王世梅 潘宇晨 王 力 崔憲東 劉 婷 陳玙珊

(①三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 宜昌 443002， 中國(guó))(②湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 宜昌 443002， 中國(guó))

0 引 言

滑坡是三峽庫(kù)區(qū)最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，自2003年蓄水以來，三峽水庫(kù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的滑坡或潛在滑坡超過5000余處。鑒于水庫(kù)滑坡發(fā)生的嚴(yán)重危害(Belloni et al.，1987)，早在三峽水庫(kù)建庫(kù)之初，已有學(xué)者開始研究水庫(kù)蓄水對(duì)復(fù)活型滑坡的影響(劉禮領(lǐng)等， 2003； 鄭軒等， 2014； 肖捷夫等， 2020)，隨著滑坡復(fù)活機(jī)理及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)等重大問題研究的深入(許強(qiáng)等， 2014； 代貞偉等， 2016； 王世梅等， 2017)，以及大量滑坡災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)及防治工程的實(shí)施(郭子正等， 2020； 許強(qiáng)， 2020)，重大滑坡災(zāi)害已經(jīng)得到了有效預(yù)防和控制。然而，隨著水庫(kù)的長(zhǎng)期運(yùn)行，三峽庫(kù)區(qū)的岸坡塌岸愈發(fā)嚴(yán)重(葉潤(rùn)青等， 2019)，塌岸不僅導(dǎo)致水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化，還會(huì)不斷加劇岸坡破壞甚至是誘發(fā)滑坡復(fù)活。大坪滑坡是三峽庫(kù)區(qū)滑坡專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之一，其前緣右側(cè)塌岸明顯，該側(cè)的GPS地表位移表明其塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了直接影響，因此，十分有必要分析滑坡變形對(duì)前緣塌岸的響應(yīng)。岸坡塌岸會(huì)顯著改變滑坡形態(tài)，同時(shí)使滑坡的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生變化，最終影響到滑坡穩(wěn)定性。然而，水庫(kù)岸坡的塌岸過程極其緩慢，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)塌岸誘發(fā)滑坡的關(guān)注還不夠。相關(guān)研究主要集中于水庫(kù)復(fù)活型滑坡的成災(zāi)機(jī)理及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方面，如庫(kù)水與降雨共同作用下滑坡的土體性能劣化(鄧華鋒等， 2017； 陳勇等， 2019)、水氣運(yùn)移規(guī)律(Sun et al.，2015； Liu et al.，2018)、多相多場(chǎng)耦合(張巖等， 2016; 王世梅等， 2017； 李長(zhǎng)冬等， 2020； Wang et al.，2020)等力學(xué)過程，很少有學(xué)者在滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)考慮塌岸對(duì)滑坡的影響。

在三峽水庫(kù)蓄水之初，有學(xué)者注意到滑坡前緣發(fā)生塌岸后將對(duì)滑坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響(唐輝明， 2003)，初步認(rèn)識(shí)到庫(kù)岸再造對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響效果會(huì)因塌岸部位與滑坡阻滑段之間相對(duì)位置關(guān)系的不同而有顯著差異(張奇華等， 2002)。也有學(xué)者在對(duì)瀾滄江根達(dá)坎巨型滑坡進(jìn)行工程地質(zhì)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，受河流侵蝕的影響，滑坡前緣的侵蝕形態(tài)是漸進(jìn)發(fā)展的，同時(shí)導(dǎo)致滑坡的變形過程也是動(dòng)態(tài)變化的(Tu et al.，2020)。數(shù)值模擬是揭示塌岸對(duì)滑坡變形影響的最有效手段，然而目前很少有人采用合理、有效的數(shù)值方法來確定這種影響，有研究考慮采用塌岸計(jì)算圖解法預(yù)測(cè)滑坡前緣最終塌岸范圍，然后采用極限平衡法(王建鋒等， 2003)或者有限元法(肖長(zhǎng)波等， 2018)來計(jì)算確定不同坡面形態(tài)條件下滑坡穩(wěn)定性，從而確定前緣塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。顯然，這些數(shù)值方法滑坡前緣形態(tài)的變化，沒有考慮塌岸對(duì)滑坡應(yīng)力場(chǎng)的影響。與開挖卸荷誘發(fā)的滑坡復(fù)活機(jī)理相似(張子?xùn)|等， 2018； 黃曉虎等， 2020)，塌岸對(duì)滑坡應(yīng)力狀態(tài)的影響也是不容忽視的。

