，世梅,

(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)

1 研究背景

三峽水庫(kù)蓄水以后，沿岸地區(qū)的自然條件發(fā)生顯著性變化,一方面庫(kù)水上升引起滑坡體地下水位抬升，從而改變滑坡體內(nèi)巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，減小滑坡體的有效應(yīng)力；另一方面，庫(kù)水的周期性波動(dòng)又通過(guò)孔隙改變坡體的物理力學(xué)特性，兩方面的相互作用構(gòu)成了滑坡滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用問(wèn)題[1-4]。庫(kù)區(qū)滑坡經(jīng)過(guò)多年的周期性庫(kù)水漲落，巖土體物理力學(xué)特性發(fā)生很大的變化，一些滑坡已近失穩(wěn)邊緣[5]，在庫(kù)水急劇下降時(shí)，由于滑坡體內(nèi)地下水來(lái)不及滲出，滑坡體內(nèi)外形成高水頭差，引起向外的滲流力，極大程度上影響滑坡體的穩(wěn)定性，特別是庫(kù)水下降期的后期為三峽庫(kù)區(qū)降雨集中期[6]，庫(kù)水下降聯(lián)合強(qiáng)降雨將可能引起庫(kù)區(qū)滑坡失穩(wěn)。

本文應(yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)三峽庫(kù)區(qū)秭歸縣樹坪滑坡在庫(kù)水下降聯(lián)合降雨作用下的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維耦合分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)資料，研究庫(kù)水下降及降雨作用下滑坡變形與破環(huán)影響規(guī)律。

2 樹坪滑坡概況

圖1 樹坪滑坡全貌圖

樹坪滑坡位于秭歸縣沙鎮(zhèn)溪樹坪村三峽水庫(kù)右岸庫(kù)岸斜坡(如圖1所示)。該滑坡屬古崩滑堆積體,分布高程為65～500 m，滑坡體前緣突入長(zhǎng)江，剪出口高程約65～68 m，滑體南北縱長(zhǎng)約800 m，東西寬約700 m，面積約55萬(wàn)m2，厚約30～70 m，總體積約為2 750萬(wàn)m3。樹坪滑坡屬多期性巨型滑坡，物質(zhì)組成較復(fù)雜，根據(jù)地質(zhì)勘察和鉆探資料，從物質(zhì)組成大致可分為以下幾類：①耕植土層,主要為黃褐色、灰黃色以及紫紅色的粉質(zhì)黏土夾碎石；②坡積物(Qdl),主要為粉質(zhì)黏土層夾碎塊石，呈灰黃、淺褐黃色，粉質(zhì)黏土呈可塑狀態(tài)，碎塊石含量4%～10%，碎塊石多呈次棱角狀，以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，結(jié)構(gòu)松散～稍密，透水性較差；③滑坡堆積物(Qdel),碎塊石黏土層,呈棕黃色、紫紅色，土石比大小隨位置差異較大，碎塊石成分主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r。碎石呈次棱角狀，個(gè)別粒徑達(dá)15 cm。土的成分為壤土、粉質(zhì)黏土，呈硬塑-可塑狀，填充于碎塊石中，結(jié)構(gòu)不均勻，稍密，滑體堆積物結(jié)構(gòu)松散，透水性較好；④滑帶土,紫紅色角礫石土層，較濕，結(jié)構(gòu)緊密，土可塑。碎石呈次棱角狀～次圓狀，碎石上可見擦痕，土層中可見明顯揉皺、光滑鏡面?；瑤裆钶^大，層厚一般在10～20 cm；⑤基巖,滑坡地段為三迭系中統(tǒng)巴東組地層[7]。

為研究庫(kù)水及降雨作用對(duì)滑坡變形的影響，樹坪滑坡上布置有多種監(jiān)測(cè)儀器，現(xiàn)僅介紹與本文研究相關(guān)的GPS監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)。整個(gè)滑坡布設(shè)有8個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)滑坡體進(jìn)行大地變形監(jiān)測(cè)。并在前緣2個(gè)鉆孔中各安裝有地下水位監(jiān)測(cè)儀。樹坪滑坡平面圖如圖2所示。

