門夢飛 易慶林 張明玉 文 凱 覃世磊 曾懷恩

(1. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)白家包滑坡變形機制分析

門夢飛1，2，3易慶林1，2，3張明玉1，2，3文 凱1，2，3覃世磊1，2，3曾懷恩1，2，3

(1. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

為研究三峽庫區(qū)涉水滑坡的動態(tài)變形機理，以白家包滑坡為研究對象，依據(jù)地質(zhì)勘查，降雨及庫水位資料，運用專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法，研究了滑坡的成因及變形機制．結(jié)果表明：滑坡變形呈階躍式增長，4～9月份為主要變形期；各監(jiān)測點自2006年起每隔3年累積位移有較大提升的“規(guī)律”，分析認為是滑坡體應(yīng)力場調(diào)整顯示變形增大；庫水位快速下降與滑坡地表位移增加有較好的相關(guān)性；且?guī)焖徊▌优c滑坡穩(wěn)定性呈正相關(guān)變化．坡體的變形原因經(jīng)分析為坡體外荷載卸荷及坡內(nèi)指向坡外的動水壓力；滑坡目前處于蠕滑變形階段；若庫水位快速下降與汛期強降雨共同作用，滑坡變形將進一步增大．

白家包滑坡； 變形； 應(yīng)力場； 滲透壓力

三峽庫區(qū)是我國地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，涉水庫岸型滑坡眾多．因多年動態(tài)循環(huán)蓄水，造成庫區(qū)周邊地質(zhì)環(huán)境的變化，勢必引發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害[1]，其中滑坡變形是一種較普遍的現(xiàn)象．影響滑坡各階段變形的因素是動態(tài)、變化的，在滑坡變形演化過程中的作用具有較大差異性[2]．在眾多影響滑坡變形的相關(guān)因素中，大多數(shù)滑坡變形乃至失穩(wěn)都與水有關(guān)[3]，尤其是庫水位變化與降雨；如千將坪滑坡[4]，臥沙溪滑坡[5]，白水河滑坡[6]．滑坡變形的動態(tài)演化是多樣的，眾專家學(xué)者對滑坡變形機制進行了深入研究．蔣征[7]利用變形模式的拓撲約束識別方法來識別寶塔滑坡塊體的變形模式；趙家成[8]采用模型試驗方法模擬降雨和水庫水位綜合作用下的白家包滑坡變形規(guī)律．本文在前人研究基礎(chǔ)上，依據(jù)地質(zhì)勘查，降雨及庫水位資料，運用專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，分析了滑坡的成因及變形機制，并進一步得出庫水位下降造成指向坡外的滲透壓力是影響滑坡變形的動力來源．

1 白家包滑坡的基本情況

白家包滑坡位于秭歸縣歸州鎮(zhèn)，處于香溪河右岸，為土質(zhì)滑坡，坡體為逆向坡結(jié)構(gòu)；滑坡后緣以基巖為界，高程大致為270m，滑坡左側(cè)以山脊下部基巖為界，右側(cè)以山梁為界，前緣寬約500 m，后緣寬約300 m，平均寬約400 m，縱向長約550 m，滑坡面積大約為22×104m2；平面形態(tài)呈短舌狀；據(jù)專業(yè)監(jiān)測報告知[9]，滑體物質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土夾塊碎石及碎塊石土；滑帶土主要為灰黃色夾雜紫紅色可塑狀的粉質(zhì)黏土夾碎石角礫，滑帶厚度約0.2 m．下覆基巖為侏羅系下統(tǒng)長石石英砂巖及泥巖，巖層產(chǎn)狀250°∠30°．

圖1 白家包滑坡專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)點分布圖

圖2 白家包滑坡專業(yè)監(jiān)測剖面圖

2 滑坡變形特征

2.1 滑坡宏觀變形

1)2003年6月下旬，滑坡南側(cè)邊界部分區(qū)域出現(xiàn)走向100°的張性裂縫，之后北側(cè)邊界也相繼出現(xiàn)走向40°的裂縫．

2)2003年7月下旬持續(xù)強降雨之后，變形跡象進一步加劇，后緣與基巖接觸區(qū)域出現(xiàn)兩組較大規(guī)模的裂縫：一組走向40°的長大張裂縫，長約40 m、寬20 cm、錯距25 cm；一組走向180°的雁列式羽裂，延伸約30 m．

3)2009年5月下旬，受庫水位下降和持續(xù)強降雨的影響，滑坡發(fā)生劇烈變形，在其右側(cè)形成快速變形區(qū)，且公路上出現(xiàn)較大拉裂縫．

