宋 琨，晏鄂川, ，朱大鵬，趙慶遠

（1. 中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，武漢 430074；2. 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害研究中心，武漢 430074）

1 引 言

在許多發(fā)展中國家滑坡災害導致的人員傷亡和經(jīng)濟損失可達到國民生產(chǎn)總值（GNP）的 1%～2%[1]。United Nation University在2006年公布的研究成果表明，亞洲在20世紀遭受220次災難性滑坡災害——是目前世界上最嚴重的地區(qū)[2]。我國也是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一[3]。

自三峽工程興建以來，國內(nèi)外學者對三峽庫區(qū)的滑坡災害開展了大量、持續(xù)的研究工作，尤其是庫水波動對庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性的影響。如廖紅建等[4]探討了庫水下降期間滑坡體穩(wěn)定性隨水位下降速度的變化情況；劉新喜等[5－6]研究了三峽水庫水位不同下降速度和降雨條件下紅石包滑坡的穩(wěn)定性變化；章廣成[7]通過 ANSYS模擬研究了三峽水位變化對趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性的影響；鄭穎人等[8]，宋琨等[9]通過解析方法，探討了滑坡中浸潤線的變化規(guī)律；Zhang等[10]通過模型試驗和數(shù)值試驗研究了庫水位下降時層狀斜坡中的地下水變化特征和斜坡應(yīng)力場和位移場特征；Deng等[11]通過布置于泄灘古滑坡體的自動水文監(jiān)測系統(tǒng)，研究了在三峽水庫蓄水條件下滑坡體中地下水的變化特征；Wang等[12]通過研究三峽庫區(qū)樹坪滑坡（Shuping landslide）2004年8月至2007年7月的監(jiān)測資料得到水位下降對滑坡的變形影響最大。

目前，對三峽庫區(qū)滑坡在庫水影響下的穩(wěn)定性變化研究，主要針對某一滑坡采用數(shù)值模擬、模型試驗和監(jiān)測等手段研究地下水變化特征和庫水變化（尤其是庫水位下降）對滑坡穩(wěn)定性和變形的影響。而對滑坡因滲透性的不同而導致其穩(wěn)定性對庫水影響不同的研究較少。如何評價具有不同滲透性的滑坡在庫水位變動情況下的穩(wěn)定性狀況，揭示二者之間的變化規(guī)律。這對三峽工程的正常運營以及庫區(qū)滑坡監(jiān)測預警工程具有指導意義。

本文以三峽庫區(qū)黃荊樹滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為模型，在得出4種不同滲透特征滑坡在8種庫水位變化方案下（下降、上升各4種）滲流場的基礎(chǔ)上，以庫水影響系數(shù)α和穩(wěn)定性變化率為評價指標，研究不同影響系數(shù)下的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。

2 黃荊樹滑坡基本特征

黃荊樹滑坡位于三峽庫區(qū)秭歸縣水田壩鄉(xiāng)吒溪河右岸，為一堆積層老滑坡。平面呈扇形，后部圈椅形態(tài)明顯，滑距約80 m左右?；w高程為139～215 m，面積為8×104m2，體積為67×104m3，主滑方向為NE65°。

滑體物質(zhì)（Qdel）主要由粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土、塊石組成，為二元結(jié)構(gòu)，底部為含卵礫粉質(zhì)黏土、砂土，厚4～19 m?；瑤劣珊[粉質(zhì)黏土組成，偶含碎石，厚度一般為0.2～1 m，表現(xiàn)為中～弱透水性特征?；矌r性主要為崩坡積層（Qcol+dl），局部為階地相沖洪積地層（Qpl+al），含礫粉質(zhì)黏土、砂土、卵石層，厚度7.00～16.44 m，透水性較好。最下部為基巖（J3p），由粉砂質(zhì)泥巖、長石石英砂巖組成，一般埋深17.00～30.43 m，透水性差。該滑坡的滑動面形態(tài)較平緩。其典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 黃荊樹滑坡典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of Huangjingshu landslide

除地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性以及地形外，滑坡區(qū)的水文地質(zhì)條件是影響該滑坡穩(wěn)定性的重要因素。區(qū)內(nèi)的地下水與庫水位存在密切的水利聯(lián)系，因此，庫水位的波動將影響該滑坡的穩(wěn)定性狀況。

3 不同滲透性滑坡滲流場特征

庫水位變化速度不同、不同滲透性滑坡的滲流場特征不同，則穩(wěn)定性狀態(tài)變化亦不同。

在此以黃荊樹滑坡地質(zhì)模型為原型，在滑體由同一均質(zhì)土層組成的假設(shè)條件下，建立如圖2所示的概化計算模型，研究不同滲透特征滑坡在不同庫水變化速度下的滲流場特征。

