朱 朋，盧書強，薛聰聰，游明亮

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站,湖北宜昌 443002；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都610059；4.江蘇地質(zhì)基樁工程公司,江蘇鎮(zhèn)江 212001；5.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊,杭州 310022)

庫水位升降與降雨條件下滑坡的滲流及穩(wěn)定性分析

朱 朋1，2，4，盧書強1，2，3，薛聰聰1，2，游明亮5

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站,湖北宜昌 443002；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都610059；4.江蘇地質(zhì)基樁工程公司,江蘇鎮(zhèn)江 212001；5.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊,杭州 310022)

地下水對庫岸邊坡的穩(wěn)定性影響重大,以庫區(qū)某滑坡為例,通過對滑坡的變形特征和專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,結(jié)合三峽庫區(qū)庫水位調(diào)度方案及降雨條件,依據(jù)非飽和土滲流理論和極限平衡理論,運用有限元分析軟件Geo-Studio,對該滑坡設(shè)置了8種工況,分析其在145～175 m庫水位波動及降雨條件下的滲流及穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明:滑坡體內(nèi)地下水位隨庫水位升降而升降,降雨對滑體后部地下水位有一定影響；滑坡穩(wěn)定性在庫水位上升時減小,且上升速率越大,穩(wěn)定性系數(shù)越??；庫水位下降,穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增大；降雨條件下,穩(wěn)定性系數(shù)有所減小。所得結(jié)果可為庫岸邊坡的穩(wěn)定性分析提供一定參考。

滑坡；庫水位升降；降雨；滲流；地下水位；穩(wěn)定性

2015,32(11):87-92

1 研究背景

影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的因素是多方面的,除了邊坡巖土體性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)等主導(dǎo)因素外,外界觸發(fā)因素最普遍是水的作用,主要表現(xiàn)為坡前水位變動和降雨,通過對邊坡巖土體抗剪強度和應(yīng)力狀態(tài)的改變影響邊坡穩(wěn)定性[1]。三峽庫區(qū)歷來是滑坡多發(fā)地區(qū),且大都與水的作用有關(guān)。如1982年云陽雞扒子滑坡[2]、1985年秭歸新灘滑坡[3]均是由持續(xù)降雨引起；2003年秭歸千將坪滑坡[4]則是在大壩首次蓄水后發(fā)生。大量統(tǒng)計資料及研究資料[5-8]表明,地下水是影響庫岸邊坡穩(wěn)定性的主要因素,因此合理地確定地下水位尤為重要,前人在這方面做了大量工作。如國內(nèi)外許多學(xué)者[8-12]采用解析方法進行地下水位的研究,但此種方法對邊界條件的簡化與實際不符。目前,數(shù)值模擬方法[13-16]逐漸被應(yīng)用到很多工程中并得到認可。

筆者在前人研究基礎(chǔ)上,以三峽庫區(qū)某滑坡為例,基于非飽和土滲流理論[17]和極限平衡理論,采用有限元分析軟件Geo-Studio中的seep/w和slope/w模塊,對其進行滲流及穩(wěn)定性分析。通過不同庫水位升降速率及極端降雨條件下滑坡的數(shù)值模擬及失穩(wěn)分析,為庫區(qū)滑坡的穩(wěn)定性評價及預(yù)測提供一定的理論依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

本文研究滑坡位于長江右岸,地屬秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn),距三峽大壩壩址56 km。滑坡平面上總體形態(tài)呈“漏斗”狀,漏斗出口位于滑坡后緣北端,東側(cè)邊界大樂溝大體近南北向,西側(cè)邊界基本沿鵝卵石溝延伸,前緣直抵長江,主滑方向20°?；麦w后緣高程約520 m,剪出口高程約135 m,縱長約1 500 m,均寬約1 200 m,滑體平均厚度約50 m,體積約9×107m3。坡度20°～25°,前緣變緩上揚?；鹿こ痰刭|(zhì)平面圖見圖1。

滑坡位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量豐沛,四季分明。多年平均降雨量約1 028.6 mm,年最大降雨量1 430.6 mm,日最大降雨量358 mm,降雨多集中在5—9月份,以暴雨為主,年降雨天數(shù)120～140 d。

