徐興倩 屈新 張新啟 竇思軍 陳肖肖

摘要：目前對三門洞滑坡的已有研究都重點關(guān)注穩(wěn)定系數(shù)和變形特征，缺乏對孔隙水壓力及應(yīng)力演化特征的系統(tǒng)性研究。采用Abaqus建立滑坡的三維計算模型，推導庫水位變化和降雨入滲的耦合邊界條件，提出基于莫爾一庫倫和最大拉應(yīng)力準則相結(jié)合的復(fù)合準則，模擬滑坡在庫水位變化和降雨共同作用下的變形演化過程。系統(tǒng)探討了滑坡的孔隙水壓力分布、位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)分布特征，并綜合數(shù)值模擬結(jié)果分析了庫水位變化和降雨入滲條件下的邊坡穩(wěn)定性問題。結(jié)果表明：在強降雨和庫水位緩慢下降綜合作用下，三門洞滑坡在滑坡中后部和前緣分別出現(xiàn)局部的張拉和剪切破壞，滑體內(nèi)滲流場發(fā)生較大變化，導致滑體內(nèi)孔隙水壓力、應(yīng)力、位移和等效塑性應(yīng)變整體增大，但并未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：滑坡穩(wěn)定性;流固耦合;庫水位變化;降雨入滲;三門洞滑坡;三峽庫區(qū)

中圖法分類號：P642.22 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.005

1研究背景

三峽庫區(qū)的地質(zhì)環(huán)境因素復(fù)雜，庫水位變化大，降雨頻繁，導致庫區(qū)邊坡極易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，給當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全造成了威脅。已有很多學者從庫水位變化或降雨角度對邊坡穩(wěn)定性開展了大量研究工作。Ng和Shi對暴雨條件下土坡的暫態(tài)滲流場和穩(wěn)定性進行了分析，探討了正負孔隙水壓力演化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)降雨入滲導致坡體內(nèi)部負孔隙水壓力減小，邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低。劉才華等探討了庫水位上升邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)機理。劉金龍等采用有限元模擬了庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。岳慶河等分析了庫水位回落對土石壩邊坡穩(wěn)定性的影響。吳海燕等研究了降雨人滲導致的黃土邊坡破壞面形成過程及滑動機理。齊云龍等討論了地震和降雨共同作用下邊坡穩(wěn)定性，針對性地提出了邊坡防治建議。婁一青等綜合有限元數(shù)值模擬分析結(jié)果得出了降雨條件下邊坡地下水的滲流特征。尚敏等采用Geo-studio模擬了白水河滑坡在降雨入滲作用下的滲流場，探討了地表變形幅度與降雨強度之間的關(guān)系。上述研究揭示了降雨或者庫水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，但都是單一地從庫水位變化或降雨入滲的角度分析邊坡穩(wěn)定性。莫偉偉研究了庫水位變化和降雨條件下滑坡水巖流固耦合的作用機理，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遺傳算法獲取了庫水位變化和降雨條件下巖土體的物理力學參數(shù)。帥紅巖采用有限元模擬了三峽庫區(qū)曬鹽壩滑坡在庫水位和降雨共同作用下的滑坡滲流場變化情況，并基于非飽和土抗剪強度理論和Fredlund的極限平衡法理論，分析了滑坡的穩(wěn)定性。秦洪斌提出了庫水和降雨共同作用下復(fù)活型滑坡的復(fù)活判據(jù)，并基于3個具體滑坡驗證了該判據(jù)的有效性。上述研究探討了庫水位變化和降雨共同作用下的邊坡變形穩(wěn)定性問題，為本文的研究工作提供了理論支撐。

