黃 達(dá),匡希彬,羅世林,2
(1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400045;2.湖南科技大學(xué)煤礦安全開(kāi)采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411100)
三峽庫(kù)區(qū)自蓄水以來(lái),水位在145~175 m高程之間波動(dòng)(本文中水位高程均為吳淞高程),同時(shí)庫(kù)區(qū)降雨充沛,暴雨較多,使得庫(kù)水消落帶巖體結(jié)構(gòu)松散,局部侵蝕、崩塌現(xiàn)象嚴(yán)重。長(zhǎng)期的庫(kù)水位升降[1-2]和降雨入滲[3-4]誘發(fā)三峽庫(kù)區(qū)大量古滑坡復(fù)活,如安樂(lè)寺滑坡[5-7]、黃土坡滑坡[8-9]、曲池滑坡[10-11]等。
藕塘滑坡是三峽庫(kù)區(qū)中典型的順層古滑坡,自2003年庫(kù)區(qū)蓄水以來(lái),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)滑坡表現(xiàn)出較多的復(fù)活跡象,如坡面裂縫、滑面擦痕及滑坡前緣局部崩塌等。前人對(duì)該古滑坡進(jìn)行了較多的研究工作,殷躍平等[12]認(rèn)為庫(kù)水位的升降以及降雨因素是促使藕塘滑坡復(fù)活變形的主要因素,且合理控制庫(kù)水位升降速度能夠有效減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生;代貞偉等[13]從地貌學(xué)以及工程地質(zhì)力學(xué)角度分析了藕塘滑坡形成機(jī)制以及變形主控因素,并提出了藕塘滑坡各區(qū)域破壞機(jī)制;胡致遠(yuǎn)等[14]通過(guò)數(shù)值模擬方法提出藕塘滑坡淺層滑體穩(wěn)定性主要受庫(kù)水波動(dòng)影響,深層滑體在強(qiáng)降雨條件下變形主要受降雨因素控制,降雨量低于160 mm/d時(shí),深層滑體變形受庫(kù)水以及降雨聯(lián)合作用。肖婷等[15]通過(guò)對(duì)比不同庫(kù)水位下降速度下四方碑滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)變化趨勢(shì),提出古滑坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)辦法;周云濤等[16]、曾耀[17]以庫(kù)區(qū)太白巖古滑坡以及安樂(lè)寺古滑坡為研究對(duì)象,闡明了超孔隙水壓力對(duì)庫(kù)區(qū)古滑坡的破壞機(jī)理,并且前者提出了考慮超孔隙水壓力的特大型近水平崩坡積層古滑坡穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式。
上述工作極大地豐富了三峽庫(kù)區(qū)古滑坡的研究成果,但未涉及長(zhǎng)期地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及滑坡體的區(qū)域變形控制因素研究。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料和對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料(長(zhǎng)達(dá)7 a)的深入分析,并結(jié)合數(shù)值模擬方法,探討了藕塘滑坡的時(shí)-空變形特點(diǎn)及其相應(yīng)的影響因素,進(jìn)而揭示其復(fù)活機(jī)制,以期為庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害的防治及規(guī)劃設(shè)計(jì)、保護(hù)長(zhǎng)江航道的正常運(yùn)行和兩岸城鎮(zhèn)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全提供參考。
藕塘滑坡位于重慶市奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)長(zhǎng)江南岸,上距重慶約425 km,下距三峽大壩約177 km,滑體規(guī)模較大,屬于復(fù)活型巨型順層古滑坡。藕塘滑坡前緣高程100 m,后緣高程475 m,滑體長(zhǎng)1 500 m,寬 830~1 170 m,厚40~70 m,總面積為133×104m2,總體積約為6 480×104m3?;谔讲酆推巾峡辈榧半娮幼孕舱裨囼?yàn)結(jié)果,認(rèn)為藕塘滑坡為三級(jí)滑體(圖1)。其中一級(jí)滑體和二級(jí)滑體均沿灰色炭質(zhì)黏土巖軟弱層(R3)滑動(dòng),三級(jí)滑體沿灰黑色黏土巖軟弱層(R1)滑動(dòng)(圖2a)。一、二、三級(jí)滑體及滑帶土形成年齡分別為120~130 ka、65~68 ka和47~51 ka,各級(jí)滑體結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出前部反翹,中部及后部巖層產(chǎn)狀與基巖一致。
