周 劍，鄧茂林，李卓駿，張富靈

(1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

中國是一個滑坡災(zāi)害最頻繁的國家之一，70%以上大型滑坡的發(fā)生與人類活動密切相關(guān)[1]。三峽庫區(qū)自2003年蓄水以來，庫水位在145 ～175 m之間的大幅度及周期性調(diào)度改變了庫區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致水庫滑坡逐漸成為三峽庫區(qū)最重大的地質(zhì)災(zāi)害之一。2003年7月，三峽庫區(qū)沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)的千將坪滑坡在蓄水后1個月整體失穩(wěn)滑入江中，造成巨大損失[2]。三峽庫區(qū)的大多數(shù)滑坡均為復(fù)活型老滑坡?；诨聫?fù)活機理，肖詩榮等[3]將其劃分為庫水浮托型滑坡、動水壓力型滑坡以及庫水浸泡軟化型滑坡，不同類型滑坡對庫水升降有著不同的響應(yīng)規(guī)律。李松林等[4]提出庫區(qū)老滑坡存在的4類典型滑面形態(tài)，并通過統(tǒng)計分析不同滑面形態(tài)老滑坡對庫水升降的變形響應(yīng)時間規(guī)律及涉水成因規(guī)律。據(jù)調(diào)查Rasevelt湖附近地區(qū)1941—1953年發(fā)生的一些滑坡中有49%在1941— 1942年的蓄水初期發(fā)生，30%發(fā)生于水位驟降10 ～20 m的時期，其余為發(fā)生在其他時間的小型滑坡[5]。

庫水位的升降對滑坡的穩(wěn)定性影響已有大量的研究[6-14]，而浮托減重型滑坡對庫水位升降的響應(yīng)研究較少，有待深入分析。本文以大型巖質(zhì)浮托減重型古滑坡木魚包滑坡為例，基于遠程GPS全自動變形監(jiān)測系統(tǒng)獲取的滑坡監(jiān)測資料，結(jié)合分析多次的野外考察、歷年專業(yè)監(jiān)測和庫水位等資料，運用Geo-studio模擬庫水位以不同速率在145 ～ 175 m間升降下對滑坡穩(wěn)定性的影響，以探究浮托減重型滑坡對不同速率庫水漲落的響應(yīng)規(guī)律。

1 木魚包滑坡概況

三峽庫區(qū)的木魚包滑坡為一大型巖質(zhì)古滑坡，位于長江右岸，處于一順向斜坡之上，距三峽大壩壩址56 km?；聟^(qū)位于巴東復(fù)向斜和秭歸向斜交匯處，滑坡部位屬于單斜構(gòu)造，巖層傾角為27°，傾向25°。主滑方向為20°，傾向長江。滑坡前緣高程120 m，后緣高程425 m，面積1.8×106m2，平均厚度50 m，體積約9×107m3。西以鵝卵石溝為界，東以大樂溝為界，東側(cè)大樂溝大體近南北向延伸，西側(cè)邊界基本沿鵝卵石溝延伸，后緣滑壁平直光滑，長約數(shù)百米。地貌上為圈椅狀凹槽地形，中下部為平緩滑坡，上部為圈椅狀較陡滑坡。圖1為木魚包滑坡全貌。

圖1 木魚包滑坡全貌圖Fig.1 Overall picture of the Muyubao landslide

滑體主要由表層為松散堆積層以及下層為擾動破壞的層狀石英砂巖巖體組成[15]?；w中、后部為順層滑動，滑帶由軟弱的煤系地層構(gòu)成，滑體前部滑帶為黑色輕粉質(zhì)壤土夾少量塊碎石?；仓饕上阆M(J1x)中、下級地層組成，順層滑動部分滑床以香溪組炭質(zhì)粉砂巖為主，切層部分由層狀石英砂巖、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°，滑床前段變緩，前緣地層甚至反傾。