圖2 樹坪滑坡平面圖

3 ABAQUS流固耦合求解方法

3.1 基本原理

庫(kù)水聯(lián)合降雨作用下滑坡體中孔隙流體壓力的變化會(huì)引起多孔介質(zhì)骨架有效應(yīng)力發(fā)生變化，這些變化又會(huì)反過(guò)來(lái)影響孔隙流體的流動(dòng)和壓力的分布。滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)這種相互影響稱為流固耦合，在水庫(kù)水位波動(dòng)和降雨條件下滑坡體中具有普遍性、基礎(chǔ)性、動(dòng)態(tài)性和交叉性的特點(diǎn)。應(yīng)力平衡方程[8]和滲流連續(xù)方程為

IN-PN=0 ;

(1)

(2)

式中：IN為內(nèi)力矩陣；PN為外力矩陣；δuW為孔隙水壓力的變分；J表示土體體積的變化；ρW為水的密度；nW為土體孔隙率；V為體積；k為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，一般由試驗(yàn)測(cè)定；?為測(cè)壓管水頭，是位置水頭與壓力水頭之和： ??/?x為滲透梯度。

3.2 邊界條件

流固耦合方程的求解，還需給出相應(yīng)的定解條件[9]，本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，即降雨在坡面接觸部分的表面邊界為流量邊界。降雨引起坡面入滲及產(chǎn)流條件的確定是由降雨強(qiáng)度和坡面巖土體的入滲率決定的。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于坡面巖土體的入滲率時(shí)，降雨產(chǎn)生的水流全部入滲至坡體；當(dāng)降雨強(qiáng)度大于坡面巖土體的入滲率時(shí)，坡面上將產(chǎn)生徑流。雨水在坡面的滲流流速v(由坡面巖土體的滲透系數(shù)k決定)和降雨強(qiáng)度q存在式(3)和式(4)的關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系就可確定坡面入滲模擬的邊界條件：

v>q,取入滲速度為q， 單位為mm/s ；

(3)

v≤q,取入滲速度為v， 單位為mm/s。

(4)

固體應(yīng)力場(chǎng)邊界采用混合邊界條件，即固體骨架表面部分邊界已知應(yīng)力，另一部分邊界已知位移。

4 數(shù)值分析模型及初始條件

4.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)樹坪滑坡地質(zhì)勘查報(bào)告中提供的有關(guān)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及參數(shù)建議值為基本依據(jù)，后選取樹坪滑坡具有代表性的2-2′剖面(如圖3)進(jìn)行智能位移反演，獲得有限元分析計(jì)算參數(shù)取值范圍如表1所示。

圖3 樹坪滑坡2-2′工程地質(zhì)剖面圖

表1樹坪滑坡有限元計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)取值范圍

Table1Physico-mechanicalparametersofShupinglandslideforfiniteelementcalculation

部位重度γ/(kN·m-3)變形模量E/MPa泊松比μ黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角Φ/(°)滲透系數(shù)k/(m·d-1)滑體22.0524.750.1800.250311.388 880滑帶22.1021.600.2750.361250.025 920滑床26.6048 0000.2503.100410.002 592

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)樹坪滑坡的地質(zhì)條件和地形地貌特征，選取樹坪滑坡三維數(shù)值計(jì)算模型的范圍：沿水流方向?yàn)?25 m，垂直水流方向?yàn)?40 m，模型底面高程為25 m(計(jì)算模型在滑坡平面圖上的位置如圖2所示)。計(jì)算域包含滑體、滑帶和基巖，整個(gè)計(jì)算域剖分了14 478個(gè)六面體單元，共計(jì)17 542個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維計(jì)算模型與網(wǎng)格見圖4。

圖4 計(jì)算模型網(wǎng)格

4.3 計(jì)算初始條件

樹坪滑坡坡內(nèi)地下水位線往往隨外界因素(庫(kù)水、降雨)的變化而變化。根據(jù)地質(zhì)模型確定的縱剖面地下水分布及在滑坡體前緣182 m處鉆孔地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)初步計(jì)算確定初始地下水位(圖5所示)，初始狀態(tài)孔壓分布見圖6，前緣地下水位基本與實(shí)測(cè)水位接近。計(jì)算域的底部應(yīng)力邊界為法向約束，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。

圖5 樹坪滑坡前緣地下水位(庫(kù)水穩(wěn)定時(shí))

