三峽庫(kù)區(qū)水位運(yùn)行特征來(lái)看，每年5月～9月正值庫(kù)區(qū)雨季并且?guī)焖惶幱诘臀?45 m運(yùn)行，而9月～11月為庫(kù)水位上升期，此期間花蓮樹(shù)滑坡上各GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)快速階躍式變形。具體來(lái)看，2007年6月～9月，庫(kù)水位下降至145 m同時(shí)疊加降雨;2008年7月～11月，先是經(jīng)歷了庫(kù)水位下降至145 m低位運(yùn)行疊加汛期降雨(7月～10月)，后又經(jīng)歷了大幅度的水位上漲至172 m附近(10月～12月);2009年的變形特征與2008年非常相似。以上分析可以看出，花蓮樹(shù)滑坡同時(shí)受到降雨與庫(kù)水位變動(dòng)的影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)，前緣受庫(kù)水位大幅升降的影響更大，表現(xiàn)為累積位移增加更快。

綜上所述，花蓮樹(shù)滑坡變形具有比較典型的牽引式滑坡特征，即滑坡前部的累積變形量大于滑坡后部。此外，滑坡的穩(wěn)定性主要受降雨及庫(kù)水位升降的聯(lián)合影響，且滑坡前緣受庫(kù)水位升降的影響更為顯著。

3 庫(kù)水位升降作用下滑坡數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

選?、?Ⅱ'主滑面作為整體穩(wěn)定性計(jì)算剖面，滑動(dòng)面確定為覆蓋層與基巖面的最軟弱層面。根據(jù)花蓮樹(shù)滑坡地質(zhì)剖面圖建立相應(yīng)的計(jì)算模型。節(jié)點(diǎn)數(shù)3 567個(gè)，單元數(shù)為3 447個(gè)。網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1。

圖1 網(wǎng)格模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)野外取樣進(jìn)行的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再綜合分析當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，對(duì)滑坡計(jì)算參數(shù)進(jìn)行綜合選取。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

為探究庫(kù)水位升降速率對(duì)滑坡地下水浸潤(rùn)線及穩(wěn)定性的影響，結(jié)合庫(kù)區(qū)庫(kù)水位實(shí)際運(yùn)行特征，設(shè)計(jì)了以下工況:①庫(kù)水位以1.5、1、0.6 m/d速率從145 m水位上升至175 m;②庫(kù)水位以1.5、1、0.6 m/d速率從175 m水位下降至145 m水位。

4 計(jì)算成果及分析

4.1 地下水位線變化規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，滑坡后緣的地下水位較為穩(wěn)定，受庫(kù)水位升降及降雨影響并不顯著。鑒于此，本文重點(diǎn)研究滑坡前緣地下水位在設(shè)計(jì)工況下的變化情況。庫(kù)水位以1.5、1、0.6 m/d速率從145 m水位上升至175 m水位周期內(nèi)地下水浸潤(rùn)線變化見(jiàn)圖2。從圖2可知，庫(kù)水位以1.5 m/d速率上升時(shí)，滑坡前緣浸潤(rùn)線呈現(xiàn)出左低右高形態(tài)，均有向左彎曲、外凸的趨勢(shì)，地下水位的變化明顯滯后于庫(kù)水位的上升，產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象;庫(kù)水位上升速率越小，地下水位線外凸現(xiàn)象越不明顯，與庫(kù)水位上升的同步性更好。

圖2 庫(kù)水位上升時(shí)地下水浸潤(rùn)線(高程:m)

庫(kù)水位以1.5、1、0.6 m/d速率從175 m水位下降至145 m水位周期內(nèi)地下水浸潤(rùn)線變化見(jiàn)圖3。從圖3可知，庫(kù)水位以1.5 m/d速率下降至145 m水位，20 d時(shí)地下水位線與庫(kù)水位形成了較大的水位差，浸潤(rùn)線呈現(xiàn)出左高右低、內(nèi)凹現(xiàn)象，浸潤(rùn)線曲率較大，較于庫(kù)水位的跌落，地下水位線的變化呈現(xiàn)出明顯的滯后性;庫(kù)水位下降速率越大，地下水位線內(nèi)凹現(xiàn)象越明顯，曲線斜率越大，與庫(kù)水位形成的落差也越大。

圖3 庫(kù)水位下降時(shí)地下水浸潤(rùn)線(高程:m)

4.2 滑坡前緣與整體穩(wěn)定性變化

4.2.1 穩(wěn)定性系數(shù)

