鄧燕紅

(湖北鄂西地質(zhì)工程勘察院,湖北 宜昌 443002)

人類工程活動(dòng)引起的滑坡地質(zhì)災(zāi)害日益增多,滑坡防治成為工程研究的熱點(diǎn)之一[1]。在滑坡工程治理中,排水措施經(jīng)濟(jì)且便捷,實(shí)時(shí)排出坡體內(nèi)地下水可減少降雨誘發(fā)型滑坡災(zāi)害的發(fā)生[2-3]。許歡等[4]討論了水平排水孔的淤堵位置與滲流路徑有關(guān),小仰角是造成水平排水孔淤堵的重要原因。王騰飛等[5]認(rèn)為滑帶粉質(zhì)粘土由飽和到非飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力增大可提高粘聚力,使土體抗剪強(qiáng)度不斷增大。吳岱諠等[6]認(rèn)為滑坡粘聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而線性減小。李會(huì)中等[7]研究表明基于烏東德水電站工程施工與運(yùn)行安全考慮,建議對(duì)金坪子滑坡Ⅱ區(qū)蠕滑體采用系統(tǒng)排水的工程防治措施。

金坪子滑坡位于金沙江烏東德壩址下游2.5 km處的金沙江右岸,滑坡的穩(wěn)定與否直接制約烏東德水電站壩址的規(guī)劃選址,為此,對(duì)該滑坡進(jìn)行了深入的穩(wěn)定性研究及一定程度的工程治理,滑坡排水工程就是主要治理手段之一。本文在分析金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地質(zhì)及變形監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)力學(xué)模型,應(yīng)用MIDAS-GTS及Geo-Slope軟件,模擬流固耦合作用下滑坡體變形特征,對(duì)比實(shí)施排水工程前后的滑坡穩(wěn)定性,對(duì)排水治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文研究成果可為類似滑坡工程治理提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

金坪子滑坡縱向上分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)兩部分,多年來(lái)Ⅰ區(qū)未見(jiàn)明顯變形,穩(wěn)定性較好；Ⅱ區(qū)近年變形明顯,穩(wěn)定性較差,對(duì)烏東德壩址威脅較大。

滑坡Ⅱ區(qū)是金沙江烏東德壩址金坪子滑坡最下游的一個(gè)分區(qū),距離烏東德壩址約2.5 km,整個(gè)滑坡體在平面形態(tài)上呈“花瓶”狀,坡體前緣瓶口處為滑坡剪出口,高程約880 m,坡體后緣界限相鄰于Ⅰ區(qū)前緣,分布高程約1 480 m,寬度約450 m；其主滑方向126°,原始地形坡度約30°,滑坡前緣緊鄰金沙江右岸,剪出口位于前緣基巖出露陡坎處?；岔樒孪騼A角約23°；滑帶厚約2～5 m,滑帶內(nèi)微層理清晰,擦痕現(xiàn)象明顯,運(yùn)動(dòng)擦痕方向與滑坡體主滑方向基本一致；滑體平均厚度約60～80 m,體積約2 700×104m3。金坪子滑坡Ⅱ區(qū)典型剖面如圖1所示。

圖1 金坪子滑坡Ⅱ區(qū)典型剖面圖Fig.1 Typical section of Jinpingzi landslide area Ⅱ

1.2 物質(zhì)組成

金坪子滑坡Ⅱ區(qū)滑體主要由第四系崩坡積和殘坡積物堆積而成,根據(jù)滑體物質(zhì)體積含量判斷該滑坡為大型堆積體滑坡?；w按物質(zhì)組成由上至下可分為三層：第一層為白云巖塊石碎石土層,結(jié)構(gòu)松散,厚度約10～15 m,其中碎石含量約40%～50%,塊石含量20%～30%,碎石粒徑5～7 cm,塊石直徑10～20 cm,碎塊石之間充填粘土,該層物質(zhì)孔隙較大,滲透性強(qiáng)；第二層為碎石碎屑夾土層,碎石碎屑組成成分主要為千枚巖,含少量白云巖,整體結(jié)構(gòu)較松散,厚約20～40 m,碎石含量約10%～30%,粒徑一般為2～3 cm,磨圓較差,呈棱角狀；第三層為似層狀碎石層,碎屑巖成分為千枚巖,厚度約10 m,碎屑間微層理清晰,揉皺較發(fā)育,局部區(qū)域可見(jiàn)明顯的擠壓現(xiàn)狀,整體結(jié)構(gòu)較緊密。