木魚包滑坡是一個典型的巖質(zhì)古滑坡，滑坡原處于中傾外層狀斜坡體之上，前緣沒有臨空面。在滑坡的演化過程中，由于長期的重力作用及庫水長期對軟弱面的浸泡軟化，坡體沿軟弱面順層向下蠕滑變形，造成坡體的中前部巖層彎曲隆起。坡體沿彎曲部位的潛在滑面貫通，積聚的能量突然釋放，坡體潰決并產(chǎn)生高速滑動；滑入江中的滑體又被長江切割、侵蝕，形成了木魚包滑坡這種前部巖體隆起并彎曲內(nèi)傾、中后部順層滑動的坡體結(jié)構(gòu)。

經(jīng)歷了一系列的演化過程，滑坡前部形成滑坡體阻滑段，下層層狀石英砂巖巖體受擾動破壞，貫通性裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)大。三峽庫水淹沒前緣時，庫水極易向坡體內(nèi)補給，使阻滑段飽和，而滑坡體阻滑段巖體因浮力而減重，加上長期的庫水對前部滑帶的浸泡軟化效應(yīng)，大大降低了滑帶的力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致滑坡體沿滑動面產(chǎn)生滑動變形。

2 現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

2.1 宏觀變形

自2006年實施專業(yè)監(jiān)測以來，木魚包滑坡一直處于蠕滑狀態(tài)，多次出現(xiàn)變形跡象，滑坡持續(xù)變形導(dǎo)致西側(cè)邊界與沙黃公路交匯處公路護坡?lián)鯄﹂_裂變形。滑坡右側(cè)后緣分布有多條拉裂縫，其中一條裂縫較為新鮮，寬0.4～0.8 m，長約50 m，與兩側(cè)的沖溝聯(lián)通，形成木魚包滑坡右側(cè)的貫通性后緣裂縫(圖2)。

圖2 木魚包滑坡右側(cè)中后部及后緣裂縫展布情況Fig.2 Distribution of cracks on the right side of the Muyubao landslide

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

木魚包滑坡坡體上共布設(shè)12個GPS監(jiān)測點，構(gòu)成3縱4橫的監(jiān)測剖面線(ZG291—ZG302)。同時在西邊穩(wěn)定基巖處布設(shè)1個GPS基準點，另1個GPS監(jiān)測基準點與譚家河滑坡監(jiān)測共享；2016年在滑坡體中間的監(jiān)測剖面線上布置了ZGX295、ZGX296、ZGX297、ZGX298等4個全自動地表位移監(jiān)測儀，從2016年4月開始運行并獲取數(shù)據(jù)。各監(jiān)測點位布置詳見圖3。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 滑體總體變形特征

三峽庫區(qū)滑坡的專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)是分析滑坡誘因及滑坡變形特征最有用也是最直接的手段及途徑。苑誼等[15]通過對樹坪滑坡的監(jiān)測資料，結(jié)合庫水降雨等資料，分析了滑坡的變形特征并找出滑坡誘發(fā)因素。木魚包滑坡自2006年實施專業(yè)監(jiān)測以來，12個GPS監(jiān)測點數(shù)值均存在不同程度的持續(xù)位移。圖4是各監(jiān)測點累計位移變化情況，2006年10月—2018年1月，ZG291—ZG302等12個GPS監(jiān)測點持續(xù)發(fā)生位移，累計位移量在1 339.97 ～ 2 358.93 mm間，變形方向11°～ 45°，總體滑移方向指向長江。

圖3 工程地質(zhì)平、剖面圖及監(jiān)測布置Fig.3 Engineering geological map and profile and the monitoring layout(a)工程地質(zhì)平面圖及監(jiān)測布置；(b)Ⅱ—Ⅱ′工程地質(zhì)剖面圖及監(jiān)測布置

圖4 監(jiān)測點累計位移-庫水位-降雨量關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the cumulative displacement of monitoring points, reservoir water level and rainfall

總體上，該滑坡的變形多發(fā)于滑坡邊界，滑坡右后部相對于其他部位變形較大。右后部變形區(qū)監(jiān)測點ZG291的平均位移速率為0.68 mm/d，其他變形區(qū)的平均位移速率為0.3 ～ 0.4 mm/d。每年的10月份左右各個監(jiān)測點的平均位移速率也會有較為顯著的增加，平均位移速率均在1.0 ～ 2.8 mm/d，所以在GPS監(jiān)測點累計位移-降雨量-庫水位-時間曲線圖上可以看出，每年10月份左右會出現(xiàn)“階躍”現(xiàn)象。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可得出，木魚包滑坡一直保持著蠕滑狀態(tài)，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 滑坡變形對庫水位的響應(yīng)規(guī)律