庫(kù)水位上升工況下的穩(wěn)定性系數(shù)變化見(jiàn)圖4。從圖4可知，庫(kù)水位按不同速率抬升過(guò)程中，穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律相同，均會(huì)經(jīng)歷一個(gè)穩(wěn)定-下降-上升的過(guò)程，穩(wěn)定性系數(shù)也都會(huì)達(dá)到一個(gè)極小點(diǎn)，然后逐漸升高。但穩(wěn)定性系數(shù)減小的幅度較小，最大減小值為0.027。當(dāng)庫(kù)水位抬升到175 m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大，庫(kù)水位抬升速率越大，穩(wěn)定性系數(shù)增大的幅度越大，曲線上升段斜率也最大。庫(kù)水位在0.6、1、1.5 m/d的抬升速率過(guò)程中穩(wěn)定性系數(shù)雖有一定波動(dòng)，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡前緣與整體穩(wěn)定性變化趨勢(shì)相似，但是變化幅度很小，最大波動(dòng)僅為0.03，整體穩(wěn)定性對(duì)庫(kù)水位響應(yīng)不甚顯著。

庫(kù)水位下降工況下的穩(wěn)定性系數(shù)變化見(jiàn)圖5。從圖5可知，庫(kù)水位在跌落過(guò)程中，穩(wěn)定性系數(shù)先下降后上升，在156 m水位時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最小值，隨著庫(kù)水位的繼續(xù)跌落，穩(wěn)定性系數(shù)開(kāi)始逐漸增大。3種不同工況的計(jì)算結(jié)果顯示，庫(kù)水位跌落速率越大，穩(wěn)定性系數(shù)下降速率越大，減小的幅度也越大。當(dāng)庫(kù)水位跌落速率達(dá)到1.5 m/d時(shí)，滑坡整體穩(wěn)定性較好，但此時(shí)滑坡前緣的穩(wěn)定性系數(shù)最小值已經(jīng)低于臨界值1，極有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。庫(kù)水位在1、0.6 m/d跌落速率過(guò)程中，滑坡整體與局部均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 庫(kù)水位上升工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

圖5 庫(kù)水位下降工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化

4.2.2 穩(wěn)定性分析

當(dāng)庫(kù)水位抬升時(shí)，滑體前緣部分被河水淹沒(méi)，向上的浮托力使得滑坡水下部分滑體重力減小。如果浮托力作用在阻滑段，滑坡阻滑力減小，滑坡穩(wěn)定性降低;如果浮托力作用在下滑段，滑坡下滑力減小，滑坡穩(wěn)定性增大［14］。

鉆孔勘探資料表明，滑體物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土，含少量砂粒和碎石，土體結(jié)構(gòu)較密實(shí)，滲透性差。庫(kù)水位從145 m抬升時(shí)，滑體前緣被庫(kù)水淹沒(méi)的部分會(huì)受到庫(kù)水的浮托作用，阻滑力減小，滑坡的穩(wěn)定性也相應(yīng)減小。庫(kù)水位達(dá)到160 m時(shí)，由于受到滑體土滲透性差的限制，地下水位的抬升已經(jīng)明顯滯后于庫(kù)水位的上升，出現(xiàn)了指向坡體內(nèi)部的水力梯度，有利于滑坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù)開(kāi)始逐漸增大。庫(kù)水位從175 m跌落時(shí)，同樣受到滑體土滲透性差的限制，滑體內(nèi)部的水來(lái)不及排出坡外，與庫(kù)水位形成了較大的水位差，產(chǎn)生了流向坡外的滲流，指向坡外的水力梯度增大了滑坡下滑力，滑坡穩(wěn)定性降低。因此，在庫(kù)水位升降作用下，滑坡前緣呈現(xiàn)階躍式變形特征，也驗(yàn)證了在庫(kù)水位變動(dòng)期，滑坡前緣GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)快速階躍式變形的現(xiàn)象，說(shuō)明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠。

以上分析發(fā)現(xiàn)，庫(kù)水位的升降對(duì)滑坡前緣局部穩(wěn)定性的影響更為顯著，滑坡前緣會(huì)先于整體而發(fā)生局部的失穩(wěn)、塌岸，一定程度上對(duì)滑坡的大范圍失穩(wěn)起到了預(yù)警作用。

4.2.3 滑坡發(fā)展趨勢(shì)

