李道臣 王志儉 邵杰鵬 吳 迪

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

降雨及庫水位耦合下白水河滑坡變形機(jī)理分析

李道臣 王志儉 邵杰鵬 吳 迪

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

降雨和庫水位的升降對三峽庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性有重要影響．根據(jù)飽和非飽和土的滲流理論及極限平衡原理方法，采用加拿大巖土有限元軟件Geo-Studio，對白水河滑坡在多種工況下的滲流場及穩(wěn)定性進(jìn)行計算，包括在庫水位175 m～145 m波動下， 6種設(shè)計工況和2015年實際工況．通過對白水河滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，表明白水河滑坡穩(wěn)定性同時受庫水位波動和降雨入滲影響，庫水位消落是滑坡變形的主要因素．計算分析結(jié)果為三峽庫區(qū)涉水滑坡變形機(jī)理研究及預(yù)測提供一定的參考．

白水河滑坡； 庫水位； 降雨； 穩(wěn)定性

滑坡的穩(wěn)定性不僅跟滑坡的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層、巖性組成等內(nèi)在因素有關(guān)，也跟外在因素有關(guān)．影響三峽庫區(qū)涉水滑坡穩(wěn)定性的主要外在因素是庫水位的升降和降雨，在庫水位175～145 m調(diào)度周期性升降和降雨疊加的情況下引起地下水位波動，誘發(fā)滑坡變形失穩(wěn)形成地質(zhì)災(zāi)害．現(xiàn)已失穩(wěn)或仍持續(xù)引起變形的滑坡中，絕大部分都是跟降雨及庫水位變化地下水滲流場改變[1-2]有關(guān)，如三峽庫區(qū)千將坪滑坡、樹坪滑坡、臥沙溪滑坡、白水河滑坡等[3-4]．從2003年三峽水庫蓄水開始諸多學(xué)者專家如易武、易慶林等[3]在對庫區(qū)滑坡進(jìn)行了長期監(jiān)測研究，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示滑坡變形量顯著增加時段一般分布在每年的5～8月，其中庫水位下降期變形最大，其變形速率也是顯著的提高．白水河滑坡目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在庫水位的下降疊加降雨時段滑坡變形更為顯著．本文以白水河滑坡為例，利用有限元滲流分析軟件Geo-Studio中的seep/w和slope/w模塊對該滑坡在庫水位下降疊加降雨邊界條件下進(jìn)行地下水滲流及穩(wěn)定性計算分析．

圖1 白水河滑坡平面

1 滑坡工程地質(zhì)概況[1]

白水河滑坡位于秭歸縣沙溪鎮(zhèn)樂豐村，靠長江南岸．滑坡區(qū)多年平均降雨量1 493.2 mm，降雨具有連續(xù)集中的特點，雨季多暴雨，100 mm以上的暴雨主要發(fā)生在6、7月，正好是庫水位周期性下降時期．滑坡屬于單斜順層斜坡，前緣剪出口在防洪限制水位145 m水位以下，滑坡南北長500 m，東西寬430 m，面積21.5×104m2，滑體平均厚度約30 m，體積645×104m3，主滑方向20°，屬深層大型土質(zhì)滑坡．滑體主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，這幾種成因的巖土體分層性差，天然重度20 kN/m3，飽和重度21 kN/m3．滑帶以含碎石或者含角礫粉質(zhì)粘土為主，部分滑帶巖土物質(zhì)成分為角礫土和粘土，土石比為9∶1～7∶3．

圖2 白水河3-3工程地質(zhì)剖面圖

2 滑坡變形特征

從2003年6月蓄水至135 m以來，對白水河滑坡進(jìn)行實施專業(yè)變形監(jiān)測，滑坡的變形一直在持續(xù)發(fā)展．2003年到2013年間白水河滑坡出現(xiàn)了數(shù)次滑坡險情預(yù)警預(yù)報，其中2004年出現(xiàn)顯著的宏觀變形，局部出現(xiàn)拉裂縫，最大下沉量達(dá)到150 mm，對白水河滑坡險情進(jìn)行了黃色預(yù)警警報；2007年7月29日，滑坡最大累積位移量達(dá)1 737.1 mm(XD-03)．2007年7月26日～29日白水河滑坡位移速率高達(dá)26.2～50.85 mm/d(7月26日XD-01 點)，白水河滑坡預(yù)警級提升為橙色警戒級,從對白水河滑坡監(jiān)測點的位移數(shù)據(jù)[5]以及現(xiàn)有的宏觀變形上看，庫水位消落期間和降雨量較集中期，也是滑坡變形加速期間．如圖3通過對2013年～2016年監(jiān)測點ZG93、ZG118和XD01變形數(shù)據(jù)與此期間庫水位和降雨的統(tǒng)計分析，位移監(jiān)測變形曲線呈現(xiàn)“階躍段”趨勢，說明庫水位下降和降雨疊加耦合作用對滑坡的穩(wěn)定性有較顯著的影響．

