胡 正 劉 磐 薛 凱

(河南黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

壩區(qū)庫(kù)岸邊坡由于與自然水文的密切聯(lián)系，對(duì)其穩(wěn)定性造成巨大影響，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1-8]。胡孝洪等[9]選取西藏某典型的庫(kù)岸邊坡,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,并對(duì)工程治理效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。周柯宇等[10]依托三峽壩區(qū)茅草坡4號(hào)庫(kù)岸工程進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)及對(duì)M4斜坡庫(kù)岸帶進(jìn)行分段工程治理。綜上所述，目前，對(duì)于庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性研究較多，但對(duì)水位變化等作用可能形成的危巖、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，進(jìn)一步誘發(fā)欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定邊坡轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定邊坡等研究較少。本文在整理三峽庫(kù)區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害概況的基礎(chǔ)上，以涉水式滑坡為例，通過(guò)FLAC3d軟件研究了滑坡的流體結(jié)構(gòu)連成，并研究了蓄水池蓄積和蓄水池水位降低對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

1 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)概況

1.1 工程概況

庫(kù)區(qū)邊坡由于處于三峽水位變動(dòng)區(qū)，自水庫(kù)建成以來(lái)，邊坡破壞大大小小發(fā)生了幾百起。水位升降造成邊坡破壞的根本原因主要是：當(dāng)水位上升時(shí)，庫(kù)水隨之進(jìn)入坡體，坡內(nèi)水位隨坡外水位的上升而升高，但由于坡體材料具有一定的滲透性，坡內(nèi)水位上升會(huì)慢于庫(kù)水上升，坡體內(nèi)外形成水位差。三峽庫(kù)區(qū)產(chǎn)生滑坡情況，多在三峽水庫(kù)水位下降時(shí)期(見(jiàn)圖1)。

圖1 蓄水前后的陸游洞水位變化

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

三峽水庫(kù)區(qū)域北鄰大巴山，南鄰四川和湖北高原，東西向?yàn)l臨齊岳山，西為川西臺(tái)坳，東為褶皺帶。三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)歷了三次地質(zhì)運(yùn)動(dòng)。燕山運(yùn)動(dòng)，幾乎沒(méi)有破壞底部，只對(duì)上部巖層產(chǎn)生了影響，表現(xiàn)為斷裂和褶皺(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖2 橫石溪背斜和巫山向斜構(gòu)造剖面

圖3 巖體彎曲變形情況

1.3 滑坡情況

滑坡區(qū)地處興山縣峽口鎮(zhèn)白鶴村，最高點(diǎn)位于勘察區(qū)以西約3km的秀龍山揚(yáng)家尖，高程1021.00m；最低點(diǎn)處于香溪河谷，河床高程120.00～130.00m。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地貌類型繁多，導(dǎo)致發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)極大(見(jiàn)圖4)。由于邊坡兩側(cè)都有抗滑樁加固，沒(méi)有產(chǎn)生滑動(dòng)，中間部分無(wú)任何加固措施，產(chǎn)生滑動(dòng)，滑面呈舌形。變形破壞位于香溪河左岸海拔150～195m的斜坡地帶，滑坡走向北西，坡向南西，為堆積層順向坡。山體坡角多在30°～40°之間。滑坡長(zhǎng)131m、寬50m，面積約為6550m2，平均厚度約為10m，體積約為65500m3。主滑方向SW216°，坡面陡緩相間，不甚平直，為山麓斜坡地貌?；聟^(qū)屬三峽庫(kù)區(qū)較為典型的易滑地層(見(jiàn)圖5)。

圖4 滑坡平面

圖5 滑坡剖面

2 水位升降數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

本文中，使用FLAC3d軟件研究了滑坡體的流體結(jié)構(gòu)耦合。在使用計(jì)算軟件的過(guò)程中，必須將巖石和泥土看作多孔介質(zhì)，按照Darcy定律描述介質(zhì)中的水流，但是應(yīng)該滿足Biot-Fourier方程。在計(jì)算中，首先使用滲透程序模塊計(jì)算單個(gè)滲透段，然后使用應(yīng)力字段程序進(jìn)行迭代處理。計(jì)算的應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)被引入滲透場(chǎng)。

在分析地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，將滑坡體的幾何模型設(shè)置為包括下層巖體和上層滑坡體，模型的計(jì)算范圍設(shè)置為垂直于河道(X軸方向)800m，左高(Z軸方向400m)。首先將ANSYS建立的3D模型劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入FLAC3D軟件中，然后將垂直位移限制應(yīng)用于橫向邊界，將總位移限制應(yīng)用于下邊界。圖6所示為自由邊界的計(jì)算模型。

圖6 整體模型

在該模型中共分為70541個(gè)節(jié)點(diǎn)和34567個(gè)單位。計(jì)算模型采用莫爾—庫(kù)侖模型。

通過(guò)滑坡體巖土物理力學(xué)試驗(yàn)以及鉆孔注水試驗(yàn)，得出相應(yīng)結(jié)果，然后采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，最后結(jié)合綜合分析和類比地質(zhì)學(xué)的方法，確定滑坡體巖土力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算工況選取