2010年10月，三峽水庫(kù)水位到達(dá)175 m，滑坡前緣已被庫(kù)水淹沒(méi)。由于受到長(zhǎng)期沖刷、浸泡，其變形可能會(huì)加速。隨著三峽水庫(kù)的高水位運(yùn)行，庫(kù)區(qū)水位停留在175 m的時(shí)間加長(zhǎng)，約3～5個(gè)月，全年水位淹沒(méi)滑體前緣坡腳達(dá)35～65 m。在水的長(zhǎng)期作用下，土體的抗剪強(qiáng)度相應(yīng)減小，從而降低了滑坡的穩(wěn)定性。此外，從時(shí)間上來(lái)看，每年6月～12月滑坡的變形相對(duì)較大，這是由于受到庫(kù)水位的大幅度變動(dòng)并疊加汛期降雨的影響，這種影響可能最先引起滑坡前緣局部失穩(wěn)?；虑熬壥Х€(wěn)后，形成較大的臨空面，阻滑段失效，之后滑坡受到牽引，從前向后變形逐漸加大。

5 結(jié)語(yǔ)

從花蓮樹(shù)滑坡GPS位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)分析，該滑坡變形程度從滑體后部至前部有逐漸增大的特征，具有比較典型的牽引式滑坡特征。庫(kù)水位上升時(shí)，滑坡穩(wěn)定性前期有所下降，在156 m水位時(shí)達(dá)到極小值，但處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。庫(kù)水位下降時(shí)，滑坡前緣地下水位線呈現(xiàn)出內(nèi)凹現(xiàn)象，穩(wěn)定性系數(shù)先下降后上升，庫(kù)水位下降速率越大，穩(wěn)定性系數(shù)下降越快;當(dāng)庫(kù)水位下降速率達(dá)到1.5 m/d，穩(wěn)定性系數(shù)低于臨界值1，將會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)破壞，應(yīng)盡可能避免庫(kù)水位下降速率過(guò)大。

滑坡前緣穩(wěn)定性較整體穩(wěn)定性受庫(kù)水位變動(dòng)影響更顯著，前緣會(huì)先于整體發(fā)生失穩(wěn)，一定程度上起到了預(yù)警作用。在分析滑坡穩(wěn)定性時(shí)，不應(yīng)忽略局部的穩(wěn)定性。同時(shí)，也說(shuō)明了庫(kù)水位升降是牽引式滑坡的一個(gè)重要誘發(fā)因素。

［1］中村浩之．論水庫(kù)滑坡［J］．水土保持通報(bào)，1990，10(1):53-64．

［2］王明華，晏鄂川．水庫(kù)蓄水對(duì)庫(kù)岸滑坡的影響研究［J］．巖土力學(xué)，2007，28(12):2722-2725．

［3］劉新喜，夏元友，張顯書(shū)，等．庫(kù)水位下降對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(8):1439-1444．

［4］劉才華，陳從新，馮夏庭．庫(kù)水位上升誘發(fā)邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究［J］．巖土力學(xué)，2005，26(5):769-773．

［5］徐青，陳勝宏，鄔愛(ài)清．庫(kù)岸滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2006，23(4):8-12．

［6］王猛，石豫川，唐興君．某庫(kù)岸滑坡的成因機(jī)制及穩(wěn)定性［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011，28(4):41-44．

［7］王志旺，楊健，張寶軍，等．水庫(kù)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性研究［J］．巖土力學(xué)，2004，25(11):1837-1840．

［8］林新，張慧萍．庫(kù)水位等速上升對(duì)浸潤(rùn)線影響的模擬試驗(yàn)研究［J］．水力發(fā)電，2010，36(4):95-97．

［9］張國(guó)棟，李泯蒂，龍海濤，等．水庫(kù)型滑坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程有限元分析［J］．水利水電技術(shù)，2016，47(2):104-108．

［10］張巖，陳國(guó)慶，張國(guó)峰，等．庫(kù)水位變化對(duì)觀音坪滑坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2016，24(4):501-509．

［11］向玲，王世梅，王力，等．動(dòng)水壓力型滑坡對(duì)庫(kù)水位升降作用的響應(yīng)——以三峽庫(kù)區(qū)樹(shù)坪滑坡為例［J］．工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22(5):876-882．

［12］時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人．庫(kù)水位下降情況下滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］．工程勘察，2004(1):26-30．

［13］田浩，賀模紅，胡勇生，等．三峽庫(kù)區(qū)重慶市奉節(jié)縣三期地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測(cè)預(yù)警工程滑坡專業(yè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)建設(shè)工程地質(zhì)勘查報(bào)告［R］．江油:四川九○九建設(shè)工程有限公司，2006．

［14］黃凈萍．滑坡物理模型試驗(yàn)的畸變修正數(shù)值分析方法研究［D］．宜昌:三峽大學(xué)，2013．