庫水變動下水庫滑坡變形演化機(jī)理

程江濤

中化地質(zhì)礦山總局湖北地質(zhì)勘查院，湖北 武漢 430075

水庫滑坡是指在水庫建設(shè)與運(yùn)營期間由于水位上升、水位驟降或降雨等影響因素作用導(dǎo)致岸坡內(nèi)地下水動力學(xué)條件改變而產(chǎn)生的一種地質(zhì)災(zāi)害[1]，其變形失穩(wěn)往往帶來十分嚴(yán)重的后果，其危害性主要體現(xiàn)在兩個方面[2-3]：①滑坡失穩(wěn)形成的大量巖土體涌入水庫內(nèi)，將減少有效庫容，甚至形成壩前壩，導(dǎo)致水庫不能正常運(yùn)營；②高速滑入水庫內(nèi)的巖土體將會產(chǎn)生巨大涌浪，當(dāng)滑坡體位于近壩庫岸時，由涌浪產(chǎn)生的巨大沖擊荷載將可能導(dǎo)致大壩在瞬間內(nèi)產(chǎn)生垮塌，同時涌浪波及范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)居民往往來不及轉(zhuǎn)移，給庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。國內(nèi)外有關(guān)水庫滑坡失穩(wěn)的實(shí)例屢見不鮮，國外如1963年10月發(fā)生于意大利瓦依昂（Vajont）水庫左岸巨型滑坡，20s內(nèi)有超過2億方的滑體以28m/s的速度飛越寬約80m的河谷，激起高出原庫水位約250m的巨大涌浪，造成水庫下游約2600人死亡，同時滑體將壩前1.8km范圍內(nèi)的庫容全部填滿，導(dǎo)致整個瓦依昂水庫完全報廢[4-6]；國內(nèi)如1961年3月發(fā)生于湖南資水河谷柘溪水庫大壩上游右岸的大型順層基巖滑坡（塘巖光滑坡），在水庫工程尚未竣工的情況下，約有165萬方的滑體以高達(dá)25m/s的速度在瞬間滑入深50m的水庫，激起高約21m的涌浪，造成40余人死亡[7]；2003年7月發(fā)生于三峽庫區(qū)支流青干河左岸的千將坪特大型巖質(zhì)滑坡，約有1500萬方滑體在5分鐘內(nèi)滑入水庫內(nèi)，激起超過30m高的涌浪，導(dǎo)致14人死亡，10人失蹤，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8000多萬元[8-9]。以上典型事例表明，水庫滑坡失穩(wěn)造成的后果往往是災(zāi)難性的。三峽庫區(qū)庫岸作為庫區(qū)移民搬遷的安置點(diǎn)，水庫滑坡一旦失穩(wěn)，將會直接影響庫岸城鎮(zhèn)居民的生命財產(chǎn)安全以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展與社會秩序。由此可見，研究水庫滑坡的穩(wěn)定性對于確保水電工程的順利建設(shè)與安全運(yùn)營以及庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

水庫滑坡就一直是水利水電工程與工程地質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，并得到了廣大學(xué)者與業(yè)內(nèi)人士的高度重視[10-12]。在1992年召開的第六屆國際滑坡專題研討會議上，水庫滑坡的穩(wěn)定性問題被作為一個重點(diǎn)進(jìn)行了專題討論[13]；2002年ICOID為水庫滑坡的勘察與評價建立了專門的分析指南[14]。

在已有研究中存在以下幾方面問題:

①目前的研究多集中在地下水浸潤線的空間分布形態(tài)方面，對滲流過程中產(chǎn)生的地下水作用效應(yīng)及其演化規(guī)律的研究則較為少見，而該方面的研究是揭示水庫滑坡變形演化機(jī)理的基礎(chǔ)，尚需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

