鄧合玉 陳 勇

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

自從三峽水庫蓄水后，庫區(qū)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，三峽水庫大型涉水復(fù)活型滑坡達(dá)數(shù)百處，2003年7月13日，三峽庫區(qū)初次蓄水135 m后一個月就發(fā)生的千將坪滑坡，導(dǎo)致10人死亡，14人失蹤，2 000多人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失5 000多萬元[1-2]，因此研究庫水對滑坡穩(wěn)定性的影響意義重大．庫水位升降是影響庫水型滑坡穩(wěn)定性的主要因素，三峽庫區(qū)庫水在145～175 m間反復(fù)波動，形成高差30 m的消落帶，反復(fù)的干濕循環(huán)將顯著改變消落帶的土體性質(zhì)，土體中的微觀裂紋、裂隙長期反復(fù)的張開閉合，逐漸發(fā)育、貫通，致使土體由密實狀態(tài)漸進(jìn)為內(nèi)部裂紋發(fā)育的松散狀態(tài)，而土體內(nèi)部的損傷將導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度逐漸劣化[3]．

庫水長期浸泡滑坡前緣導(dǎo)致的土體軟化、水化學(xué)作用[4]以及對庫水水位下的透水型滑坡的浮托減重效應(yīng)[5]等，都是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素．庫水升降在力學(xué)平衡方面打破滑坡原有的應(yīng)力和滲流狀態(tài)[6]，特別是庫水位驟降，庫水位下降速率越大，地下水響應(yīng)滯后現(xiàn)象就越顯著，導(dǎo)致地下水位線形態(tài)整體變陡，形成的水頭差就越大，對滑坡體產(chǎn)生的動水壓力作用就越大，因此對滑坡的穩(wěn)定性影響就越不利．庫水升降對滑坡穩(wěn)定性的影響是多方面的，導(dǎo)致的滑坡失穩(wěn)破壞是漸進(jìn)性的，是一個連續(xù)變化的過程，是一序列變形破壞的結(jié)果[7-9]．國內(nèi)外學(xué)者在庫水變化引起滑坡穩(wěn)定性的變化方面研究還不夠全面，本文將通過ABAQUS分析滑坡中地下水隨著庫水位變化的滲流狀態(tài)，分析滑坡體前緣局部破壞機(jī)理，采用強(qiáng)度折減法[10-13]對滑坡沖刷前后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析．

1 動水壓力

滲流力是滲透水流對于土骨架中的顆粒的推動力與拖拽力，滲透力是一個體積力[14]，即動水壓力，當(dāng)動水壓力過大時就會引起土顆?；蛲馏w的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞，如邊坡破壞，堤壩失穩(wěn)等現(xiàn)象．動水壓力是由于水的流動而產(chǎn)生，在透水土體中，一旦有水力梯度作用，必將形成滲流，從而對土體產(chǎn)生動水壓力．

如圖1所示，水庫由高水位175 m快速消落至145 m，地下水滲流場急劇變化所產(chǎn)生的高滲透壓力極易誘發(fā)滑坡．

圖1 庫水位快速消落誘發(fā)滑坡示意圖

2 沖刷作用

長期反復(fù)的庫水升降、水流沖刷、船浪淘蝕等，帶走破面的細(xì)小泥沙，使大塊巖土體失去支撐，極易產(chǎn)生局部崩塌；局部滑落的土體對滑坡前緣產(chǎn)生一個沖擊力，極易誘發(fā)滑坡的失穩(wěn)破壞．如圖2所示，三峽庫區(qū)隨著庫水位在175 m到145 m之間反復(fù)變動，長期反復(fù)的庫水升降、水流沖刷、船浪淘蝕等，帶走大量土體，使庫岸變陡、變高，滑坡前緣的重力下降，從而導(dǎo)致滑坡前緣的支撐力下降，導(dǎo)致滑坡的穩(wěn)定性下降．

圖2 庫水沖刷示意圖

庫水位升降產(chǎn)生的縱向沖刷主要影響消落帶的土體，由于長期反復(fù)的庫水升降，帶走消落帶土體中的細(xì)小土顆粒，使消落帶土體中滲透流速顯著提高，極易產(chǎn)生局部滲透破壞，破壞的土體淤積在岸坡前，使滑坡前緣產(chǎn)生淤積體．尤其在庫水位驟降情況下，大量地下水滯留在土體中，土體中地下水產(chǎn)生一個指向坡外的動水壓力，對滑坡的穩(wěn)定性極其不利．

