馬云彪 張勝佳 趙想利 付玲莉

(三峽大學(xué) 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)

三峽庫(kù)區(qū)歷來(lái)是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，其中滑坡是該區(qū)域主要的地質(zhì)災(zāi)害，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次大規(guī)?；耓1，2]．三峽大壩蓄水以來(lái)，水庫(kù)水位的變化和降雨引起了庫(kù)岸邊坡地下水滲流場(chǎng)的改變，使許多老滑坡復(fù)活并誘發(fā)了新的滑坡．許多學(xué)者對(duì)三峽庫(kù)區(qū)滑坡進(jìn)行了深入分析研究，并取得了豐富的成果．廉城[3]提出了一種基于誤差修正EOS-ELM的滑坡位移模型，并用白水河滑坡為例驗(yàn)證了其有效性；吳瓊[4]在庫(kù)水和降雨聯(lián)合作用下研究了庫(kù)岸邊坡的浸潤(rùn)線變化規(guī)律；曹陽(yáng)健[5]在庫(kù)水和降雨聯(lián)合作用下對(duì)加卸載響應(yīng)比進(jìn)行了分析；易慶林[6]、盧書強(qiáng)[7]結(jié)合滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了白水河滑坡的變形特征及主要影響因素；葉建華[8]、李道臣[9]又分別進(jìn)行了不同工況條件下的極限平衡計(jì)算．

已有研究為白水河滑坡變形監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)提供了參考，但在穩(wěn)定性研究中，大多將庫(kù)水作用以一定的升(或降)速率來(lái)進(jìn)行模擬，較少考慮在年調(diào)度周期內(nèi)將庫(kù)水作用按照不同變幅速率來(lái)分段研究，更鮮有在分段調(diào)度內(nèi)考慮不同降雨作用的研究報(bào)道．本文在白水河滑坡已有研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)在對(duì)滑坡產(chǎn)生不利影響的調(diào)度階段，根據(jù)各階段內(nèi)實(shí)際降雨的特點(diǎn)，分別分析不同的降雨開(kāi)始時(shí)間及不同的降雨方式對(duì)白水河滑坡穩(wěn)定性的影響．

1 白水河滑坡地質(zhì)特征

在白水河滑坡位于三峽大壩上游的長(zhǎng)江南岸，距三峽大壩約56 km，地形南高北低，呈階梯狀，屬秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)白水河村．坡頂高程450～500 m．高程180～500 m段地形坡度24°～36°；130～180 m地形較平坦，坡度5°～12°；80～130 m高程坡度27°～31°．總體前緣和后緣地形坡度較抖，中部比較平緩，屬單斜順向坡．

滑體形態(tài)總體為不規(guī)則的圈椅狀，西側(cè)以山羊溝為界，東側(cè)以黃土包凹槽為界，后緣高程為約297 m，前緣為120～130 m.滑體長(zhǎng)約500 m，寬約430 m，滑體平均厚度約30 m，體積550×104[10]，屬深層大型土質(zhì)滑坡(圖1)．

1.第四系殘坡積土；2.第四系崩坡堆積物；3.第四系滑坡堆積物；4.侏羅紀(jì)下統(tǒng)香溪組粉砂巖；5.滑坡邊界；6.裂縫；7.鉆孔；8.深部測(cè)斜鉆孔；9.GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)；10.地層分界線；11.覆蓋層與基巖的分界線；12.地層產(chǎn)狀圖1 白水河滑坡平面圖[7]

從鉆孔揭露的地層特征來(lái)看，滑體主要物質(zhì)成分為粉質(zhì)黏土夾碎石，土質(zhì)稍濕、可塑，未見(jiàn)統(tǒng)一連續(xù)的土層界限；滑帶物質(zhì)成分主要是粉質(zhì)粘土夾碎石和角礫，土體密實(shí)、潮濕，呈硬塑狀；滑坡下沿基巖多呈中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化狀，局部滑床表面風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙高度發(fā)育且切割巖體，鉆孔巖芯多呈破裂狀[6]．

2 三峽水庫(kù)年調(diào)度周期特點(diǎn)

