羅 軍，鄧建輝，張正雄

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610000）

分析大量工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)一類滑坡與岸坡軟弱面有關(guān)，尤其發(fā)生強(qiáng)降雨后，水庫(kù)坡岸軟弱面會(huì)積蓄大量地下水且難以迅速排出，導(dǎo)致軟弱面蓄水形成承壓，在坡體中形成揚(yáng)壓力，加劇邊坡失穩(wěn)。隨著意大利瓦依昂水庫(kù)等滑坡所帶來(lái)的巨大災(zāi)難，水庫(kù)滑坡問(wèn)題得到巖土工程和水利水電工程界高度的重視，自此加強(qiáng)了對(duì)水庫(kù)選址、可行性的論證[1]。

1 承壓水模型

課題組根據(jù)大量工程實(shí)踐的總結(jié)與反思提出承壓水庫(kù)岸邊坡模型。承壓水岸坡從結(jié)構(gòu)上講，需要存在補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)、排泄區(qū)。而承壓區(qū)需要有上下隔水層約束水流，中間透水層形成滲流通道，滲流通道（含水層）需要充填形成承壓水，上游補(bǔ)給區(qū)考慮為降雨。由此所提出的承壓水模型見(jiàn)圖1。諸如瓦依昂滑坡、千將坪滑坡、塘巖光滑坡、羅家坪邊坡等均屬于順層巖質(zhì)邊坡，存在形成承壓水的良好條件。

圖1 邊坡承壓水模型示意圖

1.1 承壓水模型的構(gòu)成條件

分析承壓水模型適用條件的意義在于，若該岸坡出現(xiàn)以下條件，可以考慮其滿足承壓水形成條件，則應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行穩(wěn)定性分析的時(shí)候考慮承壓水的作用。承壓水模型適用的環(huán)境條件：需要有充足的水源補(bǔ)給、一定的排泄條件。水源的補(bǔ)給可以是降雨、農(nóng)田水利灌溉、冰雪融化、地下暗河、地表水入滲等；排泄則需要滲流受阻，對(duì)于裂隙不夠發(fā)育的滑坡前緣、下游水庫(kù)蓄水后水位淹沒(méi)滲流通道出口，滲流排水不暢使得壓力水頭上升產(chǎn)生承壓水。承壓水模型適用的結(jié)構(gòu)條件：承壓水的形成需要形成滲流通道，并且易于構(gòu)成排泄堵塞。順層岸坡比反向坡和逆向坡更容易形成承壓水，緩傾角的巖層比陡傾巖層容易形成承壓水。由此向斜核部一側(cè)、單面山的斜坡、背斜的一翼易形成易滑面滿足承壓水模型。承壓水模型適用的材料條件：由于承壓區(qū)需要有相對(duì)隔水層、相對(duì)透水層以形成滲流通道，從巖性來(lái)講，泥巖滲透系數(shù)很小、砂巖滲透系數(shù)較大，該組合所形成的順層岸坡易滿足承壓水形成的條件，柘溪水庫(kù)滑坡、千將坪滑坡屬于該類；同時(shí)古滑坡也常常滿足承壓水存在的條件，古滑坡滑帶連續(xù)且完整構(gòu)成相對(duì)隔水層，滑帶下的擾動(dòng)層構(gòu)成相對(duì)透水層；對(duì)于一個(gè)風(fēng)化有明顯差異的巖層來(lái)說(shuō)，微風(fēng)化可考慮為相對(duì)隔水層，弱風(fēng)化為相對(duì)透水層，處于弱風(fēng)化上的滑帶屬于相對(duì)隔水層。

若邊坡滿足以上條件，則產(chǎn)生承壓水的概率較大，在計(jì)算邊坡安全系數(shù)時(shí)應(yīng)考慮承壓水的影響。

1.2 承壓水模型特點(diǎn)

