曾 剛

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地帶.據(jù)不完全統(tǒng)計,三峽庫區(qū)在175m庫水位影響的范圍內(nèi)共有大小滑坡2000余個,各類變形體分布更是廣泛[1-2].自2003年135 m蓄水開始,到 2006年水庫蓄水達(dá)到156m以來,絕大多數(shù)滑坡經(jīng)受到了庫水位緩慢上升和穩(wěn)定庫水長時間浸泡的考驗沒有復(fù)活[3-4].但隨著2009年三峽大壩基本完工,三峽水庫開始正常運營,三峽水庫壩前水位將在短時間內(nèi)在145 m-175m-145m之間波動,水位變幅為30 m.滑坡短時間內(nèi)經(jīng)歷水位頻繁升降且幅度之大是此前從未經(jīng)歷過的.庫水位波動不僅降低巖體力學(xué)強度、減輕巖體有效重力,而且還改變庫岸邊坡內(nèi)地下水位分布,在三峽庫水位升降過程中很可能使原己穩(wěn)定的滑坡再度失穩(wěn).目前三峽庫水位升降過程對滑坡的穩(wěn)定性和變形破壞失穩(wěn)的影響機理仍為迫切需要解決的重要應(yīng)用課題之一.本文運用非飽和土中的滲流和抗剪強度理論,采用邊坡穩(wěn)定性分析軟件Geo-slope軟件對滑坡的非飽和區(qū)和暫態(tài)飽和區(qū)進(jìn)行模擬,得出滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律.

1 非飽和土滲流和抗剪強度理論[5-7]

1.1 飽和-非飽和滲流理論

因為滑坡體的浸潤線以上為非飽和區(qū),浸潤線以下是飽和區(qū),庫水位變動使得滑坡土體在飽和與非飽和狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致坡體內(nèi)滲流場、應(yīng)力場隨之發(fā)生變化.采用水頭H作為控制方程的因變量,得到非穩(wěn)定流控制方程-Richards方程

式中,kx和ky為x和y方向的滲透系數(shù).對于飽和土kx和ky為飽和滲透系數(shù),對于非飽和土kx和ky為總水頭uw的函數(shù),需要引入滲透性函數(shù);Q為施加的邊界流量;mw為釋水系數(shù),指含水量隨孔隙水壓力的變化,需要引入土體的土-水特征曲線;γw為水的重度.

1.2 非飽和土抗剪強度理論

Fredlund非飽和土抗剪強度公式是由飽和土的Mohr-Coulomb強度公式引申而來,其表達(dá)式為

式中,τf為破壞面上的抗剪強度;c′為有效粘聚力;φ′為有效內(nèi)摩擦角;σ和σ-ua分別為破壞面上的總法向應(yīng)力和凈法向應(yīng)力;uw為破壞面上的孔隙水壓力;φb為抗剪強度隨基質(zhì)吸力ua-uw增加而增加的參數(shù).

2 庫水位升降作用下滑坡滲流場和應(yīng)力場數(shù)值模擬

2.1 滑坡基本概況

興山縣位于湖北省西南部,長江北岸,東靠宜昌市,南臨秭歸縣,西抵巴東縣,北與神農(nóng)架林區(qū)、保康縣接壤,距宜昌市154km,地域跨東經(jīng) 110°25′～ 111°06′,北緯 31°04′～ 31°34′,東西長 66 km,南北寬 54 km,總面積約2327km2,耕園地50.86萬畝,總?cè)丝诩s19萬.

武裝部柑桔園滑坡位于長江支流香溪河右岸,坡腳被三峽水庫145～175 m水位淹沒深達(dá)17～47 m,距三峽大壩63km,距香溪河口30km,屬三峽庫區(qū)湖北省興山縣峽口鎮(zhèn)白鶴村四組,地理坐標(biāo):X=3446250,Y=19478550.巖性主要有侏羅系(J)和三迭系巴東組(T2)砂巖、泥巖、泥砂巖及其他時代的砂頁巖等組成,該巖組一般為相對隔水層,但在斷裂構(gòu)造帶、風(fēng)化裂隙發(fā)育段,常有地下水賦存,但因巖性泥質(zhì)含量高,地下水賦存條件差.地下水水量極小.該類地下水主要接受大氣降水和上部孔隙水的補給,近源快速排泄,一般為散戶居民飲用水,未見泉水出露.

武裝部柑桔園滑坡屬堆積層土質(zhì)滑坡.滑體物質(zhì)主要為崩坡積、殘積物及河流沖積組成的碎石土,土石比4∶6～5∶5,碎石礫徑一般3～20 cm,大者達(dá)50～100cm,成分為砂巖、灰?guī)r等.滑帶為堆積層與基巖接觸帶,以碎石土為主,在滑體兩側(cè)沖溝處見其露頭.碎石礫徑0.5～1.5cm,土石比 7∶3～8∶2.滑床巖體主要為侏羅系下統(tǒng)聶家山組砂巖、泥巖地層,產(chǎn)狀258°∠46°,逆坡向產(chǎn)出,具弱透水性.

2.2 計算模型確定

根據(jù)柑橘園滑坡的地質(zhì)報告,模型的X方向上最大長度為512 m,模型后緣Y方向上最大高程為316m,模型前緣Y方向上最大高程112m.模型計算范圍為0＜X＜512m,0＜Y＜316m.將模型簡化為3個材料區(qū):滑體、滑帶以及滑床(即基巖),在Ansys中建立模型得到柑橘園滑坡的計算模型和有限元網(wǎng)格,共剖分網(wǎng)格單元1892個,節(jié)點1999個.將所得的節(jié)點和單元信息導(dǎo)入到邊坡穩(wěn)定性分析Geo-slope軟件中進(jìn)行模擬,如圖3所示.