②目前的研究多從定性角度分析滑坡失穩(wěn)的影響因素，而對滑坡變形過程中地下水力學(xué)作用效應(yīng)的強(qiáng)弱關(guān)系及其主導(dǎo)效應(yīng)的演化規(guī)律則很少研究，該方面的研究則是揭示水庫滑坡變形失穩(wěn)機(jī)理的關(guān)鍵，尚需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

③目前關(guān)于水庫滑坡穩(wěn)定性演化趨勢方面的研究多以庫水位下降過程為研究對象，而對一個完整水年內(nèi)的滑坡穩(wěn)定性演化趨勢則很少研究，尤其是針對三峽庫區(qū)實(shí)際水位調(diào)度下的滑坡穩(wěn)定性演化趨勢則更少，尚需進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。

論文綜合采用地質(zhì)學(xué)、滑坡學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、地下水動力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論基礎(chǔ)知識結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計、非線性理論、數(shù)值模擬等數(shù)學(xué)分析方法，探討水庫滑坡的變形演化機(jī)理。

通過研究，能系統(tǒng)深入的揭示庫水變動過程中水庫滑坡的變形演化機(jī)理，同時為三峽庫區(qū)水庫滑坡的防災(zāi)減災(zāi)及監(jiān)測預(yù)警提供了一些行之有效的方法。

1 滑坡概況和變形分區(qū)

1.1 滑坡概況

李家灣滑坡位于長江左岸斜坡地帶，距三峽大壩壩址71.73km，行政區(qū)劃隸屬巴東縣東瀼口鎮(zhèn)舊縣坪村一組。地理坐標(biāo)：X：3437798，Y：37439310；緯度：31°03′34″，經(jīng)度：110°21′51″。

研究區(qū)內(nèi)主要的地表水系為自西向東橫穿巴東縣中部的長江水系，西起邊域溪河口，東至?？谌腼鰵w縣境，流經(jīng)縣境長約38公里，多年平均流量4487.7億m3。

滑坡區(qū)地處長江北岸，地形地貌類型屬構(gòu)造剝蝕中低山峽谷地貌，地勢總體上呈現(xiàn)出北東高、西南低的空間分布特征?；潞缶壐叱?00m，前緣最低高程90m左右，相對高差約210m。坡體中部200～210m高程處修筑有雷太公路，公路上部切坡地段形成4～8m高的陡坡（圖1）。

李家灣滑坡區(qū)出露的地層主要為中生界三疊系中統(tǒng)巴東組第二段（T2b2）陸相層狀碎屑巖地層和第三段（T2b3）淺海相碳酸鹽巖地層，以及上覆新生界第四系（Q4）松散堆積層。

圖1 滑坡全貌圖Fig. 1 Landslide panorama

1.2 李家灣滑坡變形敏感性分區(qū)

變形敏感性是指滑坡在外界擾動因素作用下滑坡系統(tǒng)中各點(diǎn)變形偏離基準(zhǔn)狀態(tài)的趨勢和程度。

敏感性程度可用擾動因素作用下的位移增量與最大位移增量的比值確定，比值越大表明測點(diǎn)對擾動因素越敏感，反之亦然，其計算公式如下：

式中：fi-空間上第i點(diǎn)的敏感性系數(shù)[15-17]；S′i-空間上第i點(diǎn)在擾動因素作用下的位移值；Si-空間上第i點(diǎn)的位移基準(zhǔn)值；n-空間離散點(diǎn)的個數(shù)。

通過（1）式即可求得滑坡空間上任意一點(diǎn)在擾動因素作用下的變形敏感性系數(shù)。為進(jìn)一步評價各點(diǎn)的敏感性程度，以便進(jìn)行滑坡變形敏感性分區(qū)，在此采用等間距的四區(qū)間評價方法將敏感性系數(shù)劃分為4個等級，即不敏感區(qū)A4（fi≤0.25）、一般區(qū)A3（0.25