滑帶物質(zhì)為土夾碎石碎屑,土為灰黑色、紫紅色粘土,粘性較大,呈可塑狀,碎石碎屑成分為千枚巖等,厚度約2～5 m左右,碎石碎屑研磨作用明顯,具有一定程度磨圓現(xiàn)象,呈次圓—渾圓狀,結(jié)構(gòu)密實(shí),滑帶內(nèi)微層理清晰,擦痕現(xiàn)象明顯。據(jù)勘察報(bào)告顯示,滑帶土的顆粒級(jí)配良好,其塑限指標(biāo)為27%、液限指標(biāo)為13.4%。

滑床基巖由兩部分組成,以黃海高程1 200 m為界限,其上為會(huì)理群黑山組(Pt2hs)千枚巖,巖性軟弱較破碎；界限以下為會(huì)理群落雪組(Pt2l)灰?guī)r、大理巖,巖性呈堅(jiān)硬完整狀；坡體整體地層產(chǎn)狀傾向坡內(nèi),屬于逆向坡。

2 變形特征及治理方案

2.1 變形特征

據(jù)監(jiān)測(cè)資料,金坪子滑坡Ⅱ區(qū)水平合位移累積曲線如圖2所示,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置投影點(diǎn)見(jiàn)圖1。

圖2 水平合位移累積圖Fig.2 Cumulative horizontal displacement diagram

滑坡變形特征：以前緣變形最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP11為代表,截至2016年12月其最大累積水平位移為3 553 mm,平均位移每天可達(dá)0.9 mm及以上；滑坡體中部以監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP08變形為例,其最大累積水平位移達(dá)3 069 mm,平均位移每天達(dá)0.76 mm；坡體后緣變形其水平合位移僅為200～700 mm,平均位移每天僅約0.2 mm。分析可知,以TP11為例的一系列產(chǎn)生位移較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)多集中于坡體前緣,坡體中部變形次之,后緣變形最小?；挛灰扑俾逝c區(qū)域降雨相關(guān)性分析如圖3所示。

圖3 滑坡位移與降雨相關(guān)性分析圖Fig.3 Correlation analysis of landslide displacement and rainfall

滑坡變形與區(qū)域降雨響應(yīng)關(guān)系：受地區(qū)強(qiáng)降雨影響,坡體持續(xù)出現(xiàn)變形,且變形速率與降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系，降雨量越大,變形速率越大。由于滑坡的變形受區(qū)域降雨影響顯著,滑坡工程治理主要集中于解決降雨入滲對(duì)滑坡體穩(wěn)定性影響的問(wèn)題。

2.2 治理方案

金坪子滑坡滑體物質(zhì)較厚且破壞模式為典型的松脫式,坡體前緣具有良好的臨空面,分析認(rèn)為水是本滑坡發(fā)生破壞的主要誘因,因此最適宜采取排水措施進(jìn)行工程治理。實(shí)踐表明,滑坡采用排水治理方案不僅施工操作方便、經(jīng)濟(jì)合理,而且治理效果非常顯著[2]。

治理方案：在Ⅱ區(qū)坡體上規(guī)劃布置6條截排水洞進(jìn)行地下排水,分別布設(shè)于坡體前緣、中部、后緣,如圖4所示；在Ⅱ區(qū)坡體后緣設(shè)置截水溝進(jìn)行地表排水,以截?cái)啖駞^(qū)坡體的補(bǔ)給；在Ⅱ區(qū)坡體上設(shè)置排水溝進(jìn)行地表排水,排水溝分布高程分別為1 290 m、1 230 m、1 165 m、1 050 m、1 000 m。