鑒于上述，本文以三峽庫(kù)區(qū)大坪滑坡為例，從監(jiān)測(cè)資料入手，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)宏觀調(diào)查結(jié)果，自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析前緣塌岸觸發(fā)的大坪滑坡變形特征，探索大坪滑坡前緣塌岸與地表變形之間的響應(yīng)關(guān)系。為進(jìn)一步分析前緣塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，通過大型通用有限元程序ABAQUS的生死單元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大坪滑坡前緣塌岸模擬，進(jìn)而揭示前緣塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果對(duì)前緣侵蝕對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響有重要的價(jià)值。

1 大坪滑坡概況

大坪滑坡位于湖北省巴東縣東壤口鎮(zhèn)綠竹筏村8-9組，位于長(zhǎng)江左岸，距離三峽大壩68.09km(圖1)?；缕矫嫘螒B(tài)為舌形，逆向坡，前緣高程約65m，后緣高程340m?；驴v長(zhǎng)680m，寬350m，平均厚度為10～90m，面積為20.4×104m2，體積約為816×104m3。滑坡后緣為圈椅狀陡坎，高約10m，坡度為40°～50°； 左、右兩側(cè)均為沖溝，左側(cè)邊界外為橫梁子滑坡，上陡下緩，而內(nèi)側(cè)大坪滑坡上緩下陡，地形不連續(xù)； 右側(cè)沖溝溝口發(fā)育塌岸，形成50°～60°陡坡，內(nèi)側(cè)低于外側(cè)，大坪滑坡全貌圖及平面圖見圖2，圖3。

圖1 大坪滑坡地理位置示意

圖2 大坪滑坡全貌圖

圖3 大坪滑坡群工程地質(zhì)平面圖

根據(jù)勘查結(jié)果，大坪滑坡滑體表層物質(zhì)以紫紅色碎石土為主，土石比7︰3～8︰2，厚約10m。紫紅色碎石成分為三疊系中統(tǒng)巴東組二段(T2b2)泥巖、粉砂巖； 根據(jù)鉆孔資料，滑坡滑體后緣較薄，前緣及中間較厚，最大厚度約為80m，平均厚度40m。碎石土下部滑體物質(zhì)為紫紅色、灰色泥巖、泥灰?guī)r碎裂巖體，碎裂巖成分為三疊系中統(tǒng)巴東組一段(T2b1)、二段(T2b2)紫紅色泥巖、粉砂巖，灰色、灰黃色灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖體多呈碎裂狀，部分呈大孤石狀，強(qiáng)風(fēng)化-中等風(fēng)化。鉆孔揭露，碎裂巖體中至少發(fā)育兩層軟弱帶，軟弱帶物質(zhì)為紫紅色含礫粉質(zhì)黏土，其剖面圖見圖4。

圖4 工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)已有鉆孔資料，滑面(帶)土物質(zhì)由紫紅色、灰黃色含礫粉質(zhì)黏土構(gòu)成，硬塑-堅(jiān)硬狀，厚10～150cm，主滑面(帶)埋深50～80m?？v剖面上主滑面(帶)形態(tài)呈上陡下緩的折線形，滑面(帶)上段傾角30°～40°，平均35°，可能沿傾向坡外結(jié)構(gòu)面發(fā)育； 滑面(帶)下段可能受緩傾坡外結(jié)構(gòu)面控制，傾角約10°?；w內(nèi)還發(fā)育至少兩層次級(jí)滑面(帶)，可能沿碎裂巖中軟弱帶發(fā)育。據(jù)鉆孔測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)資料證實(shí)，該滑坡存在兩條次級(jí)滑面(帶)，埋深分別為15～20m， 45～55m。