庫水位產(chǎn)生的橫向沖刷主要取決于庫水的流動速率，當(dāng)庫水流速較大時，庫水?dāng)y帶土顆粒的能力較強(qiáng)，岸坡上較大土顆粒也會被搬運走，產(chǎn)生明顯的庫岸后退線；三峽庫區(qū)庫水流速較緩慢[15]，庫水?dāng)y帶土顆粒的能力較弱，庫岸后退線不明顯，因此，庫區(qū)岸坡前極易產(chǎn)生淤積體．

3 庫水升降條件下數(shù)值分析

3.1 滑坡體數(shù)值模型

在滑坡的有限元計算中，計算參數(shù)的取值直接影響到數(shù)值分析的計算結(jié)果，由于本文目的是研究滑坡在沖刷前后動水壓力對滑坡穩(wěn)定性的影響，需要較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)為依托，因此選取樹坪滑坡建立數(shù)值模型如圖3～4所示，樹坪滑坡長861 m，高390 m，樹坪滑坡為典型的動水壓力型滑坡[16]．

圖3為沖刷前的有限元模型，共劃分結(jié)點28 880個，單元28 488個；圖4為沖刷后的有限元模型，共劃分結(jié)點28 547個，單元28 153個．樹坪滑坡主要分為3種材料，綜合分析樹坪滑坡的地質(zhì)條件、滑體及滑帶土的物理力學(xué)參數(shù)、試驗成果及反演分析成果，并類比相似工程實踐經(jīng)驗，確定滑坡巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)建議值見表1．

圖3 沖刷前數(shù)值計算模型

圖4 沖刷后數(shù)值計算模型

位置天然容重γ/(kN·m-3)飽和容重γ/(kN·m-3)天然內(nèi)聚力c/kPa天然摩擦角φ/°飽和內(nèi)聚力c/kPa飽和摩擦角φ/°滲透系數(shù)k/(cm·s-1)滑體20.020.418.121.716.018.50.0089滑帶淺層20.020.816.717.514.015.7滑帶深層20.120.817.219.515.316.2滑床(粉砂質(zhì)泥巖)20.422.755034滑床(泥灰?guī)r)25.926.32 27044

3.2 計算工況

三峽庫區(qū)正常蓄水后，庫水位將在145～175 m水位間漲落，本文目的是研究庫水升降條件下滑坡變形失穩(wěn)機(jī)理，于是按照三峽庫水實際調(diào)度情況選取一個水文年內(nèi)庫水位變化為基準(zhǔn)工況，共計366 d．庫水調(diào)度如圖5所示．

圖5 庫水調(diào)度工況

3.3 滲流場分析

隨著庫水位在175 m與145 m之間變化，導(dǎo)致滑坡土體在飽和狀態(tài)與非飽和狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，滑坡滲流場也隨著庫水位的變化而變化，通過ABAQUS建立有限元模型，分析滲流場隨著庫水位變化的情況．如圖6～7所示，在三峽水庫正常運行期內(nèi)，庫水位下降時，滑坡地下水位隨之下降，由于滑坡體內(nèi)滲透性系數(shù)較低，庫水位下降速度較地下水位快，地下水位向滑坡體外彎曲，產(chǎn)生對滑坡體穩(wěn)定性不利的動水壓力，隨著時間的延續(xù)，彎曲趨勢逐漸變緩．

圖6 孔壓等值線云圖(175 m) 圖7 孔壓等值線云圖(145 m)

從圖6、7可以發(fā)現(xiàn)庫水從175 m下降到145 m的變化過程中，浸潤線形態(tài)在滑坡體中逐步變陡，地下水在滑坡體中形成的水頭差就越大，從而產(chǎn)生的動水壓力就越大，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，與實際狀態(tài)相吻合．由圖6所示，庫水穩(wěn)定在175 m時，滑坡體孔隙水壓力等值線彎曲不明顯，說明地下水較穩(wěn)定，變化不明顯，產(chǎn)生的水頭差不明顯，從而產(chǎn)生的動水壓力不明顯，滑坡在庫水長期穩(wěn)定不變時，動水壓力作用不明顯．由圖7所示，庫水下降到145 m時，滑坡體高程145 m所在區(qū)域孔隙水壓力變化明顯，孔壓等值線出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象，說明地下水在該區(qū)域變化劇烈，地下水從高水頭向低水頭滲流，孔壓等值線彎曲越明顯，說明地下水水頭差變化就越大，通過滲流力計算：