從2008年開(kāi)始，三峽庫(kù)區(qū)水位調(diào)度進(jìn)入了周期性平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)．雖然年庫(kù)水位周期調(diào)度會(huì)有所差別，但綜合分析年調(diào)度周期水位變化特征[6，7，9，10]，依據(jù)水位變化速率的不同，可以將三峽水庫(kù)年周期調(diào)度概化為6個(gè)階段(如圖2所示)，6個(gè)階段的具體概況為：

圖2 庫(kù)水位周期調(diào)度示意圖

1)AB階段：AB階段處于一年中的1月初到6月初，庫(kù)水位由175 m降至145 m左右，時(shí)間上處于一年中的枯水期，降雨稀少，并且隨著月份的增加，降雨逐漸增多．

2)BC階段：BC階段處于一年中的6月初到7月初，庫(kù)水位圍繞145 m水位小幅波動(dòng)，時(shí)間上處于一年中的汛期，降雨多．

3)CD階段：CD階段處于一年中的7月初到8月初，庫(kù)水位由145 m升至162 m左右，時(shí)間上處于一年中的汛期，降雨多．

4)DE階段：DE階段處于一年中的8月初到8月中旬，庫(kù)水位由162 m降至145 m左右，時(shí)間上處于一年中的汛期，降雨多．

5)EF階段：EF階段處于一年中的8月中旬到11月初，庫(kù)水由145 m升至175 m左右，時(shí)間上處于一年中的枯水期，降雨較多，并且隨著月份的增加，降雨逐漸減少．

6)FG階段：FG階段處于一年中的11月初到12月底，庫(kù)水保持在175 m左右小幅波動(dòng)，時(shí)間上處于一年中的枯水期，降雨稀少．

3 數(shù)值分析模型和工況

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)滑坡勘測(cè)資料，選取白水河滑坡3-3'剖面作為計(jì)算模型(如圖3所示)．計(jì)算方法為考慮基質(zhì)吸力的Morgenstern-Price法．

圖3 白水河滑坡數(shù)值計(jì)算模型

3.2 邊界及材料參數(shù)

在邊界條件設(shè)定：庫(kù)水位以上坡面為降雨邊界；庫(kù)水位在固定水位時(shí)為定水頭邊界，庫(kù)水位變化時(shí)為動(dòng)水頭邊界；底部為不透水邊界；初始地下水位由野外勘測(cè)資料獲得．

根據(jù)試驗(yàn)成果，地勘報(bào)告[11]建議值以及反演分析結(jié)果，結(jié)合類似地質(zhì)條件工程經(jīng)驗(yàn)等綜合分析，巖土體計(jì)算參數(shù)的選取見(jiàn)表1．

表1 白水河滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

由以上年調(diào)度周期各階段的概況特征，同時(shí)考慮到高庫(kù)水位和庫(kù)水上升對(duì)滑坡穩(wěn)定性具有增強(qiáng)作用[12]．故CD、EF和FG階段暫時(shí)不做分析，著重分析最不利階段AB、BC和DE階段對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響．

結(jié)合三峽水庫(kù)防洪、發(fā)電和航運(yùn)需要，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查、相關(guān)文獻(xiàn)[13]及地勘報(bào)告[11]，匯總得AB階段的平均庫(kù)水位降速為0.2 m/d(實(shí)際庫(kù)水位下降速率為0.2～0.4 m/d)．庫(kù)水下降速率是其主要影響因素．BC階段庫(kù)水位在145 m低水位(實(shí)際庫(kù)水在145 m上下小幅波動(dòng))，降雨是其主要影響因素．DE階段平均降速為1 m/d(實(shí)際庫(kù)水位下降速率為1～2 m/d)．庫(kù)水下降速率和降雨是其主要影響因素．依據(jù)秭歸縣降雨資料統(tǒng)計(jì)分析，20a一遇枯水期暴雨強(qiáng)度為40.571 mm/d[14]，20a一遇汛期暴雨強(qiáng)度為142.87 mm/d[15]．

