白 潔,巨能攀,張成強(qiáng),盧向濤

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

庫(kù)岸邊坡的變形破壞是一個(gè)從量變累積到質(zhì)變的地質(zhì)力學(xué)過(guò)程，其變形破壞過(guò)程與庫(kù)水位的變化密切相關(guān)[1-3]。水庫(kù)蓄水改變坡體賦存的地質(zhì)環(huán)境，從而影響邊坡的穩(wěn)定性[4]。

針對(duì)庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的研究中，盧書(shū)強(qiáng)等[5]、向家松等[6]充分利用變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深入分析研究了庫(kù)水位變化下滑坡變形失穩(wěn)機(jī)制，得出庫(kù)水位升降激勵(lì)了滑坡變形；張巖等[7]、王明華等[8]分析得出庫(kù)岸滑坡的變形模式在蓄水后由推移式轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?；趙代鵬等[9]研究了庫(kù)水升降作用下浮托減重型滑坡的穩(wěn)定性；此外，一些學(xué)者[10-12]采用數(shù)值計(jì)算方法模擬分析了庫(kù)水位變化條件下滑坡體的應(yīng)力應(yīng)變情況；張旭等[13]建立了流固耦合模型并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，分析了滑坡在庫(kù)水位變化條件下的滲流機(jī)制與穩(wěn)定性。但現(xiàn)有研究中針對(duì)庫(kù)水位上升引起滑坡變形失穩(wěn)的地下水動(dòng)力作用分析相對(duì)較少。

苗尾水電站趙子坪滑坡屬于原始傾倒巖體變形破壞后形成的強(qiáng)傾倒堆積體滑坡，本文在詳細(xì)調(diào)查研究滑坡體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)蓄水誘發(fā)庫(kù)岸滑坡的變形破壞模式進(jìn)行了研究。

1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)概況

苗尾水電站趙子坪滑坡位于瀾滄江上游段右岸，下距壩址11.2 km，屬于云龍縣舊州鎮(zhèn)孟帕村。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the Zhaoziping landslide

滑坡分為一主滑坡(H2)和一次級(jí)滑坡(H1)。H1發(fā)育在主滑坡內(nèi)，地形下緩上陡，前緣直接伸入庫(kù)水以下，并在庫(kù)岸邊緣形成1～4 m高的陡坎，后緣高程1 445～1 462 m，呈弧形貫通，延伸長(zhǎng)度300 m，運(yùn)動(dòng)方向NE79°。H2為主滑坡，其后緣位于六蘭公路上方40～80 m，高程1 542～1 571 m，上游側(cè)周界沿基巖山脊與覆蓋層界面向下接H1后緣裂縫，滑坡延伸長(zhǎng)度490 m，滑動(dòng)方向NE90°。

在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史時(shí)期，原始岸坡反傾層狀的板巖受河谷下切的影響在重力作用下發(fā)生傾倒、折斷，破壞后的產(chǎn)物沿折斷面下錯(cuò)滑動(dòng)，最終形成了現(xiàn)在的堆積體邊坡。堆積體與下伏基巖存在較大物理力學(xué)差異，從而形成二元巖土體結(jié)構(gòu)。堆積體主要成分為順坡向堆積的砂巖、板巖碎石，碎石含量在40%～60%之間，粒徑一般為5～20 cm。崩坡積碎石土、含碎石粉質(zhì)黏土、角礫土填充其間。堆積體結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖4。

圖2 趙子坪滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological map of the Zhaoziping landslide1—第四系崩坡積層；2—第四系沖洪積層；3—白堊系下統(tǒng)景星組板巖；4—勘探鉆孔及編號(hào)；5—地層分界限；6—滑坡邊界；7—一期蓄水位線(xiàn)；8—二期蓄水位線(xiàn)；9—地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)；10—裂縫及編號(hào)；11—巖層產(chǎn)狀；12—地表下錯(cuò)點(diǎn)及下錯(cuò)高度；13—堆積體區(qū)域；14—基巖區(qū)域

圖3 趙子坪滑坡工程地質(zhì)剖面圖(4-4′)Fig.3 Engineering geological profile of the Zhaoziping landslide(4-4′)

圖4 堆積體結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Structure features of the accumulation body

