王 力,袁 均金,胡秋芬

(1.三峽大學三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.中國水利水電第九工程局,貴州 貴陽 550008)

三峽庫區(qū)建成后,由于水位的抬升,沿岸地區(qū)自然環(huán)境發(fā)生了顯著的變化,庫水位的上升及周期性波動對庫岸滑坡巖土體物理力學特性產(chǎn)生顯著影響,亦引起滑坡體內應力狀態(tài)的改變,兩方面的作用即構成滲流場與應力場的流固耦合作用問題[1-2]。

為了研究滑坡體在降雨及庫水作用下滲流場、位移場及應力場的變化,本文應用大型通用有限元軟件ABAQUS對三峽庫區(qū)某滑坡在庫水下降聯(lián)合降雨作用下的滲流場與應力場進行三維耦合分析,并結合監(jiān)測資料得出其應力場及位移場變化規(guī)律。

1 滑坡概況

該滑坡位于長江右岸,距三峽大壩壩址56 km,地屬湖北省秭歸縣,滑坡后緣至高程432 m山包鞍部,左右邊界以沖溝為界?；缕矫嫘螒B(tài)呈靴形,剖面形態(tài)呈階梯狀,坡度25°?；聦?00 m,縱長1 000 m,面積40萬 m2。平均厚度40m,體積約1 600萬m3,主滑方向340°。滑坡全貌及滑坡平面見圖1、2。

圖1 滑坡全貌圖

圖2 滑坡平面圖

滑坡區(qū)位于巴東復向斜和秭歸向斜交匯處,裂隙以層面、南、北、西向為主。發(fā)育于侏羅系下統(tǒng)香溪組粉砂巖、炭質粉細砂巖組成的順向坡地層中,斜坡位于長江右岸斜坡,自然坡度約30～45°,坡向340°,具圈椅狀地貌,后緣臺面平坦開闊,平面似葫蘆狀,近東西向展布,總長350 m,寬70～270 m,面積為 41 600 m2,平臺高程164～188 m,向長江微傾。該滑坡為一古滑坡,滑坡體物質由碎塊石土組成,碎塊石成分為砂巖、粉質砂巖以及泥巖等,碎塊石粒徑0.2～10.0 cm,土石比為6∶4?；瑤榛w與滑床的接觸面,受滑坡動力作用影響,主要由滑體受擠壓形成重粉質亞黏土及角礫組成。重粉質亞黏土為黃灰色,硬塑狀。角礫成分為砂巖、泥巖,礫徑0.1～2.0 mm,滑帶整體土石比為6∶4～8∶2,滑面形態(tài)為弧線形?；灿?套巖性構成,侏羅系下統(tǒng)香溪組層狀石英砂巖、粉砂塊裂巖組成。順層段滑床由香溪組下段薄——中厚層炭質粉砂巖組成,切層段滑床由香溪組中段褐黃色中厚——厚層狀石英砂巖組成。

根據(jù)相關資料,滑坡的地質剖面圖見3圖。

目前在滑坡體上布設1條監(jiān)測縱剖面,共布設4個GPS監(jiān)測點,在滑坡體東側穩(wěn)定基巖上布設1個GPS基準點,各監(jiān)測點GPS位移數(shù)據(jù)見圖4。

圖3 滑坡地質剖面圖

圖4 該滑坡累積位移—時間曲線與降雨量、庫水位對比關系圖

2 ABAQUS流固耦合基本原理

在庫水聯(lián)合降雨作用下滑坡體中孔隙流體壓力的變化會引起多孔介質骨架有效應力發(fā)生變化,這些變化又會反過來影響孔隙流體的流動和壓力的分布。滲流場與應力場這種相互影響稱為流固耦合,在水庫水位波動和降雨條件下滑坡體中具有普遍性、基礎性、動態(tài)性和交叉性的特點。應力平衡方程[3]和滲流連續(xù)方程如下:

流固耦合方程的求解,還需給出相應的定解條件[4],該例滲流邊界條件為混合邊界條件,即一部分邊界水頭給定,另一部分流量給定。固體應力場邊界采用混合邊界條件,即固體骨架表面部分邊界已知應力,另一部分邊界已知位移。

3 計算模型及計算參數(shù)

根據(jù)該滑坡的地質條件和地形地貌特征,選取該滑坡三維數(shù)值計算模型的范圍為:沿水流方向為960 m,垂直水流方向為1 240m,模型底面高程為0 m,計算模型在滑坡平面圖上的位置見圖2。計算域包含滑體、滑帶和基巖,整個計算域剖分了12 054個6面體單元,共計14 272個節(jié)點,三維計算模型與網(wǎng)格見圖5。

