王 鵬，殷坤龍，孟頌頌

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

增大庫水位日降幅聯合降雨條件下張家祠堂滑坡穩(wěn)定性分析

王 鵬，殷坤龍，孟頌頌

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074)

庫水位下降對滑坡的穩(wěn)定性變化有重要影響。以張家祠堂滑坡為例，利用Geo-studio軟件的Seep/W模塊和Slope/W模塊分別對滑坡滲流場和穩(wěn)定性進行數值模擬計算，分析降雨和不同庫水位下降速率對該滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并結合滑坡變形的調查情況和數值模擬計算結果對該滑坡進行穩(wěn)定性預測與評價。結果表明:張家祠堂滑坡為降雨型滑坡，相對于降雨，增大庫水位日降幅對滑坡穩(wěn)定性影響非常有限;預測在非汛期增大庫水位日降幅條件下，滑坡整體基本穩(wěn)定;滑坡在中前部雖有變形，但滑坡整體并未形成連續(xù)貫通的軟弱面，因此該滑坡目前為基本穩(wěn)定;滑坡在最危險工況(庫水位日降幅1．2 m/d+降雨)下的穩(wěn)定性系數為1．154，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

張家祠堂滑坡;穩(wěn)定性評價;數值模擬;庫水位日降幅;降雨

根據國內外已建水庫的庫岸滑坡資料，水庫蓄水后的前幾年是庫區(qū)老滑坡復活和新生滑坡產生的主要時期。自2003年三峽水庫蓄水以來，在庫水位升降和降雨的影響下，滑坡變形呈現波動性的特點，為解決三峽水庫運行調度存在的瓶頸問題，三峽集團總公司正在組織論證滑坡在非汛期增大庫水位下降速率的可行性。

近些年學者們針對三峽庫區(qū)庫水位和降雨聯合作用下滑坡穩(wěn)定性已開展了大量的研究工作。如Hu等［1］利用GeoStudio數值模擬軟件對巴東黃土坡Ⅱ#臨江堆積體在庫水位升降作用下的穩(wěn)定性進行了分析，結果表明庫水位的升降對滑坡穩(wěn)定性系數有一定的影響;宋琨等［2］對不同滲透性滑坡在庫水變動下的穩(wěn)定性響應規(guī)律進行研究，并以三峽水庫庫區(qū)黃荊樹滑坡實例為計算模型，分析了庫水位以不同降速變化時在4種不同滲透性滑坡的滲流場特征，結果表明滑坡穩(wěn)定性與庫水下降速度和滑坡體滲透系數關系密切;胡修文等［3］通過物理模型試驗對三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡在水位驟降下的動水壓力進行了模擬，得出庫水位下降時動水壓力將極大影響滑坡穩(wěn)定性的結論。此外，也有研究認為降雨和庫水對庫岸滑坡穩(wěn)定性的影響是一個多因素耦合的過程，如雨水、庫水與滑坡巖土體相互作用的效應問題［4］、降雨引起坡面徑流與坡體滲流的耦合問題［5］、滲流場與應力場的耦合問題［6］等?；谏鲜鲅芯?，本文以張家祠堂滑坡為研究對象，利用室內試驗、野外大型剪切試驗和工程類比方法，結合工程地質調查的滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)、變形特征綜合確定滑坡巖土體的力學參數，并對其力學模型進行優(yōu)化，最后進行滑坡穩(wěn)定性評價，以提高評價結果的可信度。

1 張家祠堂滑坡基本特征

1．1 滑坡工程地質概況

張家祠堂滑坡位于重慶市萬州區(qū)新鄉(xiāng)鎮(zhèn)合作村3組，緊鄰新鄉(xiāng)鎮(zhèn)，位于長江右岸，坐標X為3373205、Y為36524191，經度為108°15'7″、緯度為30°28'41″?；碌匦握w較為平緩，坡度為10°～15°，斜坡傾向為250°，滑坡背靠陡崖、左臨山脊、右抵沖溝、前至長江?；缕矫嫘螒B(tài)呈圈椅狀，橫長為520 m，縱長為520 m，面積約27．04×104m2，屬大型堆積層滑坡。滑坡左邊界以山脊和沖溝為界(見圖1)，高程190 m以下以沖溝為界，高程190～230 m以山脊為界，左邊界走向約245°，長220 m、寬10 m左右;滑坡后緣以砂巖陡壁為界，后緣有一平臺，陡崖高約30 m，出露厚層砂巖，節(jié)理較發(fā)育，局部有新鮮崩落跡象。