2 滑坡變形特征分析

2.1 地表變形特征

在苗尾水電站首次1 365 m蓄水之前，主、次級(jí)滑坡范圍內(nèi)基本無(wú)坡表變形。2016年11月24日水庫(kù)開(kāi)始蓄水，次級(jí)滑坡后緣首先出現(xiàn)裂縫。當(dāng)水位升高到1 365 m后，次級(jí)滑坡前緣部分被庫(kù)水浸沒(méi)，有少量滾石、巖土體坍塌滑入水中。其后緣形成長(zhǎng)大弧形拉裂縫，延伸長(zhǎng)度達(dá)300 m，下錯(cuò)高度2.5～6 m不等，滑坡體兩側(cè)邊界處發(fā)育有縱向剪切裂縫，在上游側(cè)邊界下部出現(xiàn)寬約5 m的剪切裂縫帶，沿N80°E向東延伸(圖5)。

圖5 次級(jí)滑坡后緣裂縫Fig.5 Photo of the rear edge crack of the secondary landslide

2016年12月份以后，水庫(kù)保持1 365 m水位運(yùn)行。主滑坡后緣開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，次級(jí)滑坡上方公路路面發(fā)生開(kāi)裂，在公路交叉口處出現(xiàn)多條橫向弧形拉張裂縫，貫通性較好，表面可見(jiàn)多條裂隙。公路上部邊坡不斷發(fā)育新的裂縫，裂縫張開(kāi)度20～40 cm，錯(cuò)距40～70 cm，且原有裂縫不斷擴(kuò)大(圖6)。隨著滑坡變形不斷發(fā)展，地表變形跡象逐漸增多。

圖6 公路路面破壞Fig.6 Destruction of the road surface

2017年4月24日水庫(kù)開(kāi)始二期蓄水，到6月20日庫(kù)水位達(dá)到1 398 m高程。在此期間，主滑坡后緣出現(xiàn)寬20～40 cm、可見(jiàn)深度40～150 cm、錯(cuò)距80～250 cm的寬大拉裂縫；下游側(cè)邊界將公路錯(cuò)斷，錯(cuò)距約0.5 m，且路邊擋墻有開(kāi)裂和傾向江側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)，傾倒角度15°～20°，開(kāi)裂寬度25 cm左右(圖7)。隨著變形的發(fā)展，滑坡兩側(cè)邊界繼續(xù)向下部延伸，大部分裂縫呈逐漸連通趨勢(shì)。

圖7 擋墻破壞Fig.7 Failure of the retaining wall

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

自2016年12月5日起，采用地表位移GPS開(kāi)始對(duì)趙子坪滑坡實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)。依據(jù)綜合監(jiān)測(cè)方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件，在趙子坪滑坡體上布設(shè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè)(X1～X12)，范圍覆蓋六蘭公路、沿江公路及上下邊坡，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖1。

Danu能夠誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞凋亡，呈濃度和時(shí)間依賴(lài)。Danu作用細(xì)胞24 h后，0.1 μmol組及0.5 μmol組的總凋亡率分別為10.8%和12.0%，顯著高于對(duì)照組（4.9%）。0.5 μmol Danu作用24、48、72 h后，實(shí)驗(yàn)組的凋亡率分別為3.9%、4.1%和11.4%，和對(duì)照組（1.1%）相比，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖5）。

滑坡變形曲線(xiàn)見(jiàn)圖8，滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形具有一致性，變形跡象顯著。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移和垂直位移變形趨勢(shì)一致，最大垂直變形點(diǎn)為X1，累積位移為2 323 mm；最大水平位移點(diǎn)在X9，累積位移值達(dá)3 050 mm。累計(jì)垂直位移曲線(xiàn)中X10和X12監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)相較其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移曲線(xiàn)高出很多，說(shuō)明這兩個(gè)位置處變形較其他地方大。X8、X11儀器損壞，故沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 趙子坪滑坡累積位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.8 Cumulative displacement monitoring curves of the Zhaoziping landslide

圖9為趙子坪滑坡各典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率曲線(xiàn)和庫(kù)水位升降速率曲線(xiàn)，結(jié)合滑坡累計(jì)位移曲線(xiàn)分析可知，整體而言，滑坡的變形與庫(kù)水位的升降相關(guān)，其變形速率具有上下波動(dòng)的變化規(guī)律，且隨時(shí)間的推移變形未出現(xiàn)收斂趨勢(shì)。

圖9 典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率曲線(xiàn)Fig.9 Deformation rate curves of the typical monitoring point

