劉 凱,易 武,閆國(guó)強(qiáng)(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 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; 3.湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,湖北 宜昌 443002)
三峽庫(kù)區(qū)某退水滯后型滑坡滲流及穩(wěn)定性分析
劉 凱1,2,3,易 武1,2,3,閆國(guó)強(qiáng)1,2,3
(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 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; 3.湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,湖北 宜昌 443002)
退水滯后型滑坡;滲流場(chǎng);穩(wěn)定性分析;三峽庫(kù)區(qū)
三峽庫(kù)區(qū)自2003年蓄水以來,庫(kù)區(qū)水巖作用引發(fā)了水庫(kù)岸坡失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害,其中水庫(kù)岸坡破壞出現(xiàn)在庫(kù)水位上升期的占40%~49%,出現(xiàn)在水位消落期的約占30%,而有些大型滑坡會(huì)發(fā)生在庫(kù)水位達(dá)到最大值后的快速消落期。本研究以三峽庫(kù)區(qū)某退水滯后型滑坡為例,結(jié)合2016年1—6月三峽水庫(kù)水位的實(shí)際運(yùn)行情況并聯(lián)合降雨,利用數(shù)值模擬的方法模擬其滲流場(chǎng)變化并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。研究結(jié)果表明:庫(kù)水位下降并疊加降雨的情況下,對(duì)滑坡的穩(wěn)定性不利,當(dāng)庫(kù)水位下降速率達(dá)到1.0 m/d且疊加降雨時(shí),滑坡的穩(wěn)定性最差,此時(shí)為最不利工況;在5種工況條件下,滑坡的穩(wěn)定性有所降低,但穩(wěn)定性數(shù)值均大于1.05,說明滑坡仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。
水庫(kù)庫(kù)岸區(qū)域發(fā)生的滑坡和崩塌,是庫(kù)區(qū)水巖作用導(dǎo)致的一類重要的地質(zhì)災(zāi)害,往往會(huì)對(duì)工程及環(huán)境造成較大的危害[1]。有資料顯示,水庫(kù)岸坡破壞發(fā)生在庫(kù)水位上升期的占40%~49%,發(fā)生在水位消落期的約占30%,而有些大型滑坡會(huì)發(fā)生在庫(kù)水位達(dá)到最大值后的快速消落期。三峽庫(kù)區(qū)自2003年首次蓄水至135 m以來,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),尤其是滑坡。研究表明,水是誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的最重要因素[2]。庫(kù)區(qū)的地下水主要由降雨補(bǔ)給,地下水位的變化又與庫(kù)水位的漲落直接相關(guān)[3],因此降雨和庫(kù)水位漲落是誘發(fā)涉水滑坡的最重要因素[4]。在分析水庫(kù)型滑坡的穩(wěn)定性方面,學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究工作:李曉等[5]提出一種在降雨及庫(kù)水位漲落影響下滑坡地下水動(dòng)力場(chǎng)的分析方法;吳瓊等[6]從滲流基本原理出發(fā),采用穩(wěn)定滲流情況下的浸潤(rùn)線作為非穩(wěn)定滲流的初始值,推導(dǎo)出庫(kù)水位升降聯(lián)合降雨作用下該模型中浸潤(rùn)線的近似解析解;廖紅建等[7]通過數(shù)值計(jì)算得到了庫(kù)區(qū)降水速度、滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的變化規(guī)律;張桂榮等[8]得出降雨影響的主要是上部土體,即降雨更容易引起淺層滑坡與局部滑坡。筆者以三峽庫(kù)區(qū)某滑坡為研究對(duì)象,根據(jù)2016年1—6月庫(kù)區(qū)水位的實(shí)際調(diào)度方案,考慮在增大庫(kù)水位日降幅的情況下聯(lián)合降雨,利用Geo-Studio軟件對(duì)三峽庫(kù)區(qū)某退水滯后型滑坡進(jìn)行數(shù)值模擬,研究其滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性。
該滑坡位于秭歸縣方家山村,為一古滑坡堆積體。滑坡整體為斜逆向的陡坡,地貌上為典型的長(zhǎng)條圈椅狀凹槽地形,中下部為坡度較緩的平臺(tái),上部為圈椅狀較陡的斜向坡?;卵丌?Ⅰ′剖面設(shè)有3個(gè)專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZGT2、ZGT3、ZGT4,分別布置在滑坡前緣、中部和后部。滑體縱長(zhǎng)約為800 m,平均寬度約為260 m,滑坡前緣直抵長(zhǎng)江,高程約為80 m,后緣高程約為390 m。滑體面積約為20.8萬m2,平均厚度約為30 m,體積約為600萬m3?;碌刭|(zhì)平面圖見圖1。
圖1 滑坡地質(zhì)平面圖
根據(jù)調(diào)查及勘查資料,滑體物質(zhì)主要由第四系崩坡積物構(gòu)成,為砂巖塊石、碎石土堆積層?;露逊e物直接與下伏基巖接觸構(gòu)成滑帶,滑帶土主要為碎石土,成分主要是泥灰?guī)r、泥頁(yè)巖等?;矠橄蚱麦w內(nèi)傾的逆向侏羅系砂泥巖層,巖層產(chǎn)狀為30°∠35°。
2.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置