2 大坪滑坡變形監(jiān)測(cè)分析

2.1 宏觀變形特征

據(jù)前期調(diào)查資料顯示，大坪滑坡為一古滑坡，長(zhǎng)期以來處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地表和滑坡前緣發(fā)生了局部變形現(xiàn)象，具體變形情況如下：

2.1.1 2013年變形

2013年底滑坡后壁下發(fā)育一條裂縫，走向260°，延伸約60m，裂縫寬度約5～10cm。

2.1.2 2014年變形

2014年調(diào)查期間，發(fā)現(xiàn)上述裂縫已趨閉合，寬3～5cm，長(zhǎng)3～5m(圖5a)?；轮胁堪l(fā)育一處小型滑塌，寬5m，高2m，厚1m，估計(jì)總方量為10m3(圖5b)。滑坡前緣發(fā)育3處塌岸： (1)右側(cè)溝口175m水位線以下發(fā)育一處灰黃色泥灰?guī)r、灰?guī)r碎裂巖體塌岸，寬約40m，高約25m，厚約1～3m。右側(cè)邊界外圍175m水位線以下均發(fā)生塌岸，寬度超過150m(圖5c)； (2)靠近左側(cè)邊界的一處塌岸寬30m，高10m，厚1～5m(圖5d)； (3)中部溝口處的塌岸平面上呈正三角形，寬度10～60m，高度為26m，厚度1～5m。

圖5 2014年滑坡變形情況

2.1.3 2020年變形

2020年調(diào)查期間，滑坡前緣右側(cè)塌岸擴(kuò)大： (1)右側(cè)沖溝175m以下出現(xiàn)塌岸，寬15m，高10m，厚2m，估計(jì)方量300m3(圖6a)； (2)右側(cè)前緣175m下出現(xiàn)浪坎型塌岸，寬45m，高15m(圖6b)； (3)160m水位高程下前部碎裂巖體塌岸(圖6c)； (4)中部左側(cè)邊界出現(xiàn)一處崩塌型塌岸，寬45m，高15m，厚1～2m(圖6d)。

圖6 2020年滑坡變形情況

2.2 監(jiān)測(cè)變形特征

大坪滑坡為三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治三期和“后規(guī)”專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)從2007年3月開始，大坪滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隸屬于大坪滑坡群監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖7)。大坪滑坡變形監(jiān)測(cè)中采用了3種監(jiān)測(cè)手段：GPS監(jiān)測(cè)、鉆孔傾斜儀監(jiān)測(cè)和地下水監(jiān)測(cè)(圖8)。各監(jiān)測(cè)布置與運(yùn)行詳細(xì)情況如下：

2.2.1 地下水響應(yīng)

地下水位變動(dòng)產(chǎn)生的滲透力變化是滑坡發(fā)生變形的最主要水動(dòng)力因素，因此開展地下水位監(jiān)測(cè)是十分必要的，大坪滑坡上布置了4個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為SW1、SW2、SW3、SW4，其具體位置見圖7。因SW1儀器故障未采集到的數(shù)據(jù)，將SW2、SW3、SW4監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)地下水位、日降雨量和庫(kù)水位繪圖(圖9)。由圖7可以看出，因SW4位于滑坡前緣，其孔底高程低于三峽水庫(kù)水位，其地下水位主要受三峽水庫(kù)水位控制，而與大氣降雨關(guān)系不密切； SW2和SW3孔底高程高于三峽庫(kù)區(qū)正常蓄水位，三峽水庫(kù)庫(kù)水位調(diào)度對(duì)這兩個(gè)監(jiān)測(cè)孔沒有影響，而SW3與大氣降雨關(guān)系密切， 2019年6月及2020年6月雨季其地下水位發(fā)生明顯變化。

