馬澤瑞 涂鵬飛

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002)

涉水滑坡作為三峽庫區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害,一直是研究的熱點(diǎn)之一.受工程建設(shè)尤其是水庫蓄水的影響,三峽庫區(qū)地質(zhì)條件發(fā)生了一定程度的改變,加之久雨、暴雨的影響,為滑坡災(zāi)害的發(fā)育提供了良好的條件,嚴(yán)重威脅庫區(qū)居民、公路及錨地的安全[1-3].根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對水庫滑坡大量的研究表明,庫水位急劇降低和長時(shí)間降雨,是引起水庫滑坡變形的主要原因[4-9].按滑坡的變形機(jī)制分類,可將滑坡分為推動(dòng)式和牽引式兩類[10-13]:推動(dòng)式滑坡的破壞大多始于滑坡后緣,發(fā)生階梯式沉降;牽引式滑坡破壞大多始于前緣,由于阻滑段塊體缺失或破壞引起引力集中,破壞自下而上發(fā)展.

本文以秭歸縣蘭陵溪滑坡監(jiān)測與地勘資料為依托,借助Mat DEM 軟件對滑坡進(jìn)行庫水位下降滑坡位移分析、Geo-Studio軟件對滑坡進(jìn)行了滲流及穩(wěn)定性分析計(jì)算,探討了庫水位連續(xù)下降及不同降雨強(qiáng)度作用下滑坡體的變形特征和穩(wěn)定性變化規(guī)律,并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù),分析蘭陵溪滑坡體的變形原因及失穩(wěn)機(jī)制.

1 蘭陵溪滑坡概況

三峽壩上蘭陵溪錨地位于茅坪鎮(zhèn)蘭陵溪村的長江右岸,距秭歸縣縣城約8.0 km.自2020年以來,錨地范圍內(nèi)的蘭陵溪滑坡出現(xiàn)的變形呈逐年增大的趨勢.2021年2月5日,秭歸縣地災(zāi)主管部門對杉木溪滑坡進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘,認(rèn)為蘭陵溪滑坡在三峽水庫高水位運(yùn)行期間處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在三峽水庫低水位運(yùn)行期間,滑坡處于欠穩(wěn)定至不穩(wěn)定狀態(tài),滑坡體均存在較大的安全隱患.如圖1所示.

圖1 工程地質(zhì)平面圖

滑坡區(qū)出露的地層以崆嶺群區(qū)域變質(zhì)巖為主,第四系地層主要為殘坡積與滑坡堆積物,區(qū)內(nèi)屬為低山丘陵侵蝕堆積地貌區(qū)的坡麓地帶.如圖2所示.

圖2 1-1′剖面圖

2 蘭陵溪滑坡的變形及演化

2.1 滑坡空間形態(tài)及滑動(dòng)趨勢

蘭陵溪滑坡位于蘭陵溪溪口左岸入?yún)R長江處,所處斜坡為NEE向延伸山梁,分水嶺高程約230 m.蘭陵溪位于該山梁南東側(cè),左側(cè)邊界沿山梁頂部展布,右側(cè)以向SEE 側(cè)微突出山梁為界;后緣至居民房以下20 m 處張拉裂縫,高程216.4 m 左右,前緣剪切出口至庫岸掏蝕上邊界,高程約173.2 m.蘭陵溪滑坡縱長約95 m,平均寬度約140 m,平面面積約1.3萬m2,主滑方向130°,屬于中型滑坡.滑坡體平面總體呈圈椅狀,剖面形態(tài)整體呈凹形,上陡下緩,高差約43.2 m,平均坡度35°;剪出口部位由于三峽庫區(qū)波浪掏蝕,形成高約15 m,平均坡度約45°的高陡臨空面;175 m 水位以下,多基巖出露,碎石、塊石分布于坡面,巖體普遍呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài).該滑坡初次變形時(shí)間為2007年175 m 試驗(yàn)性蓄水后,2020年底至2021年初,滑坡有加劇變形的跡象,表現(xiàn)為:后緣裂隙向后側(cè)拓展,展寬、下錯(cuò);兩側(cè)邊界出現(xiàn)不同程度的羽狀裂縫;中部整體出現(xiàn)向下錯(cuò)動(dòng),并形成多級(jí)滑坎.如圖3所示.

圖3 滑坡宏觀變形

2.2 滑坡變形監(jiān)測及分析

選取蘭陵溪滑坡體典型剖面線上布置的2 個(gè)GNSS移動(dòng)站監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)(01 移動(dòng)站高程182.78 m,02移動(dòng)站高程202.06 m),其位移隨時(shí)間變化曲線如圖4所示.