滑坡區(qū)年平均氣溫和降雨量分別為16.3 ℃和1 147.9 mm。在完整的水文年(從本年的10月至次年9月)中,降雨集中期為5—9月,特別是在7月和8月,最大日降雨量可達(dá)148.2~158.6 mm。
圖1 藕塘滑坡平面圖及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Plane sketch of the Outang landslide and the monitoring system layout
圖2 藕塘滑坡A-A’地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile of the Outang landslide
2.1地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
大部分GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)主方位角指向長(zhǎng)江并且變化范圍在340.0°~359.3°之間,部分GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(LJ13,LJ02和LJ03站)的運(yùn)動(dòng)方位角變化范圍為3.8 °~17.8 °(圖1)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):總體上,隨著高程的增加,滑體的變形速度增大,如MJ05的月變形量為2.94 mm(高程約為179 m),MJ17的月變形量為6.21 mm(高程約為310 m), TN03的月變形量為11.84 mm(高程約為576 m)。
根據(jù)地表累計(jì)位移與庫(kù)水位、降雨量關(guān)系曲線(圖3)可知,古滑坡體水平方向和垂直方向位移曲線隨時(shí)間的變化特征相似,均呈階躍狀變化?;驴焖僮冃渭性诿磕?—9月,該時(shí)段內(nèi)庫(kù)區(qū)保持低水位運(yùn)行且降雨量較大,此后滑坡變形速度極為緩慢。根據(jù)圖3(d)可知,2011年6月初庫(kù)水位已從175 m下降到150 m,在坡腳位置MJ01和LJ13站監(jiān)測(cè)到水平位移最大速度約0.85 mm/d,MJ05、MJ06以及MJ08 監(jiān)測(cè)站位置也開(kāi)始以相對(duì)較小的速度(約0.12 mm/d)運(yùn)動(dòng)。
從2012年5—9月,由于降雨量增加以及庫(kù)水位下降,各級(jí)滑體位移明顯增加,尤其邊坡中上部三級(jí)滑體區(qū)域,TN03測(cè)得累計(jì)水平位移達(dá)208 mm。同期由于一級(jí)滑體區(qū)域容易受到庫(kù)水侵蝕作用,該區(qū)域MJ01站點(diǎn)截至2012年8月測(cè)得累計(jì)水平位移達(dá)148 mm。
圖3 地表累計(jì)位移與庫(kù)水位、降雨量關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between cumulative displacement of the Outang landslide and precipitation and reservoir level
圖4為藕塘滑坡A-A’剖面上的斜測(cè)儀In1、In2、In3監(jiān)測(cè)所得累計(jì)深部位移關(guān)系曲線。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示一級(jí)滑體深部位移在距地表約60 m處開(kāi)始急劇增加,二級(jí)滑體深部位移在距地表70~75 m處開(kāi)始迅速增加,三級(jí)滑體深部位突變點(diǎn)位于距地表約50 m處(圖4紅色虛線圈出位置),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所得各級(jí)滑體深部位移突變位置與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查所揭示的實(shí)際滑動(dòng)面(圖2c)基本一致。綜合地質(zhì)勘察資料以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以推斷藕塘古滑坡具有明顯的滑動(dòng)面,且滑動(dòng)面大體位于堆積體和基巖接觸的界面。
圖4 藕塘滑坡深部位移變形曲線Fig.4 Curve of subsurface deformation of Outang landslide
