三峽庫區(qū)某退水滯后型滑坡滲流及穩(wěn)定性分析

劉 凱，易 武，閆國強(1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 3.湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)某退水滯后型滑坡滲流及穩(wěn)定性分析

劉 凱1，2，3，易 武1，2，3，閆國強1，2，3
(1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002； 3.湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002)

退水滯后型滑坡；滲流場；穩(wěn)定性分析；三峽庫區(qū)

三峽庫區(qū)自2003年蓄水以來，庫區(qū)水巖作用引發(fā)了水庫岸坡失穩(wěn)等地質(zhì)災害，其中水庫岸坡破壞出現(xiàn)在庫水位上升期的占40%～49%，出現(xiàn)在水位消落期的約占30%，而有些大型滑坡會發(fā)生在庫水位達到最大值后的快速消落期。本研究以三峽庫區(qū)某退水滯后型滑坡為例，結(jié)合2016年1—6月三峽水庫水位的實際運行情況并聯(lián)合降雨，利用數(shù)值模擬的方法模擬其滲流場變化并進行穩(wěn)定性計算。研究結(jié)果表明：庫水位下降并疊加降雨的情況下，對滑坡的穩(wěn)定性不利，當庫水位下降速率達到1.0 m/d且疊加降雨時，滑坡的穩(wěn)定性最差，此時為最不利工況；在5種工況條件下，滑坡的穩(wěn)定性有所降低，但穩(wěn)定性數(shù)值均大于1.05，說明滑坡仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

水庫庫岸區(qū)域發(fā)生的滑坡和崩塌，是庫區(qū)水巖作用導致的一類重要的地質(zhì)災害，往往會對工程及環(huán)境造成較大的危害[1]。有資料顯示，水庫岸坡破壞發(fā)生在庫水位上升期的占40%～49%，發(fā)生在水位消落期的約占30%，而有些大型滑坡會發(fā)生在庫水位達到最大值后的快速消落期。三峽庫區(qū)自2003年首次蓄水至135 m以來，地質(zhì)災害頻發(fā)，尤其是滑坡。研究表明，水是誘發(fā)滑坡地質(zhì)災害的最重要因素[2]。庫區(qū)的地下水主要由降雨補給，地下水位的變化又與庫水位的漲落直接相關(guān)[3]，因此降雨和庫水位漲落是誘發(fā)涉水滑坡的最重要因素[4]。在分析水庫型滑坡的穩(wěn)定性方面，學者們已經(jīng)做了大量的研究工作：李曉等[5]提出一種在降雨及庫水位漲落影響下滑坡地下水動力場的分析方法；吳瓊等[6]從滲流基本原理出發(fā)，采用穩(wěn)定滲流情況下的浸潤線作為非穩(wěn)定滲流的初始值，推導出庫水位升降聯(lián)合降雨作用下該模型中浸潤線的近似解析解；廖紅建等[7]通過數(shù)值計算得到了庫區(qū)降水速度、滲透系數(shù)與邊坡穩(wěn)定性之間的變化規(guī)律；張桂榮等[8]得出降雨影響的主要是上部土體，即降雨更容易引起淺層滑坡與局部滑坡。筆者以三峽庫區(qū)某滑坡為研究對象，根據(jù)2016年1—6月庫區(qū)水位的實際調(diào)度方案，考慮在增大庫水位日降幅的情況下聯(lián)合降雨，利用Geo-Studio軟件對三峽庫區(qū)某退水滯后型滑坡進行數(shù)值模擬，研究其滲流場及穩(wěn)定性。

1 滑坡概況

該滑坡位于秭歸縣方家山村，為一古滑坡堆積體?；抡w為斜逆向的陡坡，地貌上為典型的長條圈椅狀凹槽地形，中下部為坡度較緩的平臺，上部為圈椅狀較陡的斜向坡?；卵丌?Ⅰ′剖面設(shè)有3個專業(yè)監(jiān)測點ZGT2、ZGT3、ZGT4，分別布置在滑坡前緣、中部和后部?；w縱長約為800 m，平均寬度約為260 m，滑坡前緣直抵長江，高程約為80 m，后緣高程約為390 m?；w面積約為20.8萬m2，平均厚度約為30 m，體積約為600萬m3?；碌刭|(zhì)平面圖見圖1。

圖1 滑坡地質(zhì)平面圖

根據(jù)調(diào)查及勘查資料，滑體物質(zhì)主要由第四系崩坡積物構(gòu)成，為砂巖塊石、碎石土堆積層?；露逊e物直接與下伏基巖接觸構(gòu)成滑帶，滑帶土主要為碎石土，成分主要是泥灰?guī)r、泥頁巖等?；矠橄蚱麦w內(nèi)傾的逆向侏羅系砂泥巖層，巖層產(chǎn)狀為30°∠35°。

