王 龍

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059）

0 引言

庫水位變化是引起岸坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。庫水作用下滑坡的變形及穩(wěn)定性分析屬于固—液兩場耦合問題。一方面庫水上抬引起滑坡體內(nèi)地下水位抬升，地下水通過孔隙靜、動(dòng)水壓力變化影響巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，使得坡體的有效應(yīng)力減?。涣硪环矫嫫麦w應(yīng)力狀態(tài)的改變又會通過滑體物質(zhì)間的孔隙率與結(jié)構(gòu)的變化來影響巖土體的水力特性，表現(xiàn)為巖土體抗剪強(qiáng)度降低，浮托力增大。這種相互作用構(gòu)成了滑坡滲流場—應(yīng)力場的耦合問題。而目前多數(shù)巖土力學(xué)研究前沿課題集中于巖土介質(zhì)多場耦合問題。

本文采用根據(jù)顯式有限差分開發(fā)的有限差分程序FLAC3D（快速拉格朗日分析法），在二維滲流分析成果的基礎(chǔ)上，對三峽庫區(qū)大石板滑坡進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析評價(jià)了該滑坡穩(wěn)定現(xiàn)狀，研究了庫水變動(dòng)對滑坡變形的影響，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)和預(yù)測了庫水運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性變化趨勢。

1 滑坡地質(zhì)概況

大石板滑坡位于重慶市云陽縣普安鄉(xiāng)郎家村境內(nèi)，坐落于磨刀溪右岸。大石板滑坡左側(cè)、右側(cè)均以沖溝為界，后緣以陡壁為界，前緣以堆積層與基巖為界；后緣邊界及兩側(cè)邊界較為清楚，該滑坡的滑面位于基巖面，見圖1所示。滑坡體前緣高程125m，后緣高程285m，高差達(dá)到160m。滑坡體主滑方向335°，滑坡長約900m，寬約600m，土層平均厚度25m，滑坡面積為5.4×105m2，滑體總變形規(guī)模1.35×107m3，屬二級大型土質(zhì)滑坡。滑坡所在區(qū)斜坡坡度約7°24，剖面形態(tài)為凹形，走向330°，為一順向斜坡，屬低山丘陵剝蝕地貌。

圖1 大石板滑坡全貌

滑坡覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Qdl＋el4）黏性土夾碎石土組成，淺表部有松散堆積物。下伏侏羅系中統(tǒng)（J2s）紫紅色泥巖、砂巖互層，結(jié)構(gòu)松散，軟硬層相間，泥巖局部裂隙發(fā)育，有利于地表水的入滲和徑流。地層結(jié)構(gòu)可見圖2。三峽庫區(qū)蓄水計(jì)劃中，庫水位每年在145～175m間周期性波動(dòng)，庫水位的長期周期性波動(dòng)必將引起地下水系統(tǒng)的長期周期性變化，這種每年人為工程活動(dòng)導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了過去10a、100a、1 000a自然地質(zhì)作用所塑造的結(jié)果，必然打破地質(zhì)環(huán)境的平衡。容易使原處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定的各種成因的深厚層堆積體（如崩滑堆積體、殘坡積物、沖洪積物、人工堆積物等），受水庫蓄水的影響，出現(xiàn)淺表部蠕滑變形或前緣局部滑移變形的現(xiàn)象，影響庫區(qū)內(nèi)崩滑體及庫岸的穩(wěn)定性。所以有必要運(yùn)用滲流場與應(yīng)力場耦合分析的方法對滑坡的變形與穩(wěn)定性及二者相互間的聯(lián)系進(jìn)行研究。