圖5為2011年11月—2012年4月期間藕塘滑坡地下水位與庫(kù)水-降雨時(shí)間關(guān)系曲線,可以看出滑體不同區(qū)域地下水位變化趨勢(shì)與降雨以及庫(kù)水位變化趨勢(shì)不同。
圖5 藕塘滑坡地下水位與降雨-庫(kù)水時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Curve between groundwater level and rainfall-reservior water level of Outang landslide
滑坡前緣(P1)地下水位與庫(kù)水位變化趨勢(shì)基本一致,降雨對(duì)該位置地下水位變化影響不明顯;相比之下,滑坡中部(P2)地下水位除2012年4月14日變化幅度較大以外,監(jiān)測(cè)期間基本保持不變,該日降雨量達(dá)80.5 mm,引起地下水位產(chǎn)生升高約1.8 m(圖5紅色虛線標(biāo)記以及局部放大位置),可以推斷滑坡中部地下水位受強(qiáng)降雨影響,但非主要影響因素;滑中后部(P3)地下水位變化規(guī)律與降雨量密切相關(guān),特別是2012年4月隨著降雨量的增加,地下水位幾乎同步增加,隨著降雨量的下降,地下水位又迅速下降,水位波動(dòng)范圍為390~414 m。因此可以得出藕塘滑坡不同滑體地下水位的主要影響因素不同:一級(jí)滑體主要受庫(kù)水位升降影響;二級(jí)滑體地下水位變化與降雨有關(guān),但影響程度較小;三級(jí)滑體地下水位主要影響因素為降雨。
為進(jìn)一步闡述影響滑坡變形的主要水文因素,本文選取三個(gè)代表性GPS測(cè)點(diǎn)(每級(jí)滑體一個(gè)測(cè)點(diǎn)),并對(duì)三個(gè)完整水文年(2013年10月—2016年9月)內(nèi)的變形曲線進(jìn)行詳細(xì)分析(圖6),可以看出在同一個(gè)位移陡增階段內(nèi)(灰色矩形框),測(cè)點(diǎn)的位置變化會(huì)影響其快速變形的終止時(shí)刻(紅色圓點(diǎn))。
圖6 各級(jí)滑體庫(kù)水位、降雨以及累計(jì)水平位移時(shí)間序列Fig.6 Time series of the reservoir water level, rainfall and cumulative horizontal displacement within all slide masses
一般而言,同一位移陡增段內(nèi),測(cè)點(diǎn)所在位置的海拔越高,其快速變形的終止時(shí)刻會(huì)逐漸延遲。三級(jí)滑體與一級(jí)滑體的變形滯后時(shí)間約為1個(gè)月(圖6藍(lán)色區(qū)域所示),并且藍(lán)色區(qū)域往往與庫(kù)水上升和降雨時(shí)期重疊。綜合地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果(圖3、圖6)可以推斷,庫(kù)水位下降是導(dǎo)致滑坡下部快速變形的主要原因,而強(qiáng)降雨是誘發(fā)滑坡中上部高海拔區(qū)域變形的主要因素。
根據(jù)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知影響滑坡變形的主要水文因素為降雨和庫(kù)水,且降雨主要影響區(qū)域?yàn)榛碌闹猩喜?,?kù)水主要影響滑坡下部。為進(jìn)一步揭示其復(fù)活機(jī)理,本文采用數(shù)值模擬軟件GEO-STUDIO,對(duì)滑坡在初始狀態(tài)175 m水位工況下、整水文年(2011年10月—2012年10月)庫(kù)水位升降過(guò)程工況下和整水文年(2011年10月—2012年10月)庫(kù)水-降雨耦合工況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,通過(guò)分析幾種工況下邊坡的滲流場(chǎng)、穩(wěn)定性變化進(jìn)一步確定滑坡變形主要控制因素,并揭示其復(fù)活機(jī)理。本文以藕塘滑坡A-A’剖面作為研究對(duì)象建立數(shù)值模型(圖7),采用四邊形、三角形混合單元對(duì)模型進(jìn)行劃分[19],共分為2 425個(gè)節(jié)點(diǎn),2 377個(gè)單元,并根據(jù)地質(zhì)勘察資料分析得滑體、滑動(dòng)帶以及基巖物理力學(xué)參數(shù),詳見(jiàn)表1。
圖7 藕塘滑坡數(shù)值模型Fig.7 Numerical model of Outang landslide