根據(jù)長(zhǎng)江三峽水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行調(diào)度方案，水庫(kù)在135.00m水位時(shí)開(kāi)始蓄水，之后水庫(kù)水位便在145.00～175.00m之間波動(dòng)(見(jiàn)圖7)。用運(yùn)動(dòng)系數(shù)法對(duì)涉水滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，當(dāng)水庫(kù)達(dá)到160.00m水位時(shí)，滑坡群的穩(wěn)定性處于由下向上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，三峽水庫(kù)水位由175.00m的水位處下降至 145m，并且下降速度降低；在1m/d時(shí)，整個(gè)滑坡群處于臨界不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)調(diào)查山體滑坡時(shí)，設(shè)置以下五種工況進(jìn)行模擬：

圖7 三峽庫(kù)區(qū)水位調(diào)度曲線

工況1：水庫(kù)初期蓄水位135.00m。

工況2：庫(kù)水蓄水位160.00m。

工況3：水庫(kù)蓄水位175.00m。

工況4：水庫(kù)由175.00m水位降至145.00m，降幅為0.5m/d。

工況5：水庫(kù)水位由175.00m降至14.00m，降幅為1m/d。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 滑坡穩(wěn)定性特征分析

從各種工況下涉水滑坡穩(wěn)定性系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果(見(jiàn)圖8)中可以看出，當(dāng)蓄水池的初始水位為135.00m時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)為1.043。從圖8(b)可以看出，隨著蓄水位增加到160.00m，穩(wěn)定系數(shù)變?yōu)?.003，不穩(wěn)定程度進(jìn)一步加深。當(dāng)蓄水位為175.00m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.074，滑坡體處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，見(jiàn)圖8(c)。蓄水位按照每天0.5m的速度下降至145.00m時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.039，見(jiàn)圖8(d)。蓄水池水位從175.00m下降到145.00m，降落速度1m/d，穩(wěn)定系數(shù)為0.996，為不穩(wěn)定狀態(tài)，見(jiàn)圖8(e)。

圖8 滑坡穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

將透水系數(shù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與傳輸系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,從得出的結(jié)果(見(jiàn)圖9)進(jìn)行相應(yīng)分析，得出相應(yīng)的結(jié)論：在不同工況下，這兩種計(jì)算結(jié)果非常接近。因?yàn)閮烧呤沁M(jìn)行交叉驗(yàn)證的，因此，可靠性很高。

圖9 滑坡傳遞系數(shù)法與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 滑坡位移變化分析

當(dāng)水庫(kù)初始蓄水水位為135.00 m時(shí)，見(jiàn)圖10(a)，邊坡變形主要集中在尾部邊緣，且以拉伸失效為主，此方向的最大位移為2.30cm；當(dāng)水庫(kù)蓄水水位為160.00m時(shí)，見(jiàn)圖10(b)，在這個(gè)方向的最大位移出現(xiàn)在斜面的前緣，位移隨著水位的增加而增加，并且在5.74cm時(shí)顯示出明顯的增加；當(dāng)蓄水池水位為175.00m時(shí)，圖10(c)，x方向的最大位移減小到3.44cm。這個(gè)數(shù)值幾乎是160.00m水庫(kù)水位的一半；當(dāng)水庫(kù)水位從175.00m降至145.00m時(shí)，見(jiàn)圖10(d)，此時(shí)下降速度為0.5m/d，該方向的最大位移量躍升至6.90cm，與175.00m處的水位相比有了明顯的提高；水庫(kù)水位增加了一倍,見(jiàn)圖10(e)。蓄水高速按照每天1m下降時(shí)，位移增大到11.62cm。

圖10 滑坡位移數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.3 滑坡滲流特征分析

當(dāng)水庫(kù)水位上升時(shí)，見(jiàn)圖11(a)、(b)、(c)，滑坡體中的地下水位也會(huì)上升，坡體中的整體孔隙水壓力也會(huì)相應(yīng)變化；當(dāng)水庫(kù)水位從175.00m下降到145.00m，見(jiàn)圖11(d)、(e)，且下降速度為0.5m/d時(shí)，滑坡體中的地下水位也隨之下降，滑坡體前部到滑坡體邊緣地下水位線分布稀疏，地下水位下降緩慢，但當(dāng)下降速度為1m/d時(shí)，則前端地下水位線分布密集，地下水位下降較快。

圖11 不同蓄水高度及水位降速下滑坡孔隙水壓力分布

4 結(jié) 論

本文以長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)涉水滑坡為實(shí)例，利用FLAC3D軟件研究滑坡體的流固耦合相關(guān)性質(zhì)，并且闡述了水庫(kù)蓄水和水庫(kù)水位降低等因素對(duì)于滑坡體穩(wěn)定性的相應(yīng)影響。得出以下結(jié)論：蓄水池水位從175.00m下降到145m.00，下降速度為0.5m/d時(shí)，滑坡群基本穩(wěn)定，當(dāng)降速為1m/d時(shí)，研究區(qū)大部分滑坡體及其他滑坡體也接近不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)下降速度為1.5m/d時(shí)，研究區(qū)滑坡群接近不穩(wěn)定的狀態(tài)；若水庫(kù)初始蓄水高度分別為135.00m、160.00m、175.00m，滑坡體均處于不穩(wěn)定狀態(tài)情況，此時(shí)最大位移方向分別為2.30cm、5.74cm、3.44cm，處于這種情況下應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施防止沉淀，或采取適當(dāng)?shù)呐潘胧?；長(zhǎng)江三峽水庫(kù)水位從175.00m降至145.00m時(shí)，滑坡前緣孔隙水壓力變化差異大，中間小，后緣弱。水位突然下降，對(duì)前緣部位影響很大。