2 滑坡變形分析

2.1 監(jiān)測網(wǎng)布置

滑坡上的3個GPS監(jiān)測點分別位于主滑面上高程280、230、200 m處；4個傾斜監(jiān)測孔中有3個與GPS監(jiān)測點位置相同，還有1個位于310 m高程處；2個地下水位監(jiān)測孔位于滑體中下部，即ZK1點(高程193 m)和ZK10點(高程193 m)；在滑體東部高程250、220 m的基巖脊上設(shè)立了2個GPS基準點。

2.2 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖2展示了該滑坡2012年7月至2016年7月的GPS累積位移，從圖中可以看出：ZGT2監(jiān)測點的累積位移量最大，截至2016年7月25日累積位移量已達85.6 mm，另外兩個監(jiān)測點(ZGT3和ZGT4)的累積位移量相對較小；3個GPS監(jiān)測點的累積位移曲線均以波動為主，未出現(xiàn)明顯增加的趨勢。

圖2 滑坡累積位移

2.3 宏觀變形特征

2016年7月經(jīng)宏觀地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該滑坡地表未見明顯變形，但存在局部變形：滑坡前緣西側(cè)沖溝坡面坍塌，規(guī)模約為10 m3，滑坡中部東側(cè)坡面坍塌，規(guī)模約為5 m3，經(jīng)調(diào)查均為降雨所致。ZGT2點位于滑坡前緣，其累積位移的小幅度上漲和前緣塌岸作用有關(guān)。

綜合分析認為，目前滑坡存在局部位移的情況，整體無變形，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在庫水位日降幅增大并疊加極端降雨的條件下，滑坡的穩(wěn)定性需要進一步進行分析驗證。

3 庫水位情況、降雨及模擬工況

自2003年庫區(qū)首次蓄水至135 m以來，正常運行情況下水位在145～175 m之間變動，根據(jù)歷年觀測數(shù)據(jù)，壩前水位上升速度≤2 m/d，下降速度≤1 m/d。該滑坡所在地秭歸縣地處中緯度地區(qū)，屬于亞熱帶大陸性季風氣候區(qū)。

經(jīng)分析，庫水位上升對該滑坡的影響較小，因此本研究主要研究庫水位下降的情況。根據(jù)長江三峽集團公司發(fā)布的水位情況，每年1—6月為庫水位下降期，本研究根據(jù)2016年庫水位實際下降情況模擬兩個階段：第一階段由壩前175 m水位降至壩前159 m水位，降速較緩，為0.12 m/d(此階段不加降雨)；第二階段由壩前159 m降至145 m，降速分別為0.6、0.8、1.0、1.2 m/d(此階段考慮降雨的影響)。1—6月份不是降雨的高發(fā)期，但仍要考慮極端的情況，本研究中的降雨量采用秭歸縣枯水期50 a重現(xiàn)值(即3 d降雨量為65 mm，見表1)，分別建立5種工況，見表2。

表1 秭歸縣降雨強度重現(xiàn)期 mm

表2 滑坡計算工況

4 模擬計算

選取滑坡地質(zhì)平面圖中的Ⅰ-Ⅰ′剖面作為計算剖面，建立有限元模型(見圖3)，其中節(jié)點數(shù)為3 212個、單元數(shù)為3 112個。

結(jié)合野外剪切試驗、室內(nèi)直剪試驗、地質(zhì)類比及反演分析等方法綜合取值，該滑坡體強度參數(shù)見表3。

圖3 滑坡有限元模型

參數(shù)滑體滑床容重(kN/m3)19．521．0變形模量(MPa)8538000泊松比0．270．20黏聚力(kPa)1622內(nèi)摩擦角(°)21．522．4滲透系數(shù)3．4×10-34×10-7飽和含水率(%)3214殘余含水率(%)3．51．4

5 結(jié)果分析

5.1 滲流模擬結(jié)果分析

利用加拿大數(shù)值仿真軟件Geo-Studio中的Seep模塊對5種工況下的地下水浸潤線進行模擬，得到如下滲流結(jié)果：第一階段庫水位從壩前175 m下降到159 m的過程中，地下水浸潤線在靠近滑面、高程175 m處開始產(chǎn)生陡降，第二階段庫水位從壩前159 m下降至145 m的過程中，工況1、2、3、4的庫水位下降速率分別為0.6、0.8、1.0、1.2 m/d，且都疊加了降雨的情況，地下水浸潤線從高到低依次為工況4、3、2、1；比較工況4和5，發(fā)現(xiàn)工況4的地下水浸潤線位置略高于工況5的；越靠近溢出口，地下水浸潤線越陡，工況4和5的浸潤線溢出點的高程均高于145 m。