選取李家灣滑坡9個地表GPS監(jiān)測點(diǎn)在145～175～145m波動段中的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，以水庫蓄水初期（2008年8月）的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)狀態(tài)，運(yùn)用上述原理，求得李家灣滑坡在水庫蓄水過程中（2009年1月）的變形敏感性分區(qū)結(jié)果（圖2）以及在水庫泄水過程中（2009年8月）的變形敏感性分區(qū)結(jié)果（圖3）。

圖2 蓄水過程中的變形敏感性分區(qū)圖Fig. 2 Zoning map of deformation sensitivity during impoundment

圖3 泄水過程中的變形敏感性分區(qū)圖Fig. 3 Zoning map of deformation sensitivity during discharge

通過上述圖2和圖3可知：

水庫蓄水過程中（145～175m）：滑坡變形在橫向上，自東而西敏感性逐漸增強(qiáng)；在縱向上，自上而下敏感性逐漸增強(qiáng)。其中滑坡變形極敏感區(qū)A1區(qū)主要位于中前部偏西側(cè)，占滑坡總面積的29%；變形敏感區(qū)A2區(qū)主要位于中部以及中前部偏東側(cè)，占滑坡總面積的35%；變形一般區(qū)A3主要位于中后部，占滑坡總面積的28%；變形不敏感區(qū)A4主要位于后部偏東側(cè)，占滑坡總面積的9%。

水庫泄水過程中（175～145m）：滑坡變形敏感性區(qū)域自西向東、自下而上明顯擴(kuò)大，且不存在變形不敏感區(qū)。其中滑坡變形極敏感區(qū)A1區(qū)主要位于中前部偏西側(cè)，占滑坡總面積的43%；變形敏感區(qū)A2區(qū)主要位于中部以及中前部偏東側(cè)，占滑坡總面積的39%；變形一般區(qū)A3主要位于中后部，占滑坡總面積的18%。

這說明水庫泄水較水庫蓄水對滑坡的影響要大，且水庫泄水對整個滑坡體的變形均產(chǎn)生影響，而水庫蓄水僅對中部及前部滑體的變形產(chǎn)生影響，驗(yàn)證了李家灣滑坡屬于典型的水庫泄水主導(dǎo)型水庫滑坡。

2 滑坡體滲透系數(shù)反演分析

李家灣滑坡體上3個地下水位監(jiān)測孔的監(jiān)測資料顯示，滑坡前緣李9號監(jiān)測孔的地下水位主要受庫水變動的影響，且在庫水變動過程中該監(jiān)測點(diǎn)的地下水位與庫水位具有一致性，為此滲透系數(shù)的反演主要依據(jù)李9號監(jiān)測孔的地下水位監(jiān)測資料。由于李9號監(jiān)測孔的孔底高程為151.4m，監(jiān)測的地下水位在152.2～169.4m之間，為此截取2008-10-05至2009-05-13時間段的地下水位作為反演分析的數(shù)據(jù)，并以2008-10-05時刻的地下水位作為初始條件進(jìn)行滲流分析。

將李9監(jiān)測孔實(shí)測的地下水位代入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[18]中，求得滑體的反演滲透系數(shù)為6.44×10-6m/s，將反演得到的滲透系數(shù)輸入到滲流計算模型中求得李9監(jiān)測孔在不同時步的地下水位計算值與實(shí)測值的對比情況[19-20]如圖4所示。

圖4 計算值與實(shí)測值對比圖Fig. 4 Comparison of calculated and measured values

3 滑坡變形數(shù)值模擬分析

3.1 滑坡數(shù)值計算模型的建立

滑坡幾何模型、地質(zhì)模型與網(wǎng)格模型均在ANSYS軟件中完成。計算模型范圍：沿剖面方向（X軸方向）長度取為520m，模型頂部最大高程320.0m，底部高程80m。然后利用自編的SMS1.0版程序?qū)NSYS網(wǎng)格剖分的單元與節(jié)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為FLAC3D的前處理數(shù)據(jù)格式，最終建立的數(shù)值計算模型如圖5所示。