圖1 張家祠堂滑坡平面圖Fig．1 Layout of Zhangjiacitang landslide

滑坡區(qū)所處方斗山背斜北西翼，區(qū)內呈單斜構造，主要發(fā)育構造裂隙、卸荷裂隙和層面裂隙，未見大斷裂等構造現象。該滑坡為堆積層滑坡，上覆堆積體為紫褐色第四系粉質黏土夾碎塊石，塊碎石含量約占20%，土體厚度約25 m，滑坡后中部右側可見很多大塊砂巖石塊，直徑2～10 m，推測由后緣陡崖崩落堆積而成;滑動面為上覆堆積體與下伏基巖的接觸面［7］;下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)的紫紅色泥巖夾砂巖，在滑坡區(qū)后緣陡壁處可見基巖出露，巖層產狀為238°∠9°，見圖2。

圖2 張家祠堂滑坡1-1'工程地質剖面圖Fig．2 Geological profile of Zhangjiacitang landslide

1．2 滑坡變形特征及分析

工程地質調查中發(fā)現張家祠堂滑坡中前部變形較強烈，表現為房屋及地坪拉裂變形、下錯，形成數組張拉裂縫，基本上垂直滑體滑移方向展布，裂縫延伸長約3～10 m，寬10～40 mm，局部地段下錯20～50 mm，其前部水田有漏水現象;中后部變形稍弱，表現為房屋及地坪拉裂變形，形成數組張拉裂縫，基本上垂直滑體滑移方向展布，裂縫延伸長約2～4 m，寬10～30 mm。該滑坡為古滑坡，整體基本穩(wěn)定，近幾年滑坡前部開始出現變形破壞，土體出現拉裂變形現象，導致地面及民房出現拉裂縫。近兩年來，由于受降雨以及庫區(qū)水位變化的影響，滑坡的變形逐漸加劇，尤其是175 m退水期間變形尤為強烈，形成眾多的張拉裂縫。

張家祠堂滑坡體中后部和前緣都存在一定的變形，但變形形式和變形原因有所差別?；轮胁恳曰谱冃螢橹鳎涤晔钦T發(fā)滑坡中部變形的主要原因，變形范圍為局部變形;滑坡后緣部位以拉張變形為主，降雨是誘發(fā)滑坡后緣變形的主要原因，變形范圍為局部變形;滑坡前緣以滑塌變形為主，庫水位浸泡和側向沖刷以及庫水位下降期間地下水動水壓力的增加是誘發(fā)滑坡前緣變形的主要原因，變形范圍為局部變形［8］。

2 張家祠堂滑坡穩(wěn)定性數值模擬計算

2．1 計算方法

極限平衡法和數值分析法是滑坡穩(wěn)定性分析的主要方法。本文先利用Geo-studio軟件的Seep/W模塊和Slope/W模塊分別對滑坡滲流場和穩(wěn)定性進行數值模擬計算，再將計算模型導入到運用傳遞系數法所編寫的C語言程序中，計算得到滑坡穩(wěn)定性系數，最后將兩種方法得到的滑坡穩(wěn)定性系數進行對比，分析增大庫水位的日降幅對張家祠堂滑坡穩(wěn)定性的影響。Slope/W模塊使用的是Morgenstern-Price［9］方法。C語言程序所采用的是傳遞系數法，即將滑坡體進行條分，并考慮地下水的影響進行編程計算，該方法的計算示意圖見圖3，其計算公式為