離坡面環(huán)境越遠(yuǎn)風(fēng)化程度越低，滲透系數(shù)越小，對(duì)于微風(fēng)化層可考慮為未擾動(dòng)帶，滲透系數(shù)可達(dá)10-10m/s，滲透性差，考慮為相對(duì)隔水層。離坡面環(huán)境近的巖體受到風(fēng)化，成為弱風(fēng)化層，滲透系數(shù)略大，考慮為擾動(dòng)層，其滲透系數(shù)因巖體存在差異，約10-5m/s～10-7m/s（常見(jiàn)的玄武巖、砂巖弱風(fēng)化層滲透系數(shù)均在該范圍內(nèi)），該層相對(duì)微風(fēng)化層屬于相對(duì)透水層?；瑤Ь哂羞B續(xù)性，由于構(gòu)造作用而壓縮固結(jié)，同時(shí)由于降雨，堆積體中細(xì)小的顆粒黏土隨著雨水的搬運(yùn)，不斷填進(jìn)滑帶的空隙，從而導(dǎo)致滑帶呈現(xiàn)出滲透系數(shù)小的特性，泥化夾層、泥巖形成的滑帶，滲透系數(shù)約在10-10m/s～10-7m/s，構(gòu)成相對(duì)隔水層。滑坡體不屬于承壓水模型的必要構(gòu)造，雖然滲透系數(shù)很大，由于滑帶形成的相對(duì)隔水層，外部降水不能進(jìn)入承壓水系統(tǒng)。主要起到約束滑帶的作用，使承壓區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。滑坡后緣的裂隙非常發(fā)育，存在良好的滲流通道，當(dāng)降雨后，水流會(huì)隨著邊坡表面流走，同時(shí)部分沿著裂隙進(jìn)入弱風(fēng)化層，當(dāng)進(jìn)入足夠多的水流進(jìn)入相對(duì)透水層即能夠形成承壓水。該補(bǔ)給的水源可以是常規(guī)的降雨、農(nóng)田水利灌溉、地下暗河等。構(gòu)成承壓水模型，需要水流排泄不暢，即滲流通道堵塞。

順層類巖質(zhì)岸坡，大多存在良好的形成承壓水模型條件，而承壓水對(duì)岸坡的穩(wěn)定性具有較大影響，在忽略了承壓水的作用下用傳統(tǒng)方法驗(yàn)證安全的岸坡易發(fā)生失穩(wěn)。

2 承壓水?dāng)?shù)學(xué)模型分析

根據(jù)岸坡穩(wěn)定性分析的傳統(tǒng)計(jì)算方法，主要考慮內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力、滑體自重。當(dāng)有水的作用下，常?？紤]為浮托力，即在水下的滑體部分計(jì)算為浮容重，水上的滑體部分計(jì)算為天然容重。此外，降雨的情況，考慮為沿表面的滲透力，未考慮滑體的滲透性。如前文所述，在滿足特定情況的岸坡，能夠形成承壓水模型的條件，此時(shí)計(jì)算不應(yīng)忽略承壓水頭對(duì)岸坡穩(wěn)定性所帶來(lái)的影響。而考慮承壓水頭，主要影響的因素為滲透系數(shù)、上游流量、下游庫(kù)水位、承壓段傾角、承壓段厚度。

進(jìn)行承壓水模型數(shù)學(xué)解析，模型上游水頭H1、下游水頭H2、上下游水頭之間的水平距離L、滲透面與水平方向的夾角α。當(dāng)上下游水頭一定時(shí)，地下水形成穩(wěn)定流動(dòng)，地下水的流線為一條直線，即一維流動(dòng)，其連續(xù)性方程為常微分方程。根據(jù)地下水微分方程及一維地下水滲流原理可列出以下微分方程：

對(duì)(1)式兩次不定積分，帶入邊界條件，可以解出模型的總水頭，即：

滲流通道頂部承壓：

式中：z為滑帶的形狀函數(shù)z=f(x),m；m為滲流通道的厚度，m。

從公式(4)可以看出，在定水頭邊界條件下滑坡體受到最大承壓與上下游水頭密切相關(guān)，與滑帶的形狀及滲流通道的厚度相關(guān)；在滲透通道貫通且滲流通道的滲透系數(shù)不變時(shí)，坡體受到的最大承壓與滲透系數(shù)、流量無(wú)關(guān)。

3 羅家坪滑坡中承壓水作用分析

羅家坪滑坡位于綏江縣城下游金沙江右岸的新灘溪溝口左側(cè)，距綏江縣城的公路里程約13 km，前緣為新灘溪基巖變形體，滑坡體上分布有大量民房、水綏二級(jí)路及450 m的新灘溪大橋。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)，該滑坡體在向家滑帶壩水庫(kù)蓄水前局部地段已產(chǎn)生變形，水庫(kù)蓄水后，變形進(jìn)一步加劇，造成地表及部分建筑物出現(xiàn)變形開(kāi)裂[3]。