2016年12月18日之前，庫(kù)水位達(dá)到一期蓄水高度1 365 m，位移曲線(xiàn)斜率較大，滑坡變形增長(zhǎng)較快，最大變形達(dá)45 mm/d，但變形速率呈下降趨勢(shì)。從12月18日以后一直到2017年4月23日，庫(kù)水位在小范圍內(nèi)波動(dòng)，位移呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，而變形速率在2月10日之前波動(dòng)范圍較大，后逐漸趨于平穩(wěn)，在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

從2017年4月23日起，庫(kù)水位開(kāi)始升高，并在4月23日到4月28日期間出現(xiàn)一個(gè)陡增，位移曲線(xiàn)也出現(xiàn)了一個(gè)小規(guī)模的階梯式上揚(yáng)，時(shí)間略滯后于庫(kù)水位的上升，變形速率上下波動(dòng)范圍變大。隨后，庫(kù)水位呈波浪式升高，位移曲線(xiàn)斜率略微增大，變形速率也相應(yīng)增大。在6月1日—20日期間，庫(kù)水位呈現(xiàn)出一個(gè)正弦曲線(xiàn)式變化，出現(xiàn)一個(gè)波峰和一個(gè)波谷，水位從1 374 m上升到1 387 m，然后下降到1 380 m，再上升到1 393 m，位移曲線(xiàn)受到水位升降的影響出現(xiàn)一個(gè)明顯階躍，變形速率在此期間呈大幅度波動(dòng)。隨后，庫(kù)水位依舊呈波浪式上升，位移曲線(xiàn)也繼續(xù)呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，變形速率重新回到小范圍內(nèi)波動(dòng)。

3 滑坡變形機(jī)制分析

趙子坪滑坡屬于傾倒堆積體滑坡，其特有的地形地貌、地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造條件控制著滑坡的形成和發(fā)展，是滑坡形成的內(nèi)因。而庫(kù)水位的變動(dòng)加速了滑坡的變形，是滑坡的誘發(fā)因素。

3.1 地質(zhì)因素對(duì)滑坡變形的控制

趙子坪滑坡在地形上呈上陡下緩，坡體前緣河谷縱向下切深度較大，并在庫(kù)岸邊緣形成1～4 m高的陡坎，滑體下游側(cè)邊界處沖溝發(fā)育，臨空條件較好。在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的傾倒堆積體與下部?jī)A倒基巖形成的特殊坡體結(jié)構(gòu)，控制著趙子坪滑坡的變形發(fā)展。

堆積體滑坡的發(fā)生主要受堆積體與基巖基覆接觸帶的巖土體性質(zhì)控制，基覆界面往往是失穩(wěn)的滑動(dòng)面。趙子坪滑坡上覆覆蓋層和下伏巖層性質(zhì)差異造成的二元巖土體結(jié)構(gòu)奠定了斜坡變形破壞的物質(zhì)基礎(chǔ)。斜坡易在重力作用下沿著基覆界面發(fā)生蠕動(dòng)變形。

3.2 庫(kù)水位對(duì)滑坡變形的激勵(lì)作用

苗尾水電站設(shè)計(jì)最高蓄水位為1 408 m，初始水位為1 320 m，水庫(kù)蓄水分兩期進(jìn)行。一期蓄水于11月24日開(kāi)始，11月29日水位升高到1 365 m并保持該水位運(yùn)行；二期蓄水從2017年4月23日開(kāi)始，截至到2017年7月16日，水位最高達(dá)到1 402 m。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水庫(kù)在蓄水過(guò)程中，滑坡變形不止。

對(duì)于坡體結(jié)構(gòu)松散、滲透性較好的庫(kù)岸邊坡，在涉水后水體能快速滲入坡體，引起地下水位升高，水體初始滲透力和后期靜水壓力導(dǎo)致坡體內(nèi)孔隙水壓力增大，從而有效應(yīng)力減小，產(chǎn)生浮托減重效應(yīng)。若涉水部位為滑坡阻滑段，則在水位升高后由于水體入滲產(chǎn)生浮托減重效應(yīng)，導(dǎo)致其阻滑力相應(yīng)減小，滑坡穩(wěn)定性降低，更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

苗尾水電站一期蓄水開(kāi)始后，滑坡前緣首先受到水的動(dòng)力沖刷及浸泡軟化作用，由于滑坡體物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散稍密，水體容易入滲，產(chǎn)生浮托減重效應(yīng)，且坡體前緣存在較高的陡坎，在水的作用下，次級(jí)滑坡在前緣臨空的條件下部分發(fā)生坍塌破環(huán)滑入水中，后緣滑坡在前緣坍滑后失去支撐而向下滑動(dòng)，從而產(chǎn)生了較多拉裂縫，發(fā)生了較大變形。一期蓄水高度僅淹沒(méi)滑坡前緣一小部分，此后，保持該水位運(yùn)行，水體繼續(xù)入滲，地下水位升高，滑坡在此期間發(fā)生蠕動(dòng)變形，變形速率較小。