圖7 大坪滑坡群監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

圖8 滑坡中前部專業(yè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDT-9、測(cè)斜孔、水文孔

圖9 大坪滑坡地下水位與降雨、庫(kù)水位的關(guān)系

2.2.2 地表變形對(duì)前緣侵蝕的響應(yīng)

自2014年開始，大坪滑坡的變形逐漸明顯。為了分析庫(kù)水位、降雨對(duì)大坪滑坡變形的影響，將大坪滑坡的人工GPS位移數(shù)據(jù)，月降雨量和水位數(shù)據(jù)繪圖(圖10)，位移變化明顯的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在滑坡西側(cè)，分別為BDT-4、BDT-5、BDT-6，滑坡中部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDT-7、BDT-8、BDT-9位移也有所變化。2015年有小幅增加， 2020年同比2019年有小幅增加。從庫(kù)水位與地表位移的關(guān)系看，自2014年6月后，庫(kù)水位每次下降后，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表累計(jì)位移曲線隨之增大，顯然滑坡地表位移增大與庫(kù)水位的下降關(guān)系密切。相反，每次庫(kù)水位上升后，盡管滑坡位移持續(xù)增大，但是突變?cè)龃筇卣鞑幻黠@。而且從曲線可以看出，由于BDT-9位于滑坡前緣，其位移曲線隨庫(kù)水位的波動(dòng)變化最明顯。從降雨與地表位移關(guān)系來看，滑坡中后緣GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨大氣降雨的增加而增加，且對(duì)BDT-7、BDT-8影響較為明顯。

圖10 大坪滑坡GPS位移與降雨、庫(kù)水位的響應(yīng)關(guān)系

2.2.3 深部位移與傾角變化

大坪滑坡在兩條主剖面線上共布設(shè)有6個(gè)測(cè)斜孔。2017年5月開始全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。滑坡布設(shè)6個(gè)全自動(dòng)深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于滑坡體中部，點(diǎn)號(hào)分別為CX1、CX2、CX3、CX4、CX5、CX6。其中：變形較明顯的CX2深部位移曲線如圖11所示，該孔深部位移在42.2m處存在突變位移帶，累計(jì)位移量為93.66mm，存在明顯變形。

圖11 深部位移曲線

3 大坪滑坡變形塌岸響應(yīng)數(shù)值模擬

3.1 二維有限元模型構(gòu)建

為進(jìn)一步探明前緣塌岸對(duì)大坪滑坡穩(wěn)定性的影響，本文采用大型通用有限元程序ABAQUS開展前緣塌岸對(duì)大坪滑坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析。ABAQUS模擬實(shí)現(xiàn)塌岸對(duì)滑坡影響的步驟如下：根據(jù)實(shí)際塌岸次數(shù)與塌岸范圍預(yù)先設(shè)定塌岸范圍內(nèi)的模型單元，計(jì)算過程中采用“生死單元”技術(shù)處理這些模型單元進(jìn)行逐步計(jì)算，“生”指的是激活單元，將邊坡的某些部分激活，參加結(jié)構(gòu)的受力和變形； “死”指的是殺死單元，將需要“殺死”的部分移除，使之不參與受力與變形，但未被“殺死”的單元仍繼承之前的應(yīng)力狀態(tài)，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)塌岸形態(tài)改變和應(yīng)力影響。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，滑坡前緣的塌岸位置主要集中在大坪滑坡右邊界處，且監(jiān)測(cè)資料顯示，GPS數(shù)據(jù)變化較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)集中于1-1′和2-2′剖面，所以選取1-1′和2-2′剖面作為典型剖面。對(duì)1-1′和2-2′剖面建立的計(jì)算模型如圖12所示，計(jì)算域包含滑體、滑帶和基巖， 1-1′剖面整個(gè)計(jì)算域剖分網(wǎng)格單元7030個(gè)，結(jié)點(diǎn)共13621個(gè)，計(jì)算模型尺寸為：X方向上最大長(zhǎng)度為1050m，Y方向上最大高程為460m，前緣Y方向上50m； 2-2′剖面整個(gè)計(jì)算域剖分網(wǎng)格單元5482個(gè)，結(jié)點(diǎn)共10550個(gè)，計(jì)算模型尺寸為：X方向上最大長(zhǎng)度為670m，Y方向上最大高程為420m，前緣Y方向上80m。邊界條件：限制模型左右兩側(cè)水平位移(即X=0)，約束模型底部水平和豎向位移(即X=Y=0)，對(duì)模型整體施加重力荷載，對(duì)滑體面施加145m靜水位荷載。塌岸規(guī)模：塌岸范圍在水位145～175m之間，厚度為1～2m。