圖2 概化計算模型圖Fig.2 Generalized calculating model

結(jié)合三峽庫區(qū)堆積層滑坡滑體飽和滲透系數(shù)多在 10-3～1 m/d量級變化的統(tǒng)計特征和水位調(diào)度方案，采用如表1所示的試驗方案，研究庫水位變化下不同滲透性滑坡的滲流場特征。其中，滑體飽和滲透系數(shù)在10-3～10 m/d區(qū)間內(nèi)類比砂、砂質(zhì)土、粉土和粉質(zhì)黏土等，水位變化速度分別為±0.5、±1.0、±1.5 m/d 和±2.0 m/d。

試驗方案中所采用的土體非飽和特征參數(shù)——土-水特征曲線和滲透函數(shù)曲線主要根據(jù)加拿大Saskatchewan大學的研究成果[13]。

表1 數(shù)值試驗方案Table 1 Numerical test scheme

模型的水力初始條件分別為145 m水位（庫水上升時）和175 m水位（庫水下降時）時的穩(wěn)定滲流場。水力邊界借用黃荊樹滑坡邊界條件，即滑坡地表175 m高程下為動水頭邊界（水頭隨庫水位以不同速度在145～175 m間變化），其余為流量Q =0邊界。

根據(jù)非飽和滲流原理，利用加拿大 GEOSLOPE公司開發(fā)的Geostudio2004的SEEP/W模塊得到不同滲透性滑坡的滲流場。

圖3為庫水位上升速度為0.5 m/d時滲透系數(shù)K =0.021 6 m/d的滑坡的滲流場。為清楚顯示，圖中只繪出了部分時刻的浸潤線。圖中滑坡浸潤線隨庫水位上升，出現(xiàn)明顯的“彎曲”，即坡體中地下水相對庫水位存在明顯滯后效應(yīng)，僅在坡面附近局部范圍內(nèi)存在“同步現(xiàn)象”。

圖3 K =0.021 6 m/d時滲流場（v =0.5 m/d）Fig.3 The seepage field of K =0.021 6 m/d, v =0.5 m/d

圖4為庫水位下降速度為0.5 m/d時不同滲透性滑坡在庫水位下降至145 m時滲流場特征。從圖中可以看出，滲透系數(shù)越大，浸潤線越低（砂明顯大于粉質(zhì)黏土），坡體中的地下水越容易排出。

4 滑坡穩(wěn)定性響應(yīng)變化

在庫水位變化時，滑坡穩(wěn)定性如何變化和穩(wěn)定性系數(shù)變化多少是工程人員最關(guān)心的，也是對工程最有意義的。

圖4 水位降至145 m時不同滑體滲流場（v =0.5 m/d）Fig.4 The seepage fields of the water level lowering to 145 m (v =0.5 m/d)

4.1 穩(wěn)定性計算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，并結(jié)合參數(shù)反演，確定該滑坡的計算參數(shù)如表2所示。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of landslide stability

4.2 評價指標

為研究不同滲透性滑坡隨庫水位的響應(yīng)變化規(guī)律，提出庫水影響系數(shù)（庫水變化速度與滲透系數(shù)的數(shù)值之比）評價庫水對滑坡穩(wěn)定性的影響。

庫水影響系數(shù)α定義為

式中：α為無量綱系數(shù)；v為庫水位變化速度（m/d），上升為正，下降為負；K為滑體滲透系數(shù)（m/d）。穩(wěn)定性變化率β為

式中：Fs0為初始水位下的滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)，分別為下降過程的175 m水位下整體穩(wěn)定性系數(shù)和上升過程的145 m水位下的整體穩(wěn)定性系數(shù)。穩(wěn)定性計算采用 Morgenstern-Price法；ΔFs為穩(wěn)定性系數(shù)變化值， Δ Fs= Fsi- Fs0，穩(wěn)定性提高為正，降低為負；Fsi為庫水位變化至某一時刻的滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)。

4.3 穩(wěn)定性響應(yīng)變化

圖5為庫水位在175～145 m間變化時，穩(wěn)定性變化率隨滲透系數(shù)的變化曲線。

從圖5(a)可以看出，（1）庫水位下降至145 m時，4條曲線的總體趨勢是上升，即隨滑體滲透系數(shù)增大，滑坡的穩(wěn)定性變化率增加；（2）庫水位下降速度較大（ v= 2.0 m/d ）時，曲線基本水平，即不同滲透性的該類型滑坡的穩(wěn)定性變化不明顯；（3）庫水下降速度較?。?.5 ≤ v≤ 1.5 m/d ）時，滑體滲透性不同，穩(wěn)定性對庫水的響應(yīng)不同：滲透系數(shù)K＜ 1.0 m/d時，穩(wěn)定性變化率小于30%，且曲線的變化不明顯，不同滲透性滑坡的穩(wěn)定性相對變化率最大為 8.12%，即對弱透水性滑坡，滲透系數(shù)的改變對滑坡穩(wěn)定性的影響不明顯；滲透系數(shù)K＞ 1.0 m/d 時，穩(wěn)定性變化率較大，即對強透水性滑坡，滲透系數(shù)越大對滑坡穩(wěn)定性影響越明顯。