式中:Fs為滑坡穩(wěn)定性系數;ψj為第i塊段的剩余下滑力傳遞至i+1塊段時的傳遞系數(j=i);Ri(Rn)為第i(n)計算條塊滑體抗滑力(kN/m);Ti(Tn)為第i(n)計算條塊滑體下滑力(kN/m)。

圖3 滑坡穩(wěn)定性計算示意圖Fig．3 Sketch map of stability calculation

2．2 計算模型及參數的選取

本文選取平行于滑坡主滑方向的地質剖面1-1'剖面作為計算剖面(見圖4)，模型后緣高程為250 m，前緣剪出口高程為130 m，對該滑坡的坡體地質模型進行網格剖分。

圖4 張家祠堂滑坡計算剖面Fig．4 Calculation section of Zhangjiacitang landslide

模型邊界條件為:滑坡體前緣的水頭邊界根據庫水位確定;坡體表面為降雨入滲邊界;基巖面為隔水零流量邊界［10］。

鑒于滑坡變形對滑體抗剪強度參數極為敏感，且滑坡失穩(wěn)主要取決于滑體抗剪強度參數，因此滑體抗剪強度參數的選取非常重要。本文結合工程地質調查的滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)、變形特征進行滑體抗剪強度參數反演，最后根據室內試驗、野外大剪試驗和工程類比法來綜合確定抗剪強度參數［11］。張家祠堂滑坡在庫水位變動聯合降雨的影響下已經出現了變形，具備反演條件，由室內試驗、工程類比以及參數反演綜合得到張家祠堂滑坡滑體抗剪強度參數初選值，見表1。

表1 滑坡滑體抗剪強度參數值Table 1 Value of the shear strength of the landslide

在采用Geo-Studio軟件中的Seep/W模塊進行滑坡滲流場模擬時，需要提供滑體滲透系數(K)和飽和體積含水量這兩個很重要的水力學參數。根據單環(huán)滲水試驗［12］和工程類比法，確定的張家祠堂滑坡滑體滲透系數K為3．47×10－5cm/s，飽和體積含水率為0．35 m3/m3。

2．3 計算工況設置

三峽庫區(qū)庫水位的下降速率對庫區(qū)內庫岸滑坡的穩(wěn)定性有著極其重要的作用，庫水位調度按照圖5所示進行:T1為蓄水期，T2為高水位期，T3為退水期(非汛期)，T4為汛期。張家祠堂滑坡所在地屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充足，據萬州氣象站統(tǒng)計，平均氣溫約18℃，平均降雨量為1181．20 mm，最大降雨量為1 635．20 mm。本文對張家祠堂滑坡在非汛期(圖5中T3階段)增加庫水位下降速率(期望值為0．8～1．2 m/d)條件下的穩(wěn)定性進行評價，并分析論證在非汛期增加庫水位下降速率的可行性。

圖5 庫水位調度及時段劃分示意圖Fig．5 Schematic diagram of reservoir water level scheduling and period division

本文主要模擬計算175 m、159 m、145 m特征水位滑坡穩(wěn)定性系數、庫水位175～159 m工況下(見表2)滑坡穩(wěn)定性變化、庫水位159～145 m不同下降速率工況下(見表3)滑坡穩(wěn)定性變化。本次模擬主要考慮非汛期(T3)庫水位159～145 m聯合降雨對滑坡的穩(wěn)定性影響，但是為了保證庫水位在159 m左右時的地下水滲流場的準確性，故從175 m高水位開始進行地下水滲流模擬。因此，該模擬計算分成兩段:①175～159 m，進行庫水位+降雨的滲流模擬及穩(wěn)定性計算;②159～145 m，地下水滲流場繼承①的滲流結果，再以表3工況進行滲流模擬及穩(wěn)定性的計算。

表2 庫水位175～159 m滑坡穩(wěn)定性計算工況與荷載組合Table 2 Working condition and load combinations for the landslide stability calculation under water level 175～159 m

表3 庫水位159～145 m滑坡穩(wěn)定性計算工況與荷載組合Table 3 Working condition and load combinations for the landslide stability calculation under water level 159～145 m