根據(jù)鉆孔勘察資料,滑體主要由2部分組成:表層為松散堆積層；下層為擾動破壞的層狀石英砂巖巖體。表層土主要包括沖洪積亞黏土及含泥礫石層、殘坡積亞黏土以及崩坡積塊石；下層為滑坡主體,為原香溪組中段石英砂巖和含礫石英砂巖?；w中、后部為順層滑動?；瑤в绍浫醯姆凵百|(zhì)泥巖構(gòu)成,滑體前部滑帶為黑色輕粉質(zhì)黏土夾少量塊石?；嫘螒B(tài)前緣切層部分為弧形,后緣基本為直線狀。滑床主要由香溪組中、下統(tǒng)地層組成,順層滑動部分,滑床由香溪組炭質(zhì)粉砂巖為主,切層部分由石英砂巖、含礫石英砂巖構(gòu)成。剖面上滑床上部與巖層面一致,呈直線,傾角21°～25°,下部滑床頂面變緩。滑床巖層傾角為27°,傾向25°。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plane of the landslide

3 滑坡變形分析

3.1 宏觀變形特征

三峽庫區(qū)蓄水以來,該滑坡雖然一直在持續(xù)變形,但在2007年5月份以前,地表未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象；2007年6月后,滑坡中前部出現(xiàn)1～2 m3的小規(guī)模坍塌,在滑坡東西兩側(cè)邊界的公路邊坡處也出現(xiàn)坍塌,東側(cè)邊界路基開裂下沉,中前部坡面局部坍塌。2008年12月,滑坡前緣左側(cè)老公路路基開裂下沉,裂縫長約80 m,寬20 cm,下座10 cm,分割塊體約2× 104m3。從2009—2013年每年10月之后,滑坡兩側(cè)邊界和公路交界部位都會不同程度地產(chǎn)生變形破壞。

3.2 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

滑坡自2006年實施專業(yè)監(jiān)測,目前坡體上共布設(shè)12個GPS監(jiān)測點,構(gòu)成3縱4橫的監(jiān)測剖面線,各監(jiān)測點布置見圖1。根據(jù)該滑坡2006年以來的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)與同期的降雨量、三峽水庫庫水位觀測資料繪制了監(jiān)測點累計位移、降雨量與庫水位的關(guān)系見圖2。從圖2可以看出,各監(jiān)測點累積位移均隨著時間的推移不斷增加,變形具有同步性,累積曲線呈不同程度的上揚趨勢。最大累積變形位于滑坡東側(cè)后部邊界處的ZG291監(jiān)測點,主要受東側(cè)邊界沖溝的影響較大所致,其他監(jiān)測點變形量差別不大。

通過對圖2進行相關(guān)性分析可知,2007年2—6月,三峽水庫水位由156 m下降至145 m,滑坡前緣淹沒只有11 m；退水后,由于滑體塊裂巖體空隙大,滑坡地下水及時排出滑體,疏干滑帶地下水,有利于滑坡的穩(wěn)定。如圖2中2006年10月—2007年6月和2007年10月—2008年9月時段滑坡的緩慢變形。同時在2007年4—6月持續(xù)降雨達722.29 mm,是所有監(jiān)測時間內(nèi)降雨時間持續(xù)時間最長,強度最大的,降雨易入滲,飽和了滑帶土和部分滑體土,導(dǎo)致滑坡在2007年5—8月整體加速變形。

圖2 滑坡累積位移、庫水位、月降雨量與時間的關(guān)系圖Fig.2 Accumulative displacement，monthly rainfall，and reservoir water level vs.time

由圖2可看出,三峽大壩自2008年9月開始175 m試驗性蓄水,之后每年10月到次年3月,滑坡各監(jiān)測點累積位移曲線都呈小幅度上揚,即各監(jiān)測點位移速率增大。而在每年的4—9月,各監(jiān)測點累積位移曲線相對趨于平緩。其變形較明顯時段剛好與庫水位上漲及水庫高水位運行時段相吻合。據(jù)此分析,庫水位上漲及高水位浸泡對滑坡的影響要大于庫水位下降的影響。這主要受滑坡的基本特征及物質(zhì)組成控制,庫水位上漲,滑坡前緣浸沒于水中的抗滑段由于受浮力作用,抗滑力減??；同時高水位浸泡導(dǎo)致滑體及滑帶力學(xué)性質(zhì)變差,多種因素促使滑坡變形加速。而降雨雖然容易入滲,但2008年后每年6—8月即汛期的降雨量相對較小,對滑坡變形的影響并不顯著。降雨量較大年份則對滑坡變形有一定影響。