地層巖性：庫(kù)區(qū)出露地層較齊全，從上元古界至新生界除石炭系、第三系缺失外均有出露[2]，基巖按巖性組合可歸并劃分為：碎屑巖巖組、碳酸鹽巖組和火山巖巖組三大類[2]。地質(zhì)構(gòu)造：庫(kù)區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要有南北向和北東向2組。在新灘溪以上河段，南北向構(gòu)造較發(fā)育，以下河段則以北東向構(gòu)造為主。庫(kù)區(qū)上游部分規(guī)模較大的斷層主要有猰子壩斷層、關(guān)村斷層、中村斷層，在下游的庫(kù)首東部主要分布有北西向的柏樹(shù)溪斷層，其余均為延伸長(zhǎng)度小于10 km的較小斷層。規(guī)模相對(duì)較小的主要有南北向的一龍斷層、北西向的灣灣灘斷層和樓東斷層通過(guò)庫(kù)區(qū)。滑坡邊界存在小規(guī)模北西向的灣灣灘斷層與北西向龍橋背斜。

滑體物質(zhì)組成及滑帶特性：勘探結(jié)果表明，滑坡體組成物質(zhì)大致有2種類型，占主要部分的為崩塌堆積形成的粘土、粉質(zhì)粘土夾崩(塊)石、碎石。其次新灘溪變形體的碎裂巖及灣灣灘斷層破碎帶及影響帶內(nèi)的斷層碎裂巖或糜陵巖，該類物質(zhì)主要由碎塊石夾泥組成，但含泥量明顯減少，局部地段也有成層現(xiàn)象?；麦w滑動(dòng)帶后緣組成物質(zhì)為覆蓋層，由于地形較陡，所以滑動(dòng)帶深度一般不大，多在10 m以內(nèi)?；轮邢虏恳粠Щ瑒?dòng)帶主要受基巖面的控制，下部巖體多較完整，鉆孔揭露的滑動(dòng)帶物質(zhì)多為崩塌堆積的粘土、粉質(zhì)粘土。

根據(jù)上述地質(zhì)概況可以檢驗(yàn)是否滿足承壓水模型形成條件。通過(guò)該地形地貌可以看出其符合順層岸坡。通過(guò)地層巖性、滑帶特性可以看出，其符合承壓區(qū)形成條件，即滑帶多為崩塌堆積的粘土、粉質(zhì)粘土，其滲透系數(shù)相對(duì)較小，形成上層相對(duì)隔水層；而滑帶下的強(qiáng)風(fēng)化層能夠形成理想的滲流通道；強(qiáng)風(fēng)化層的灰?guī)r透水性很差形成下層相對(duì)隔水層。與此同時(shí)，該區(qū)域?qū)儆谒拇ㄅ璧貋啛釒夂?，降雨集中，?月～9月份有很好的水源補(bǔ)給條件。對(duì)于滑坡后緣所處的金沙江，是整個(gè)承壓水模型進(jìn)行排泄的區(qū)域。同時(shí)根據(jù)調(diào)查，原水綏公路邊坡坡腳存在泉眼，且?guī)r體結(jié)構(gòu)松軟，雨季經(jīng)常發(fā)生垮塌。而蓄水后，水位抬升，泉眼淹沒(méi)，地下水排泄不暢。綜上所述，羅家坪滑坡很好的滿足承壓水模型所形成的條件。

正如前文所描述，羅家坪滑坡為順層岸坡，通過(guò)《金沙江向家壩水電站庫(kù)區(qū)羅家坪滑坡工程地質(zhì)勘察報(bào)告》可知，基巖滲透系數(shù)為2×10-9m/s為相對(duì)隔水層的下邊界，風(fēng)化層滲透系數(shù)為3×10-7m/s為相對(duì)透水層，風(fēng)化層上部的滑帶土滲透系數(shù)為3×10-11m/s為相對(duì)隔水層的上邊界；與此同時(shí)，羅家坪滑坡前緣處原水綏公路邊坡坡腳存在泉眼，巖體結(jié)構(gòu)松軟，在二期蓄水后，水位抬升，泉眼被淹沒(méi)，使得承壓區(qū)滲流通道排泄不暢，成為形成承壓水頭的誘因。與此同時(shí)，在2013年7月～9月份期間發(fā)生強(qiáng)降雨，構(gòu)成承壓水動(dòng)力來(lái)源。因而，羅家坪滑坡具備形成承壓水模型的條件。