滑坡上的3個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于主滑面上高程280、230、200 m處;4個(gè)傾斜監(jiān)測(cè)孔中有3個(gè)與GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置相同,還有1個(gè)位于310 m高程處;2個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)孔位于滑體中下部,即ZK1點(diǎn)(高程193 m)和ZK10點(diǎn)(高程193 m);在滑體東部高程250、220 m的基巖脊上設(shè)立了2個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn)。
2.2 GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析
圖2展示了該滑坡2012年7月至2016年7月的GPS累積位移,從圖中可以看出:ZGT2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移量最大,截至2016年7月25日累積位移量已達(dá)85.6 mm,另外兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(ZGT3和ZGT4)的累積位移量相對(duì)較??;3個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積位移曲線均以波動(dòng)為主,未出現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)。
圖2 滑坡累積位移
2.3 宏觀變形特征
2016年7月經(jīng)宏觀地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),該滑坡地表未見明顯變形,但存在局部變形:滑坡前緣西側(cè)沖溝坡面坍塌,規(guī)模約為10 m3,滑坡中部東側(cè)坡面坍塌,規(guī)模約為5 m3,經(jīng)調(diào)查均為降雨所致。ZGT2點(diǎn)位于滑坡前緣,其累積位移的小幅度上漲和前緣塌岸作用有關(guān)。
綜合分析認(rèn)為,目前滑坡存在局部位移的情況,整體無變形,處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但在庫(kù)水位日降幅增大并疊加極端降雨的條件下,滑坡的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步進(jìn)行分析驗(yàn)證。
自2003年庫(kù)區(qū)首次蓄水至135 m以來,正常運(yùn)行情況下水位在145~175 m之間變動(dòng),根據(jù)歷年觀測(cè)數(shù)據(jù),壩前水位上升速度≤2 m/d,下降速度≤1 m/d。該滑坡所在地秭歸縣地處中緯度地區(qū),屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。
經(jīng)分析,庫(kù)水位上升對(duì)該滑坡的影響較小,因此本研究主要研究庫(kù)水位下降的情況。根據(jù)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司發(fā)布的水位情況,每年1—6月為庫(kù)水位下降期,本研究根據(jù)2016年庫(kù)水位實(shí)際下降情況模擬兩個(gè)階段:第一階段由壩前175 m水位降至壩前159 m水位,降速較緩,為0.12 m/d(此階段不加降雨);第二階段由壩前159 m降至145 m,降速分別為0.6、0.8、1.0、1.2 m/d(此階段考慮降雨的影響)。1—6月份不是降雨的高發(fā)期,但仍要考慮極端的情況,本研究中的降雨量采用秭歸縣枯水期50 a重現(xiàn)值(即3 d降雨量為65 mm,見表1),分別建立5種工況,見表2。
表1 秭歸縣降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期 mm
表2 滑坡計(jì)算工況
選取滑坡地質(zhì)平面圖中的Ⅰ-Ⅰ′剖面作為計(jì)算剖面,建立有限元模型(見圖3),其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 212個(gè)、單元數(shù)為3 112個(gè)。
結(jié)合野外剪切試驗(yàn)、室內(nèi)直剪試驗(yàn)、地質(zhì)類比及反演分析等方法綜合取值,該滑坡體強(qiáng)度參數(shù)見表3。
圖3 滑坡有限元模型
參數(shù)滑體滑床容重(kN/m3)19.521.0變形模量(MPa)8538000泊松比0.270.20黏聚力(kPa)1622內(nèi)摩擦角(°)21.522.4滲透系數(shù)3.4×10-34×10-7飽和含水率(%)3214殘余含水率(%)3.51.4
5.1 滲流模擬結(jié)果分析
利用加拿大數(shù)值仿真軟件Geo-Studio中的Seep模塊對(duì)5種工況下的地下水浸潤(rùn)線進(jìn)行模擬,得到如下滲流結(jié)果:第一階段庫(kù)水位從壩前175 m下降到159 m的過程中,地下水浸潤(rùn)線在靠近滑面、高程175 m處開始產(chǎn)生陡降,第二階段庫(kù)水位從壩前159 m下降至145 m的過程中,工況1、2、3、4的庫(kù)水位下降速率分別為0.6、0.8、1.0、1.2 m/d,且都疊加了降雨的情況,地下水浸潤(rùn)線從高到低依次為工況4、3、2、1;比較工況4和5,發(fā)現(xiàn)工況4的地下水浸潤(rùn)線位置略高于工況5的;越靠近溢出口,地下水浸潤(rùn)線越陡,工況4和5的浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)的高程均高于145 m。