4 基本理論

4.1 滲流理論

庫水位變化和降雨入滲引起滑坡體內(nèi)地下水位不斷變化,同時也導(dǎo)致滑坡土體在飽和與非飽和狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)化,屬于飽和-非飽和滲流問題。最初達西定律是從飽和土得來,它同樣也適用于非飽和土滲流,區(qū)別是非飽和條件下滲透系數(shù)k不再是常數(shù),而是隨含水量變化而變化。因此非飽和土滲流控制方程[17-18]可由達西定律推導(dǎo)得出,即

式中:H為總水頭；kx,ky為x,y方向的滲透系數(shù)；Q為施加的邊界流量；mw為水的重度；ρw為水的密度；g為重力加速度；t為時間。

非飽和土滲流問題的邊界條件有多種形式,大體可分為給定水頭邊界條件和給定流量邊界條件。文中分析采用給定水頭邊界。

4.2 穩(wěn)定性分析理論

本文穩(wěn)定性計算采用的極限平衡理論,遵循Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則,將邊坡巖土體視為剛體,不考慮其本身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,根據(jù)具體的滑面和位置對滑體進行條分。通過各個塊體的平衡條件建立整個邊坡的平衡方程,以此為基礎(chǔ)進行邊坡的穩(wěn)定性分析。

5 滑坡滲流及穩(wěn)定性分析

5.1 模型建立

根據(jù)滑坡的工程地質(zhì)特征,選?、?Ⅱ剖面作為計算剖面(圖3(a)),滑動面選擇層狀石英砂巖和炭質(zhì)粉砂巖的最軟弱層面煤系地層。模型范圍為0＜x＜1 500 m,0＜y＜550 m,對其進行有限元劃分,單元數(shù)5 283個,節(jié)點數(shù)5 160個(圖3(b))。

圖3 計算剖面及滑坡剖面劃分模型Fig.3 Geological profile and mesh model of the landslide

滑坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)試驗和工程地質(zhì)類比等綜合確定,選取的參數(shù)見表1。5.2 計算工況

表1 滑坡物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the landslide

三峽庫區(qū)蓄水后,正常運行下水位在145～175 m之間變動,根據(jù)歷年觀測數(shù)據(jù),壩前水位上升≤2 m/d,下降≤1 m/d。降雨考慮其最大一次持續(xù)降雨特征值。結(jié)合三峽水庫實際調(diào)度方案及滑坡體的工程地質(zhì)特征,確定以下幾種工況,見表2。

表2 滑坡計算工況Table 2 Working conditions for landslide stability

5.3 滲流計算結(jié)果及分析

對表2中的工況進行計算,其地下水位線結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知,庫水位上升時,坡體內(nèi)地下水位也隨之上升,且升速2 m/d較1 m/d地下水位高；庫水位下降時,坡體內(nèi)的地下水位相應(yīng)降低,且降速1 m/d較0.6 m/d地下水位低,主要是由于滑體物質(zhì)為碎裂塊石,水可以快速滲入排出。兩者均是前緣變化明顯,因為當(dāng)庫水位升降速率較快時,遠離岸坡的地下水位不能及時響應(yīng)這種變化,岸坡附近的地下水會形成較大的水力坡度,產(chǎn)生了這種情況。

圖4 不同工況下地下水位線Fig.4 Surfaces of groundwater level under different working conditions

降雨對滑坡體內(nèi)水位有一定抬升,且在滑體后部比較明顯,因為降雨入滲率高,會相應(yīng)抬高滑坡地下水位,而滑坡前緣主要受庫水影響。

5.4 穩(wěn)定性分析

庫水位升降過程中穩(wěn)定性系數(shù)的變化如圖5所示。

圖5 不同工況下穩(wěn)定性系數(shù)與庫水位關(guān)系Fig.5 Relation between stability coefficient and reservoir water level under different working conditions