圖6 樹坪滑坡三維計(jì)算模型初始狀態(tài)孔隙水壓力分布

4.4 計(jì)算工況

水庫(kù)水位變化和降雨作用是誘發(fā)庫(kù)區(qū)滑坡的最主要因素[10-11]，根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水調(diào)度及本項(xiàng)研究目標(biāo)制定計(jì)算工況如下。

工況1：庫(kù)水在175 m水位穩(wěn)定150 d；

工況2：庫(kù)水在175 m水位時(shí)約以0.186 m/d的速度下降至145 m水位，歷時(shí)161 d；

工況3：庫(kù)水在175 m水位約以0.186 m/d的速度下降至145 m水位的開始2 d時(shí)疊加100年一遇降雨(由文獻(xiàn)[6]及不同周期降雨強(qiáng)度計(jì)算得100年一遇降雨強(qiáng)度為180.24 mm/d)，歷時(shí)161 d；

工況4：庫(kù)水在175 m水位約以0.186 m/d的速度下降至145 m水位的最后2 d時(shí)疊加100年一遇降雨，歷時(shí)161 d。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

為了分析樹坪滑坡在庫(kù)水下降及降雨作用下的穩(wěn)定性，通過(guò)能進(jìn)行巖土體飽和-非飽和流固耦合分析的有限元軟件(ABAQUS)對(duì)樹坪滑坡在4種工況下的滑坡變形破壞過(guò)程進(jìn)行模擬，獲得了該滑坡孔隙水壓力、位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的變化過(guò)程、變化特征和變化規(guī)律。

圖7 滑坡體在各工況下穩(wěn)定后孔隙水壓力分布

5.1 孔隙水壓力結(jié)果

圖7為滑坡體在各工況下穩(wěn)定后孔隙水壓力分布圖。如圖7所示，工況2、工況3前緣后緣孔壓基本一致，說(shuō)明滑坡體孔壓場(chǎng)受降雨影響較小，主要原因是對(duì)于整個(gè)滑坡體來(lái)說(shuō)，總降雨量較小，不足以改變穩(wěn)定后的滲流場(chǎng)；對(duì)比圖7(a)與圖7(b)、圖7(c)，可見，庫(kù)水下降后的后緣孔壓由175 m穩(wěn)態(tài)時(shí)的1.957 MPa增大至2.521 MPa，說(shuō)明庫(kù)水下降對(duì)滑坡地下水滲流場(chǎng)有較為明顯的影響，降雨的影響主要集中在降雨結(jié)束時(shí)滑坡體前緣的淺表層。

圖8 各工況下水平方向位移

5.2 位移場(chǎng)變化規(guī)律

圖8為滑坡體在各工況條件下水平方向位移圖，對(duì)比圖8中的(a)，(b)，(c)可見，庫(kù)水下降初期疊加降雨較庫(kù)水下降對(duì)滑坡位移的影響大，工況2和3的最大位移分別為25.44 cm和18.67 cm，由圖8中(c)，(d)可知，庫(kù)水下降后期時(shí)疊加降雨對(duì)位移的影響大于初期時(shí)疊加降雨，工況4的水平位移達(dá)到了44.05 cm，分析其原因?yàn)閹?kù)水下降后坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)及巖土體力學(xué)特性發(fā)生很大變化，此時(shí)遇到強(qiáng)降雨時(shí)可能導(dǎo)致滑坡局部失穩(wěn)。由上述4種工況計(jì)算結(jié)果可得到如下結(jié)論：強(qiáng)降雨對(duì)樹坪滑坡位移的影響較庫(kù)水作用大。