二期蓄水開(kāi)始后，根據(jù)圖2工程地質(zhì)平面圖可以看出，次級(jí)滑坡上在一期蓄水時(shí)形成的大部分裂縫位于二期蓄水位高度以下，裂縫的存在導(dǎo)致二期蓄水過(guò)程中水體滲入坡體內(nèi)更加容易，從而引起坡體內(nèi)地下水位快速升高。且涉水部位為滑坡阻滑段，阻滑段坡體有效應(yīng)力減小，滑坡穩(wěn)定性降低，滑坡變形速率增大，位于次級(jí)滑坡上方的主滑坡上游側(cè)邊界先發(fā)生變形，其變形又為下游側(cè)滑坡變形創(chuàng)造了臨空條件，從而變形逐漸向下游側(cè)發(fā)展，最終滑坡邊界貫通，發(fā)生滑動(dòng)破壞。

綜上分析，結(jié)合圖8滑坡位移監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，可以看出滑坡變形受庫(kù)水位上升影響較大。在庫(kù)水位快速上升后，滑坡變形也出現(xiàn)一個(gè)明顯的階躍，但略滯后于庫(kù)水位的上升。分析其原因，由于庫(kù)水位上升較快，地下水位也上升較快，坡體內(nèi)孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力隨之減小，坡體阻滑力減小，滑坡變形增大，但水體入滲需要一定時(shí)間，因此坡體內(nèi)孔隙水壓力的增大滯后于庫(kù)水位的升高，坡體變形滯后于庫(kù)水位上升。

4 數(shù)值模擬分析

基于非飽和土力學(xué)理論建立滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)的流-固耦合計(jì)算模型，考慮土-水特征曲線(xiàn)與滲透特征，將孔隙水壓力分布和非飽和土強(qiáng)度理論應(yīng)用到極限平衡法中，并與有限元法結(jié)合，對(duì)庫(kù)水作用下的趙子坪滑坡穩(wěn)態(tài)-瞬態(tài)進(jìn)行滲流及應(yīng)力應(yīng)變的非飽和數(shù)值計(jì)算。

根據(jù)趙子坪滑坡的基本結(jié)構(gòu)特征和變形破壞特征，選取滑坡的工程地質(zhì)剖面圖3-3′為典型剖面，對(duì)滑坡進(jìn)行水庫(kù)蓄水作用下的滲流場(chǎng)模擬。

苗尾水電站設(shè)計(jì)最高水位為1 408 m，在一期蓄水至庫(kù)水位達(dá)到1 364 m高度時(shí)，滑坡開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂變形，選取庫(kù)水位從1 364 m上升到1 408 m為計(jì)算工況，分析庫(kù)水位上升過(guò)程中滑坡體內(nèi)孔隙水壓力的變化情況。計(jì)算中所采用的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滑坡變形破壞程度結(jié)合其它工程經(jīng)驗(yàn)反演得到，具體取值如表1所示。

表1 趙子坪滑坡計(jì)算參數(shù)取值表Table 1 Calculation parameters for Zhao Ziping landslide

滑坡體土-水特征曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

圖10 滑坡體土-水特征曲線(xiàn)Fig.10 Hydraulic curves of rock and soild of the landslide

根據(jù)上述工況，滑坡在庫(kù)水位從1 364 m上升到1 408 m的過(guò)程中，浸潤(rùn)線(xiàn)變化和某些時(shí)刻孔隙水壓力等值線(xiàn)見(jiàn)圖11。分析可知，在二期蓄水開(kāi)始之前，坡體后緣水頭略高于坡體前緣，地下水流速矢量指向坡外。隨著庫(kù)水位的升高，浸潤(rùn)線(xiàn)也緩慢抬升，在蓄水初期，由于庫(kù)水位上升較快，滑坡后緣水頭抬升比前緣水頭抬升慢，浸潤(rùn)線(xiàn)從滑坡前緣坡表到后緣向下傾斜，地下水流速矢量方向指向坡內(nèi)。在庫(kù)水位上升至1 394 m時(shí)，滑坡后緣水頭與前緣坡表水頭基本達(dá)到相同高度，浸潤(rùn)線(xiàn)基本呈水平，與庫(kù)水位高度基本持平。在庫(kù)水位達(dá)到1 408 m以后，水體入滲達(dá)到平衡，坡體后緣的水頭略高于坡表，地下水流速矢量指向坡外。由此可知，在庫(kù)水位升高過(guò)程中，浸潤(rùn)線(xiàn)的抬升滯后于庫(kù)水位的抬升。