圖5 滑坡數(shù)值計算模型Fig. 5 Numerical calculation model of landslide

模型邊界：x=0m左側(cè)邊界約束x方向位移；y=80m底邊界為固定約束邊界；模型前后兩側(cè)邊界約束z方向位移；坡面設(shè)為自由邊界。在初始條件計算過程中，僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場。

滑體、滑帶和滑床均采用理想彈塑性材料模型，其破壞準(zhǔn)則遵從庫侖-莫爾屈服準(zhǔn)則。數(shù)值計算中所需的參數(shù)主要有粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ、體積模量K、剪切模量G和抗拉強(qiáng)度，具體參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

3.2 蓄水過程滑坡變形響應(yīng)分析

將SEEP/W模塊中模擬的地下水浸潤線導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值計算模型中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計算。模擬結(jié)果說明，庫水位上升過程對滑坡變形的影響較小，而蓄水穩(wěn)定過程則對滑坡變形的影響較大，且變形敏感性區(qū)域主要位于庫水變動的影響區(qū)域；對滑坡剪應(yīng)變的影響較小，而蓄水穩(wěn)定過程則對滑坡剪應(yīng)變的影響較大。庫水位上升有利于滑坡的穩(wěn)定，這是由于庫水壓力效應(yīng)大于孔隙水壓力效應(yīng)所致；蓄水穩(wěn)定過程則不利于滑坡的穩(wěn)定，這是由于庫水壓力效應(yīng)小于孔隙水壓力效應(yīng)所致，該結(jié)論與剛體極限平衡法求解的穩(wěn)定性演化趨勢具有一致性。

3.3 泄水過程滑坡變形響應(yīng)分析

將前述SEEP/W模塊中模擬的地下水浸潤線導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值計算模型中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計算。模擬結(jié)果說明，庫水位下降過程對滑坡變形的影響較大，而泄水穩(wěn)定過程則對滑坡變形的影響較小；對滑坡剪應(yīng)變的影響較大，而泄水穩(wěn)定過程則對滑坡剪應(yīng)變的影響較小。庫水位下降不利于滑坡的穩(wěn)定，這是由于孔隙水壓力效應(yīng)大于庫水壓力效應(yīng)所致；泄水穩(wěn)定過程則有利于滑坡的穩(wěn)定，這是由于孔隙水壓力效應(yīng)小于庫水壓力效應(yīng)所致，該結(jié)論與剛體極限平衡法求解的穩(wěn)定性演化趨勢具有一致性。

4 滑坡變形演化機(jī)理研究

4.1 滑坡滲流場演化特征

以145.80m穩(wěn)定水位作為初始計算條件，根據(jù)建立的李家灣滑坡滲流計算模型與計算參數(shù)，利用瞬態(tài)滲流計算模式，求得水庫蓄水過程中李家灣滑坡在不同時刻的地下水浸潤線分布特征[21-23]（藍(lán)色線條）如圖6所示，泄水過程的如圖7。

從蓄水過程中地下水浸潤線的形態(tài)特征上看：蓄水過程中岸坡地下水浸潤線在坡面縱深范圍內(nèi)均出現(xiàn)了“倒流”現(xiàn)象，浸潤線形態(tài)呈“凹”型，即坡體內(nèi)地下水位滯后于庫水位，并且?guī)焖仙俣仍酱螅@種滯后現(xiàn)象就越明顯。這主要是由于李家灣滑坡體的滲透系數(shù)較小，庫水補(bǔ)給滑坡內(nèi)地下水需要較長時間所致。