由圖4可知，在滑坡開始監(jiān)測1 a后，2007年5—9月出現(xiàn)了較大的月位移量增加，12個監(jiān)測點月位移量在30.38 ～ 59.30 mm，并且之后的幾年也不同程度地出現(xiàn)了較大的月位移增量；2008年11月的月位移量增加最大，12個監(jiān)測點月位移量基本都在42.60 mm以上，最高的達到63.80 mm。這與庫區(qū)蓄水位抬高有關(guān)，在2006年10月首次156 m蓄水后，坡體前緣淹沒達到21 m；2007年3月份以后，水庫水位逐漸消落，同時滑坡區(qū)進入雨季，降雨量增大；2007年雖然庫水位再次抬升至156 m，且在2008年7—8月降雨量較2007年同期降雨強度增大，但滑坡處于勻速變形階段；2008年10月初次向175 m蓄水的過程中(2008年11月蓄水至172.80 m最高水位)，庫水淹沒前緣達67.80 m。以往監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，滑坡位移變形隨庫水位的抬升而變小，但此時卻出現(xiàn)了加速變形。分析認為：庫水位上漲，庫水淹沒滑坡體前緣更多時，由于滑體為裂隙巖體，滲透系數(shù)大，庫水容易向滑坡體內(nèi)補給使之飽和，導(dǎo)致滑坡體前部阻滑段巖體因浮力而減重，減小滑體的抗滑力；同時滑坡巖土體遇水軟化，力學(xué)強度降低，特別是滑帶土體軟化，致使滑坡變形更為顯著，也說明了在庫水位上升到一定高度后，庫水位繼續(xù)上升會導(dǎo)致滑坡變形更加明顯。

利用2015—2017年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對每個監(jiān)測點的月位移量與庫水位的變化情況進行分析(圖5)。雖然每個監(jiān)測點的月位移量變化不一致，但有多個監(jiān)測點的變化在某些時間段內(nèi)能達到較高的同步性。由圖5a、e處可知，在2015年8月中旬和2017年8月下旬的年度蓄水階段，庫水位由145 m左右升至175 m，以及圖5中d處2017年6—7月庫水位由145 m蓄水到156 m的階段，大部分監(jiān)測點的月位移量都有蓄水前期減小后期增大的變化，甚至前期月位移量的變化會出現(xiàn)負值，如d處的每個監(jiān)測點的月位移量均為負值，具體為-13.02 ～-4.20 mm。在庫水位由175 m降至145 m的過程中，由圖5的b、c處可以看出，在庫水位下降10 ～15 m時，大部分監(jiān)測點的月位移量都在這段時間達到最大值，之后隨著庫水位的下降，月位移量逐漸減小。隨后進入雨季，由于坡體表層的滲透性較差,降雨形成上層滯水，或入滲淺層，增加坡體的荷載和動水壓力，導(dǎo)致月位移量增加。由此說明庫水位在145～175 m間升降過程中，坡體的變形對庫水位的升降有著一定的響應(yīng)規(guī)律。

圖5 監(jiān)測點月位移量-庫水位關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the monthly displacement of monitoring points and reservoir water level

4 基于Geo-studio的數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)

木魚包滑坡為典型浮托減重型，所以庫水位的高度是其關(guān)鍵影響因素，而庫水位對其作用不僅僅只是一個浮托作用，庫水位升降的速率也是影響該滑坡的潛在因素。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，坡體的變形對庫水位的升降有著一定的響應(yīng)規(guī)律，為了深入探究該響應(yīng)規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬方法，分析庫水在145～175 m間以不同速率升降對滑坡變形的具體影響。根據(jù)木魚包滑坡的地質(zhì)勘察資料，以木魚包滑坡Ⅱ—Ⅱ′剖面為計算剖面建立二維模型，運用有限元軟件Geo-studio，首先在seep/w程序中做滲流場分析，然后再將滲流場的結(jié)果應(yīng)用到slope/w程序中，采用極限平衡方法中的Morgenstern-Price方法進行穩(wěn)定性計算。木魚包滑坡數(shù)值網(wǎng)格模型如圖6所示，模擬的滑坡區(qū)域分為滑帶、滑床、滑體1及滑體2四部分，模型總共剖分了2 436個節(jié)點、2 360個網(wǎng)格單元。