最不利階段AB、BC和DE階段分析的降雨模式見(jiàn)表2．具體的計(jì)算工況為：

1)針對(duì)不同的降雨發(fā)生時(shí)間，考慮到BC階段僅為145 m低水位，降雨開(kāi)始時(shí)間先后產(chǎn)生的效應(yīng)相同，進(jìn)而主要分析AB和DE階段降雨開(kāi)始時(shí)間先后對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，各自降雨強(qiáng)度分別選取枯水期20a一遇暴雨和汛期20a一遇暴雨．降雨持續(xù)時(shí)間分別為1 d、5 d和10 d，默認(rèn)每天降雨強(qiáng)度保持不變．下降速率均選取相應(yīng)階段的平均下降速率．

2)針對(duì)不同降雨方式，在最不利階段AB、BC和DE的基礎(chǔ)上研究不同降雨方式對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響．為了保證可比性，每種降雨方式總降雨量和降雨天數(shù)保持一致，同時(shí)仍采用20a一遇暴雨進(jìn)行研究，降雨總量枯水期和汛期分別取202.855 mm(AB階段)和714.35 mm(BC和DE階段)，降雨天數(shù)為10 d．這樣不僅可以使20a一遇暴雨成為不同降雨方式中最大降雨強(qiáng)度，也可以使降雨天數(shù)相關(guān)性最好[16]．

表2 庫(kù)水調(diào)度年周期內(nèi)各階段概況

4 結(jié)果分析

4.1 降雨開(kāi)始時(shí)間對(duì)穩(wěn)定性的影響

從圖4可以看出，在庫(kù)水位以0.2 m/d從175 m降至145 m過(guò)程中，不同時(shí)間(對(duì)應(yīng)庫(kù)水位也不同)開(kāi)始降雨時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開(kāi)始時(shí)間呈現(xiàn)先略微增大再震蕩減小的趨勢(shì)．且隨著降雨天數(shù)從1 d增加到10 d時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)在降低．

圖4 AB階段穩(wěn)定性與降雨開(kāi)始時(shí)間先后關(guān)系

分析其原因是因?yàn)楫?dāng)降雨天數(shù)相同時(shí)，不同時(shí)間開(kāi)始降雨，對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位不同，降雨覆蓋滑體面積有所差異．降雨開(kāi)始后，水分入滲進(jìn)入土體，引起土體性質(zhì)和滑體重量改變．同時(shí)隨著庫(kù)水位的下降，動(dòng)水壓力(滲透力)在增大[17]．庫(kù)水位處于相對(duì)高水位時(shí)，降雨和低動(dòng)水壓力促進(jìn)了滑坡穩(wěn)定性；相對(duì)低水位時(shí)，降雨和高動(dòng)水壓力降低了滑坡的穩(wěn)定性．當(dāng)降雨天數(shù)不同，相同時(shí)間開(kāi)始降雨時(shí)，滑體重量改變不同，滑體中飽和和非飽和土大小和分布也不同，導(dǎo)致穩(wěn)定性不同．降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，滑體重量增加越大，土體飽和區(qū)域也越多，土體抗剪強(qiáng)度降低，下滑力增大，滑坡穩(wěn)定性降低．

從圖5可以看出，在庫(kù)水位以1 m/d從162 m降至145 m過(guò)程中，不同時(shí)間(對(duì)應(yīng)庫(kù)水位也不同)開(kāi)始降雨時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開(kāi)始時(shí)間整體平穩(wěn)，但當(dāng)降雨出現(xiàn)在較低水位時(shí)，呈現(xiàn)減小趨勢(shì)．且隨著降雨時(shí)間從1 d增加到10 d，穩(wěn)定性系數(shù)在降低．

圖5 DE階段穩(wěn)定性與降雨開(kāi)始時(shí)間先后關(guān)系

分析其原因，此階段降雨量大，且?guī)焖陆邓俾蔬^(guò)快，滑體指向外部的滲透壓很大，不利于滑坡穩(wěn)定．因此主要表現(xiàn)為整體穩(wěn)定并在低水位時(shí)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)．隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，土體滲透系數(shù)變小，土體飽和區(qū)域增加，這種飽和特性逐漸降低了滑坡的穩(wěn)定性．