圖2 大石板滑坡地質(zhì)剖面圖

2 計(jì)算模型與分析

2.1 建模

建立模型采用FLAC3D（3.0）軟件，分別對滑坡在庫水運(yùn)行到145m、156m、175m3個(gè)代表性水位時(shí)進(jìn)行計(jì)算。建立模型時(shí)，滑床、滑坡體的形態(tài)及厚度均按照勘測的平面、剖面圖確定?；聟^(qū)計(jì)算范圍：前緣取至磨刀溪右岸高程100m，后緣取至后緣基巖高程450m，大石板滑坡左側(cè)、右側(cè)均以沖溝為界，后緣以陡壁為界，前緣以堆積層與基巖分界為界，模型長（順磨刀溪方向）1 300m，寬（垂直磨刀溪方向）1 200m，模型底部取至高程0m。坐標(biāo)系選取如下：X軸垂直指向坡外，Y軸指向長江下游，Z軸豎直向上，如圖3所示。模型計(jì)算邊界均采用單向約束，即順江方向的兩條邊界為Y方向約束，橫江方向的兩條邊界為X方向約束，底邊界為Z方向約束。材料破壞準(zhǔn)則采用摩爾—庫倫破壞準(zhǔn)則。

圖3 大石板滑坡計(jì)算三維模型中心剖面

2.2 參數(shù)取值

整個(gè)模型概化為兩類巖土體區(qū)域，即滑床、滑坡，依據(jù)巖土體物理力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合不同巖土體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合取值，見表1所示。

表1 模型參數(shù)取值

2.3 數(shù)值模型成果分析

庫水對滑坡穩(wěn)定性的影響主要取決于滑坡地下水綜合作用，包括庫水升降時(shí)產(chǎn)生的滲透力、滑坡體飽水造成的懸浮減重和滑面長期浸泡導(dǎo)致的力學(xué)強(qiáng)度弱化。特別是在庫水位陡降時(shí)，由于巖土體排水不暢，岸坡中的地下水形成了滯后的滲透力，使得坡體的下滑力急劇增加，促使滑坡產(chǎn)生，其變形破壞具有突發(fā)性。本項(xiàng)研究在二維滲流分析的基礎(chǔ)上，建立不同蓄水階段時(shí)地水位模型，通過弱化力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)（較天然條件時(shí)折減10%～20%）的方法，選用FLAC3D的滲流—力學(xué)耦合分析模塊可預(yù)測評價(jià)庫水升降作用下的滑坡應(yīng)力應(yīng)變及穩(wěn)定性狀況。

2.3.1 孔隙水壓力分布

根據(jù)二維滲流分析得出的地下水位線建立了大石板滑坡在庫水運(yùn)行至145m、156m和175m時(shí)的三維地下水滲流模型。坡體孔隙水壓力分布如圖4所示表面剖視。

圖4 坡體孔隙水壓力分布圖

2.3.2 應(yīng)力特征分析

大石板滑坡應(yīng)力隨深度分布情況與一般坡體豎向應(yīng)力分布相同，從坡表至深度方向逐漸增加。將各水位條件下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力數(shù)據(jù)范圍列于表2中。

表2 不同水位條件下滑坡應(yīng)力匯總

這里需要指出的是，在天然情況下進(jìn)行模擬計(jì)算的目的，不僅是為了計(jì)算天然情況下的初始應(yīng)力場及滑坡穩(wěn)定性，更重要的是為了檢驗(yàn)所建立的計(jì)算模型、參數(shù)取值是否合理，以便準(zhǔn)確地預(yù)測評價(jià)蓄水條件下的應(yīng)力應(yīng)變和滑坡穩(wěn)定性。

從表2我們可以看到，滑坡豎向應(yīng)力天然條件下為0.38MPa，庫水降至145m時(shí)，滑坡后緣拉應(yīng)力達(dá)到1.3MPa，庫水升至156m時(shí)，滑坡中部拉應(yīng)力達(dá)到0.55MPa，庫水升至175m時(shí)，滑坡中部拉應(yīng)力降至0.35MPa。

滑坡最大主應(yīng)力值亦具有從坡面逐漸向坡內(nèi)增加的特點(diǎn)，天然條件下最大主應(yīng)力為0.66MPa，且隨著庫水下降至145m，滑坡堆積體內(nèi)最大主應(yīng)力增加至1.54MPa，庫水升至156m，相比天然工況下該數(shù)值降為0.93MPa，而當(dāng)庫水升至175m時(shí)，該數(shù)值降為0.87MPa，但均比天然條件大，分析是由于應(yīng)力分布受基覆面形態(tài)影響，尤其是滑面形態(tài)陡緩過度變化的部位出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力集中部位位于滑坡前緣平臺下部（大致為坡肩下部）的滑帶內(nèi)。