式中，I為水力梯度，γw為水的重度(kN/m3)．

由于水的重度γw為定值，故動水壓力的大小取決于水力梯度的大小；動水壓力普遍作用于滲流場中的所有土粒上，它由孔隙水壓力轉(zhuǎn)化而來，即滲透水流的外力轉(zhuǎn)化為均勻分布的內(nèi)力或體積力．水力梯度越大，則動水壓力越大．

3.4 滑坡變形數(shù)值分析

根據(jù)3.1節(jié)建立的數(shù)值模型，采用3.2節(jié)的庫水調(diào)度工況對滑坡進(jìn)行數(shù)值分析，計算云圖如圖8～13所示．在庫水從175 m消落至145 m時，大量地下水滯留滑坡體中，產(chǎn)生較大動水壓力，特別是庫水位變化的消落帶區(qū)域滲流作用明顯，通過圖8可以發(fā)現(xiàn)滑坡體在庫水位變化的消落帶區(qū)域位移最大，極易導(dǎo)致消落帶區(qū)域的破壞，與實際情況一致．滑坡前緣消落帶區(qū)域滲流場的變化，導(dǎo)致滑坡前緣應(yīng)力場的重分布；另一方面地下水長期浸泡滑坡前緣，使巖土體強(qiáng)度降低，使滑帶土的軟化效應(yīng)加劇，加上應(yīng)力場重分布，滑帶前部出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖9所示，滑帶前部出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)，從而使滑坡前緣變形加劇，導(dǎo)致滑坡前緣整體移動．一旦局部區(qū)域軟化或破壞，必然產(chǎn)生應(yīng)力釋放，應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力重新分布；軟化或破壞的區(qū)域直接影響到鄰近區(qū)域，鄰近區(qū)域的應(yīng)力可由原來沒有超過巖土體強(qiáng)度值轉(zhuǎn)變?yōu)槌^巖土體強(qiáng)度值，使該區(qū)域發(fā)生軟化或破壞，如滑坡體上的局部塌陷等；如圖10所示，滑坡體局部區(qū)域應(yīng)力釋放，把應(yīng)力轉(zhuǎn)嫁到其他鄰近區(qū)域，使鄰近區(qū)域變形加劇，可以發(fā)現(xiàn)位移劇烈變化區(qū)域逐漸上移，滑坡前緣位移也明顯加大，使應(yīng)力場重新分布，滑帶中部出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖11所示，滑帶中部出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)，滑動面逐漸形成．滑坡的破壞是一個連續(xù)變化的過程，漸進(jìn)連續(xù)的破壞導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)，直至滑坡整體失穩(wěn)破壞，如圖12所示，位移劇烈變化區(qū)域逐漸上移，滑坡體后緣出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)，實際表現(xiàn)為滑坡后緣出現(xiàn)張拉裂縫，如圖13所示，滑帶土的塑性應(yīng)變區(qū)逐漸增大，逐漸貫通．

圖8 位移等值云圖 圖9 塑性應(yīng)變等值云圖 圖10 位移等值云圖

圖11 塑性應(yīng)變等值云圖 圖12 位移等值云圖 圖13 塑性應(yīng)變等值云圖

3.5 滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

隨著三峽水庫的運行，滑坡穩(wěn)定性受到庫水的影響明顯，分析滑坡穩(wěn)定性隨庫水變化的關(guān)系尤為重要，本文通過ABAQUS采用強(qiáng)度折減法計算安全系數(shù)，計算出同一工況條件下滑坡沖刷前后安全系數(shù)與庫水水位隨時間變化曲線．

圖14描述了安全系數(shù)與庫水水位隨時間變化曲線，對于水庫型滑坡，庫水變化是影響滑坡穩(wěn)定性的重要因素，安全系數(shù)1分析了滑坡未被沖刷條件下滑坡安全系數(shù)隨庫水位的變化關(guān)系；庫水位穩(wěn)定在175 m時，滑坡的安全系數(shù)穩(wěn)定，當(dāng)庫水從175 m降到145 m時，滑坡安全系數(shù)也隨著下降，安全系數(shù)從1.036下降到1.007，可以看出安全系數(shù)隨庫水下降過程中有個滯后的現(xiàn)象，是由于開始庫水下降與土體排水處于動態(tài)平衡，從而未產(chǎn)生水頭差，出現(xiàn)安全系數(shù)滯后的現(xiàn)象；隨著庫水水位下降，地下水大量滯留，動水壓力逐步增加，直到達(dá)到峰值，達(dá)到峰值后又逐步下降，安全系數(shù)表現(xiàn)出先快速下降，后逐步放緩的趨勢．隨著庫水水位上升，庫水入滲緩慢，庫水對滑坡體表面產(chǎn)生靜水壓力，方向指向坡體向里，有利于滑坡的穩(wěn)定性，滑坡的安全系數(shù)隨著庫水的上升而上升．