從圖4和圖5可以得到，在20a一遇暴雨情況下，不同降雨開(kāi)始時(shí)間對(duì)滑坡穩(wěn)定性具有影響．總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論枯水期的AB階段還是汛期的DE階段，在庫(kù)水下降到145 m附近時(shí)開(kāi)始降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性都是不利的．同時(shí)，每條曲線穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度(最大穩(wěn)定性系數(shù)與最小穩(wěn)定性系數(shù)的差值)見(jiàn)表3，可以發(fā)現(xiàn)，隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度在降低．說(shuō)明隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，降雨開(kāi)始時(shí)間對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響在降低．

表3 穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度

4.2 降雨方式對(duì)穩(wěn)定性的影響

4種降雨方式分別為遞增型(a方式)、遞減型(b方式)、中間大型(c方式)和中間小型(d方式)．按照枯水期和汛期兩種不同降雨總量，4種降雨方式分布如圖6～7所示．由3.1節(jié)得出結(jié)論：在145 m附近疊加20a一遇暴雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性最不利．同時(shí)為了方便對(duì)比，按照降雨在最后10 d進(jìn)行計(jì)算，并綜合考慮降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的滯后性．計(jì)算得AB、BC和DE階段4種降雨方式下的穩(wěn)定性系數(shù)見(jiàn)表4．

圖6 枯水期降雨方式

圖7 汛期降雨方式

表4 4種方式下各階段穩(wěn)定性系數(shù)

由表4可得，降雨方式的不同，對(duì)不利階段AB、BC和DE的穩(wěn)定性是具有影響的．枯水期降雨量較少，降雨方式的不同導(dǎo)致的穩(wěn)定性系數(shù)差異很大．汛期降雨量偏多，降雨方式的不同導(dǎo)致的穩(wěn)定性系數(shù)差異相對(duì)較?。餐c(diǎn)是在b方式和e方式這種后期降雨持續(xù)增加的降雨方式，穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)較?。菀壮霈F(xiàn)失穩(wěn)可能性．對(duì)于后期降雨持續(xù)減小的降雨方式，穩(wěn)定性系數(shù)相對(duì)較大．穩(wěn)定性相對(duì)較好．

5 結(jié) 論

白水河滑坡為特大型滑坡，歷史上發(fā)生過(guò)多次滑移，穩(wěn)定性較差．三峽水庫(kù)年調(diào)度周期內(nèi)，分階段考慮了不同降雨特征情況對(duì)白水河滑坡穩(wěn)定性的影響，得到：

1)在庫(kù)水下降的AB階段，發(fā)生20a一遇枯水期暴雨時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開(kāi)始時(shí)間呈現(xiàn)先略微增大后震蕩減小的趨勢(shì)；DE階段疊加20a一遇汛期暴雨時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著降雨開(kāi)始時(shí)間整體平穩(wěn)，在降雨出現(xiàn)在較低位水時(shí)，呈現(xiàn)減小趨勢(shì)．

2)對(duì)于庫(kù)水下降的AB和DE階段，降雨發(fā)生時(shí)間越晚，即相應(yīng)庫(kù)水位越低時(shí)，對(duì)于滑坡穩(wěn)定性越不利，尤其對(duì)于145 m水位更為顯著．同時(shí)，隨著降雨天數(shù)的增加，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)震蕩幅度減小，即長(zhǎng)時(shí)間降雨會(huì)弱化降雨開(kāi)始時(shí)間對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響．

3)在AB、BC和DE階段下，當(dāng)最大降雨強(qiáng)度為20a一遇暴雨時(shí)，不同降雨形式下白水河滑坡穩(wěn)定性系數(shù)處于較低水平(0.999～1.075)，滑坡穩(wěn)定性在遞增型和中間小型的持續(xù)性降雨時(shí)較低，在遞減型和中間大型的持續(xù)降雨時(shí)較高．

4)當(dāng)白水河滑坡發(fā)生暴雨時(shí)，應(yīng)該對(duì)降雨發(fā)生在低水位時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)后期不斷增強(qiáng)的持續(xù)性降雨給出特別關(guān)注．同時(shí)，兩種降雨模式可為類似滑坡研究提供一些參考．