圖6 木魚包滑坡數(shù)值模型Fig.6 Numerical model of the Muyubao landslide

根據(jù)工程類比，結(jié)合勘測資料及三峽庫區(qū)類似的滑坡數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析，獲得土-水特征曲線，選用Van Genuchten滲透系數(shù)預(yù)測模型估計滲透函數(shù)曲線，確定計算參數(shù)，具體值見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

4.2 滲流計算理論與工況

由于庫水位的變動，滑坡中的滲流場實際為飽和-非飽和滲流場，將達西定律代入質(zhì)量守恒連續(xù)方程，可導(dǎo)出地下水運動的二維飽和-非飽和滲流基本方程：

(1)

式中：H——總水頭/m；

kx、ky——x、y方向上的滲透系數(shù)/(m·d-1)；

Q——流量邊界/(m3·s-1)；

θ——體積含水量；

t——時間/s。

三峽水庫水位每年呈周期性升降變化，自2008年開始，三峽水庫壩前水位在145～175 m之間波動，水庫水位變幅為30 m。依據(jù)2016年庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析出庫水位的下降速率不超過2.0 m/d，上升速率不超過1.5 m/d。故擬定庫水以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6，2.0 m/d的速率由145 m蓄水至175 m，以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6 m/d的速率由175 m降至145 m。

4.3 數(shù)值計算結(jié)果

4.3.1滲流分析

從圖7可以看出，當庫水位以1 m/d速率由145 m上升至175 m時，由于滑體前部為裂隙巖體，滲透系數(shù)較大，滑坡體內(nèi)的地下水浸潤線逐漸向岸坡內(nèi)彎曲，庫水不斷向坡體內(nèi)補給，地下水上升明顯滯后于庫水位變化，30 d之前庫水位還沒達到175 m，坡體內(nèi)外形成的水位差隨著庫水位的上升而增大，當庫水位達到175 m之后，這種水位差也由于庫水位向坡內(nèi)不斷補給而減小。

圖7 庫水位以1 m/d速率升至175 m過程中滲流浸潤線Fig.7 Infiltration line in the process of the reservoir water level rising to 175 m at a rate of 1 m/d

圖8是庫水位以1 m/d的降速由175 m水位降至145 m水位高程的滲流浸潤線，初始地下水位與坡外庫水位持平為175 m，當庫水位開始下降時，地下水浸潤線向坡外彎曲，坡體內(nèi)外形成水位差在庫水降至145 m之前逐漸增大。當30 d后庫水位降至145 m，由于坡體內(nèi)的地下水仍不斷向外排泄，坡體內(nèi)外的水位差逐漸減小。

圖8 庫水位以1 m/d速率降至145 m過程中滲流浸潤線Fig.8 Infiltration line in the process of the reservoir water level falling to 145 m at a rate of 1 m/d

當庫水位由145 m升至175 m或由175 m降至145 m時，坡體內(nèi)外的水位差是由于地下水位與庫水位變化速率不一致造成的。在庫水位升至175 m或降至145 m之前，當庫水位升降速率越大，水位差增加得越快。

4.3.2不同升降速率對滑坡穩(wěn)定性的影響

針對浮托減重型滑坡，坡體內(nèi)地下水位是影響其穩(wěn)定型的關(guān)鍵所在，滑坡阻滑段地下水位越高，受到的浮托效應(yīng)越大，對其穩(wěn)定性影響越大。庫水位以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6，2 m/d的速率由145 m上升至175 m水位，整個過程滑坡的穩(wěn)定系數(shù)先減后增再減，庫水上升速率越大，前期穩(wěn)定系數(shù)減小的時間段越小，隨后穩(wěn)定系數(shù)增加的速率也越快(圖9)。分析認為，庫水位上升時，由于滑坡阻滑段的滲透系數(shù)較大，庫水能迅速向坡體內(nèi)部補給，使阻滑段的地下水位上升，增大阻滑段的浮托效應(yīng)，降低抗滑力，從而減小滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。庫水位繼續(xù)上升時，坡體內(nèi)外的水位差越來越大，造成向坡體內(nèi)的動水壓力越來越大，加之庫水作用與坡體的坡面荷載，反而增加了坡體的抗滑力，從而使得滑坡的穩(wěn)定系數(shù)增大。隨著庫水不斷向阻滑段內(nèi)補給，地下水位升高，浮托效應(yīng)逐漸增大，使得穩(wěn)定系數(shù)減小。庫水上升速率越快，整個變化過程的時間就越短；前期穩(wěn)定系數(shù)減小的時間段越小，隨后穩(wěn)定系數(shù)增加的速率也越快。