圖4 金坪子滑坡Ⅱ區(qū)治理平面及剖面圖Fig.4 Plane and section map of treatment of Jinpingzi landslide area Ⅱ

本文采用有限元分析方法對(duì)治理前后滑坡的孔隙水壓力變化特征及穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)滑坡治理效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3 排水前后滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 基本原理

本文數(shù)值模擬充分考慮滑坡體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用,具體理論基礎(chǔ)如下：

3.1.1滲流場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響機(jī)理

滲透體積力f與滲流場(chǎng)緊密聯(lián)系,其與滲透壓力P共同表示水荷載，可反映滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的關(guān)系,不同滲流場(chǎng)產(chǎn)生各異的水荷載,由于滲流場(chǎng)改變的同時(shí),水荷載對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生不同效應(yīng),因此滲流場(chǎng)影響應(yīng)力場(chǎng)是通過(guò)水荷載引起的[8]。

在滲流場(chǎng)中滲透體積力f為：

(1)

應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模型：

(2)

式中：Ω為滲流區(qū)域；σij為應(yīng)力場(chǎng)；fi(H)為體積力,構(gòu)成水頭分布函數(shù)；εij為應(yīng)變場(chǎng)；ui為位移場(chǎng)；λ、G為彈性常數(shù)；nj為Sσ法線方向余弦；Su為位移邊界。

滲流場(chǎng)數(shù)值模型：由質(zhì)量守恒定理可知,滲流場(chǎng)中單位水的增減率等于單位流量的增減率[9]。通過(guò)微分單元體推演,有如下方程:

(3)

式中：Ss為單位儲(chǔ)存量。

根據(jù)達(dá)西定律,可得如下方程：

(4)

式中：h為水頭函數(shù)；k為滲透系數(shù),構(gòu)成應(yīng)力場(chǎng)的函數(shù)；Ω為滲流區(qū)域；Γ1為水頭邊界,h1為水頭分布；Γ2為流量邊界；q為流量分布；Γ3為滲流自由邊界。

3.1.2應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相互作用機(jī)理

土壤的孔隙率n與土壤的滲透系數(shù)k成正比,具體關(guān)系為：

k=k(n)

(6)

根據(jù)體積應(yīng)變?chǔ)舦受應(yīng)力場(chǎng)σij控制,因此土體的滲透率k最終可以表示為應(yīng)力場(chǎng)σij的函數(shù),即：

k=k(σij)

(7)

應(yīng)力場(chǎng)通過(guò)影響土體的體積應(yīng)變?chǔ)舦和孔隙率n來(lái)影響土體滲透率,進(jìn)而影響滲流場(chǎng)。

綜上,滲透系數(shù)不僅是個(gè)常數(shù),其值與應(yīng)力場(chǎng)一一對(duì)應(yīng),且隨應(yīng)力場(chǎng)變化而發(fā)生改變,坡體外部產(chǎn)生的水荷載隨滲流場(chǎng)變化,也不再是一個(gè)常數(shù)[10]；有限元流固耦合分析不同于單獨(dú)分析應(yīng)力場(chǎng)或滲流場(chǎng),其應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)相互作用且相互影響,更加貼合工程實(shí)際。

3.2 計(jì)算方法及模型

本文通過(guò)MIDAS-GTS軟件建立金坪子滑坡Ⅱ區(qū)計(jì)算模型(如圖5),并設(shè)置地層、邊界及荷載條件,定量分析排水前后坡體的滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性區(qū)的變化特征。計(jì)算模型長(zhǎng)約2 733 m,高約1 423 m。采用三角形加四邊形及不同單元梯度劃分網(wǎng)格,以提高計(jì)算精度,且避免網(wǎng)格單元變化幅度急劇增大。整個(gè)模型剖面共劃分3 938個(gè)單元,8 756個(gè)節(jié)點(diǎn),并設(shè)A、B、C三個(gè)觀察點(diǎn)。

mine periphery in Huaiyuan county of Anhui province JING Hai-xia HUANG Jiang-hua SHI Yun-long et al.(70)

