鐘 瑤

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

三峽水庫蓄水后，每年都存在蓄水和泄洪時期，在降低蓄水水位的全過程中，水庫蓄水量的急劇下降改變了坡體內(nèi)液體在土壤空隙中的流動場，對滑坡的安全性和穩(wěn)定性有極大的影響，另一方面，長期蓄水后泄洪引起的水位驟降是造成山體滑落的主因之一，水庫蓄水水位會造成庫岸邊坡發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題[1-4]。因此有必要對庫水位升降速率與滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行相關(guān)性的分析。鄭穎人等根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)方程，通過拉普拉斯矩陣變換，得到了水庫蓄水水位下降時的浸潤線簡化公式，證明了庫岸邊坡土壤中水對滑坡體的穩(wěn)定系數(shù)有很大影響[5]。盧書強(qiáng)等以白水河滑坡為例，分析其變形機(jī)理、影響因素及穩(wěn)定性，分析認(rèn)為，滑坡的穩(wěn)定性降低是由于坡體內(nèi)滲透性能較差從而導(dǎo)致土壤內(nèi)的地下水不能及時排出[6]。廖紅建等針對復(fù)雜的庫岸邊坡地質(zhì)條件，對不同滲透系數(shù)的邊坡在不同的庫水位下降速率條件下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，提出了不同的水庫蓄水水位降低速率在同一滲透系數(shù)下的穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線是相近的[7]。涂國祥等結(jié)合數(shù)值模擬與剛體極限平衡的方法對滑坡內(nèi)滲流場及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出水庫蓄水水位升降速率對某一時刻的滲流場有較大影響[8]。仉文崗等采用FLAC對庫水位下降過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并同時考慮坡度、滲透系數(shù)與庫水位下降速率的不同條件下的孔隙水壓力變化，提出了水庫蓄水水位下降過程中在滑坡體1/3處存在一個最不利水位，此時滑坡體穩(wěn)定系數(shù)最小[9]。Yingfa Lu詳細(xì)介紹了推移式和牽引式滑坡的漸進(jìn)破壞機(jī)理，同時也根據(jù)剪應(yīng)力和應(yīng)變的特點(diǎn)，提出了推移式滑坡的兩種破壞模式和牽引式滑坡的三種破壞模式[10]。同時降雨入滲也是邊坡失穩(wěn)破壞的最常見的誘導(dǎo)因素。在大氣降雨時，土體內(nèi)滲流場分布對其穩(wěn)定性有著不可忽視的影響[11-14]。銀曉鵬等針對不同的土體性質(zhì)，運(yùn)用飽和—非飽和滲流理論及降雨入滲理論，分析了不同降雨條件對土坡滲流場和穩(wěn)定性的影響[15]。還有許多國內(nèi)外學(xué)者如Palazzolo Nunziarita等對滑坡建立SCOOPS 3D、GreenⅠAmpt模型和松散耦合的液-氣-固三相等模型，分析降雨入滲過程中滲流場的變化并對滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)從而優(yōu)化改進(jìn)滑坡的預(yù)測[16-19]。

本文以上孝仁滑坡為例，通過數(shù)值模擬軟件Geo-Studio模擬出不同下降速率條件下的滲流場計(jì)算，并結(jié)合Morgenstern-Price極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià)，表明滑體穩(wěn)定性與水庫蓄水水位的下降速率密切相關(guān)，在疊加降雨的情況下，滑坡穩(wěn)定系數(shù)將下降得更顯著。

1 上孝仁村滑坡基本概況

1.1 滑坡地質(zhì)概況

上孝仁村滑坡地處長江右岸，距三峽壩址25 km，坡向40°，地形坡度呈明顯的上陡下緩特點(diǎn)，坡度28-31°，地表發(fā)育多條沖溝，沖溝走向近南北向，切坡深度一般5～10 m，溝底未見基巖，在約400 m高程形成后緣崩滑體平臺。下伏基巖為砂質(zhì)頁巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，滑坡結(jié)構(gòu)類型為斜逆向坡滑坡，滑坡體的構(gòu)成主要為碎塊石土，碎石成份為灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖等。滑帶厚1～2 m，主要為粘性土夾碎石角礫?；驳臉?gòu)成主要為砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖(圖1)。