圖3 2013～2015年白水河滑坡監(jiān)測點累積位移與大氣降雨、三峽庫水位關(guān)系圖

3 滑坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

3.1 誘發(fā)因素分析

影響庫區(qū)涉水滑坡穩(wěn)定性變化的實質(zhì)主要還是跟水有關(guān)，其中降雨是其中重要因素之一．降雨通過滑坡表層松散堆積中的空隙，以及變形裂縫直接入滲到滑體中，使得滑帶孔隙水壓增大，抗剪強(qiáng)度下降，在庫水位快速下降時庫水位和滑坡地下水位之間造成水位差，使滑坡體受到滲透力作用．

滑坡巖土體一般處于非飽和狀態(tài)，存在基質(zhì)吸力，現(xiàn)有諸多學(xué)者如劉新喜等[6-7]研究表明基質(zhì)吸力對巖土體抗剪強(qiáng)度有增強(qiáng)的作用，土體的基質(zhì)吸力跟含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量入滲,土體中含水率逐漸增大，從而基質(zhì)吸力減小達(dá)到飽和后消失．庫水位下降時動水壓力方向向滑坡外．兩個耦合的情況下加大滑坡體失穩(wěn)的幾率，降低滑體的穩(wěn)定性，根據(jù)非飽和土滲流理論和非飽和土抗剪強(qiáng)度公式得到體現(xiàn)：

白水河滑坡巖土體含水主要是堆積體中的上層滯水和巖層中的裂隙水，地下水的補給主要來自降雨和庫水．當(dāng)不考慮含水層彈性釋水時，二維飽和-非飽和滲流控制方程為[7-11]：

當(dāng)土壤含水率為飽和狀態(tài)時，含水率為飽和含水率θS，而基質(zhì)視為零，忽略水層彈性釋水的飽和非穩(wěn)定滲流方程實際上退化為橢圓方程，邊界上任意一點的水頭或流量的變化都會立刻影響整個滲流場而飽和-非飽和滲流理論就能很好的分析降雨入滲引起的邊坡瞬態(tài)滲流場，本文以白水河滑坡主軸剖面3-3為例分析．

圖4 白水河滑坡3-3剖面滲流邊界條件示意圖

降雨條件下該滑坡地下水動力學(xué)邊界條件為流量邊界，例如當(dāng)水位為175 m時，滑坡后緣至高程175 m之間的地表邊界為流量邊界(如圖4所示)．滑坡體表面巖土體的滲透性和降雨強(qiáng)度的大小因素決定著降雨的入滲率．降雨強(qiáng)度超過巖土體的滲透能力時，坡面就會形成積水產(chǎn)生徑流，相反將會全部入滲．雨水在坡面的滲流流速取決于坡面巖土體的滲透系數(shù)k，降雨強(qiáng)度q(mm/s)和流速v(mm/s)存在式(3)和式(4)的關(guān)系，根據(jù)兩者關(guān)系就可確定坡面入滲模擬的邊界條件為：

v≤q取入滲速度為

3.2 滑坡滲流工況計算穩(wěn)定性分析

采用有限元滲流軟件Geo-studio中的seep/w模塊對白水河滑坡6種設(shè)計工況進(jìn)行滲流計算．6種工況為靜水位145m、156m、162m和175m，水位175m消落至145m疊加20年一遇5日暴雨，水位162m消落至145m疊加20年一遇5日暴雨．依據(jù)秭歸縣降雨資料統(tǒng)計分析，其中枯水期設(shè)計降雨過程為重現(xiàn)期20年一遇5日暴雨q枯=17.171 mm/d，汛期設(shè)計降雨過程為重現(xiàn)20年一遇5日暴雨q全=17.171 mm/d．汛期來臨之前水庫水位從壩前水位175 m降至145 m，下降速度采用0.67 m/d，汛期壩前水位從162.0 m降至145.0 m，采用1.0 m/d降幅速度．采用seep/w對滑坡3-3剖面進(jìn)行滲流分析，并將滲流計算結(jié)果導(dǎo)入到slope/w模塊，利用極限平衡法中的Morgenstern-price計算類型進(jìn)行穩(wěn)定性計算．通過在不同工況下滑坡中孔隙水壓及水力坡度變化規(guī)律對比，來反應(yīng)其變化對滑坡穩(wěn)定性的影響．