圖5 計(jì)算模型Fig.5 Computational model

邊界及荷載條件：左右位移邊界均采用X軸單向約束,底部邊界進(jìn)行X及Y軸位移約束,邊坡體表面為無(wú)約束狀態(tài)；不僅考慮坡體自重與降雨荷載,而且坡體表面為降雨入滲邊界；依據(jù)鉆探及實(shí)地考察情況,將滑坡前緣出露地下泉水排泄點(diǎn)作為左水位邊界條件,鉆孔揭露水位作為右水位邊界條件。

3.3 計(jì)算參數(shù)及工況

依據(jù)工程地質(zhì)勘查資料、室內(nèi)試驗(yàn)、收集的數(shù)據(jù)[11],金坪子滑坡Ⅱ區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 滑坡體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of landslide mass

據(jù)區(qū)域降雨資料顯示,降雨主要集中于5—10月,且日降雨量為20 mm/d,暴雨時(shí)日降雨量為50 mm/d,10年一遇集中暴雨日降雨量為100 mm/d。因此,本文設(shè)計(jì)4種工況(如表2),分別研究該滑坡在天然工況、降雨強(qiáng)度為100 mm/d(最危險(xiǎn)工況)條件下的變形特征,以對(duì)排水前后滑坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 計(jì)算工況表Table 2 Calculation conditions

3.4 排水前后數(shù)值模擬結(jié)果

3.4.1滲流場(chǎng)

由圖6可知,對(duì)比分析排水治理前后,坡體內(nèi)最大孔隙水壓力在天然及降雨工況下均發(fā)生顯著變化,如表3所示。

表3 排水治理前后最大孔隙壓力(kPa)Table 3 Maximum pore pressure before and after treatment

排水治理后：在天然工況下,前緣最大正孔隙壓力降低51.36%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升39.36%；在降雨工況下,前緣最大正孔隙壓力降低24.98%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升63.06%。由此表明,排水措施對(duì)滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化具有顯著影響,使得坡體內(nèi)飽水區(qū)域減小,從而提高坡體整體的穩(wěn)定性,充分體現(xiàn)出排水治理的工程效果。

3.4.2應(yīng)力場(chǎng)

由圖7可知,最大主應(yīng)力變化特征：治理后,天然狀態(tài)下坡體為壓應(yīng)力狀態(tài),且坡面—坡內(nèi)壓力值逐漸增大,坡體底部最大壓力值達(dá)8 665 kPa,坡面表部最小壓力值為91.83 kPa。兩天暴雨(100 mm/d)后,坡體內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變,坡體后緣C點(diǎn)壓應(yīng)力由820.48 kPa降至518.94 kPa。由于地下水的作用,以及降雨的入滲沖刷,使巖土體部分區(qū)域由非飽和狀態(tài)變成飽和狀態(tài),滑坡體前緣變化最大,由最初的壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。

圖7 最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud chart of maximum principal stress

圖8 最小主應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud chart of minimum principal stress

3.4.3位移場(chǎng)

由圖9可知,治理后,經(jīng)兩天暴雨(100 mm/d),坡體前緣位移較小,最大位移量為6.9 mm,變形速率為3.45 mm/d,且坡體中部、后部均未出現(xiàn)位移。治理后的坡體隨降雨時(shí)間增加,前緣是坡面徑流、坡內(nèi)入滲雨水的排泄點(diǎn),因此前緣的地下水位上升較快,導(dǎo)致前緣快速飽和,基質(zhì)吸力減小,從而滑坡體前緣出現(xiàn)了較小的位移,這與位移監(jiān)測(cè)(圖2)2016年5月后的變形趨勢(shì)基本一致。而未治理時(shí),變形量達(dá)到21 mm,變形速率達(dá)10.5 mm/d,是治理后合位移量的3倍,說(shuō)明排水措施對(duì)坡體變形的有效抑制作用。

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement nephogram

3.4.4塑性區(qū)