圖 1 上孝仁村滑坡工程地質(zhì)平面圖

1.2 滑坡類型、形態(tài)及規(guī)模

上孝仁村滑坡為碎屑土質(zhì)滑坡，按照水庫滑坡分類，屬于動水壓力+降雨型滑坡?；潞缶壱云骄彽谋阑w平臺向較陡的巖質(zhì)斜坡轉(zhuǎn)折的過渡帶為界，東西兩側(cè)175 m高程以上以基巖山脊為界，175 m高程以下以自然沖溝為界，前緣為長江庫水淹沒?；缕矫嫘螒B(tài)為箕形，剖面形態(tài)為階梯形，兩側(cè)的基巖山梁和后山陡坡共同圍成了“圈椅狀”，地形坡度呈明顯的上陡下緩的特點(diǎn)，整體坡度28-31°，地表發(fā)育多條沖溝，沖溝走向近南北向，切坡深度一般5-10 m。滑坡主滑方向約40°，前緣高程105 m，后緣高程435 m，縱長約925 m，寬度約600 m，平均厚度約45 m，面積50×104 m2，體積約2200×104 m3。

2 滑坡成因機(jī)制及變形特征

2.1 成因機(jī)制分析

滑坡所在斜坡地層存在巖性較為松散的志留系泥巖和粉砂巖；上部為堅(jiān)硬的砂巖和灰?guī)r為崩塌的發(fā)生提供了良好的巖石組合條件。新構(gòu)造遠(yuǎn)動導(dǎo)致地殼抬升，河流下切，為崩塌的發(fā)生提供了陡立的地形條件。斜坡附近區(qū)域內(nèi)降雨量充沛，并且有連續(xù)的強(qiáng)降雨，長期降雨使滑坡體土處于飽水狀態(tài)，自重增加，土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值降低，而滲透力的存在降低了滑坡的穩(wěn)定性。當(dāng)庫水位下降時，會產(chǎn)生兩個不利于滑體穩(wěn)定的作用，一是短時間內(nèi)滑坡體內(nèi)部的地下水未能及時排出，則會在坡體內(nèi)部形成動水壓力，二是滑坡體內(nèi)部的地下水會降低巖土體力學(xué)性能從而軟化滑帶。

2.2 變形監(jiān)測及趨勢分析

上孝仁村滑坡被納入三峽庫區(qū)秭歸縣專業(yè)監(jiān)測，目前滑坡上共布設(shè)3個GPS監(jiān)測點(diǎn)。3個GPS監(jiān)測點(diǎn)分別是ZG115、ZG116、ZG117，分別分布在滑體中部高程182 m、235 m、282 m處，3個深部位移鉆孔傾斜監(jiān)測點(diǎn)位置與之相對應(yīng)，形成一個縱向監(jiān)測剖面，各監(jiān)測點(diǎn)位的布置詳見圖1。監(jiān)測間隔為1次/月，汛期根據(jù)需要不定期監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖 2 GPS專業(yè)監(jiān)測點(diǎn)累積位移曲線圖

由上孝仁村滑坡GPS專業(yè)監(jiān)測點(diǎn)累積位移曲線圖分析可以看出自2003年6月監(jiān)測以來，上孝仁村滑坡變形不明顯，專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明多年累積位移基本沒有增大，變形的跳動為測量誤差所致。上孝仁村滑坡在水庫蓄水期間位移無明顯變化，當(dāng)庫水位緩慢下降時，滑坡的位移也隨之有些許增長，當(dāng)水位下降速率突變時，位移也對應(yīng)的跳動增長，因此表明滑坡穩(wěn)定性降低與庫水位升降有一定關(guān)系。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 計(jì)算方法

利用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio中的SEEP/W和SLOPE/W兩大模塊，對上孝仁村滑坡進(jìn)行滲流場分析和穩(wěn)定性計(jì)算。SEEP/W是分析地下水滲流的模塊，該模塊可以對飽和─非飽和土在特定工況條件下完成特定時刻的滲流場分析，從而得到某一時刻下的滲流場分布。SLOPE/W模塊是進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算的模塊，在充分考慮滑坡體的自重以及滑坡前緣蓄水水位對滑坡的壓力，結(jié)合SEEP/W模塊計(jì)算所得到的滲流場分布的情況下，選擇上孝仁村滑坡的主剖面Ⅰ-Ⅰ′進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，SEEP/W模塊中選擇Morgenstern-Price極限平衡法對主剖面進(jìn)行穩(wěn)定性建模分析，由于Morgenstern-Price極限平衡法考慮到足夠多的條塊之間力的相互作用，所以計(jì)算的過程一般而言會比較復(fù)雜，但是計(jì)算精度較高。