圖4 降雨量、庫水位、移動(dòng)站水平位移及沉降量隨時(shí)間變化圖

從圖4可以看出,01移動(dòng)站的水平位移相較02移動(dòng)站波動(dòng)更大;02移動(dòng)站的沉降量相較01移動(dòng)站波動(dòng)更大.根據(jù)對兩個(gè)移動(dòng)站位移數(shù)據(jù)、庫區(qū)水及監(jiān)測點(diǎn)降雨量分析可知(如圖5、6所示),滑坡的位移主要和降雨量及庫水位相關(guān).2022年3月下旬至4月期間,庫區(qū)水位穩(wěn)定在167～165 m 間,水位波動(dòng)較小,但該期間的降雨量相比之前有較大增加,兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的沉降量均出現(xiàn)較大波動(dòng);2022年5至6月,三峽庫區(qū)水位開始逐步下降,每日水位降速約為0.5～1.2 m/d,坡體表面位移開始逐步增大.對比庫水位下降期間兩個(gè)移動(dòng)站的沉降,01移動(dòng)站出現(xiàn)了相較02移動(dòng)站更明顯的沉降變化,可見在庫水位下降期間,滑坡前緣部分受到了更大的影響.總體來看,目前滑坡體沉降量較小,處于蠕動(dòng)形變階段,變形隨時(shí)間緩慢增加.

圖5 1號(hào)移動(dòng)站位沉降量與降雨、庫水位圖

圖6 2號(hào)移動(dòng)站位沉降量與降雨、庫水位圖

3 滑坡成因分析及變形機(jī)理

滑坡區(qū)的地貌單元屬侵蝕、剝蝕中低山,坡角約30°～37°.經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),山體坡面上發(fā)現(xiàn)大量大型的滾石,滾石大小在0.20～2.00 m 之間,該邊坡表面時(shí)常發(fā)生崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象.該滑坡地處鄂西暴雨中心范圍內(nèi),降雨具連續(xù)、集中的特點(diǎn),且降雨量大.強(qiáng)降雨條件使堆積物飽水,產(chǎn)生較大的靜水壓力和動(dòng)水壓力,同時(shí)降低其抗剪強(qiáng)度,導(dǎo)致滑移變形的發(fā)生.三峽庫區(qū)攔蓄洪水,庫水上漲下調(diào)后局部掏蝕邊坡下部巖土體,破壞坡體的自然平衡條件,在自重力作用下,使上部碎石土層沿軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生應(yīng)力松馳,引發(fā)坡體的下滑.

坡腳的破壞往往是牽引式滑坡的主要誘發(fā)因素.坡腳作為坡體的重要阻滑段,遭到破壞后,坡體抗滑力降低、臨空面增大,加劇了坡體的不穩(wěn)定性.牽引式滑坡其變形特征一般表現(xiàn)為土體向臨空方向的剪切蠕動(dòng),坡體上產(chǎn)生自地表向坡體內(nèi)部的拉裂,進(jìn)一步明顯變形將產(chǎn)生貫通良好的拉裂縫[14-15].其具體表現(xiàn)在沿破碎帶、堆積層、風(fēng)化帶及巖土體的軟弱夾層組成的斜坡地帶,切坡產(chǎn)生滑動(dòng),并伴有局部崩滑,形成多級(jí)臺(tái)階,自下而上,規(guī)模不斷擴(kuò)大,最終引起滑坡滑動(dòng).

4 滑坡數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 建模方法

本文采用Geo-Studio軟件,模擬不同降雨工況下滑坡內(nèi)部滲流及位移場變化情況;采用Mat DEM離散元軟件,模擬庫水位下降對滑坡位移場分布的影響.從庫水位下降和滲流兩方面出發(fā),揭示該滑坡不同部位的破壞機(jī)理.

相關(guān)參數(shù)來源于《三峽壩上錨地地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)專項(xiàng)評(píng)價(jià)報(bào)告》并結(jié)合相關(guān)的規(guī)范值和經(jīng)驗(yàn)值所得.

4.2 滲流計(jì)算及結(jié)果分析

坡體組成主要為粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化～中風(fēng)化片麻巖,依照滑坡的工程地質(zhì)特性,選擇典型剖面(圖2所示1-1′剖面)并建立相應(yīng)的計(jì)算模型.Geo-Studio以四邊形和三角形組成網(wǎng)格,計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7 424、單元數(shù)7 266.

表1 滑坡巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)夏羽等[16]對秭歸縣1971-2019年單日降水極值統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,其中最大值為160.2 mm,出現(xiàn)于2014年9月1日.擬定:工況1,第1日降雨量為50 mm,后續(xù)兩日無降雨;工況2,第1 日降雨量為100 mm,后續(xù)兩日無降雨;工況3,第1日降雨量為150 mm,后續(xù)兩日無降雨.