圖14 安全系數(shù)與庫水水位隨時間變化曲線

滑坡體經(jīng)過長期沖刷，土體中小顆粒被沖刷帶走，土體的孔隙率逐步增大，土體間的相互作用減弱，使得應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致土骨架的變形與潰散，往往伴隨著崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，在庫水沖刷與滲透相互作用過程中，庫水沖刷滑坡體，帶走土體中大量細(xì)小顆粒，使得滑坡體的滲透系數(shù)上升，滲透作用加劇，滲透作用對土骨架產(chǎn)生動水壓力，導(dǎo)致土骨架的變形與潰散，使沖刷作用加劇，庫水沖刷和滲透過程是相互影響且相互促進(jìn)的；在庫水沖刷與滲透相互作用過程中，伴隨著土體的物理力學(xué)性質(zhì)降低，極易發(fā)生局部破壞，潰散的土體被庫水帶走，長期反復(fù)的沖刷作用，帶走大量土體，使滑坡前緣的自重減少，加上滑坡前緣土體長期浸泡在水中，軟化作用加劇，使得滑坡前緣的支撐作用減弱，穩(wěn)定性降低，安全系數(shù)2分析了滑坡沖刷后滑坡安全系數(shù)隨庫水位的變化關(guān)系，對比未被沖刷前滑坡的安全系數(shù)隨庫水位的變化曲線，沖刷后滑坡的安全系數(shù)整體有明顯下降，下降幅度在0.02，說明沖刷對滑坡穩(wěn)定性不利，長期沖刷極易導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞．

4 結(jié) 論

1)通過有限元分析發(fā)現(xiàn)滑坡體的滲流場在庫水升降條件下變化顯著，特別是庫水位從175 m驟降到145 m情況下，滑坡體消落帶所在區(qū)域孔隙水壓力變化明顯，孔壓等值線出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象，說明地下水在該區(qū)域變化劇烈，產(chǎn)生的動水壓力就越大，對滑坡穩(wěn)定性影響就越顯著．

2)庫水升降對滑坡穩(wěn)定性的影響是多方面共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞往往不是一蹴而就的，伴隨著長期漸進(jìn)的破壞；庫水型滑坡往往是庫水作用導(dǎo)致局部區(qū)域的失穩(wěn)破壞，致使該區(qū)域的應(yīng)力場、滲流場發(fā)生變化，導(dǎo)致該區(qū)域變形加?。辉搮^(qū)域應(yīng)力釋放、應(yīng)力轉(zhuǎn)移以及應(yīng)力重新分布又造成鄰近區(qū)域的應(yīng)力場、滲流場的變化，導(dǎo)致鄰近區(qū)域的變形加?。@一系列的連鎖反應(yīng)，致使滑帶塑性應(yīng)變區(qū)逐漸增大，逐漸貫通．

3)對滑坡穩(wěn)定性數(shù)值分析中，發(fā)現(xiàn)動水壓力對動水壓力型滑坡的穩(wěn)定性作用明顯，尤其是庫水驟降條件下，安全系數(shù)下降明顯；通過安全系數(shù)與庫水水位隨時間變化曲線，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)隨著庫水下降而下降，隨著庫水位上升而上升，安全系數(shù)隨著庫水升降有滯后現(xiàn)象．

4)沖刷對滑坡穩(wěn)定性的影響顯著，消落帶經(jīng)過長期沖刷，大量土體流失，極易導(dǎo)致局部的崩塌，導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性降低；對滑坡沖刷前后的安全系數(shù)與庫水水位隨時間變化曲線的對比分析中，發(fā)現(xiàn)滑坡沖刷后的安全系數(shù)比未考慮沖刷時的安全系數(shù)下降了0.02，沖刷是一個長期不斷的過程，因此考慮沖刷對滑坡穩(wěn)定性的影響十分重要．

5)隨著三峽庫區(qū)的蓄水，庫水作用將長期作用于庫區(qū)滑坡，尤其是庫水位的變化，導(dǎo)致庫岸消落帶的局部破壞，從而使滑坡的穩(wěn)定性降低，極易產(chǎn)生重大地質(zhì)災(zāi)害；因此，對庫區(qū)消落帶的治理十分重要．