在滑坡體涉水部位沿著基覆界面設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖3)，監(jiān)測(cè)庫(kù)水位上升過(guò)程中孔隙水壓力以及坡體內(nèi)有效應(yīng)力變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖12。由圖12(a)可知，在庫(kù)水位上升的過(guò)程中，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)為隨著庫(kù)水位的升高孔隙水壓力增大，而有效應(yīng)力減小；由圖12(b)可知，在庫(kù)水位升高的初始階段，由于滲透力的作用，孔隙水壓力大幅度上升，而隨著滲透力的消散，孔隙水壓力又逐漸降低，最后小幅度回升后趨于穩(wěn)定。

圖11 庫(kù)水位上升過(guò)程中孔隙水壓力圖Fig.11 Pore water pressure before and after the rise of the reservoir water level

圖12 力的監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.12 Curves of stress monitoring

將滲流場(chǎng)的水力作用加到應(yīng)力場(chǎng)的分析中，得到滑坡在二期蓄水過(guò)程中塑性區(qū)的變化(圖13)以及蓄水完成后滑坡的最大剪應(yīng)變特征(圖14)。

圖13 趙子坪滑坡蓄水過(guò)程中塑性區(qū)變化圖Fig.13 Plastic zone change during the Zhaoziping landslide storage process

圖14 趙子坪滑坡最大剪應(yīng)變特征Fig.14 Characteristics of the maximum shear strain of the Zhaoziping landslide

由趙子坪滑坡在蓄水過(guò)程中塑性區(qū)的變化可知，在庫(kù)水位從1 364 m上升到1 408 m的過(guò)程中，隨著浸潤(rùn)線(xiàn)不斷升高，滑坡塑性區(qū)范圍也從滑坡體前緣開(kāi)始從下往上擴(kuò)張，最終塑性區(qū)擴(kuò)張到 1 408 m水位線(xiàn)以上約40 m。根據(jù)在蓄水完成后滑坡的最大剪應(yīng)變特征云圖，在坡體前緣浸潤(rùn)線(xiàn)以下滑帶附近剪應(yīng)變較大，滑坡剪出口處剪應(yīng)變最大且集中。由此可知，滑坡穩(wěn)定性受庫(kù)水位升高影響較大，在庫(kù)水位升高后，滑坡堆積體自下而上發(fā)生不同程度的塑性破壞，滑坡體易沿著基覆界面滑動(dòng)并從前緣剪出口滑出。

數(shù)值模擬結(jié)果與滑坡變形特征及成因機(jī)制分析的結(jié)果一致，即隨庫(kù)水位升高滑坡穩(wěn)定性降低。

5 結(jié)論

(1)趙子坪滑坡為反傾層狀板巖發(fā)生傾倒變形破壞形成的堆積體發(fā)生失穩(wěn)而形成的滑坡，其地表宏觀變形跡象顯著，穩(wěn)定性較差。持續(xù)近7個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，滑坡變形持續(xù)不止，且變形受庫(kù)水位的升高影響較大。

(2)趙子坪滑坡的地質(zhì)因素對(duì)滑坡的變形和發(fā)展起控制作用，而水庫(kù)蓄水過(guò)程中庫(kù)水位的升高激勵(lì)了滑坡的進(jìn)一步變形。在蓄水過(guò)程中，庫(kù)水位升高會(huì)對(duì)滑坡體產(chǎn)生動(dòng)水壓力和孔隙水壓力，且涉水部位滑體為滑坡的阻滑段，涉水后由于其孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力減小，從而阻滑力減小，滑坡更易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(3)基于非飽和土力學(xué)理論并與有限元法結(jié)合的滑坡非飽和數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，水庫(kù)在蓄水過(guò)程中浸潤(rùn)線(xiàn)隨水位升高而升高且滯后于庫(kù)水位的上升，坡體內(nèi)孔隙水壓力增大而有效應(yīng)力減小。在水位上升過(guò)程中，滑坡體塑性區(qū)范圍向上擴(kuò)張，在滑坡剪出口處剪應(yīng)變最大且集中。數(shù)值模擬結(jié)果與滑坡變形特征及成因機(jī)制分析結(jié)果一致。