取一個(gè)完整水文年為研究時(shí)段(2011年10月—2012年10月),該研究時(shí)段內(nèi)庫(kù)水位先從175 m下降至145 m,故將175 m水面以上設(shè)置為單位流量邊界條件,175 ~145 m為變水頭邊界,145 m以下為定水頭邊界。由于基巖多為灰?guī)r,滲透系數(shù)較低,故將滑帶與基巖接觸面設(shè)置為不透水層邊界。經(jīng)過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及物理力學(xué)參數(shù)對(duì)滑坡地下水位初始邊界條件反演,最終模型前緣以175 m水位為初始水位,后緣以625 m地下水位為初始地下水位邊界條件,模型底部和右側(cè)設(shè)置為零流量邊界,在該狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算得出初始滲流場(chǎng)。
表1 數(shù)值模型物理參數(shù)
通過(guò)數(shù)值模擬方法獲得藕塘滑坡175 m、145 m庫(kù)水位工況下總水頭壓力分布圖(圖8)。對(duì)比分析圖8與圖5得出滑坡實(shí)際地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與滑體各區(qū)域總水頭壓力數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,庫(kù)區(qū)高水位(175 m)運(yùn)行期間滑坡區(qū)降雨量小,由于滑體滲透系數(shù)相對(duì)基巖較大,因此滑體區(qū)域地下水位較同一水平距離基巖地下水位高。庫(kù)區(qū)在低水位(145 m)運(yùn)行期間,隨著降雨量增加(圖3a)以及雨水入滲,導(dǎo)致滑體淺表層地下水位升高,總水頭壓力增大。
圖8 藕塘滑坡地下水位分布圖Fig.8 Underground water level of the Outang landslide注:P1、P2、P3分別對(duì)應(yīng)圖1中地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位置
圖9為藕塘滑坡在庫(kù)水位升降單一工況下以及二者耦合作用下各區(qū)域孔隙水壓力-時(shí)間數(shù)值模擬曲線,可以看出:在庫(kù)水位升降單一工況下,滑坡下部與中上部區(qū)域孔隙水壓力變化規(guī)律均與庫(kù)水位變化規(guī)律基本一致,隨著水位的下降,滑體內(nèi)孔隙水壓力逐漸減小,且孔隙水壓力變化速度與庫(kù)水位升降速度呈正相關(guān);在庫(kù)水、降雨耦合作用下,滑坡下部區(qū)域孔隙水壓力變化規(guī)律與庫(kù)水升降單一工況下相似,受降雨影響較??;但如圖9(b)紫色虛線框內(nèi)所示,滑坡中上部區(qū)域孔隙水壓力明顯受降雨條件影響,隨著降雨量的增加滑坡中上部孔隙水壓力明顯增加,且暴雨期間滑坡中上部孔隙水壓力呈陡增趨勢(shì)。
圖9 藕塘滑坡孔隙水壓力-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.9 Curves of pore water pressure with time of the Outang landslide
圖10 各工況下滑坡孔隙水壓力云圖Fig.10 Pore water pressure of the Outang landslide under various operating condition
由圖10(a)、(b)對(duì)比得出:庫(kù)水位由175 m降至145 m過(guò)程中,滑坡體內(nèi)浸潤(rùn)線隨庫(kù)水下降而降低,水位下降使滑坡體內(nèi)外水頭差增大,坡體內(nèi)孔隙水通過(guò)裂隙排出,最終導(dǎo)致滑坡體內(nèi)孔隙水壓力減小。坡體內(nèi)孔隙水排出過(guò)程中,坡體內(nèi)部產(chǎn)生向外的滲流力,對(duì)滑坡體形成推動(dòng)作用;此外,孔隙水排出會(huì)帶出溶解在水中的各種礦物質(zhì),造成坡體內(nèi)部產(chǎn)生變形空間,進(jìn)一步加劇邊坡變形。
圖10(b)、(c)為同時(shí)期庫(kù)水位單一工況以及庫(kù)水、降雨耦合作用下的孔隙水壓力變化規(guī)律,對(duì)比兩種工況,隨著降雨量增加滑坡中上部浸潤(rùn)線明顯抬升,后緣孔隙水壓力增大,導(dǎo)致滑坡變形加劇,但滑坡下部在庫(kù)水-降雨耦合作用下,孔隙水壓力較同時(shí)期庫(kù)水位升降單一工況下計(jì)算結(jié)果沒(méi)有發(fā)生明顯變化。綜合分析可以推斷出,藕塘滑坡中上部區(qū)域變形主要受降雨影響,下部區(qū)域變形主要影響因素為庫(kù)水位升降。
圖11 藕塘滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線Fig.11 Safety factor curve of the Outang landslide