圖3 柑橘園滑坡計算網(wǎng)格

應(yīng)力邊界條件為左、右邊界固定水平位移;下邊界固定水平、豎直位移;上邊界自由;滲流邊界條件為左側(cè)邊界庫水位以下為水頭邊界,庫水位以上為零流量邊界;右側(cè)邊界為水頭邊界.滲流的初始條件是根據(jù)兩側(cè)水頭計算出和地質(zhì)勘察得到的實際地下水位線大致相一致的初始滲流場.

2.3 滑坡模擬工況

三峽水庫的運營狀況直接影響滑坡的穩(wěn)定性.本文主要考慮庫水位升降對滑坡體滲流及穩(wěn)定性的影響規(guī)律,根據(jù)三峽水庫調(diào)控方案,每年9～10月為水庫蓄水期,庫水位自145m上升至175m;每年6月份汛期前水庫水位又由175 m降落到162m,取以下2個工況:庫水位上升速率為1m/d和庫水位下降速率為0.67m/d.

2.4 計算參數(shù)

庫水位變動條件下滑坡的變形破壞數(shù)值模擬主要涉及到材料的滲流參數(shù)與材料力學(xué)參數(shù).

(1)滲流參數(shù).對于三峽庫區(qū)滑坡非飽和土性狀還沒有通過實驗方法進(jìn)行研究,因此,滑體和滑帶的非飽和滲透系數(shù)只能采用工程類比法,根據(jù)滑體和滑帶飽和滲透系數(shù)大小和土的粒徑分布規(guī)律推求其滲透函數(shù),滑坡體3種材料的滲透性參數(shù)分別如下:滑體為滑坡堆積物,結(jié)構(gòu)稍密～密實,具弱透水性,其滲透系數(shù)為K=4.0×10-4cm/s,即0.3456 m/d.滑帶為含礫粘性土,稍密～密實,弱～微弱透水性,其滲透系數(shù)為K=6.2×10-6cm/s,即0.0054 m/d.滑床主要為侏羅系下統(tǒng)聶家山組砂巖、泥巖地層,具弱透水性,其滲透系數(shù)為K=4.8×10-8cm/s,即4.15×10-5m/d.

(2)力學(xué)參數(shù).滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要有巖土體變形模量(E)、泊松比(μ)、容重(γ)、凝聚力(c)、摩擦角(μ)等.具體的確定方法為:以地質(zhì)模型所建議的巖土體物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ),類比其他類似滑坡的物理力學(xué)參數(shù)綜合確定數(shù)值模擬計算所需要的巖土體物理力學(xué)參數(shù).滑坡計算參數(shù)見表1.

表1 滑坡物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)設(shè)計的兩種工況進(jìn)行滲流及應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬計算,下面分別給出滑坡體地下水位及滑坡穩(wěn)定性隨庫水位升降變化的計算結(jié)果并進(jìn)行分析.

由圖4可知滑坡體內(nèi)地下水位隨庫水位上升而上升,當(dāng)庫水位上升至175m時,滑坡體內(nèi)地下水位低于庫水位,出現(xiàn)庫水向滑坡體內(nèi)“倒灌”的現(xiàn)象.

圖4 庫水位上升時不同時段地下水位線

由圖5可知滑坡體內(nèi)地下水位隨庫水位下降而下降,當(dāng)庫水位下降至145m時,滑坡體內(nèi)地下水位遠(yuǎn)低于庫水位,出現(xiàn)滑坡體地下水向水庫滲流的現(xiàn)象.

由圖6可知,在庫水位上升過程中,穩(wěn)定性系數(shù)隨庫水上升而減小,這是因為滑坡阻滑段逐漸被淹沒且孔隙水壓力使土體的抗剪強度降低,滑坡抗滑力不斷減小.

圖5 庫水位下降時不同時段地下水位線

圖6 滑坡穩(wěn)定系數(shù)和庫水位的關(guān)系

庫水位下降的過程中滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)是先減小后增大的,這是因為在初始階段,隨著水位下降,滑體內(nèi)地下水相對庫水位逐漸形成較高的水頭差,從而形成較大的動水壓力,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨庫水下降而減小,隨著庫水位的繼續(xù)下降,滑坡抗滑力不斷增大,穩(wěn)定性系數(shù)隨庫水下降而稍有增大.

4 結(jié) 論

庫水位的變動會導(dǎo)致滑坡的失穩(wěn)這是公認(rèn)的事實,本文通過考慮飽和-非飽和滲流場與應(yīng)力場耦合,計算快捷,結(jié)果更接近實際,并利用非飽和土滲流和抗剪強度理論分析在庫水位上升和下降兩種工況不同時刻下的滑坡地下水位及穩(wěn)定性系數(shù)的變化規(guī)律,通過研究得出如下結(jié)論:

(1)滑坡體內(nèi)地下水位的升降隨著三峽庫區(qū)水位的升降而產(chǎn)生升降,但滑坡體內(nèi)地下水位升降滯后于庫水位.

(2)在庫水位上升的過程中,滑坡體內(nèi)會出現(xiàn)短暫的“倒灌”現(xiàn)象,穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小;而在庫水位下降的過程中,滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增大.

(3)三峽水庫水位變動對柑橘園滑坡的不利影響主要在庫水上升初期及庫水降落期,特別在庫水降落初期穩(wěn)定系數(shù)最小.

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