4)2009年至2014年，滑坡存在整體滑動，整體變形較明顯．

5)2014年7月，秭-興公路與滑坡左、右邊界交匯處，路面開裂，右側(cè)交匯處下沉嚴(yán)重．滑坡右側(cè)公路上方，當(dāng)?shù)鼐用穹课萸皶駢谓?0年來變形下沉達1.5 m左右，向公路方向擠出約為30 cm．

2.2 地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

白家包滑坡自2006年11月實施專業(yè)監(jiān)測，GPS監(jiān)測點布設(shè)在一縱一橫的監(jiān)測剖面上，即ZG323，ZG324，ZG325，326；從監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，截止至2016年10月15日，該4個監(jiān)測點累積位移分別為1 124.88 mm，1 310.75 mm，1 224.77 mm，1 559.68 mm，其中滑坡右側(cè)及中部公路下側(cè)變形相對較大．由監(jiān)測數(shù)據(jù)知每年5～8月，各監(jiān)測點變形速率劇增，月均監(jiān)測速率在1～6 mm/d，其中ZG326監(jiān)測點變形最大．經(jīng)統(tǒng)計各監(jiān)測點年變形量最大有兩年，一組是2008年5月20日～2009年5月20日，各監(jiān)測點變形量最大為：208.50 mm，241.62 mm，221.39 mm，281.12 mm；另一組最大變形量為2014年6月20～2015年6月20日，各監(jiān)測點最大變形量為：255.70 mm，296.25 mm，273.54 mm，343.60 mm．滑坡4個監(jiān)測點累積變形曲線呈臺階式增長，增長時間段均發(fā)生在每年4～9月；這期間，庫水位下降變化幅度較大，且該滑坡所在地區(qū)進入汛期，降雨量較大；在每年9～12月份蓄水階段，降雨量驟減，滑坡累積位移曲線斜率趨于平穩(wěn)，經(jīng)分析庫水位上升有利于滑坡穩(wěn)定，減小滑坡變形量．經(jīng)實地野外勘查及問詢當(dāng)?shù)鼐用?，每年庫水位下降期間，居民所住房屋內(nèi)的裂縫有增大跡象且處在滑坡中部的公路裂縫明顯增多，部分區(qū)域有下沉跡象；在庫區(qū)蓄水階段各種變形跡象減少，且裂縫不再擴展，進一步證實了該滑坡變形與庫水位變化有直接關(guān)聯(lián)．

據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線分析(如圖3所示)，滑坡各監(jiān)測點累積變形基本為3年有一次較大提升，經(jīng)分析2007年，2008年在5月1日庫水位分別為148.61 m，150.71 m，較2009年(159.29 m降速均值0.3 m/d)初始下降庫水位較低；且2009年(降速均值0.3 m/d)下降至145m的均速較前兩年2007年(均值0.1 m/d)，2008年(均值0.13 m/d)變化較大，分析可能是庫水位下降幅度較大引起的滑坡應(yīng)力場的調(diào)整，導(dǎo)致滑坡變形數(shù)據(jù)增大；2012年滑坡變形量與2010，2011年相比較大，首先自5月1日起2012年降幅較大(17.97 m)，其次，這3年在汛期均有較大升降幅(2012年最大增降幅18 m)，且開始蓄水時間均在6月15日附近，分析認為是汛期短時洪峰庫水位調(diào)度引起的變形量的增大；2015年相對于2013，2014年，升降幅均相似，但2015年5月份及6月份降雨達到459.6 mm，大于汛期4～9月份降雨(907.8 mm)的一半，且期間多次較強降雨，遠大于2013，2014年同期降雨量，經(jīng)分析認為是汛期多次強降雨導(dǎo)致2015年變形較大的主要原因．

圖3 滑坡累積位移-庫水位-降雨量-時間關(guān)系圖

綜上分析滑坡3次年變形量陡增的原因，是因為庫水位或者降雨因素改變其外荷載情況，不呈規(guī)律性；特別是白家包滑坡滑體較厚，滑體滲透性較低，在庫水位下降階段庫水位降速的突然增大或有強降雨因素，易改變滑坡原應(yīng)力狀態(tài)，形成較大水力梯度，增大下滑力，導(dǎo)致滑坡變形量增大；分析表明以上每3年滑坡年變形量突然增大并非是滑坡變形規(guī)律，而是滑坡體應(yīng)力場在調(diào)整過程中顯示出變形增大情況．