圖9 不同庫水位上升速率下滑坡模型穩(wěn)定系數(shù)Fig.9 Variation in stability coefficient of the landslide model under different reservoir water level rising rate

庫水位以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6 m/d的速率由175 m水位降至145 m時，整個過程穩(wěn)定系數(shù)先減后增，呈“V”字形，庫水下降速率越快，穩(wěn)定系數(shù)減小增大的速率也越快，“V”字形看起來越明顯(圖10)。由此可知整個庫水位下降過程中，存在一個最危險水面，并且不同的庫水下降速率對應(yīng)的最危險水面高度不一樣，庫水位以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6 m/d的速率下降時對應(yīng)的最危險水位分別在169.8，67.8，162.6，162，162.2 m左右。分析認為，庫水位下降，由于阻滑段內(nèi)地下水位下降，坡內(nèi)地下水向庫區(qū)排泄，形成向外的動水壓力，再加上庫水位下降后，庫水作用于坡體的坡面荷載減小，導(dǎo)致抗滑力減小，下滑力增大，整個穩(wěn)定性系數(shù)減小。庫水位繼續(xù)降低時，由于阻滑段內(nèi)的地下水不斷向坡外排泄，浮托效應(yīng)變小，直接加強了阻滑段的抗滑作用，當庫水位達到145 m水位后，向坡外的動水壓力也減小，滑坡的抗滑力增大，下滑力減小，整個穩(wěn)定系數(shù)也慢慢增大。

圖10 不同庫水位下降速率下滑坡模型穩(wěn)定系數(shù)Fig.10 Variation in stability coefficient of the landslide model under different reservoir water level falling rates

通過數(shù)值模擬結(jié)果可看出：三峽庫水以不同速率在145～175 m間升降，木魚包滑坡穩(wěn)定系數(shù)均大于1，一直保持蠕滑，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。此外，通過對比庫水升降過程中穩(wěn)定性系數(shù)變化的最高及最低點的拐點速率可以看出，庫水上升時木魚包滑坡穩(wěn)定性響應(yīng)比庫水下降時強烈。

5 結(jié)論

(1)在木魚包滑坡的演變過程中，下層層狀石英砂巖巖體受擾動破壞，裂隙發(fā)育，導(dǎo)致滲透系數(shù)大，滑坡前部的阻滑段容易受到庫水的浮托效應(yīng)。木魚包滑坡一直保持蠕滑狀態(tài)，平均日位移量為0.4 mm/d，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在庫水位從145 m到175 m的上升過程中，木魚包滑坡的穩(wěn)定系數(shù)先減后增再減；庫水上升速率越大，前期穩(wěn)定系數(shù)減小的時間段越小，隨后穩(wěn)定系數(shù)增加的速率也越快。

(3)在庫水位從175 m到145 m的下降過程中，木魚包滑坡的穩(wěn)定系數(shù)先減后增，呈“V”字形，庫水下降速率越快，穩(wěn)定系數(shù)減小或增大的速率也越快，“V”字形越明顯。由此可知整個庫水位下降過程中存在一個最危險水面，不同庫水下降速率對應(yīng)的最危險水面高度不一樣，庫水位以0.4，0.6，0.8，1.0，1.6 m/d的速率下降時對應(yīng)的最危險水位分別在169.8，167.8，162.6 ，162.0，162.2 m左右。

(4)依據(jù)監(jiān)測資料分析并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，在庫水位大幅度及周期性升降的影響下，木魚包滑坡對庫水位上升產(chǎn)生的響應(yīng)比對庫水位下降產(chǎn)生的響應(yīng)更為強烈。