已有很多學者對三峽庫區(qū)的典型滑坡——三門洞滑坡進行了研究。薛聰聰?shù)染C合考慮庫水位和降雨滲流的作用，分析了不同工況下三門洞滑坡的穩(wěn)定系數(shù)，并得出了定性結(jié)論。易慶林等n。基于三門洞滑坡的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，綜合分析了該滑坡體的動態(tài)變形特征和主要影響因素。上述研究均探討了三門洞滑坡的變形及穩(wěn)定系數(shù)，但很少對滑坡體的孔隙水壓力分布、位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)等進行系統(tǒng)性研究。

基于此，本文擬以三門洞滑坡為研究對象，采用有限元軟件Abaqus模擬其在水庫水位變化和降雨共同作用下的變形演化過程，獲取該滑坡的孔隙水壓力分布、位移場、應(yīng)力場和塑性區(qū)，并綜合數(shù)值模擬結(jié)果分析庫水位變化和降雨對邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

2三門洞滑坡地貌及有限元網(wǎng)格模型

三門洞滑坡位于長江支流青干河右岸，距河口約8.5km。如圖1所示，滑坡前緣較緩，中部和后緣稍陡，西高東低?；鲁拾夹纹拢w前緣高程125m，后緣高程350m，呈圓弧狀，以基巖為界;左側(cè)以基巖山脊為界，右側(cè)以陡坎臨空面為界，平均坡度15°，均寬300m?；w長830m，面積24.9萬m²，平均厚度22m，體積548萬m³，主滑方向60°。

根據(jù)滑坡的工程地質(zhì)勘察資料，分析了滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，建立了三維有限元計算網(wǎng)格模型，如圖2所示。該模型沿青干河水流方向為1080m，垂直青干河水流方向為1468m，底面高程為-142m，計算區(qū)域包含滑體、滑帶和基巖，對其劃分網(wǎng)格后，共生成94090個六面體單元，105644個節(jié)點。

在計算模型中考慮了滑坡體的3種典型土體：滑體、滑帶和滑床（見圖3），相應(yīng)的物理參數(shù)如表1所示。

3巖土體的屈服準則

在庫水位變化和降雨共同作用下，滑坡前緣和中部主要發(fā)生剪切破壞，后緣出現(xiàn)張拉裂隙，發(fā)生張拉破壞。巖土體發(fā)生剪切破壞的屈服準則常采用廣義米賽斯準則（D-P準則）和莫爾一庫侖準則（M-C準則）。D-P準則在主應(yīng)力空間上的屈服面為一圓錐面，在π平面上為圓形，不存在尖頂處的數(shù)值計算問題。M-C準則的屈服面為不規(guī)則的六角形截面的角椎體表面，在π平面上為不等角六邊形，存在尖頂和菱角。運用現(xiàn)有技術(shù)，已能較好處理尖頂，同時M-C準則在邊坡工程中得到廣泛應(yīng)用。因此，本文選用M-C準則來判定巖土體是否發(fā)生剪切破壞。巖土體發(fā)生張拉破壞常采用的屈服準則為最大拉應(yīng)力準則。

復(fù)合準則在（σ1，σ3）平面上的描述如圖4所示。圖4中，A點到B點為M-C屈服準則f^s=0，其中f^s可以表示為：

4邊界條件

采用飽和非恒定滲流與應(yīng)力耦合理論進行三門洞滑坡流固耦合計算分析，滲流邊界條件和應(yīng)力邊界條件的確定方法如下。

4.1滲流邊界條件

（1）滲流初始邊界條件。基于工程勘察資料確定坡體初始地下水位，然后采用Abaqus確定坡體內(nèi)初始滲透場的孔隙水壓力分布。如表1所示，采用不同巖土體滲透系數(shù)對應(yīng)的滲流速度來模擬計算模型四周邊界的透水條件。

（2）非恒定滲流邊界條件。降雨引起坡面入滲及產(chǎn)流條件由降雨強度和坡面巖土體的人滲率決定。當降雨強度小于坡面巖土體的入滲率時，降雨產(chǎn)生的水流全部入滲至坡體;當降雨強度大于坡面巖土體的入滲率時，坡面上將產(chǎn)生徑流?；诮涤暝谄旅嫒藵B產(chǎn)流的主要特點，坡面入滲產(chǎn)流的邊界條件可通過如下方法確定：