圖2 降雨量—地表變形速率關(guān)系曲線

分析在二期蓄水（2013年6月26日）后羅家坪滑坡發(fā)生的大變形。由圖2可知變形主要發(fā)生在2013年7月～9月。在2013年7月發(fā)生強(qiáng)降雨，一方面由于降雨入滲的作用，材料力學(xué)參數(shù)下降構(gòu)成物理?xiàng)l件；另一方面由于下游庫(kù)水位上升，在降雨入滲的情況下滑坡前緣排泄不暢，導(dǎo)致形成承壓水頭，該水頭作用于滑帶底部，越靠近滑坡前緣承壓水頭越大，垂直滑面向上，導(dǎo)致整個(gè)滑坡抗滑力減小，尤其在滑坡前緣部分，對(duì)滑坡穩(wěn)定性不利，以形成了羅家坪滑坡的動(dòng)力來(lái)源。上述作用聯(lián)合下，導(dǎo)致羅家坪滑坡在7月～9月份發(fā)生大變形，滑坡前緣變形速率大于滑坡后緣的整體性滑移。而形成承壓水水頭，需要風(fēng)化層（滲透系數(shù)為3×10-7m/s）滲流完成，該過(guò)程需要一定的時(shí)間，因而滑坡滑移發(fā)生在降雨后的幾天。

羅家坪滑坡的成因：一方面由于降雨入滲的作用，材料力學(xué)參數(shù)下降構(gòu)成物理?xiàng)l件；另一方面由于下游庫(kù)水位上升，在降雨入滲的情況下滑坡前緣排泄不暢，導(dǎo)致形成承壓水頭，該水頭作用于滑帶底部，越靠近滑坡前緣承壓水頭越大，垂直滑面向上，導(dǎo)致整個(gè)滑坡抗滑力減小，尤其在滑坡前緣部分，對(duì)滑坡穩(wěn)定性不利，以形成了羅家坪滑坡的動(dòng)力來(lái)源。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于滿足承壓水模型形成條件的邊坡，考慮承壓水對(duì)邊坡穩(wěn)定帶來(lái)的影響至關(guān)重要，能夠更加準(zhǔn)確的反映邊坡真實(shí)情況，從而在治理上找準(zhǔn)根源對(duì)癥下藥，同時(shí)在勘探期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)措施，減少不必要的損失。

由所推導(dǎo)的承壓水頭模型可以看出，對(duì)于改變不了滲透系數(shù)、承壓區(qū)傾角的工程岸坡，影響承壓水頭大小的關(guān)鍵因素在入滲流量、下游庫(kù)水位、承壓區(qū)滲徑。因而，在治理及預(yù)防上可采取以下措施來(lái)減小承壓水對(duì)滑坡穩(wěn)定帶來(lái)的影響。從減小暴雨期入滲流量方面，可以在滑坡后緣部分開(kāi)挖排水溝進(jìn)行引流，讓降雨能夠盡量通過(guò)堆積體流走，不形成小水塘蓄在滑坡后緣，從而在一定程度上，減小了承壓區(qū)的入滲流量；從下游庫(kù)水位方面，由于庫(kù)水位影響著向家壩的效益，不能受羅家坪滑坡因素發(fā)生太大變動(dòng)，可在大暴雨期，適當(dāng)降低庫(kù)水位，待雨季結(jié)束后恢復(fù)至正常水平；從減小承壓區(qū)滲徑上，在羅家坪滑坡中下部進(jìn)行鉆孔，穿透滑帶并進(jìn)行排水，該措施會(huì)破壞承壓區(qū)，使得承壓區(qū)影響的范圍減小，從而降低承壓水對(duì)滑坡穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。

采用承壓水模型計(jì)算出的安全系數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法，這是導(dǎo)致很多岸坡在進(jìn)行前期勘探分析穩(wěn)定卻產(chǎn)生滑動(dòng)的原因，因而對(duì)符合承壓水模型形成條件的岸坡進(jìn)行分析時(shí)，承壓水頭不容忽視。