圖9 各工況下水平位移和庫(kù)水位變化趨勢(shì)圖

圖10 滑坡GPS變形圖

為進(jìn)一步分析庫(kù)水和降雨對(duì)樹坪滑坡變形的趨勢(shì)，由各工況計(jì)算結(jié)果繪制如圖9所示水平位移和庫(kù)水位變化關(guān)系圖。圖9(a)趨勢(shì)圖表明庫(kù)水下降初期滑坡水平位移突然增大，后逐漸減緩，但仍保持繼續(xù)增大的趨勢(shì)；圖9(b)趨勢(shì)圖表明庫(kù)水下降初期時(shí)疊加降雨對(duì)滑坡水位位移影響很大，后水平位移有減小的趨勢(shì)，但總體位移變形仍舊很大；圖9(c)趨勢(shì)圖表明工況4前期同工況2趨勢(shì)相同，僅在庫(kù)水下降末期時(shí)疊加降雨后有突然增大的位移趨勢(shì)，工況4為最危險(xiǎn)工況。為比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際位移趨勢(shì)，選取樹坪滑坡滑體東部GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG86，ZG87數(shù)據(jù)與滑體西區(qū)中部點(diǎn)ZG88數(shù)據(jù)(如圖10)同計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)滑坡體模擬位移變形趨勢(shì)同GPS基本吻合，如圖10所示，2012年6月初滑坡區(qū)受到強(qiáng)降雨突然發(fā)生大變形。工況3和工況4位移模擬結(jié)果也表明坡體發(fā)生大變形的部位與實(shí)際情況基本類似。

圖11 各工況下滑體第一主應(yīng)力圖

5.3 應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)

為分析庫(kù)水及降雨對(duì)樹坪滑坡應(yīng)力場(chǎng)的影響，選取各工況下滑體第一主應(yīng)力圖進(jìn)行分析(如圖11)，各工況下滑體第一主應(yīng)力均有明顯變化。圖11(a)表明滑體僅在庫(kù)水下降作用下只有滑體后部應(yīng)力發(fā)生較大變化，最大主應(yīng)力為0.436 9 MPa，滑體前緣應(yīng)力變化較小。圖11(b)、圖11(c)表明在庫(kù)水和降雨共同作用下滑體應(yīng)力值有較大變化，工況3最大值為0.389 6 MPa，主要集中在中后部，工況4最大主應(yīng)力為2.565 MPa，主要集中在滑體中部。由工況計(jì)算結(jié)果可知，影響滑坡應(yīng)力場(chǎng)的主要因素為降雨作用，次要因素為坡體結(jié)構(gòu)及庫(kù)水作用。

圖12所示為各工況下塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果，分別比較各圖發(fā)現(xiàn)，各工況下滑體上均沒有出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，僅在滑體后緣有局部塑性區(qū)，不影響滑坡整體穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)塑性貫通現(xiàn)象。

圖12 各工況下塑性區(qū)分布

以上分析了樹坪滑坡在庫(kù)水下降聯(lián)合降雨作用下滲流場(chǎng)、位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果雖與實(shí)際情況接近，但三維流固耦合分析仍需取得新的發(fā)展。數(shù)值模擬結(jié)果的真實(shí)性取決于滑坡的初始狀態(tài)(初始應(yīng)力分布、初始孔壓分布等)，本文利用勘察資料及地下水位監(jiān)測(cè)資料初步獲得滑坡體初始孔壓分布，接近滑坡體真實(shí)狀態(tài)，但初始應(yīng)力場(chǎng)的準(zhǔn)確獲得仍較困難，尤其是庫(kù)水的周期性漲落作用，必將引起滑坡土體的蠕變和松弛，初始應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)該結(jié)合滑坡土體的蠕變和松弛共同獲得。

6 結(jié) 論

樹坪滑坡屬于多期型巨型滑坡，一旦失穩(wěn)滑坡將會(huì)對(duì)長(zhǎng)江通航及三峽大壩產(chǎn)生重大影響，本文通過(guò)研究樹坪滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用ABAQUS軟件對(duì)樹坪滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到以下結(jié)論：

(1) 庫(kù)水和降雨作用對(duì)樹坪滑坡的變形影響較大，尤其是強(qiáng)降雨作用可能導(dǎo)致樹坪滑坡發(fā)生滑動(dòng)。

(2) 庫(kù)水下降對(duì)樹坪滑坡位移變形的趨勢(shì)有先陡增后緩慢增加的特點(diǎn)。

(3) 庫(kù)水下降導(dǎo)致樹坪滑坡滑坡體應(yīng)力場(chǎng)及土體物理力學(xué)特性發(fā)生較大的變化，特別是庫(kù)水下降后期，此時(shí)若疊加強(qiáng)降雨將導(dǎo)致滑坡體的大變形，這也與CPS監(jiān)測(cè)所顯示樹坪滑坡常在庫(kù)區(qū)枯水期時(shí)經(jīng)歷強(qiáng)降雨發(fā)生大位移的結(jié)果相同。

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