2.3 滑坡成因機制分析

據(jù)實地勘察及分析地質(zhì)資料認為地形地貌、滑體物質(zhì)、庫水位變化、降雨及人類工程活動是形成白家包滑坡的主導(dǎo)因素．

1)地形地貌．滑坡前緣被香溪河切割，剪出口位于高程約130 m，后緣高程約270 m，有較好的臨空面，為滑坡卸荷創(chuàng)造較好空間形態(tài)．

2)滑體物質(zhì)．滑體物質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土夾碎塊石土，結(jié)構(gòu)密實，平均厚度約為45 m，形成較好的滑體巖土體基礎(chǔ)，為滑坡形成構(gòu)成了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)．

3)庫水位波動．三峽庫區(qū)經(jīng)過多年的動態(tài)循環(huán)蓄水，滑坡的滲流場與應(yīng)力場已經(jīng)得到一定的調(diào)整[10]；庫水位變化對滑坡前緣有一定的沖蝕作用，且由于滑體厚度較大，滲透性較小[11]，尤其是自2010年至今庫水位快速下降的調(diào)度過程中，坡體內(nèi)水位易與庫水位有較大的水位差，形成水力梯度，為滑坡的向下推力提供動力來源．

4)大氣降雨．降雨的主要影響是通過滑坡的裂隙進入滑坡體內(nèi)，一部分降雨通過地表徑流流入香溪河，一部分通過裂隙進入滑坡體內(nèi)，一方面增大了滑坡土體的指向坡外滲透壓力，水力梯度越大，滲透系數(shù)越小，指向坡外的滲透壓力越大．另一方面降雨入滲巖土體內(nèi)，增大了滑體巖土體的下滑力；若降雨入滲到滑帶，則會增加滑帶的潤滑性．

5)人類工程活動．因滑坡中部偏上左側(cè)有部分民宅，且滑坡中前部有一條公路，通行車輛的振動及各種附加荷載，均增大了滑坡的下滑力；滑坡中上部至后緣有部分農(nóng)作物種植．在這些因子的綜合影響下，白家包滑坡自2003年庫區(qū)蓄水已有明顯變形趨勢，尤其是2009年至2014年，白家包滑坡存在整體滑動，且變形較明顯；在滑坡持續(xù)變形的影響下，滑坡所在處秭-興公路路面損壞嚴(yán)重，路基下沉，影響車輛安全通行．

3 庫水位-降雨因素變形-致滑機制分析

據(jù)前文及圖3綜合分析分析，認為庫水位下降與滑坡變形之間有較大的相關(guān)性，汛期強降雨使得滑坡變形累積位移進一步增大．以下著重從滑坡內(nèi)外營力，即坡體外部荷載及坡體內(nèi)水壓力兩方面分析．

3.1 坡體外荷載分析

影響滑坡變形的坡體外主要為坡體外荷載的卸荷作用；巖土體滲透性較差為坡體的加卸載庫水作用形成較好水力梯度．在庫水位上升時，庫水位大于坡體內(nèi)水位，滑體受到庫水荷載指向坡體內(nèi)部的推力，增大了阻滑力，在下滑力一定時，有利于滑坡的穩(wěn)定，使變形趨勢得到遏制，減少滑坡變形量的增加；在庫水位下降時，作用相反，坡體水位的遲滯性導(dǎo)致指向坡外較大的滲透壓力，且淹沒的滑體經(jīng)過浸泡，降低了滑體的抗剪能力；尤其是在進入汛期，當(dāng)水庫退水時，由于坡體滲透性差，坡體內(nèi)水排除較為緩慢，形成坡體水位與庫水位的正落差，動水壓力指向外部，特別是在水位下降速度較大時，坡體內(nèi)地下水位與庫水位之間的落差達到最大，水力梯度最大，動水壓力達到最強，使得各監(jiān)測點變形總量的增加．同時中部的房屋及公路，增大了滑坡的下滑力，尤其在庫水位下降的雨季，將增大滑坡變形的可能性．

圖4 2003～2016年庫水位-滑坡穩(wěn)定性Fs圖

為說明庫水位與滑坡變形的相關(guān)性，通過巖土有限元分析軟件Geo-studio進行模擬，未考慮降雨因素，如圖4所示，滑坡穩(wěn)定性隨庫水位變化顯示有較高相關(guān)性，尤其是庫水位下降時對Fs有較高的敏感度；滑坡累積位移基本上自每年庫水位快速下降時開始逐步增大，變形速率在每年6～8月達到最大，此時滑坡穩(wěn)定性逐漸降至最低，說明滑坡的穩(wěn)定性和滑坡變形呈負相關(guān)聯(lián)，滑坡體的動態(tài)卸荷隨庫水位下降及汛期(6～8月)庫水位短時增降均有所反應(yīng)．