開始降雨后,雨水由坡體表面開始逐漸向坡體內(nèi)部入滲,坡頂表面松散的土層較快達(dá)到飽和并在淺層向斜下方緩慢入滲;隨著降雨時(shí)間持續(xù)增加,土體飽和區(qū)從坡腳逐漸向上發(fā)展.該滑坡坡頂后部高程約215 m 處坡面(A 區(qū))和中部高程約205 m 處坡面(B區(qū))坡度較大,容易形成地表徑流,前緣和坡頂較為平緩,地表水排泄相對緩慢.因此在降雨強(qiáng)度增大后,地表主要變形集中在后緣及中部陡緩交界處.這一現(xiàn)象與現(xiàn)場現(xiàn)場踏勘結(jié)果完全吻合:在坡體后緣有明顯的張拉裂縫,并向后側(cè)拓展;在滑坡體中部整體向下錯(cuò)動(dòng)形成多級(jí)滑坎.

以工況2為例,選取A、B 區(qū)表面點(diǎn)建立其位移圖,如圖8所示.在第一天的降雨過程中,A、B區(qū)位移快速增加,在隨后的停雨期間,隨著上部雨水進(jìn)一步排出,位移增速相較第一天明顯放緩.也證明降雨是推動(dòng)坡體后緣及中部產(chǎn)生變形的重要因素.

圖7 壓力水頭分布圖

圖8 A、B區(qū)坡面位移-時(shí)間圖

4.3 庫水位下降模擬及其結(jié)果分析

蘭陵溪滑坡前緣剪出位置位于175 m 水位附近,現(xiàn)存在局部庫岸掏蝕引起的局部坍塌,庫水位并不直接作用于滑體,即上覆土層,而是表現(xiàn)為由庫水位變化引起地下水位變化,進(jìn)一步誘發(fā)滑體產(chǎn)生滑動(dòng).

結(jié)合2021年底至2022年上半年庫水位波動(dòng)情況,長江水位從175 m 降至165 m 期間,水位日變化值基本介于0.15 m 左右,浮動(dòng)較小;2022年5月初至6月中下旬,水位從165 m 降至145 m,水位日變化值基本大于0.5 m,最大值接近2 m.結(jié)合此情況,使用MatDEM 軟件,將水位從175 m 下降至145 m,每次循環(huán)水位將緩慢下降2 m,過程共15步,均勻下降,水位以下地層取其浮重度.模型自上而下依次為:粉質(zhì)土層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層,其中中風(fēng)化層為穩(wěn)定基巖,將其視為墻單元固定,不產(chǎn)生位移.

目前蘭陵溪滑坡體下緣部分段已形成塌岸,同時(shí)殘坡積層及下伏基巖多為黏土礦物含量較高的片麻巖.據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,坡腳黏土夾碎石強(qiáng)風(fēng)化層長時(shí)間的經(jīng)歷干濕交替過程,碎塊石風(fēng)化程度進(jìn)一步加深,黏土含量增高,并產(chǎn)生局部泥化現(xiàn)象.模型1基于1-1′剖面,模擬水位下降后的滑坡內(nèi)部的位移變化情況;模型2將坡腳納入粉質(zhì)黏土層,模擬坡腳產(chǎn)生泥化后,滑坡內(nèi)部的位移變化情況.

模型1,水位從175 m 下降后,Z=185～195 m 坡面附近相比其他部位開始出現(xiàn)較大左右的水平位移,且集中于滑坡中前段,隨著水位下降,其變形區(qū)逐漸發(fā)展至坡角處;而位于滑坡后緣坡頂土體,受中前段滑體水平位移增大的影響,部分開始發(fā)生沉降.滑坡中部區(qū)域便成為這兩個(gè)變形區(qū)的交界地帶,這也使得滑坡中段成為又一變形集中區(qū)域.隨著水位進(jìn)一步降低,滑坡后緣土體開始向垂直于巖土交界面的方向移動(dòng);滑坡前緣位移逐漸增大與中前部變形區(qū)相連.在水位下降至145 m 時(shí),滑坡的前緣產(chǎn)生較大的水平位移,僅產(chǎn)生少量沉降,而位于后緣的坡頂則是產(chǎn)生較大沉降與少量水平位移.也就是說,滑坡前緣是牽引區(qū),后緣為被牽引區(qū),在前緣的帶動(dòng)下,后緣逐漸產(chǎn)生進(jìn)一步變形.

