李婉迪

(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(kù)區(qū)域周圍大量天然斜坡開裂形成滑坡,其中影響水庫(kù)區(qū)域庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性的因素很多，除內(nèi)在控制因素外，外在因素最普遍體現(xiàn)為庫(kù)水位升降變化和降雨量上，邊坡的穩(wěn)定性會(huì)受到巖土體的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)變化的影響[1-4]。因此三峽庫(kù)區(qū)滑坡變形的主要原因是周期性蓄水[5-7]。林琰等運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Geo-Studio模擬出不同升降速率下庫(kù)水位變化對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，分析了庫(kù)水位的周期性升降與滑坡穩(wěn)定性之間的關(guān)系[8]。梁學(xué)戰(zhàn)等通過模型試驗(yàn)的方法，分析了滑坡在一個(gè)蓄水周期內(nèi)的演化規(guī)律，介紹了整個(gè)庫(kù)水位升降周期內(nèi)滑坡的全過程變化[9]。明成濤等通過對(duì)庫(kù)水位、降雨和滑坡變化過程三者之間的相關(guān)性分析，研究了其主要成因機(jī)制，建立了一種滑坡變形與外界影響因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[10]。劉藝梁等采用有限元法，模擬出滑坡體內(nèi)地下水的瞬時(shí)滲流場(chǎng)在不同的水庫(kù)水位升降速率下的特征，陸世軒等通過有限元法計(jì)算出不同庫(kù)水位升降速率下的穩(wěn)定性系數(shù)，并對(duì)滑坡采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析[11-12]。曾亞武等將有限元法和極限平衡法相結(jié)合，將有限元分析得出的應(yīng)力結(jié)果通過應(yīng)力張量變換得出條塊底部的應(yīng)力，同時(shí)結(jié)合極限平衡法得出穩(wěn)定性系數(shù)，更好的反映出邊坡變形與穩(wěn)定性安全系數(shù)之間的關(guān)系[13]。陳祖煜等在三維條件下擴(kuò)展二維 Spencer 法，提出了一種新的三維極限平衡方法，這種方法保證了滑坡體三個(gè)方向的靜力平衡,條塊之間不再假定為水平，滑塊的剪力方向也不假設(shè)為平行于主滑動(dòng)平面[14]。馮樹人等也提出了一種新的三維極限平衡方法，即滑面可采用天然不連續(xù)面、由剪切作用導(dǎo)致的球面、由剪切作用導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)橢球面和組合面這四種類型滑面，這將有利于對(duì)多個(gè)滑動(dòng)方向進(jìn)行計(jì)算[15]。鄭曉晶等用研究非飽和土力學(xué)的滲流和抗剪強(qiáng)度的理論來(lái)分析滑坡穩(wěn)定性，徐平等在此基礎(chǔ)上，考慮了黏聚力和內(nèi)摩擦角兩者的變異性，采用Monte-Carlo模擬法對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析得到庫(kù)水位漲落和降雨對(duì)滑坡滲流和穩(wěn)定性的影響[16-17]。

現(xiàn)行滑坡穩(wěn)定性分析中，數(shù)值分析方法不僅可以計(jì)算滑坡的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，而且可以較為準(zhǔn)確的反映滑坡的整體狀態(tài)。因此，在前人的研究基礎(chǔ)之上，以三峽庫(kù)區(qū)雪花坪滑坡為例，基于GEO-SLOPE軟件對(duì)雪花坪滑坡有限元網(wǎng)格剖分，采用數(shù)值分析軟件Abaqus對(duì)雪花坪滑坡的變形破壞過程進(jìn)行模擬。并對(duì)不同庫(kù)水位升降下雪花坪滑坡的應(yīng)力場(chǎng)，位移場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。揭示了在不同庫(kù)水位變化下滑坡穩(wěn)定性的位移，應(yīng)力的變化規(guī)律，為水庫(kù)水位波動(dòng)條件下三峽庫(kù)區(qū)相似滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和動(dòng)態(tài)發(fā)育規(guī)律提供參考。