式中，v為雨水在坡面的滲流流速（由坡面巖土體的滲透系數(shù)決定）;q為降雨強度。

本文采用第一類邊界條件來模擬庫水位變化時坡體表面的水頭變化情況。數(shù)值計算模型底邊為不透水邊界，四周及坡面不接觸降雨或庫水的邊界為自由透水面。

4.2應(yīng)力邊界條件

數(shù)值計算模型的底部邊界為法向約束，前后兩側(cè)及左右兩側(cè)均采用法向約束，坡體表面為自由邊界。

最終建立的滲流邊界和應(yīng)力邊界如圖5所示。

5滑坡變形現(xiàn)狀

三門洞滑坡坡體上共布設(shè)ZG360-ZG365等6個GPS監(jiān)測點，監(jiān)測時間為2006年9月至2009年12月，監(jiān)測結(jié)果如圖6-7所示。

從圖6可看出，三峽庫區(qū)庫水位每年均會經(jīng)歷不同程度的漲落，基本與各監(jiān)測點的位移變形變化相互對應(yīng);庫水位上漲時，滑坡變形變化不明顯，而庫水位下降時，滑坡變形變化大，且每次庫水位下降均會導致滑坡累計位移曲線上揚，說明其對滑坡穩(wěn)定性會產(chǎn)生很大影響。

從圖7可看出，ZG360點累積水平位移為382.2mm，ZG361點累積水平位移為718.7mm，ZG362點累積水平位移為1205.3mm，ZG363點累積水平位移為433.7mm，ZG364點累積水平位移為413.9mm，ZG365點累積水平位移為1557.6mm。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，查明三峽庫區(qū)水位調(diào)度過程（見圖8）及當?shù)?0a內(nèi)每月最大的連續(xù)3d降雨量（見圖9）。

6計算工況及結(jié)果分析

6.1計算工況

為充分表現(xiàn)庫水位變化和降雨的綜合作用效應(yīng)，將對比分析普通工況（工況1）和極端工況（工況2）條件下滑坡孔隙水壓力分布、應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)分布特征。其中，工況1為水庫蓄水至175m水位;工況2為庫水位從175.0m降至145.0m，并遇上50a一遇暴雨，荷載組合為自重和地表荷載。

6.2結(jié)果分析

（1）孔隙水壓力計算結(jié)果及分析。水庫蓄水至175m后，孔隙水壓力如圖10所示：滑坡前緣高程約140m處出現(xiàn)最大孔壓，數(shù)值約為0.6MPa;滑坡后緣底部孔隙水壓力主要受地下水位控制，最大孔壓值為2.60MPa（見圖10）。

隨著庫水位由175m降至145m，地下水位也相應(yīng)下降但存在滯后，這是由于滑坡前緣孔隙水壓力差消散需要一段時間;滑坡后緣地下水基本不受庫水位變化影響，這是由于滑坡后緣離庫水位變化帶的距離相對較遠，但受強降雨影響，滑坡后緣底部最大孔壓值由2.60MPa增至2.83MPa（見圖11）。

（2）應(yīng)力計算結(jié)果及分析。水庫蓄水至175m水位后大部分區(qū)域拉、壓應(yīng)力分布變化較小。但是，由于庫水作用滑體中下部產(chǎn)生較大變化，最大主應(yīng)力的最大值為-0.20MPa，最小主應(yīng)力的最小值為-0.71MPa（圖12-13）。

當庫水位由175m降至145m，并遇上50a一遇暴雨時，滑坡整體應(yīng)力增加，最大、最小主應(yīng)力場整體變化較大。滑體中最大主應(yīng)力的最大值為-1.51MPa，最小主應(yīng)力的最小值為-2.60MPa;滑體中上部最大主應(yīng)力的最大值為-1.10MPa，最小主應(yīng)力的最小值為-3.14MPa。該工況應(yīng)力場變化較大，主要原因是庫水下降和降雨的共同作用引起滲流場的改變，而滲流場與應(yīng)力場相互耦合作用，導致應(yīng)力場發(fā)生改變（見圖14～15）。