降雨強度按照暴雨強度重現期為50年一遇標準考慮。根據萬州區(qū)1960—2013年54年降雨量統(tǒng)計和降雨強度重現期分析，兩段模擬所對應庫水位時間段連續(xù)3天50年一遇降雨強度值分別為102 mm、280 mm左右，按照3天平均分配，每天降雨強度值分別為34．2 mm/d、93．33 mm/d，為降雨入滲計算提供初始條件?；路€(wěn)定性計算時降雨添加時間為庫水位在155～152 m區(qū)間內變動所對應的時間。

2．4 地下水滲流場模擬

本文以庫水位從159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m工況為例，通過Seep模塊對滑坡在該工況下的地下水滲流場進行模擬，其初始地下水位線繼承工況1-1(見表2)的滲流模擬結果，得到庫水位從159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m期間滑坡地下水浸潤線變化特征，見圖6。

圖6 庫水位從159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m期間滑坡地下水浸潤線的變化特征Fig．6 Change features of the landslide seepage line when the reservoir water level drops from 159 m to 145 m at the rate of 1．2 m/d

從地下水浸潤線的形態(tài)特征(見圖6)來看，在庫水位下降過程中滑坡地下水浸潤線在坡面一定范圍內出現“順流”現象，浸潤線呈“凸”形，這說明坡體內的地下水向坡外排泄需要一定的時間，與庫水位下降相比存在“滯后性”［13-14］。

2．5 滑坡穩(wěn)定性計算與分析

本文將滑坡各工況下的地下水滲流場模擬結果耦合到Slope模塊中進行滑坡的穩(wěn)定性計算，得到張家祠堂滑坡不同工況下滑坡穩(wěn)定性系數的變化曲線，見圖7。

圖7 張家祠堂滑坡不同工況下穩(wěn)定性系數的變化曲線Fig．7 Variation curves of the stability coefficient of Zhangjiacitang landslide under different conditions

此外，模擬得到不同工況條件下各特征水位時滑坡的穩(wěn)定性系數和較危險組合工況條件下滑坡的穩(wěn)定性系數最小值，見表4和表5。

表4 不同工況條件下各特征水位時滑坡的穩(wěn)定性系數Table 4 Stability coefficient of the landslide at the characteristics water level in different conditions

表5 危險組合工況條件下滑坡的穩(wěn)定性系數最小值Table 5 Minimum value of the stability coefficient under the dangerous combination condition

由表4和表5可見，滑坡穩(wěn)定性系數隨著庫水位下降而下降，受降雨影響較明顯，屬降雨型滑坡［11］。

此外，由傳遞系數法所編程序計算得到的最危險組合工況1-1+2-2在庫水位下降速率為1．2 m/d時的滑坡穩(wěn)定性系數最小值為1．153(見圖8)，與Geo-Slope的計算結果(1．154)基本一致。

圖8 傳遞系數法計算界面Fig．8 Results interface of the transfer coefficient method

分析上述模擬計算結果，可以看出:

(1)庫水位下降和降雨對滑坡的穩(wěn)定性都會產生不利的影響，并且降雨較增大庫水位下降速率對滑坡的穩(wěn)定性影響更明顯。由表4和表5可知，庫水位從159 m降至145 m，不加降雨時(工況2-1)滑坡穩(wěn)定性系數減小了0．057～0．058，加降雨時(工況2-2)滑坡穩(wěn)定性系數減小了0．082～0．083;單獨考慮工況2-1或2-2時，增大庫水位下降速率，滑坡穩(wěn)定性系數只減小了0．001。

(2)滑坡的穩(wěn)定性系數隨著庫水位下降不斷減小，分析認為有以下幾個原因:①庫水位下降過程中，地下水補給庫水存在“滯后”效應，滑體內部形成了較大的水力梯度，使得坡體中產生指向坡外的動水壓力，不利于滑坡的穩(wěn)定;②滑坡前緣受庫水靜水壓力的作用，地下水位下降，靜水壓力減小，不利于滑坡的穩(wěn)定。