比較分析工況1、2、3、4,在降雨條件相同的情況下,庫(kù)水位下降速率越大,地下水位線越高,這是因?yàn)樵谒豢焖傧陆档倪^程中,地下水來不及排出,滯后于水庫(kù)水位下降?;麦w中地下水向外的滲透力和產(chǎn)生的動(dòng)水壓力作用于滑坡,使滑坡的穩(wěn)定性降低。比較工況4和5,在庫(kù)水位下降速率相同(均為1.2 m/d)的情況下,疊加了降雨的工況的地下水位線要高于未疊加降雨的工況,顯然降雨入滲導(dǎo)致了地下水浸潤(rùn)線的提高。在非飽和土體中存在基質(zhì)吸力,當(dāng)降雨滲入滑坡體時(shí),含水量增加降低了滑坡體的基質(zhì)吸力,減小了滑坡體的抗剪強(qiáng)度,也會(huì)形成向臨空方向的動(dòng)水壓力,牽引滑坡變形。工況4和5的地下水浸潤(rùn)線在滑體前緣的區(qū)別不明顯,而在滑體中后部有明顯的區(qū)別,說明降雨主要影響的是滑體中后部,而對(duì)滑體前緣影響不大。工況4和5的浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)的高程均高于145 m,說明庫(kù)水位下降較快,而滑體的滲透性又較差,水位線以下的土體達(dá)到了飽和狀態(tài)。
5.2 穩(wěn)定性分析
利用Geo-Studio軟件中的Slope模塊計(jì)算出的5種工況下對(duì)應(yīng)滑坡體的最小穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見圖4。
圖4 各工況穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)Seep和Slope耦合計(jì)算出5種工況下的最小穩(wěn)定系數(shù),反映了滑坡穩(wěn)定性與庫(kù)水位下降及降雨之間的關(guān)系,研究結(jié)果表明:當(dāng)庫(kù)水位加速下降且疊加降雨之后,坡體的整體穩(wěn)定性大幅度降低,動(dòng)水壓力增大,但并不是庫(kù)水位下降速率越大,穩(wěn)定性就越低,對(duì)比工況3和4,發(fā)現(xiàn)工況3的穩(wěn)定系數(shù)小于工況4的,而工況3是5種工況中最不穩(wěn)定的,即對(duì)于此滑坡而言,庫(kù)水位下降速率為1.0 m/d且疊加降雨的情況時(shí),對(duì)滑坡穩(wěn)定最不利。工況1和2的穩(wěn)定系數(shù)隨著庫(kù)水位的下降(159 m下降到145 m)先下降后上升,主要原因是在庫(kù)水位下降速率不是很大的情況下,地下水排出坡體,穩(wěn)定系數(shù)降低,隨著庫(kù)水位的逐漸下降,影響滑體的地下水減少,滑坡的穩(wěn)定性又略有增加。工況5與4相比,穩(wěn)定系數(shù)有所提高,是因?yàn)楣r5沒有疊加降雨,說明對(duì)于該滑坡,庫(kù)水位下降和降雨都是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素。在庫(kù)水位快速下降的過程中,滑坡體地下水位與庫(kù)水位形成落差,滑坡體地下水向外滲出,滲透力指向滑體外側(cè),同時(shí)還產(chǎn)生較高的附加動(dòng)水壓力作用于土體顆粒上,由于滑體滲透系數(shù)低,因此滑坡表現(xiàn)出滯后性。各種工況下穩(wěn)定系數(shù)均大于1.05,說明整體仍然處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但不能排除滑坡前緣出現(xiàn)崩塌的可能性。
本研究根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)水位實(shí)際調(diào)度方案,利用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio的Seep和Slope模塊對(duì)某退水滯后型滑坡進(jìn)行模擬,對(duì)其滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:
(1)Seep模塊模擬的滲流場(chǎng)結(jié)果表明:庫(kù)水位的下降和降雨產(chǎn)生一個(gè)較大的水力坡降,且?guī)焖幌陆邓俾试酱?,地下水位線越高,水位在快速下降的過程中,地下水來不及排出,滯后于庫(kù)水位下降。滑坡體中地下水向外的滲透力和產(chǎn)生的動(dòng)水壓力作用于滑坡,使滑坡的穩(wěn)定性降低。
(2)降雨入滲是影響滑坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素,但比較工況4和5發(fā)現(xiàn)兩工況穩(wěn)定系數(shù)相差并不大,這是由于滑體物質(zhì)的滲透系數(shù)較小,降雨不易入滲。因而對(duì)于該滑坡而言,影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素還是庫(kù)水位的下降。
(3)庫(kù)水位下降并疊加降雨的情況對(duì)滑坡的穩(wěn)定性不利,但并不是庫(kù)水位下降的速率越大,滑坡越不穩(wěn)定,模擬發(fā)現(xiàn)庫(kù)水位以1.0 m/d的速率下降并疊加降雨的工況滑體穩(wěn)定系數(shù)最低,為1.07。所有工況的穩(wěn)定系數(shù)均超過1.05,說明在三峽庫(kù)區(qū)水位日降幅增大并疊加極端降雨的情況下,該滑坡仍然保持基本穩(wěn)定。
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(責(zé)任編輯 李楊楊)
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172298、41302260);湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2012FFA040);湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BCE070)
P642.22
A
1000-0941(2017)08-0044-04
劉凱(1992—),男,湖北恩施州人,碩士研究生,研究方向?yàn)檫吰路€(wěn)定性分析及滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。
2017-01-15