圖5 滑體滲透性對穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influence of permeability on the stability

從圖 5(b)可以看出，①庫水位上升速度較?。?v≤ 1.0 m/d ）時，隨滑體滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先增大后減小，且?guī)焖蛔兓俣仍叫。€波動越明顯，滲透系數(shù)對滑坡穩(wěn)定性的影響越強烈；②庫水位上升速度 v＞ 1.0 m/d 時，曲線分成斜率不同的 3段： K＜ 0.021 6 m/d 的陡降段、0.021 6 ≤ K≤ 0.506 m/d 的 平 穩(wěn) 變 化 段 和K＞0.506 m/d的陡降段。即隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先減小再穩(wěn)定再減小，且減小速率較大。

三峽水庫水位由175 m下降至145 m時，不同影響系數(shù)下，滑坡穩(wěn)定性變化率曲線如圖6所示。

圖6 庫水位下降時滑坡穩(wěn)定性變化曲線Fig.6 Curves of stability change with the water descend

從圖6可以看出，①隨庫水位下降曲線的整體趨勢上升，僅少量曲線在降至145m水位時出現(xiàn)向下彎曲。說明對該種地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的滑坡，隨庫水位下降，不同滲透性的滑坡的穩(wěn)定性提高，其原因主要在于地下水的靜水壓力作用；②變化曲線明顯分成3簇（組）。影響系數(shù) α=-0 .107、α =-0.215和 α=-0 .322的3條曲線為A組，α =- 0.429的曲線為組B，其余曲線為組C組。A組曲線顯示：隨庫水位下降，滑坡穩(wěn)定性變化率β變化較大，最大分別為48.36%、41.67%和 37.61%，不同曲線的差別也較明顯；B組曲線近似呈一直線，表明當α=-0 .429時，β近似呈線性增加，其斜率約為0.85；C組曲線之間差別不明顯，在水位為153～149 m間曲線出現(xiàn)拐點，β值最大，隨水位下降，β值減小；③影響系數(shù)α在-0.107～-0.322之間，隨α減小β減小，即影響系數(shù)減小，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增加率減小。

圖7為庫水位由145 m上升至175 m時，不同影響系數(shù)下，滑坡穩(wěn)定性變化率曲線。從圖中可以看出，①庫水位上升，曲線下降，說明庫水位上升，不同滲透性的該類滑坡穩(wěn)定性降低，主要是地下水對滑坡前部的浮托減重，降低阻滑段的抗滑力。庫水上升前15 m（水位至160 m），所有滑坡穩(wěn)定性變化率β大于-10%。②變化曲線分成2簇（組），圖中最上面兩條為 1組（ α= 576.923和α=769.231），其余為另 1組。影響系數(shù)576.923≤α≤ 769.231時，曲線基本水平，175 m水位時的穩(wěn)定性變化率β最小為-5.7%，即此時庫水位上升對該類滑坡的穩(wěn)定性降低較少；當0.107≤α≤ 384.615時，曲線間差別不明顯，且影響系數(shù)α與穩(wěn)定性變化率β的相關(guān)性不明顯。

圖7 庫水位上升時滑坡穩(wěn)定性變化曲線Fig.7 Curves of stability change with the water level raise

5 結(jié) 論

（1）庫水位下降速度較大時，不同滲透性的該類型滑坡的穩(wěn)定性變化不明顯；下降速度較小時，滑體滲透性不同，穩(wěn)定性對庫水的響應(yīng)亦不同：對弱透水性滑坡，滲透系數(shù)的改變對滑坡穩(wěn)定性的影響不明顯；對強透水性滑坡，滲透系數(shù)越大，對滑坡穩(wěn)定性影響越明顯。

（2）庫水位上升速度較小時，隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先增大后減小，且?guī)焖蛔兓俣仍叫。瑵B透系數(shù)對穩(wěn)定性的影響越強烈；庫水位上升速度 v＞ 1.0 m/d 時，隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先減少再穩(wěn)定再減少。

（3）庫水位下降時，影響系數(shù)α在-0.107～-0.322間時，穩(wěn)定性變化率β最大，且隨α減小滑坡穩(wěn)定性增加率β減?。沪猎?0.644～-769.231間時，隨α減小，穩(wěn)定性增加率變化不明顯。庫水位上升時，在前15 m（水位至160 m）穩(wěn)定性變化率β大于-10%；當α在576.923～769.231間時，庫水位上升對該類滑坡的穩(wěn)定性降低較少；當α在0.107～384.615間時，影響系數(shù)α與穩(wěn)定性變化率β的相關(guān)性不明顯。

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