（3）位移計算結(jié)果及分析。水庫蓄水至175m后，滑體下部發(fā)生較大水平位移，最大值為0.015m;滑體中部水平位移相對較小，最大值為0.004m;滑體上部水平位移較小，最大值為0.001m。這主要是由于庫水對滑體產(chǎn)生浮托作用，使滑體抗滑力降低，導致滑體產(chǎn)生水平位移。在滑體上緣與滑床交界的部位出現(xiàn)一些突變位移，這是因為在此區(qū)域滑體與滑床巖土材料屬性和地形均產(chǎn)生了不均勻特性（見圖16）。此時，滑體上部發(fā)生較大向下的垂直位移，最大值為0.040m;滑體中部垂直位移相對較小，最大值為0.029m;滑體前緣產(chǎn)生向上的垂直位移，最大值為0.006m。這主要是由于庫水對滑體前緣的浮托作用，使滑體產(chǎn)生向上的垂直位移（見圖17）。

當庫水位由175m降至145m，并遇50a一遇暴雨時，滑體下部發(fā)生較大水平位移，最大位移值為0.049m;滑體中部水平位移相對較小，最大位移為0.026m;滑體上部水平位移相對最小，最大位移為0.0013m。該工況水平位移較大，主要原因是庫水下降使滑體內(nèi)產(chǎn)生向外的滲透力，同時降雨作用使向外的滲透力增大，使滑體下滑力增大，導致滑體下部水平位移增大（見圖18）。此時，滑體上部發(fā)生較大向下的垂直位移，最大值為0.102m;滑體中部垂直位移相對較小，最大值為0.063m;滑體下部垂直位移相對最小，最大值為0.052m。該工況的垂直位移較大，主要原因是庫水下降引起滑體向下滑移，同時在自重和降雨作用下發(fā)生沉降，使滑體產(chǎn)生向下的垂直位移增大?；w前緣產(chǎn)生向上的垂直位移，最大值為0.021m，主要原因是：庫水對滑體前緣的浮托作用，使滑體向上的垂直位移增大（見圖19）。

（4）塑性區(qū)計算結(jié)果及分析。工況1和2計算過程中滑坡未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)（見圖20～21），說明滑坡整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）邊坡整體穩(wěn)定性分析。對比分析兩種工況的數(shù)值計算模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)匹配度較高，證明了本文模擬結(jié)果的有效性。在強降雨和庫水位緩慢下降綜合作用下，三門洞滑坡在滑坡中后部和前緣分別出現(xiàn)局部的張拉和剪切破壞，滑體內(nèi)滲流場發(fā)生很大變化，導致滑體內(nèi)孔隙水壓力、應(yīng)力、位移和等效塑性應(yīng)變整體增大，但并未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7結(jié)語

本文以三峽庫區(qū)三門洞滑坡為研究對象，建立了基于Abaqus的滑坡三維計算模型、庫水位變化和降雨人滲的耦合邊界條件、莫爾一庫倫和最大拉應(yīng)力準則相結(jié)合的復(fù)合準則，分析了滑坡在水庫蓄水、庫水位緩慢降落及強降雨過程中的流固耦合及三維穩(wěn)定性問題。

三門洞滑坡的變形破壞是在三峽水庫運行期水位波動條件下，耦合降雨過程長期發(fā)展的結(jié)果。由于篇幅有限，本文只考慮了水庫蓄水、庫水位緩慢回落和強降雨等工況。若要得到邊坡變形破壞發(fā)展的真實趨勢，須考慮庫水位上升、下降、再上升、下降等反復(fù)循環(huán)的整個過程。