3.2 模型及參數(shù)

在實(shí)際現(xiàn)場地質(zhì)勘察及分析收集資料的基礎(chǔ)上，選定滑坡體計(jì)算剖面為主剖面Ⅰ-Ⅰ′(圖3)。斜坡體長1050 m，高330 m。

圖 3 上孝仁村滑坡主剖面Ⅰ-Ⅰ′圖

依據(jù)上孝仁村滑坡的地質(zhì)主剖面圖Ⅰ-Ⅰ′采用SLOPE/W模塊對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立相對應(yīng)的有限元計(jì)算模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)總共為7196，單元數(shù)總共為7114，網(wǎng)格劃分模型見圖4。

圖 4 上孝仁村滑坡網(wǎng)格劃分圖

在實(shí)際現(xiàn)場的地質(zhì)勘察報(bào)告提供的建議參數(shù)值基礎(chǔ)上，參考對比其它相似滑坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值，最終確定了上孝仁村滑坡的計(jì)算參數(shù)(表1)，上孝仁村滑坡的土水特征曲線及滑體相對應(yīng)滲透函數(shù)曲線見圖5。

表1 上孝仁村滑坡計(jì)算參數(shù)

圖 5 滑體特征及函數(shù)曲線

3.3 分析工況及荷載

本次對主剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價(jià)采用的計(jì)算工況組合和荷載組合詳見表2。此次滲流計(jì)算時，初始庫水位為175 m，在175 m降至159 m之間按照常規(guī)庫水位降速，在庫水位從159 m降至145 m時按表2的工況。工況組合Ⅱ中三天降雨在151.4 m時疊加。

表2 上孝仁村滑坡計(jì)算參數(shù)

3.4 滑坡地下水滲流分析

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio的SEEP/W模塊對上孝仁村滑坡進(jìn)行滲流場模擬分析，滑坡在各工況下的地下水位如圖6所示。庫水位下降對滑坡的影響主要體現(xiàn)為動水壓力的影響，SEEP/W程序中將動水壓力等效為容重和孔隙水壓力的影響。

圖 6 庫水位不同下降速率的地下水位線示意圖

對比圖6可知，當(dāng)庫水位以v=0.6 m/d、0.8 m/d、1 m/d、1.2 m/d的下降速率從159 m的水位下降至145 m水位時，地下水位線呈顯著的上凸形態(tài)，且滑坡體內(nèi)地下水位線均隨著庫水位的下降而下降，而滑坡體內(nèi)地下水位線位置在不同庫水位下降速率工況條件下形態(tài)沒有發(fā)生明顯的變化。

而在降雨的過程中，雨水的滲入不僅會導(dǎo)致邊坡土體的含水量隨著降雨時間而增長，還會改變邊坡土體中的滲流場[20]。研究庫水位下降速率和降雨共同作用下對滲流場的影響則需要進(jìn)行降雨模擬。通過在SEEP/W模塊在模型邊坡的地表線位置設(shè)置邊界條件來模擬降雨強(qiáng)度，故選取表面雨水滲入速度作為降雨強(qiáng)度，此時的邊界條件即為計(jì)算時的流量邊界。根據(jù)現(xiàn)場取樣分析報(bào)告，取滲透系數(shù)為3.0×10-4m/s，將其作為本次降雨模擬時的流量邊界，并計(jì)算得出庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m并疊加50年一遇3日暴雨工況的孔隙水壓力分布圖(圖7)。

圖 7 庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m并疊加50年一遇3日暴雨工況滑體內(nèi)孔隙水壓力分布圖

圖 8 庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m不疊加暴雨工況滑體內(nèi)孔隙水壓力分布圖

圖7、圖8分別給出了庫水位降速為0.6 m/d疊加暴雨工況下滑體內(nèi)孔隙水壓力等值線圖及庫水位降速為0.6 m/d不疊加暴雨工況下滑體內(nèi)孔隙水壓力等值線圖。對比分析圖7和圖8可知，庫水位下降疊加降雨對滑坡地下水滲流場有一定影響，由于暴雨滲入滑坡體后，將會導(dǎo)致滑坡體內(nèi)土壤的孔隙氣壓力與孔隙水壓之間的壓力差值降低，地下水位也有所抬升，此時疊加暴雨比不疊加暴雨滑體內(nèi)地下水位會有所升高。因此，在遇上暴雨的條件下庫水位的下降將對滑坡穩(wěn)定性造成無法控制的影響。