從泄水過程中地下水浸潤線的形態(tài)特征上看：泄水過程中岸坡地下水浸潤線在坡面縱深范圍內(nèi)均出現(xiàn)“順流”現(xiàn)象，浸潤線形態(tài)呈“凸”型，即坡體內(nèi)地下水位滯后于庫水位，且?guī)焖陆邓俣仍酱螅@種滯后現(xiàn)象越明顯。這主要是由于李家灣滑坡體的滲透系數(shù)較小，坡體內(nèi)地下水向外排泄需要較長的時間所致。

圖6 蓄水過程中浸潤線分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of phreatic line during water storage

圖7 泄水過程中浸潤線分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of phreatic line during sluicing

4.2 滑坡變形演化機(jī)理研究

4.2.1 李家灣滑坡變形分析計算模型

對于潛水含水層水庫滑坡而言，可通過研究浮力效應(yīng)[24]、滲透力效應(yīng)[24-26]和滑帶土的干濕效應(yīng)引起的剩余下滑力來揭示水庫滑坡在庫水變動過程中的變形演化機(jī)理。采用不平衡推力法研究上述三種地下水力學(xué)作用效應(yīng)的計算模型如圖8所示。

圖8 滑坡穩(wěn)定性計算條分圖Fig. 8 Slice diagram of landslide stability calculation

4.2.2 李家灣滑坡變形演化機(jī)理

以BDT-37號地表位移監(jiān)測點(diǎn)所在的條塊為研究對象（第10個條塊）。該條塊在李家灣滑坡劃分的條塊中，變形特征典型，具有很強(qiáng)的代表性，并且在該條塊位置處也布置了監(jiān)測點(diǎn)，數(shù)據(jù)來源及分析結(jié)果更為真實(shí)可靠，因此該條塊變形可代表整個李家灣滑坡。求得該條塊在庫水變動過程中由上述三種地下水力學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的總的剩余下滑力如圖9所示；條塊總剩余下滑力與監(jiān)測點(diǎn)位移對比分析圖如圖10所示；條塊總剩余下滑力變化速率與監(jiān)測點(diǎn)位移速率的對比關(guān)系如圖11所示，圖中正值表示剩余下滑力的作用方向指向坡外（促進(jìn)滑坡變形展），負(fù)值表示剩余下滑力的作用方向指向坡內(nèi)（抑制滑坡變形展）。

圖9 總剩余下滑力分析圖Fig. 9 Analysis chart of total residual sliding force

圖10 剩余下滑力與監(jiān)測點(diǎn)位移對比圖Fig. 10 Comparison of residual sliding force and displacement of monitoring point

圖11 總剩余下滑力變化速率與監(jiān)測點(diǎn)位移速率對比圖Fig. 11 Comparison between the change rate of the total residual sliding force and the displacement rate of the monitoring point

從庫水變動過程中地下水力學(xué)作用的綜合效果上看：浮力效應(yīng)產(chǎn)生的剩余下滑力始終指向坡內(nèi)，滑帶土的干濕效應(yīng)產(chǎn)生的剩余下滑力始終指向坡外，滲透力效應(yīng)產(chǎn)生的剩余下滑力在水庫蓄水期間指向坡內(nèi)，而在泄水期間則指向坡外。由此可見，庫水上升的t=0～30d時段條塊總的剩余下滑力（正值）是受地下水的浮托軟化效應(yīng)控制的；庫水上升的t=30～47d時段條塊總的剩余下滑力（負(fù)值）是受地下水的滲透力效應(yīng)控制的；蓄水穩(wěn)定的t=47～127d時段條塊總的剩余下滑力（負(fù)值）是受地下水的浮托軟化效應(yīng)控制的；水庫泄水過程中條塊總的剩余下滑力（負(fù)值）則始終是受滲透力效應(yīng)控制的。

從BDT-37監(jiān)測點(diǎn)的位移與條塊剩余下滑力的相關(guān)性上看：滑坡體的變形與條塊的剩余下滑力是密切相關(guān)的，當(dāng)?shù)叵滤饔卯a(chǎn)生的剩余下滑力指向坡內(nèi)時，滑坡變形處于穩(wěn)定，當(dāng)剩余下滑力指向坡外時，滑坡變形得到發(fā)展。