1)建立計算模型

模型大小尺寸嚴(yán)格按照原3-3′地質(zhì)剖面建立，分為滑體、滑帶、滑床以及上覆殘坡積土，共劃分成5 928個節(jié)點，5 983個網(wǎng)格．

圖5 白水河滑坡3-3剖面滲流計算模型

2)邊界條件及參數(shù)

滲流邊界條件設(shè)置為：庫水位以下為動水頭邊界，庫水位以上坡面為降雨邊界，底部為隔水邊界，初始地下水位及巖土物理力學(xué)參數(shù)由野外勘測資料獲得．

表1 滑坡物理力學(xué)計算參數(shù)

3)滲流計算結(jié)果

白水河滑坡的穩(wěn)定性主要受到庫水消落和降雨影響，兩者的疊加使得變形速率明顯增大．水位消落時安全系數(shù)明顯減小，最危險工況一般在水位消落工況．為了說明庫水位和降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響程度大小，按2015年的實際庫水位和降雨資料用于滲流計算，來說明庫水位和降雨的耦合作用．圖6為2015年實際庫水位和白水河滑坡的降雨曲線．經(jīng)計算獲得考慮和不考慮降雨條件下白水河滑坡的滲流場．

圖6 2015年實際降雨和庫水位變化曲線

圖7為高程145 m處滑帶位置孔隙水壓的變化．孔隙水壓與庫水位變化的總體趨勢基本一致，當(dāng)庫水位降至145 m時，孔隙水壓降至155 m附近，孔隙水壓消散滯后于庫水位下降．隨后孔隙水壓在持續(xù)下降，直到庫水位上漲時，孔隙水壓仍然沒有下降到145 m．比較考慮降雨與不考慮降雨差異可以發(fā)現(xiàn)，考慮降雨時孔壓大于不考慮降雨的孔壓，但差異不大，差距在0.3 m左右．

圖7 滑帶部位孔隙水壓隨水位變化

圖8為高程145 m處滑帶的水力梯度變化曲線，在庫水位消落時，水力梯度快速的增大，同時水力梯度在考慮降雨的情況下比不考慮降雨下大．在庫水位穩(wěn)定后快速回升時，水力梯度也是迅速的增大．水位達(dá)到穩(wěn)定水位后水力梯度開始下降最后平穩(wěn)，水位上升時考慮降雨的水力梯值略小于不考慮降雨條件下．在降雨條件下，130～230日(6月10日至8月18日)期間，145 m高程處滑帶水力梯度在0.08～0.06左右，并緩慢下降．不考慮降雨時，130～230日期間，145 m高程處滑帶水力梯度在0.04～0.06左右，并且在庫水位降至145 m后，水力梯度呈逐漸減少趨勢．降雨入滲使土體逐漸達(dá)到飽和使水頭得到補充,水頭的下降速度相對于無降雨時慢,加上降雨改變了巖土滲透性，在庫水位下降期，地下水滲流方向向滑坡體外，地下水不能與庫水位降速同步，滯后庫水位造成水力梯度增大．

圖8 145 m處滑帶水力梯度

降雨條件下滑帶的靜水壓和動水壓明顯大于無降雨條件．在庫水位消落時，滑坡體內(nèi)的孔隙水壓逐漸消散，水分向坡體外遷移．根據(jù)有限元滲流計算，降雨后在水位175 m以上的滑體中并無連續(xù)的地下水位，所以降雨入滲使滑坡體處于非飽和狀態(tài)的入滲，由于降雨非飽和入滲對滑坡土體水分補給，導(dǎo)致滑坡體內(nèi)孔壓消散變慢．當(dāng)庫水位處于低位時，如無降雨補給水分，孔隙水壓消散速度快；當(dāng)有降雨補給時，孔壓消散速度慢，甚至可能升高．