藕塘滑坡在庫(kù)水-降雨耦合作用下的穩(wěn)定性系數(shù)變化如圖11所示。2011年10月—2012年4月,研究區(qū)域庫(kù)水位呈下降趨勢(shì),該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)庫(kù)水位下降速基本維持在0.1 ~0.5 m/d,可以發(fā)現(xiàn)在庫(kù)水下降階段,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)從最開(kāi)始的緩慢下降過(guò)渡至快速下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因,一方面是由于外部水位快速下降,坡內(nèi)孔隙水不能及時(shí)排出,造成滑體內(nèi)、外部較大的孔隙水壓力差,在坡體內(nèi)部形成了較大的推動(dòng)力;另一方面是在滑坡體內(nèi)部孔隙水排出過(guò)程中,巖層間軟弱夾層物質(zhì)被帶出,內(nèi)部產(chǎn)生了大量變形空間,致使邊坡穩(wěn)定性急劇下降。為了迎接汛期,即5—9月(圖11中的紫色虛線框),該時(shí)段內(nèi)庫(kù)區(qū)水位基本保持在145 ~160 m范圍內(nèi)波動(dòng),并且邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)也在緩慢下降。這是因?yàn)檫吰绿幱诘退粻顟B(tài)下,由于汛期降雨量豐富,坡體內(nèi)的孔隙水壓力會(huì)上升(圖9b),從而使得邊坡內(nèi)部產(chǎn)生向外的推力,導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。9—10月研究區(qū)域降雨量下降,庫(kù)區(qū)水位開(kāi)始上漲,上漲速度基本維持在0.25~0.50 m/d,邊坡穩(wěn)定系數(shù)也隨之增大。
綜合分析一個(gè)完整水文年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可得出,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化范圍為1.02~1.10。因此,由seep模塊與slope模塊耦合分析得藕塘滑坡整體穩(wěn)定性主要受庫(kù)水位變化和降雨的影響,且?guī)焖幌陆邓俣葘?duì)滑坡穩(wěn)定性有直接關(guān)系,水位下降速度越快,滑坡穩(wěn)定性越差。此外,降雨也會(huì)使得滑坡穩(wěn)定性下降。
(1)深部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明藕塘滑坡的深部位移隨著深度增加基本保持不變,但均在不同位置出現(xiàn)了位移突變現(xiàn)象,且位移突變的位置與地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)的軟弱巖層的深度相一致,這進(jìn)一步說(shuō)明了各次級(jí)滑體均沿軟弱層滑動(dòng)。
(2)長(zhǎng)期地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明藕塘滑坡變形在時(shí)間上表現(xiàn)出具有階躍狀迭代變形特點(diǎn),在空間上其變形速度隨高程的增加而增大。滑坡變形主要受降雨以及庫(kù)水位二者共同影響,其中靠近庫(kù)區(qū)的一級(jí)滑體區(qū)域變形主要控制因素為庫(kù)水位變化,二級(jí)至三級(jí)滑體區(qū)域變形主要控制因素為降雨。
(3)數(shù)值模擬再一次說(shuō)明了庫(kù)水位升降和降雨是藕塘滑坡的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)主要影響因素。庫(kù)水位快速下降階段,邊坡的穩(wěn)定性也急劇下降,此外降雨在一定程度上增加了邊坡內(nèi)部孔隙水壓力,進(jìn)而降低邊坡的穩(wěn)定性。
基于上述認(rèn)識(shí),認(rèn)為藕塘滑坡復(fù)活的主要外部因素為降雨和庫(kù)水波動(dòng):一方面庫(kù)水波動(dòng)使得消落帶附近巖體結(jié)構(gòu)松散,出現(xiàn)局部崩塌等現(xiàn)象;另一方面降雨入滲增加滑體下滑力并弱化滑面的抗滑力。在二者長(zhǎng)期共同作用下滑坡的穩(wěn)定性逐年下降。因此針對(duì)此類(lèi)庫(kù)區(qū)古滑坡,可以嘗試在消落帶附近進(jìn)行護(hù)坡從而減少庫(kù)水波動(dòng)的影響(如砌石護(hù)坡等),坡體中部進(jìn)行排水(如排水洞等)進(jìn)而弱化降雨入滲的影響。此外還可通過(guò)在坡體中前部布設(shè)抗滑樁增加滑面抗滑力,進(jìn)而達(dá)到提高滑坡穩(wěn)定性的效果。