1 滑坡概況

1.1 地質(zhì)概況

雪花坪滑坡地處于長(zhǎng)江上游的湖北省奉節(jié)縣。滑坡被沖溝分為左右兩側(cè)邊界?；麦w前緣高程150 m，后緣高程333 m，高差183 m?；麻L(zhǎng)約600 m，寬約480 m，土層平均厚度20.85 m，滑坡體主滑動(dòng)方向355°?；w總變形規(guī)模615.075×104 m3。屬于二級(jí)大型土質(zhì)滑坡?；麦w物質(zhì)主要由碎塊石土夾可塑狀粘性土組成，其結(jié)構(gòu)較為松散?；w整體厚度16～25.5 m，前中部薄，后中部厚?；瑒?dòng)帶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)包括堆積而成的土壤物質(zhì)與下伏基巖的接觸滑動(dòng)面和巖石節(jié)理面?；瑒?dòng)面主要沿著堆積體的頂部向下伏基巖發(fā)育?；瑤r土物質(zhì)類型屬中侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2S)。巖性為不等厚砂泥巖互層，泥質(zhì)和砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層至中厚層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要分布在滑坡的中后部?；聟^(qū)無(wú)基巖露頭。經(jīng)對(duì)附近公路路塹邊坡出露基巖露頭調(diào)查，巖層產(chǎn)狀210°∠15°，發(fā)育裂隙二組，其產(chǎn)狀為256°∠67°和170°∠77°。

1.2 水文地質(zhì)特征

雪花坪滑坡的地質(zhì)形態(tài)特征如圖1所示?；挛挥诿废佑野?，坡頂與坡底高差達(dá)183 m。該滑坡兩側(cè)邊界均為沖溝，這為滑坡的形成提供了條件，前緣直抵梅溪河，梅溪河穿過滑坡前緣的坡腳。由于梅溪河的切割和高水位的沖刷和侵蝕，前緣的自由界面和邊坡勢(shì)能為滑坡的形成埋下了隱患。

圖 1 雪花坪滑坡外觀全貌

地下水對(duì)滑坡的影響較大?；聟^(qū)依據(jù)地下水存在條件可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水?；鶐r裂隙水一般存在于砂巖、泥巖裂隙中。而大氣降水提供了滑坡體內(nèi)的松散巖類孔隙水，因此會(huì)受到季節(jié)變化影響不穩(wěn)定。由相關(guān)調(diào)察資料可知，雪花坪滑坡地下水位埋深為3.0～14.0m，滑體中前部地下水位埋深小于體后緣地下水位埋深。松散巖類孔隙水在滑坡體內(nèi)部會(huì)向地表外部排出。地下水一般的來(lái)源主要由上部孔隙水入滲、側(cè)向徑流和降雨提供，水量相對(duì)較差。

2 滑坡變形機(jī)理分析

2.1 宏觀變形

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的資料以及監(jiān)測(cè)報(bào)告等綜合分析，影響雪花坪滑坡變形的因素主要包括：

1)地形地貌 雪花坪滑坡為中等切割低山河谷地貌，處于梅溪河右岸的斜坡地形上，坡頂與坡底高差達(dá)183 m。該滑坡兩側(cè)邊界均為沖溝，構(gòu)成了滑坡形成的有利邊界。

2)地層巖性 斜坡的形成創(chuàng)造了另一個(gè)有利條件?；聟^(qū)巖性為中侏羅統(tǒng)沙溪廟組(J2S)砂泥巖。泥巖是一種良好的不透水層，遇水時(shí)易崩解軟化，力學(xué)強(qiáng)度大大降低?；w物質(zhì)由碎塊石和粉質(zhì)粘土構(gòu)成，這就導(dǎo)致滑體結(jié)構(gòu)比較的松散，孔隙發(fā)育較大，會(huì)有利于在降雨季節(jié)地表水的滲入。