3.2 坡體內(nèi)水壓力

坡體內(nèi)的水壓力主要為指向坡外的滲透壓力．在庫水位下降過程中，滑體巖土體的滲透性較低形成指向坡外水力梯度，水力梯度越大，越易造成滑坡的變形量的增大．在滑坡巖土體模擬過程中，將滑體分為74個條塊(如圖5所示)，選取63號條塊作為對比對象；以2016年4月20日164.36 m庫水位及2016年10月5日164.35 m庫水位進行對比；據(jù)63號條塊的受力分析，在庫水位下降階段，庫水附加荷載為207.7 kN，孔隙水壓力370.44 kPa；在庫水位上升階段庫水附加荷載為326.65 kN，孔隙水壓力402.35 kPa．如圖6所示，孔隙水壓力的差異主要在滑坡體X方向400～500 m，經(jīng)分析認為差異較大處位于庫水淹沒巖土體上下位置，主要是水力梯度導(dǎo)致的孔隙水壓力的不同；其他位置未見明顯差距是因為沒有庫水加卸荷載的作用．在庫水位下降時，滑坡體下滑力為向外滲透壓力與浮托力分力的差值與坡體自重向下分力之和；而庫水位上升時，滑坡體下滑力坡體自重分力與浮托力分力及指向坡內(nèi)滲壓之差，對比得知庫水位下降時下滑力大于庫水位上升時下滑力，綜合分析認為庫水位下降會增大滑坡的變形．

圖5 滑體條塊劃分

圖6 2016年4月20日及10月15日 孔隙水壓力-X距離對比圖

若庫水位在快速下降期間有強降雨發(fā)生，降雨通過裂隙入滲也會使滑體水動力條件的改變；庫水位下降和降雨的綜合作用，主要是增大滑體向外的推力，推力來源一方面為指向坡外的動水壓力，降雨入滲造成的下滑巖土體的自重增大；降水還可能會造成巖土體抗剪強度的減小，增大滑坡變形的可能性．

4 結(jié) 論

1)滑坡各監(jiān)測點每隔3年累積位移有較大提升的“規(guī)律”，是因為庫水位下降或降雨因素改變引起滑坡體應(yīng)力場調(diào)整過程中狀態(tài)變化，顯示出突然年變形量增大的趨勢．

2)根據(jù)實地勘察認為地形地貌、滑體物質(zhì)、庫水位變化、降雨及人類工程活動是形成白家包滑坡的主導(dǎo)因素，其中庫水位快速下降及汛期強降雨是滑坡變形量增加的激勵因素．

3)庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性變化有較高的敏感度，且滑坡的穩(wěn)定性與變形量增加呈負相關(guān)聯(lián)；滑坡變形量增加主要是坡體外荷載卸荷及坡體內(nèi)部的動水壓力所致；在庫水位快速下降時指向坡外的動水壓力會進一步加劇滑坡的變形．

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[責(zé)任編輯 周文凱]

Analysis of Deformation Mechanism of Baijiabao Landslide in Three Gorges Reservoir Area

Men Mengfei1,2,3Yi Qinglin1,2,3Zhang Mingyu1,2,3Wen Kai1,2,3Qin Shilei1,2,3Zeng Huaien1,2,3

(1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards & Eco-Environment in Three Gorges Area, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 3. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In order to study the dynamic deformation mechanism of the fording landslides in the Three Gorges Reservoir area, taking the Baijiabao landslide as the research object, and then based on the data of geological prospecting, rainfall and reservoir water level in recent years through the method of combining professional monitoring data with numerical simulation, the formation mechanism and the causes of Baijiabao landslide are analyzed. The result shows that the deformation mode is step-type-increase every year and from April to September as the main deformation period. The reason for cumulative displacement of each monitoring point has been greatly increased every three years is that the stress field adjustment of the landslide leads to the deformation increasing since 2006. There is a good correlation between the rapid decline of reservoir water level and the increase of the cumulative displacement. The change of landslide stability has a positive correlation to the fluctuating reservoir water lever. By analysis, it is shown that the unloading of the slope external loads and seepage pressure from internal to outside are the main causes of the deformation of landslide. The landslide is currently in the stage of creep deformation. If the reservoir water level decreases rapidly and the heavy rainfall in flood season, the deformation of Baijiabao landslide will be further increased.

Baijiabao landslide; deformation; stress field; seepage pressure

2017-01-08

湖北省自然科學(xué)基金項目(2016CFB443)；精密工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(PF2015-4)

門夢飛(1992-)，女，碩士研究生，主要從事土木工程研究．E-mail：542056961@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.010

P642.22

A

1672-948X(2017)02-0043-05