圖12 大坪滑坡計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)主要由地質(zhì)勘察資料所建議，滑坡計(jì)算參數(shù)表見表1。

表1 大坪滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

岸坡塌岸模擬分為兩步：第1步，施加重力荷載及145m靜水位荷載，進(jìn)行地應(yīng)力平衡； 第2步，通過ABAQUS中的生死單元法殺死岸坡前緣塌岸部分。

3.4 計(jì)算結(jié)果

通過ABAQUS軟件，采用單元生死功能進(jìn)行岸坡塌岸計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖13，圖14所示：

圖13 1-1′剖面位移分布

圖14 2-2′剖面位移分布

由圖13，圖14分析得出，塌岸對(duì)滑坡的變形影響十分明顯，影響大小主要與塌岸方量相關(guān)； 塌岸導(dǎo)致的滑坡變形主要集中在滑坡前部，并向后部逐漸擴(kuò)展。為進(jìn)一步分析塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，將計(jì)算結(jié)果繪制如圖15所示位移與時(shí)間變化關(guān)系圖，圖中表明在2017年6～7月，位移存在突變趨勢(shì)，隨后位移一直增長(zhǎng)。為比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際位移變化趨勢(shì)，選取滑坡西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDT-04、BDT-05、BDT-06和滑坡中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDT-07、BDT-08、BDT-09的數(shù)據(jù)同計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較(圖15)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)也在6月發(fā)生突變，隨后一直增長(zhǎng)，塌岸位移變化同GPS位移變化基本吻合，大變形時(shí)間與實(shí)際情況基本類似。ABAQUS生死單元法能較好模擬塌岸的發(fā)生。

圖15 滑坡GPS位移與數(shù)值模擬位移對(duì)比圖

4 結(jié) 論

(1)大坪滑坡變形受多種因素控制，包括地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等。滑坡中后部穩(wěn)定性受降雨影響較大，造成地表裂縫與表層坍塌的發(fā)生； 滑坡前緣穩(wěn)定性受庫(kù)水位漲落影響較大，塌岸較發(fā)育。

(2)大坪滑坡塌岸主要集中在滑坡前緣西側(cè)，相較于前緣中部，其塌岸方量較大。隨著塌岸的進(jìn)一步擴(kuò)大，相比其他GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，塌岸一側(cè)的GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表位移變化明顯，表明塌岸是目前大坪滑坡變形的主要影響因素。

(3)有限元計(jì)算結(jié)果表明，塌岸對(duì)滑坡的變形影響十分明顯，影響大小主要與塌岸方量相關(guān)； 塌岸導(dǎo)致的滑坡變形主要集中在滑坡前部，并向后部逐漸擴(kuò)展； ABAQUS中的生死單元法可以很好地實(shí)現(xiàn)塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的模擬。

綜上所述，在庫(kù)水位升降和波浪作用下，若前緣塌岸持續(xù)擴(kuò)大，將對(duì)滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大威脅，需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警。