3)降雨 據(jù)資料查閱以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)的降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并且雨量集中。據(jù)靠近滑坡區(qū)的云陽(yáng)、奉節(jié)、巫山等點(diǎn)的氣象資料，多年平均降雨量在1049.3～1145.1 mm之間，最大日降雨量達(dá)199 mm。在持續(xù)降雨的條件下，由于滑坡體是由碎石土和粘性土構(gòu)成，這使得土體堆積會(huì)較松散，土體會(huì)更容易飽和。除此之外還會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ降低的動(dòng)水壓力和靜水壓力，從而引發(fā)滑坡的變形。

4)庫(kù)水位變化 雪花坪滑坡前緣高程150 m，后緣高程333 m。三峽水庫(kù)最高蓄水175 m，將浸泡滑體前緣；汛期時(shí)水位又會(huì)降至145 m，從而暴露整個(gè)滑坡體。這種大幅度的蓄水位升降將造成滑坡的穩(wěn)定性降低，當(dāng)三峽水庫(kù)蓄水后，滲水進(jìn)入邊坡時(shí)，水庫(kù)蓄水位會(huì)與滑坡體內(nèi)部的地下水位形成一個(gè)水位高度差，導(dǎo)致坡背壓力的形成，有利于滑坡的穩(wěn)定；當(dāng)水庫(kù)水位急劇下降時(shí)，滑坡中不能及時(shí)排出地下水，將降低滑坡的穩(wěn)定性；庫(kù)水頻繁升降，使滑坡前緣長(zhǎng)期遭受沖刷侵蝕，容易形成前緣塌岸等局部變形，周而復(fù)始，導(dǎo)致有效臨空面的形成，減小了前緣的滑動(dòng)阻力，影響滑坡的整體穩(wěn)定性。

5)人類活動(dòng) 滑坡下部有公路通過，公路邊坡改變了坡體原來(lái)的平衡狀態(tài)，一方面降低了抗滑阻力，另一方面形成了高陡的露天地表，這為滑坡埋下了隱患。坡體上居民種植等人類生產(chǎn)活動(dòng)使滑坡土體更加松散，利用降雨迅速入滲，增加坡體重量，同時(shí)減少坡體物理力學(xué)性質(zhì)，易引起滑坡變形。

2.2 成因與機(jī)制分析

雪花坪滑坡位于梅溪河右岸。如圖2所示，主要受降雨及庫(kù)水位的聯(lián)合作用。這種作用從機(jī)理上看主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，即降低了力學(xué)參數(shù)、浮力和動(dòng)水壓力引起的作用。降雨的滲入會(huì)降低巖土體力學(xué)性能從而軟化滑帶，短時(shí)間內(nèi)滑坡體內(nèi)部的地下水未能及時(shí)排出，則會(huì)在坡體內(nèi)部形成動(dòng)水壓力，引起內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ減小，從而直接導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性降低。又由于滑坡部分滑段位于庫(kù)水位以下，當(dāng)庫(kù)水入滲到坡體后，滑坡在蓄水水位的部分會(huì)受到水對(duì)滑坡體向上的浮力作用，這使得滑坡體在水下部分受到的重力減小。浮力作用于抗滑段時(shí)，滑坡的抗滑力會(huì)減小，滑坡穩(wěn)定性降低；浮力作用于滑坡段，滑坡滑力減小，滑坡穩(wěn)定性提高。

圖 2 雪花坪滑坡工程地質(zhì)平面圖

3 滑坡三維變形破壞分析

3.1 模型的建立

根據(jù)雪花坪滑坡的地質(zhì)特點(diǎn)，選取沿梅溪河水流方向?yàn)?50 m，青干河垂直方向710 m，模型底高程60 m為三維數(shù)值計(jì)算模型的范圍，計(jì)算模型位置如圖2所示。計(jì)算區(qū)域包括滑體、滑帶和基巖。網(wǎng)格劃分為36639個(gè)六面體單元，共42 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖3所示。

圖 3 模型計(jì)算網(wǎng)格

3.2 計(jì)算參數(shù)的確定

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘察報(bào)告提供的建議參數(shù)值基礎(chǔ)上，并參考類比其它相似滑坡巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值，綜合確定了雪花坪滑坡的計(jì)算參數(shù)，具體見表1。