滑坡堆積體內(nèi)最小主應(yīng)力分布與最大主應(yīng)力相似，可以看到庫水降至145m時(shí)，滑體內(nèi)最小主應(yīng)力的最大值為0.6MPa，升至156m時(shí)，最小主應(yīng)力為0.50MPa，升至175m 時(shí)，該值則為0.41MPa。而天然條件下大石板滑坡內(nèi)最小主應(yīng)力出現(xiàn)異常，滑坡淺表部最大主應(yīng)力與周邊斜坡相比較要小，分析是由于滑坡變形導(dǎo)致應(yīng)力釋放而形成。

2.3.3 變形特征分析

FLAC3D軟件在計(jì)算時(shí)既采用離散元?jiǎng)討B(tài)分析法又可對非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問題進(jìn)行求解的特點(diǎn)使計(jì)算滑坡的滑動(dòng)變形變得非常方便。由此計(jì)算得出大石板滑坡在各蓄水階段的位移情況。參考圖5所示（截取145m和175m水位），位移狀況詳見表3。

圖5 145m、175m水位下位移分布

表3 不同水位條件下滑坡變形情況匯總

可以看出在天然條件下，最大合位移在0.2m左右，x方向（滑動(dòng)方向）最大位移0.078m左右，庫水降至145m時(shí)，最大合位移增至0.54m，x方向最大位移增至0.53m，庫水升至156m時(shí)，最大合位移為0.53m，x方向最大位移為0.52m，庫水升至175m時(shí)，最大合位移為0.11m，x方向最大位移為0.10m。最大變形處均位于滑坡前緣左側(cè)，高程200m附近范圍。

2.4 穩(wěn)定性評價(jià)

利用FLAC3D軟件在不同水位條件下計(jì)算模型過程中，滑坡計(jì)算時(shí)步曲線均在一定迭代步數(shù)后收斂，變形不再增加。各計(jì)算模型均能較快收斂，說明在天然條件下，庫水降至145m，庫水升至156m時(shí)，庫水升至175m時(shí)大石板滑坡均能保持穩(wěn)定。

3 結(jié)語

水庫在蓄水過程中及運(yùn)行后，破壞了庫岸邊坡原有的自然平衡條件，引起邊坡形狀及穩(wěn)定性的變化。對三峽大石板滑坡的數(shù)值模擬表明，滑坡穩(wěn)定性良好，但是滑坡穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，在庫水調(diào)動(dòng)過程中，滑坡變形，應(yīng)力應(yīng)變，剪應(yīng)變增量是有相應(yīng)變化的，通過這種變化可以分析和預(yù)測滑坡變形和穩(wěn)定性狀況，大致可以總結(jié)為：

（1）水庫蓄水時(shí)，滑坡較之天然狀態(tài)下變形明顯惡化，穩(wěn)定性降低。

（2）庫水位上升時(shí)，坡體應(yīng)力減小，剪應(yīng)變增量減弱，位移量減??；庫水位下降時(shí)，坡體應(yīng)力增加，剪應(yīng)變增量增強(qiáng)，位移量增大。特別是滑坡前緣敏感性最強(qiáng)，預(yù)測可能出現(xiàn)塌岸。

（3）庫水消落過程中滑坡變形大于庫水上升過程中的滑坡變形，穩(wěn)定性也較上升過程差，應(yīng)重點(diǎn)注意庫水下降后的穩(wěn)定性。

由于滑坡穩(wěn)定性還受到其他很多因素的影響，包括降雨、地震、人為因素等，上述數(shù)值分析結(jié)論是在只考慮了庫水升降得出的，在今后的數(shù)值模擬工作中有待進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。

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