以該滑坡地質勘查報告中提供的有關巖土體物理力學性質試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)建議值為基本依據(jù),通過智能位移反演方法[5]獲得二維空間有限元分析計算參數(shù)取值范圍見表1。

圖5 模型計算網(wǎng)格圖

表1 該滑坡有限元計算物理力學參數(shù)取值范圍表

該滑坡流固耦合計算分析采用飽和非恒定滲流與應力耦合理論進行,以下對計算中涉及的滲流計算條件和應力計算條件的確定進行簡要說明。各滲流邊界條件和應力邊界條件見圖6,滑坡計算工況見表2。

圖6 滑坡邊界條件示意圖

表2 計算/物理模型試驗工況及荷載組合表

4 計算結果

4.1 應力計算結果

水庫蓄水至175 m后 (工況1)大部分區(qū)域拉、壓應力分布變化較小。滑體中最大主應力范圍為-0.587～0.068 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體側緣,水位由175 m緩降至145 m時 (工況2),滑坡前緣拉、壓應力的分布均有較大改變,滑體中下部拉、壓主應力場的分布有一定變化?；w中最大主應力范圍為-0.589～0.069 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體側緣,庫水位由175 m緩降至145 m又遇到50 a一遇暴雨時(工況3),滑體拉、壓應力分布變化較大,滑坡整體應力都發(fā)生變化,應力變化受降雨影響比較明顯?；w前緣應力主要受庫水變動的影響較大,滑體中后部分在降雨作用下拉、壓應力發(fā)生明顯變化。降雨結束時,滑體中最大主應力范圍為-0.381 0～0.076 4 MPa,最大值出現(xiàn)在滑體后緣,比較工況1、2、3計算結果可知,降雨對該滑坡應力場的影響較庫水變動作用大?；w最大主應力見圖7。

圖7 滑體最大主應力圖 單位:kPa

4.2 位移計算結果

蓄水至175 m后(工況1),滑體中后部發(fā)生較大水平位移,最大水平位移為214.5 mm,滑坡位移較大的區(qū)域為滑體中后緣,位移產(chǎn)生的原因主要是庫水對滑體前部的浮托作用,使滑體抗滑力減小,同時由于滑體中偏后部較為陡峭,導致其水平位移增大。水位由175 m緩至145 m時(工況2),在滑體中后部發(fā)生較大水平位移,最大水平位移值為215.2 mm;滑體后部水平位移在8.4～215.2 mm范圍內;此工況比工況1所得的位移略大,影響范圍主要集中在滑坡體前緣,說明庫水變化對該滑坡位移變形有一定影響,主要由于水位下降時,滑坡體前緣產(chǎn)生的變形。庫水位由175 m緩降至145 m又遇到50 a一遇暴雨時 (工況3),滑體中后部水平位移很大,最大水平位移226.3 mm;滑體后部水平位移值在30.9～226.3 mm范圍內,從計算結果可以看出降雨作用對該滑坡的位移變形有較大影響,主要影響滑體的中后部。水平位移分布見圖9。

圖8 水平位移分布圖 單位:m

綜合工況1～3的數(shù)值計算分析結果,可知工況3為對該滑坡穩(wěn)定性最不利工況。提取工況3中主滑剖面上的上中下 3個監(jiān)測點ZG287、ZG289、ZG290的位移,并分析監(jiān)測點變形速率等信息,然后根據(jù)這些信息擬合相應的數(shù)學公式。由監(jiān)測曲線(圖4)可以看出,滑坡每年的主要變形發(fā)生在5～9月,這與在每年4、5月份以后,滑坡區(qū)進入雨季,降雨量增大有關,說明降雨是影響該滑坡變形的主要因素,再由計算所得各點水平位移變化速率(見圖9～11)可知,滑坡變形趨勢逐漸減慢,累計位移是逐漸增大的,滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 ZG287滑坡水平位移變化速率圖

圖10 ZG289滑坡水平位移變化速率圖

圖11 ZG290滑坡水平位移變化趨勢圖

5 結 論

(1)強降雨作用對該滑坡穩(wěn)定性的影響較庫水下降大,該滑坡在降雨影響下發(fā)生的變形主要集中在滑坡體后部。

(2)該滑坡三維流固耦合分析所得計算結果同監(jiān)測資料較為吻合,在計算工況條件下,通過監(jiān)測點位移變化速率圖預測該滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài),最不利工況為庫水位由175m緩降至145 m,再疊加50 a一遇暴雨。

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