3.5 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算評價(jià)

在SEEP/W模塊計(jì)算所得到的滲流場分布的基礎(chǔ)上，用Morgenstern-Prince法對上孝仁村滑坡的地質(zhì)主剖面圖Ⅰ-Ⅰ′進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到非汛期水位降落條件下兩種工況組合的上孝仁滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)表(表3)，并根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)表繪制出兩種工況組合情況下的穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖9所示。

表3 兩種工況下穩(wěn)定性系數(shù)表

根據(jù)表3可知當(dāng)庫水位以v=0.6 m/d下降時，穩(wěn)定性系數(shù)從剛開始的1.098減小到1.0709左右。庫水位以v=1.2 m/d下降時，穩(wěn)定性系數(shù)從剛開始的1.098減小到1.0652左右。由圖9中的穩(wěn)定性系數(shù)的變化可知，當(dāng)庫水位以v=0.6 m/d、0.8 m/d、1 m/d、1.2 m/d的下降速率從159 m的蓄水位下降至145 m蓄水位時，上孝仁村滑坡穩(wěn)定系數(shù)會隨著庫水位的下降而減小，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降到最小時正是庫水位下降到145 m的時候。而滑坡穩(wěn)定性也會受到下降速率的影響，不同的下降速率影響也不相同。當(dāng)庫水位下降速率增大時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)會因?yàn)閯铀畨毫Φ淖饔脺p小幅度而增大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)曲線也會越陡。

對比圖9a可知圖b中是在庫水位從175 m下降至145 m的情況上疊加了50年一遇3日暴雨條件，其穩(wěn)定性系數(shù)會小于不疊加降雨的穩(wěn)定性系數(shù)，降雨對安全系數(shù)的影響一直持續(xù)到計(jì)算時段的最后一天，說明降雨對滑坡的影響是長期的，且有一定的滯后效應(yīng)。50年一遇3日暴雨會使穩(wěn)定性系數(shù)有一定幅度的下降，但其影響較小，且?guī)焖幌陆邓俾蚀蟮那闆r下再疊加上降雨條件，穩(wěn)定性系數(shù)受到的影響也會增大。在克服降雨條件的同時，穩(wěn)定性系數(shù)的下降幅度會隨著下降速率的增加而升高。

(a)159 m下降至145 m工況

3.6 滑坡變形機(jī)理分析

由上述穩(wěn)定性計(jì)算評價(jià)可知，降雨和庫水位升降是影響上孝仁村滑坡變形的兩個主要因素。當(dāng)降雨滲入滑坡體后，會導(dǎo)致滑坡體內(nèi)土壤的孔隙氣壓力與孔隙水壓之間的壓力差值降低，增大滑體重量并產(chǎn)生滲透力，降低滑坡穩(wěn)定性。當(dāng)庫水位下降時，因滑坡內(nèi)土體的滲透性較差，滑坡體內(nèi)地下水排出的速度遠(yuǎn)跟不上庫水位下降的速度，這會導(dǎo)致滑坡體內(nèi)地下水位高于庫水位，而水位的高度差越大，所產(chǎn)生的水壓就越大，因此水庫蓄水水位下降之后滑坡體內(nèi)動水壓力作用明顯增大，從而影響滑坡的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

以三峽庫區(qū)上孝仁村滑坡為依托，通過有限元模型，對庫水位下降速率和降雨聯(lián)合作用下的滲流場進(jìn)行計(jì)算分析，并對滑坡的穩(wěn)定性和變形機(jī)理進(jìn)一步探討，得到以下結(jié)論：

1)上孝仁村滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)會隨著庫水位下降速率的增大而減小。

2)上孝仁村滑坡變形主要由庫水位下降及降雨引起，按照水庫滑坡分類，屬于動水壓力+降雨型?，F(xiàn)階段上孝仁村滑坡仍處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)，預(yù)計(jì)庫水位下降速率增加到1.2 m/d條件時滑坡的變形將進(jìn)一步增大。

3)通過數(shù)值模擬軟件GEO-Studio對上孝仁村滑坡的主剖面Ⅰ-Ⅰ′進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，可知滑坡處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)是在日降幅0.6 m的條件下。在增大日降幅到1.2 m時，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.0652，此時滑坡體仍處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。對比日降幅0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m的穩(wěn)定性系數(shù)可知，庫水位在日降幅從0.6 m增大到1.2 m這個階段時對滑坡的穩(wěn)定性影響較小。