(3)降雨對滑坡體穩(wěn)定性的影響主要體現在三個方面:①降雨入滲增大了坡體的飽和度，使坡體重度增加，因而不利于滑坡的穩(wěn)定;②降雨入滲到滑帶對滑帶土產生浸泡軟化的作用，使滑帶土的抗剪強度參數減小，因而不利于滑坡的穩(wěn)定;③降雨產生的地表水入滲導致滑坡體表層土體非飽和區(qū)孔隙水壓力瞬時升高，達到暫態(tài)飽和區(qū)，產生瞬態(tài)的附加水壓力，使得滑坡體內形成較高的孔隙水壓力和靜水壓力，增加了滑坡表層土體的下滑力，對滑坡的穩(wěn)定不利。

2．6 滑坡穩(wěn)定性綜合評價

本文結合野外對滑坡變形的現場調查及模擬計算結果對張家祠堂滑坡穩(wěn)定性做出綜合評價。

經過現場調查，滑坡前緣地形較平緩、堆積體較薄，張家祠堂滑坡前緣、中部及后緣局部部位雖存在變形跡象，但主要為降雨引起的局部淺表層的變形，且變形范圍有限，滑體中并未形成連續(xù)貫通的軟弱面，因此該滑坡目前為基本穩(wěn)定。

通過計算，在增大庫水位日降幅并聯合降雨的情況下，通過模擬計算得到滑坡的最小穩(wěn)定性系數為1．154，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

滑坡受降雨和庫水位下降影響明顯(穩(wěn)定性系數為1．237～1．154)，但對滑坡整體穩(wěn)定性影響較小。增大庫水位日降幅對滑坡穩(wěn)定性影響很小，降雨對滑坡穩(wěn)定性有一定的影響，但影響有限，預測在非汛期增大庫水位日降幅條件下，滑坡整體為基本穩(wěn)定［16］。

3 結 論

(1)張家祠堂滑坡目前處于整體基本穩(wěn)定狀態(tài)?；麦w中前部變形較強烈、中后部變形稍弱，表現為房屋變形、地表拉裂縫，但是滑坡體前緣沒有發(fā)現大規(guī)模變形的現象，滑坡中后部沒有發(fā)現延伸較長的裂縫，也沒有發(fā)現整體滑動的跡象，滑坡整體以蠕滑變形模式為主。

(2)采用Morgenstern-Price法與傳遞系數法計算得到的穩(wěn)定性系數分別為1．154、1．153，兩者基本一致，滑坡基本穩(wěn)定。

(3)張家祠堂滑坡穩(wěn)定性受降雨影響較明顯，屬降雨型滑坡。在庫水位由159 m降至145 m的過程中，不加降雨工況下，滑坡穩(wěn)定性系數從1．237降至1．179，而在降雨工況下，滑坡穩(wěn)定性系數從1．237降至1．154。對比降雨和不加降雨兩種工況，在其中某一種情況下增大庫水位日降幅(0．6 m/d→1．2 m/d)，發(fā)現滑坡穩(wěn)定性系數只減小了0．001，變化幅度很小;然而在相同的庫水位降速條件下，加降雨和不加降雨，滑坡穩(wěn)定性系數減小了0．025。

(4)從模擬結果可以看出，相對于降雨，增大庫水位日降幅對滑坡穩(wěn)定性影響非常小。預測在非汛期增大庫水位日降幅條件下，滑坡整體基本穩(wěn)定，滿足非汛期增大庫水位下降速率至1．2 m/d的要求。

［1］Hu X L，Tang H M，Li C D，et al．Stability of Huangtupo riverside slumping mass II#under water level fluctuation of Three Gorges Reservoir［J］．Journal of Earth Science，2012，23(3):326-334．

［2］宋琨，晏鄂川，朱大鵬，等．基于滑體滲透性與庫水變動的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律研究［J］．巖土力學，2011(9):2798-2802．