比較分析工況1、2、3、4，在降雨條件相同的情況下，庫水位下降速率越大，地下水位線越高，這是因為在水位快速下降的過程中，地下水來不及排出，滯后于水庫水位下降。滑坡體中地下水向外的滲透力和產(chǎn)生的動水壓力作用于滑坡，使滑坡的穩(wěn)定性降低。比較工況4和5，在庫水位下降速率相同(均為1.2 m/d)的情況下，疊加了降雨的工況的地下水位線要高于未疊加降雨的工況，顯然降雨入滲導致了地下水浸潤線的提高。在非飽和土體中存在基質(zhì)吸力，當降雨滲入滑坡體時，含水量增加降低了滑坡體的基質(zhì)吸力，減小了滑坡體的抗剪強度，也會形成向臨空方向的動水壓力，牽引滑坡變形。工況4和5的地下水浸潤線在滑體前緣的區(qū)別不明顯，而在滑體中后部有明顯的區(qū)別，說明降雨主要影響的是滑體中后部，而對滑體前緣影響不大。工況4和5的浸潤線溢出點的高程均高于145 m，說明庫水位下降較快，而滑體的滲透性又較差，水位線以下的土體達到了飽和狀態(tài)。

5.2 穩(wěn)定性分析

利用Geo-Studio軟件中的Slope模塊計算出的5種工況下對應滑坡體的最小穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見圖4。

圖4 各工況穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)Seep和Slope耦合計算出5種工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)，反映了滑坡穩(wěn)定性與庫水位下降及降雨之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：當庫水位加速下降且疊加降雨之后，坡體的整體穩(wěn)定性大幅度降低，動水壓力增大，但并不是庫水位下降速率越大，穩(wěn)定性就越低，對比工況3和4，發(fā)現(xiàn)工況3的穩(wěn)定系數(shù)小于工況4的，而工況3是5種工況中最不穩(wěn)定的，即對于此滑坡而言，庫水位下降速率為1.0 m/d且疊加降雨的情況時，對滑坡穩(wěn)定最不利。工況1和2的穩(wěn)定系數(shù)隨著庫水位的下降(159 m下降到145 m)先下降后上升，主要原因是在庫水位下降速率不是很大的情況下，地下水排出坡體，穩(wěn)定系數(shù)降低，隨著庫水位的逐漸下降，影響滑體的地下水減少，滑坡的穩(wěn)定性又略有增加。工況5與4相比，穩(wěn)定系數(shù)有所提高，是因為工況5沒有疊加降雨，說明對于該滑坡，庫水位下降和降雨都是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素。在庫水位快速下降的過程中，滑坡體地下水位與庫水位形成落差，滑坡體地下水向外滲出，滲透力指向滑體外側(cè)，同時還產(chǎn)生較高的附加動水壓力作用于土體顆粒上，由于滑體滲透系數(shù)低，因此滑坡表現(xiàn)出滯后性。各種工況下穩(wěn)定系數(shù)均大于1.05，說明整體仍然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但不能排除滑坡前緣出現(xiàn)崩塌的可能性。

6 結(jié) 語

本研究根據(jù)三峽庫區(qū)水位實際調(diào)度方案，利用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio的Seep和Slope模塊對某退水滯后型滑坡進行模擬，對其滲流場及穩(wěn)定性進行分析，得到以下結(jié)論：

(1)Seep模塊模擬的滲流場結(jié)果表明：庫水位的下降和降雨產(chǎn)生一個較大的水力坡降，且?guī)焖幌陆邓俾试酱?，地下水位線越高，水位在快速下降的過程中，地下水來不及排出，滯后于庫水位下降。滑坡體中地下水向外的滲透力和產(chǎn)生的動水壓力作用于滑坡，使滑坡的穩(wěn)定性降低。

(2)降雨入滲是影響滑坡穩(wěn)定性的一個重要因素，但比較工況4和5發(fā)現(xiàn)兩工況穩(wěn)定系數(shù)相差并不大，這是由于滑體物質(zhì)的滲透系數(shù)較小，降雨不易入滲。因而對于該滑坡而言，影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素還是庫水位的下降。

(3)庫水位下降并疊加降雨的情況對滑坡的穩(wěn)定性不利，但并不是庫水位下降的速率越大，滑坡越不穩(wěn)定，模擬發(fā)現(xiàn)庫水位以1.0 m/d的速率下降并疊加降雨的工況滑體穩(wěn)定系數(shù)最低，為1.07。所有工況的穩(wěn)定系數(shù)均超過1.05，說明在三峽庫區(qū)水位日降幅增大并疊加極端降雨的情況下，該滑坡仍然保持基本穩(wěn)定。

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[6] 吳瓊,唐輝明,王亮清,等.庫水位升降聯(lián)合降雨作用下庫岸邊坡中的浸潤線研究[J].巖土力學,2009,30(10):3025-3031.

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(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(41172298、41302260)；湖北省自然科學基金創(chuàng)新群體項目(2012FFA040)；湖北省科技支撐計劃項目(2015BCE070)

P642.22

A

1000-0941(2017)08-0044-04

劉凱(1992—)，男，湖北恩施州人，碩士研究生，研究方向為邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡預測預報。

2017-01-15