表1 雪花坪滑坡物理力學(xué)參數(shù)

3.3 邊界條件

運(yùn)用飽和非穩(wěn)定滲流和應(yīng)力耦合理論，對(duì)雪花坪滑坡進(jìn)行了流固耦合分析。滲流邊界條件和應(yīng)力邊界條件如圖4所示，圖中水位為壩前175 m所對(duì)應(yīng)的滑坡實(shí)際水位。

圖 4 雪花坪滑坡邊界條件示意圖

3.4 工況和荷載的組合確定

本次模擬庫(kù)水位波動(dòng)下滑坡的變形破壞所采用的計(jì)算工況和荷載組合如表2所示。

表2 計(jì)算及物理模型試驗(yàn)工況及荷載組合

3.5 計(jì)算分析

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ABAQUS模擬了雪花坪滑坡在三種工況下的變形破壞過程，得到了雪花坪滑坡位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，獲得其位移云圖和應(yīng)力云圖。

3.5.1工況1計(jì)算結(jié)果及分析模擬工況1(水庫(kù)蓄水至壩前175 m水位)條件下得到其應(yīng)力和位移分布如圖5～6所示。

(a)第一主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa (b)第三主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 5 雪花坪滑坡三維模型工況1條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 6 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況1條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖 m

1)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析 水庫(kù)蓄水至175 m水位后拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)主要分布在滑體前緣和滑體下部，最大值為1826 kPa；壓應(yīng)力(第三主應(yīng)力)主要分布在滑體中部和上部，其絕對(duì)值的最大值為7993 kPa?；?75 m水位以下區(qū)域的孔壓受水位的直接影響。

2)位移計(jì)算結(jié)果及分析 整個(gè)滑體都發(fā)生極小的水平向前的位移，量值為0～0.001 m，最大位移值為0.001 m；滑體其他地方會(huì)發(fā)生極小的垂直向下的位移，最大值不到0.001 m，但滑體前緣偏右位置發(fā)生垂直向上的位移，最大值0.007 m。

3.5.2工況2計(jì)算結(jié)果及分析模擬工況2(175 m水位緩降到145 m)條件下得到其應(yīng)力和位移分布如圖7～8所示。

(a)第一主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa (b)第三主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 7 雪花坪滑坡三維模型工況2條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 8 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況2條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖 m

1)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析 水庫(kù)蓄水位從175 m緩慢下降到145 m時(shí)，會(huì)改變拉、壓應(yīng)力的分布，下部和前緣分布的拉應(yīng)力(第一主應(yīng)力)的最大值由1826 kPa增大到為3326 kPa，中部與上部分布的壓應(yīng)力(第三主應(yīng)力)最大值的絕對(duì)值由7993 kPa增大到為9169 kPa。應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變的重要原因是由于水庫(kù)蓄水位從175 m緩慢降低至145 m時(shí)會(huì)改變其滑坡體內(nèi)部的滲流場(chǎng)，并且通過滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用使得應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變。隨著水位降低了30 m，滑坡前半部分的水位隨著下降，滑坡前緣的地下滲流場(chǎng)發(fā)生較大變化，滑坡前緣的孔隙水壓力在庫(kù)水波動(dòng)范圍內(nèi)的分布發(fā)生了變化。

2)位移計(jì)算結(jié)果及分析 由圖8可知發(fā)生較大范圍水平位移的位置出現(xiàn)在滑體上部和中下部，量值為0～0.002 m，最大位移值為0.002 m；發(fā)生較大向下的垂直位移的位置出現(xiàn)在滑體中部與上部，量值為0～0.009 m，最大位移值0.009 m；滑體的前緣偏右位置發(fā)生較大垂直向上的位移，量值為0～0.009 m。