［3］胡修文，唐輝明，劉佑榮．三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性物理模擬試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2005(12):2089-2095．

［4］劉新喜，傅晏，王永新，等．水-巖相互作用庫岸邊坡穩(wěn)定的影響研究［J］．巖土力學，2009，30(3):613-616．

［5］童富果，田斌，劉德富．改進的斜坡降雨入滲與坡面徑流耦合算法研究［J］．巖土力學，2008，29(3):1035-1040．

［6］鄭穎人，唐曉松．庫水作用下的邊(滑)坡穩(wěn)定性分析［J］．巖土工程學報，2007，29(8):1115-1121．

［7］繆海波，殷坤龍．庫岸深層老滑坡復活對誘發(fā)因素的滯后響應機制［J］．地質科技情報，2014，33(5):188-192．

［8］向玲，王世梅，王力．動水壓力型滑坡對庫水位升降作用的響應——以三峽庫區(qū)樹坪滑坡為例［J］．工程地質學報，2014(5): 876-882．

［9］陳昌富，朱劍鋒，龔曉南．基于響應面法和Morgenstern-Price法土坡可靠度計算方法［J］．工程力學，2008(10):166-172．

［10］張桂榮，程偉．降雨及庫水位聯合作用下秭歸八字門滑坡穩(wěn)定性預測［J］．巖土力學，2011，32(增刊1):476-482．

［11］柴波，殷坤龍，簡文星．滑坡計算參數反演分析的優(yōu)化算法［J］．武漢理工大學學報，2007，19(11):98-102．

［12］SL345—2007 水利水電工程注水實驗規(guī)程［S］．

［13］王力．庫水聯合降雨作用下三峽庫區(qū)樹坪滑坡復活機理研究及預測評價［D］．宜昌:三峽大學，2014．

［14］帥紅巖．三峽庫區(qū)曬鹽壩滑坡在暴雨與庫水位下降條件下穩(wěn)定性影響分析［D］．成都:成都理工大學，2010．

［15］楊文東．降雨型滑坡特征及其穩(wěn)定分析研究［D］．武漢:武漢理工大學，2006．

［16］三峽庫區(qū)地質災害防治工作指揮部．三峽庫區(qū)地質災害防治工程設計技術要求［M］．武漢:中國地質大學出版社，2014．

Stability Analysis of Zhangjiacitang Landslide under Increased Daily Drawdown Rate of the Reservoir Level and Rainfall

WANG Peng，YIN Kunlong，MENG Songsong
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Reservoir level fluctuation has a major impact on the stability of the landslide．This paper takes Zhangjiacitang landslide as a case study，and uses the Seep/W module and Slope/W modules of the Geo-studio software to calculate the seepage field and stability of the landslide．Then the paper analyzes the law of the landslide stability with the influence of rainfall and different reservoir drawdown rates，and evaluates the stability of the landslide combined with the investigation into the landslide deformation and the calculation results．The results suggest that the type of Zhangjiacitang landslide is the rainfall type．Compared with the rainfall，the effect of increasing the drawdown rate of the water level on the stability of landslide is very limited．The overall landslide is presumed to be basically stable when the drawdown rate of the reservoir level increases in non-flood season．Although the deformation appears in the middle and front of the landslide，a continuous penetrating weak surface doesn’t form in the overall landslide，so currently the landslide is basically stable;the stability coefficient calculation result of the landslide in the most dangerous working conditions(rainfall at daily drawdown rate of 1．2 m/d)is 1．154，and the landslide is basically in the stable state．

Zhangjiacitang landslide;stability evaluation;numerical simulation;daily drawdown rate of the reservoir level;rainfall

X43;P642．22;TU457

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．006

1671-1556(2016)05-0036-07

殷坤龍(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事地質災害預測預報與風險評價方面的研究。E-mail:yinkl@126．com

2016-02-20

2016-03-22

國家自然科學基金項目(41572292、41572289、41301589)

王 鵬(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為滑坡穩(wěn)定性和易發(fā)性評價。E-mail:wangpengtaoy@163．com