由圖10可知，治理后,經(jīng)兩天暴雨(100 mm/d),僅坡體前緣出現(xiàn)較小塑性變形,且處于滑帶上,這是由于滑帶物質(zhì)成分為千枚巖碎屑土及粘土,其礦物成分含有大量親水性較好的伊利石所致。隨著降雨持續(xù),地下水上升,前緣飽和區(qū)域擴(kuò)大,前緣滑帶巖土體基質(zhì)吸力減小,抗剪強(qiáng)度降低,使得前緣出現(xiàn)潛在破壞面。

圖10 塑性區(qū)云圖Fig.10 Cloud of plastic zone

治理后,塑性區(qū)顯著減小,塑性區(qū)僅現(xiàn)于坡體前緣滑帶處。未治理時(shí),滑坡體的塑性區(qū)逐漸沿著滑帶向坡體后緣延伸,暴雨后塑性區(qū)在滑帶處出現(xiàn)貫穿跡象。說(shuō)明排水措施有效提高了巖土體間的粘聚力,增大了滑坡體的阻滑力,進(jìn)而改善了滑坡體的穩(wěn)定性。

3.5 排水前后數(shù)值模擬綜合評(píng)價(jià)

據(jù)上述數(shù)值分析可知，治理后坡體內(nèi)地下水位大幅下降,前緣應(yīng)力場(chǎng)由最初的壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力,位移及塑性區(qū)變化也集中于滑坡前緣部位,且在治理后均表現(xiàn)出顯著的良性變化特征。

因此,在排水治理后,滑坡地表沖刷作用減弱,坡體內(nèi)地下水位大幅降低,飽和區(qū)域及動(dòng)靜水壓力減小,巖土體顆粒間粘聚力增加,坡體穩(wěn)定性顯著提高；即使遭遇十年一遇暴雨,前緣可能出現(xiàn)局部小變形及坡面碎屑流,其出現(xiàn)整體性變形破壞的可能性較小。

4 基于極限平衡分析的滑坡排水效果評(píng)價(jià)

分析金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地表變形及地質(zhì)地貌特征,將坡體劃分為：前緣破壞、中下部滑移及整體破壞模式三種可能變形破壞方式(見(jiàn)圖11)。

圖11 滑坡體可能滑動(dòng)模式圖Fig.11 Possible sliding mode of landslide mass

本文應(yīng)用Geo-Slope軟件對(duì)治理前后的金坪子滑坡Ⅱ區(qū)各分區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行極限平衡分析,其計(jì)算工況及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，治理后,對(duì)于滑坡體前緣、中部、整體破壞三種失穩(wěn)模式,天然狀態(tài)下安全系數(shù)平均提升10%以上,降雨?duì)顟B(tài)下安全系數(shù)平均提升35%以上,說(shuō)明滑坡體各分區(qū)穩(wěn)定性得到有效改善。

表4 治理前后各工況下邊坡穩(wěn)定性Table 4 Slope stability before and after treatment

5 結(jié)論

(1) 滑坡變形破壞模式屬典型松脫式,變形多集中于前緣,中部次之,后緣最小,且變形速率與降雨量呈線性正相關(guān),最適宜采取排水措施進(jìn)行工程治理。

(2) 排水治理后，在天然工況下,前緣最大正孔隙壓力降低51.36%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升39.36%；在降雨工況下,前緣最大正孔隙壓力降低24.98%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升63.06%,排水措施較大程度上改善了坡體內(nèi)的孔隙水壓力特征。

(3) 極限平衡分析表明：治理后,對(duì)于滑坡體前緣、中部、整體破壞三種失穩(wěn)模式,天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)平均提升10%以上,降雨?duì)顟B(tài)下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)平均提升35%以上,驗(yàn)證了滑坡排水治理的顯著成效。

(4) 本文僅應(yīng)用數(shù)值分析方法探討排水治理措施對(duì)滑坡體的影響,如下一步能充分收集滑坡排水治理后的相應(yīng)地下水位資料,對(duì)本文研究成果進(jìn)行驗(yàn)證,將有益于本文研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用。