工況2所獲得的水平和垂直位移大于工況1，這是因?yàn)樗畮?kù)蓄水位下降從而引起滑坡體向下滑動(dòng)，并且滑坡體在自身重力的作用下會(huì)發(fā)生下沉，從而導(dǎo)致滑坡體向下的垂直位移增大，同時(shí)滑坡體前緣進(jìn)一步受到上部土體對(duì)其的擠壓和連續(xù)的水庫(kù)水位的沖蝕作用，產(chǎn)生較大向上的垂直位移。

3.5.3工況3計(jì)算結(jié)果及分析模擬工況3(175 m水位緩降到145 m+50年一遇降雨)條件下得到其應(yīng)力和位移分布如圖9～10所示：

(a)第一主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa (b)第三主應(yīng)力場(chǎng)分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 9 雪花坪滑坡三維模型工況3條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 10 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況3條件下 計(jì)算結(jié)果分布圖 m

1)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析 水庫(kù)蓄水位在50年一遇降雨時(shí)從175 m緩降到145 m的情況下，拉、壓應(yīng)力都會(huì)有所改變，拉應(yīng)力分布范圍仍主要集中在滑體前緣，最大值為3452 kPa，比工況2略有增加；壓應(yīng)力(第三主應(yīng)力)最大值由7993 kPa增加到9522 kPa。隨著庫(kù)水位的下降，地下水位也下降但存在滯后性，是因?yàn)榛虑熬壍目紫端畨毫Φ南牡臅r(shí)間；滑坡后緣地下水基本不受庫(kù)水位變化影響，因?yàn)楹蟀氩糠趾蛶?kù)水位變化線有一定的距離。

2)位移計(jì)算結(jié)果及分析 水平位移較工況2在范圍和量值上均有所增加，量值為0～0.003 m，最大位移值為0.003 m，最大位移較工況2增加了0.001 m；垂直位移也較工況2在范圍和量值上有所增加，垂直向下的位移主要分布在滑體中上部，最大值由工況2的0.009 m增加到0.012 m。垂直向上的位移主要分布在滑體前緣偏右位置，最大值由工況2的0.009 m增加到0.011 m.

位移發(fā)生上述改變的原因是在庫(kù)水下降和自重作用的同時(shí)，強(qiáng)降雨使滑體產(chǎn)生的各個(gè)方向垂直位移均有所增大。

3.6 滑坡的演化規(guī)律

雪花坪滑坡的變形與庫(kù)水位下降和強(qiáng)降雨密切關(guān)聯(lián)。在水庫(kù)蓄水位下降階段，滑坡的變形增加最為明顯，變形范圍主要分布在滑體中上部。在其他階段內(nèi)，需考慮水位降速和升速對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。水庫(kù)蓄水位下降30 m時(shí)會(huì)改變其滑坡體內(nèi)部的滲流場(chǎng)，并且通過滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用使得應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，從而造成坡前緣的孔隙水壓力在庫(kù)水波動(dòng)范圍內(nèi)的分布發(fā)生了變化。

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)例采用三維變形破壞對(duì)雪花坪滑坡的變形機(jī)制及其動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究分析。通過對(duì)雪花坪滑坡在三種工況條件下的三維變形破壞分析，獲得以下結(jié)論：

1)根據(jù)三維變形破壞分析可知，在工況3條件下，雪花坪滑坡的變形破壞主要發(fā)生在滑坡中后部，滑坡中后部出現(xiàn)局部的拉剪和壓剪破壞，但未發(fā)生整體破壞。其中滑坡中后部由于比較陡，變形破壞的范圍比滑坡前緣要大，滑坡前緣坡度較緩，主要為局部壓剪破壞。

2)綜合三種工況的數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，在工況3的條件下，庫(kù)水位下降與強(qiáng)降雨的影響造成滑體內(nèi)滲流場(chǎng)發(fā)生很大的變化，降雨入滲導(dǎo)致坡體內(nèi)外水位差發(fā)生很大的改變，進(jìn)而引起位移發(fā)生很大的變化；相較于其他2個(gè)工況，雪花坪滑坡在工況3的條件下變形增量最大。因此，工況3為對(duì)雪花坪滑坡穩(wěn)定性最不利工況。