綜上所述，李家灣滑坡前緣BDT-37監(jiān)測點(diǎn)在水庫蓄水過程中產(chǎn)生變形的原因是由于滑帶土的浸泡軟化效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致；在水庫泄水過程中產(chǎn)生變形的原因是由于滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致；采用剩余下滑力來解釋庫水變動過程中的滑坡變形演化機(jī)制是可行的。

4.2.3 李家灣滑坡穩(wěn)定性演化趨勢

李家灣滑坡在水庫蓄水過程的穩(wěn)定性演化趨勢屬于復(fù)合型水庫滑坡的穩(wěn)定性演化模型，水庫泄水過程中的穩(wěn)定性演化趨勢則屬于滲透力主導(dǎo)型水庫滑坡的穩(wěn)定性演化模型。水庫蓄水初期（t=0～47d）滑坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出減速上升的原因，主要是由滲流區(qū)條塊的滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡內(nèi)的剩余下滑力所致，由于該過程中滲透力效應(yīng)呈減速上升趨勢，故其穩(wěn)定性呈減速上升趨勢；水庫蓄水后期（t=47～127d）滑坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出加速下降的原因，是由于滲流區(qū)條塊的浸泡軟化效應(yīng)導(dǎo)致指向坡內(nèi)的剩余下滑力減小所致；庫水位下降過程中（t=127～265d）滑坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)加速下降的原因，是由滲流區(qū)條塊的滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致，由于該過程中滲透力效應(yīng)呈加速上升趨勢，故其穩(wěn)定性呈加速下降趨勢；泄水穩(wěn)定過程中（t=265～303d）滑坡穩(wěn)定性略有上升的原因，是由于滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力減小所致。根據(jù)上述分析，建立的李家灣滑坡在庫水變動過程中的穩(wěn)定性演化機(jī)理如圖12所示。

圖12 穩(wěn)定性演化機(jī)理Fig. 12 Stability evolution mechanism

5 結(jié)論

（1）滑坡變形與庫水變動過程中地下水作用產(chǎn)生的剩余下滑力是密切相關(guān)的，當(dāng)?shù)叵滤饔卯a(chǎn)生的剩余下滑力指向坡內(nèi)時，滑坡變形趨勢穩(wěn)定；當(dāng)?shù)叵滤饔卯a(chǎn)生的剩余下滑力指向坡外時，滑坡變形得到發(fā)展。李家灣滑坡前緣BDT-37監(jiān)測點(diǎn)在蓄水過程產(chǎn)生變形的原因是由滑帶土的浸泡軟化效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致；泄水過程中產(chǎn)生變形的原因是由滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致；庫水變動過程中監(jiān)測點(diǎn)位移變化速率與地下水作用產(chǎn)生的剩余下滑力變化速率具有同步性，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用剩余下滑力指標(biāo)揭示滑坡變形演化機(jī)理的可行性。

（2）蓄水過程中李家灣滑坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出先減速上升后加速下降的演化特征，符合“滲透力+浮托軟化”型水庫滑坡在蓄水過程中的穩(wěn)定性演化模型，蓄水初期穩(wěn)定性呈現(xiàn)出減速上升是由滲流區(qū)條塊的滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡內(nèi)的剩余下滑力所致，蓄水后期穩(wěn)定性呈現(xiàn)出加速下降是由滲流區(qū)條塊的浸泡軟化效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致；泄水過程中李家灣滑坡穩(wěn)定性呈現(xiàn)出加速下降的演化特征，符合“滲透力”型水庫滑坡在泄水過程中的穩(wěn)定性演化模型，泄水過程中穩(wěn)定性呈現(xiàn)出加速下降由滲流區(qū)條塊的滲透力效應(yīng)產(chǎn)生指向坡外的剩余下滑力所致。