在庫水位上升過程中,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)減小,并且上升速率越大,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越小,因為地下水的快速入滲增加滑坡體的含水率,降低土體的抗剪強度,導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞。在庫水位下降工況下,穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增大,主要原因是庫水位剛開始下降時,水很快排出坡體,滑坡的浮托力減小,滑坡的穩(wěn)定性變小；隨著庫水位的逐漸下降,影響滑體及滑帶的地下水減少,滑坡的穩(wěn)定性逐漸增大。因此庫水位上升對滑坡穩(wěn)定更為不利。

當(dāng)庫水位升降聯(lián)合降雨時,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)較庫水位單獨作用時均有所減小,降雨入滲將會飽和部分滑體及滑帶土,使滑坡體的重度增加,滑體的有效應(yīng)力降低,同時軟化部分滑體和滑帶物質(zhì),使滑坡體的抗剪強度減小,阻滑力減小,這些作用均不利于滑坡的穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

(1)水庫水位變化會導(dǎo)致庫岸邊坡發(fā)生變形破壞。根據(jù)飽和-非飽和滲流理論和極限平衡理論,采用有限元分析軟件,預(yù)測庫區(qū)某滑坡在庫水位變動及降雨條件下的滲流及穩(wěn)定性。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果顯示,滑坡體內(nèi)地下水位隨庫水位波動而變化。疊加降雨時,滑坡體后部地下水位小幅度抬升,前緣變動不明顯。滑坡穩(wěn)定性的主要影響因素是庫水抬升,庫水上升時,穩(wěn)定性系數(shù)較小,速率越大,穩(wěn)定性系數(shù)越小,滑坡失穩(wěn)的可能性越大。庫水下降則對滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生有利影響。在持續(xù)降雨強度下,雨水不能及時徑流而滲入坡體也會對滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

(3)滑坡在庫水上升及強降雨條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài),可能發(fā)生滑動。在上述情況下,應(yīng)加強對滑坡的監(jiān)測,并及時采取防災(zāi)措施,盡量避免和減輕災(zāi)害損失。

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(編輯:姜小蘭)

Seepage Flow and Stability Analysis of A Landslide under the Conditions of Water Level Fluctuation of Reservoir and Rainfall

ZHU Peng1,2,4,LU Shu-qiang1,2,3,XUE Cong-cong1,2,YOU Ming-liang5
(1.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area of Hubei Province, Yichang 443002,China；2.National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River,China Three Gorges University,Yichang 443002,China；3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China；4.Jiangsu Geological Foundation Piles Engineering Company,Zhenjiang 212001,China；5.Zhejiang Team of Geological Survey Center of China Building Materials Industry,Hangzhou 310022,China)

Groundwater played a significant role in the stability of reservoir slopes.A landslide in reservoir area was taken as an example through analyzing its deformation characteristics and professional monitoring data.By the regulated scheme of Three Gorges Reservoir and rainfall conditions,based on theories of unsaturated seepage and limit equilibrium,eight working conditions were set for seepage and stability analysis of the landslide.Under conditions of water level fluctuation from 175 meters to 145 meters and rainfall,the analysis adopted Geo-Studio software based on finite element method.Results show that the reservoir water level changes exactly in accordance with the groundwater level,and rainfall has some effect on water level of the landslide's back.Slope safety factor decreases with the rise of water level or the increase of rising rate.Moreover,slope safety factor firstly decreases and then increases with the drop of water level.Finally,slope safety factor decreases a little under the conditions of rainfall.

landslide；water level fluctuation of reservoir；rainfall；seepage flow；groundwater level；stability

P642

A

1001-5485(2015)11-0087-06

10.11988/ckyyb.20141038

2014-12-15；

2015-01-16

湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB677)；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(D20121304)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室開放基金項目(SKLGP2012K032)

朱 朋(1989-),男,安徽阜陽人,碩士研究生,主要從事地質(zhì)工程與巖土工程方面的研究,(電話)15871557830(電子信箱)zzhsp9058@163.com。

盧書強(1973-),男,河南洛陽人,副教授,博士,主要從事巖土體穩(wěn)定及地質(zhì)災(zāi)害防治方面的教學(xué)與研究工作,(電話)15971627761 (電子信箱)Lsq2197@163.com。