圖9 模型1位移圖

模型2,當(dāng)水位從175 m 開始下降后,滑坡前中段及土層與全風(fēng)化層交接帶首先產(chǎn)生水平變形,進(jìn)而帶動(dòng)高程位于200～220 m 的土體產(chǎn)生向下滑動(dòng).與此同時(shí)受坡頂(220 m)向下擠壓,坡頂前后兩側(cè),在X=0～10 m、X=25～45 m,坡面形成兩個(gè)變形區(qū).當(dāng)水位下降至145 m,坡腳及滑坡中部均產(chǎn)生沿巖土交界面向下的較明顯位移,變形從坡腳向上有擴(kuò)展的趨勢,也就說明滑坡中部的變形大部分是由于坡腳發(fā)生變形后帶動(dòng)所產(chǎn)生;滑坡后緣的變形則是沿垂直于巖土交界面的方向發(fā)展,坡頂兩側(cè)變形方向的不一致也必然引起在滑坡坡頂兩側(cè)產(chǎn)生張拉裂縫甚至塌滑的痕跡.

圖10 模型2位移圖

在巖土體在周期性失水過程中,岸坡的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯改變.首當(dāng)其沖便是坡腳受損破壞,尤其是對該滑坡坡腳的一些本身物理力學(xué)性質(zhì)差的巖土體,在水的浮托作用下,使得滑坡體處于較穩(wěn)定狀態(tài),但其力學(xué)性質(zhì)差的特性依舊存在;在水位下降過程中,水的浮托作用減小,這些特性將被進(jìn)一步放大.蘭陵溪滑坡正是由于坡腳的破壞以及部分泥化導(dǎo)致滑坡逐漸產(chǎn)生牽引式滑坡的破壞特征.

5 滑坡致災(zāi)機(jī)理分析及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

該滑坡體目前的變形主要集中于中部,以局部下錯(cuò)、拉裂、沉降等變形跡象為主.由于蘭陵溪滑坡高差較大,中部部分坡體已變形,前緣臨空面高陡,臨空條件較好.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及對滑坡模型受力特征分析,該滑坡屬于由推移式轉(zhuǎn)向牽引式的復(fù)合式滑坡.

在庫水位下降前,長江維持在較高水位,由于水的浮托力作用,使得岸邊坡的巖土處于較穩(wěn)定的狀態(tài),尤其是對于坡腳的殘坡積層及破碎的地帶,庫水的浮托力反而使得坡體相對穩(wěn)定.當(dāng)雨季來臨,庫水位下降,也就意味著高水位對于坡腳的加固作用逐漸減小.在此過程中坡體內(nèi)外的孔隙水壓力差,以及坡體的自身重度受前期高水位影響而增加,綜合作用使得坡體處于更不穩(wěn)定狀態(tài),尤其是位于坡頂附近的滑體.其次,雨季的降水不僅持續(xù)時(shí)間長,而且經(jīng)常出現(xiàn)突發(fā)性暴雨,對坡腳、滑坡中部及后緣的沖刷也進(jìn)一步促使裂隙的發(fā)育.

降雨使得坡頂處產(chǎn)生較大變形,并有向下發(fā)展的趨勢.隨著三峽庫區(qū)江浪的不斷掏蝕,前部剪出口對應(yīng)的土體及全-強(qiáng)風(fēng)化巖發(fā)生局部坍塌變形,并產(chǎn)生局部泥化現(xiàn)象,使得滑面力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步降低,導(dǎo)致滑坡前緣阻滑力減小,滑坡穩(wěn)定性逐漸降低.特別是滑坡體中下部,由于滑坡體中部變形的加載作用,另一方面又增大了局部的下滑力;同時(shí)中前部的變形,又會(huì)導(dǎo)致中后部滑體牽引變形,最終演化為整體滑動(dòng).

6 結(jié)論

本文以三峽庫區(qū)秭歸縣蘭陵溪滑坡為例,根據(jù)實(shí)地調(diào)研、滑坡區(qū)降雨及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該滑坡的宏觀變形原因,并結(jié)合Geo-Studio、MatDEM 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)一步分析滑坡的變形機(jī)制.

1)蘭陵溪滑坡是一個(gè)由推移式轉(zhuǎn)向牽引式的復(fù)合式滑坡,其破壞源于滑坡前緣的坡腳,并帶動(dòng)滑坡中段形成多處臺(tái)階式錯(cuò)動(dòng),進(jìn)而引起后緣變形加劇.

2)滑坡破壞形式主要為牽引-拉裂破壞.由Geo-Studio模擬結(jié)果可知,滑坡中、后緣的拉裂破壞主要是由于降雨所造成;由Mat DEM 模擬結(jié)果可知,受水位變化的影響,中、前緣成為率先發(fā)生變形的區(qū)域,進(jìn)一步帶動(dòng)后緣土體發(fā)生變形.在降雨和水位變化二者的影響下,造成滑坡現(xiàn)有的宏觀破壞.

3)由監(jiān)測資料顯示,該滑坡目前直處于蠕變階段,受庫水位周期性變化與降雨的綜合影響,在進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測的同時(shí),還需對滑坡中段采取一些必要的治理措施,防止坡體進(jìn)一步變形.