4)穩(wěn)定性計算結(jié)果

各工況穩(wěn)定性計算結(jié)果得見表2，靜水位條件下，低水位時穩(wěn)定性一般較低，高水位時穩(wěn)定性有提高，庫水位消落時，從175 m～145 m和162 m～145 m降幅工況下穩(wěn)定性明顯下降．在汛期庫水位下降對滑坡的穩(wěn)定性影響是顯著的．主要原因還是庫水位急速下降導(dǎo)致滑坡巖土內(nèi)地下水下降滯后于庫水位下降導(dǎo)致，庫水位降幅越大使得滲透力越大[12-13]，并且方向向滑坡外，造成穩(wěn)定性降低．

表2 白水河滑坡穩(wěn)定性計算工況及安全系數(shù)

圖9 條分法計算簡圖

通過選取2015年實際工況庫水位位于145 m、156 m、162 m和175 m．在考慮降雨和不考慮降雨條件下進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果見表3．

表3 2015年實際工況穩(wěn)定性系數(shù)

當(dāng)考慮降雨時穩(wěn)定性系數(shù)為0.992～1.069，庫水位消落使滑坡穩(wěn)定性降低0.077．不考慮降雨時，剖面的穩(wěn)定性系數(shù)為0.999～1.072，庫水位消落使滑坡穩(wěn)定性降低0.073．可見有降雨作用時，庫水位波的動對滑坡穩(wěn)定性的影響程度會更大．在相同庫水高程時，考慮降雨的穩(wěn)定性系數(shù)比不考慮降雨上的穩(wěn)定性系數(shù)低0.003～0.007．按2015年庫水變化和降雨條件分析結(jié)果可見，降雨對滑坡穩(wěn)定性影響較?。捎诒O(jiān)測數(shù)據(jù)分析汛期降雨和庫水位消落處于同一時段，此時白水河滑坡基本處于極限平衡狀態(tài)，降雨使穩(wěn)定性系數(shù)絕對值降低雖然不大，但非常關(guān)鍵，能加劇滑坡變形速率和改變穩(wěn)定性狀態(tài)．由于采用的飽和-非飽和入滲理論進(jìn)行地下水分析時并沒有考慮降雨產(chǎn)生地表徑流直接進(jìn)入滑坡裂縫對滑坡穩(wěn)定性的影響，因此實際降雨對穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)分析影響應(yīng)該大于理論計算值．

4 結(jié) 論

1)對于白水河滑坡的變形增加主要集中在庫水位下降和降雨量較大的汛期5～8月．

2)庫水位從175 m降至145 m庫水位消落的過程跟靜水位工況相比穩(wěn)定性要小，在疊加降雨條件下都將降低穩(wěn)定性．

3)從2015年實際工況分析在有降雨和沒有降雨的條件下對滑坡，滑坡體力內(nèi)的孔隙水壓力和水力梯度是都受降雨的明顯影響．

4)降雨入滲對滑坡整體穩(wěn)定性的影響小于庫水位運行對滑坡穩(wěn)定性的影響．當(dāng)汛期降雨和庫水位消落疊加時，降雨因素對白水河滑坡穩(wěn)定狀態(tài)和滑坡變形速率起著關(guān)鍵性作用．

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[責(zé)任編輯 周文凱]

Analysis on Deformation Mechanism of Baishui River Landslide under Rainfall and Reservoir Water Level Coupling

Li Daochen Wang Zhijian Shao Jiepeng Wu Di

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

The rise and fall of rainfall and water level of three gorges reservoir area landslide deformation instability plays an important influence factor, according to the saturated unsaturated soil seepage theory and principles of limit equilibrium method, the Canadian geotechnical finite element software Geo-Studio, to the white river seepage field and stability of the landslide in various working conditions is calculated and included in the 175m～145m water fluctuation, the working condition of 6 kinds of design and actual working condition in 2015. Through to the white river landslide of the existing monitoring data analysis, the results show that white river landslide stability affected by water level fluctuation and rainfall infiltration at the same time, the water level down is the main factor of landslide deformation. The analysis result is a reference for the deformation mechanism and prediction of the landslide in the three gorges reservoir area.

Baishuihe landslide; reservoir water level; rainfall; stability

2017-01-05

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃重點項目(D20151201)；宜昌市科學(xué)技術(shù)局科技研究與開發(fā)項目(A14-302-a10)

李道臣(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為地質(zhì)災(zāi)害與防治．E-mail： 412611828@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.010

TV698.23

A

1672-948X(2017)04-0046-05