許 倩，周 瑞，陳 源，李世貴，劉藝梁

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 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.湖北省鄂西地質(zhì)工程勘察院，湖北 宜昌 443000)

三峽庫區(qū)具有復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖體變形強(qiáng)烈，河谷嚴(yán)重切割，歷來多發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[1]。莫偉偉等[2]在庫岸邊坡水巖相互作用機(jī)理基礎(chǔ)上，現(xiàn)有的滑坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行總結(jié)分析，包括滲流場與應(yīng)力場耦合分析，剛體極限平衡法及有限元強(qiáng)度折減法。鄭穎人等[3]分析庫水下降速度及土的滲透系數(shù)，并比較研究浸潤面位置解析解和數(shù)值解對滑坡穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析。董建軍等[4]通過耦合應(yīng)力場和非飽和-飽和滲流場，進(jìn)行數(shù)值模擬降雨入滲坡體的孔壓變化規(guī)律，進(jìn)而分析降雨后邊坡安全系數(shù)變化，坡體的穩(wěn)定狀態(tài)。張珂峰[5]分析庫水位不同速率驟降并且在不同時(shí)刻擬合降雨,探討滑體不同位置的孔壓伴隨時(shí)間的變化,分析探討滑坡的滲透特性,認(rèn)為當(dāng)庫水位驟降聯(lián)合降雨會(huì)使滑體最危險(xiǎn)。江強(qiáng)強(qiáng)等[6]以大型物理模型試驗(yàn)為手段，從時(shí)間空間兩方面揭示庫水位消落與降雨作用機(jī)制下，庫岸滑坡失穩(wěn)破壞，揭示三峽庫區(qū)庫岸滑坡的演化規(guī)律及孕災(zāi)機(jī)理。江儒洪等[7]則認(rèn)為土體在危險(xiǎn)面的基礎(chǔ)上沿著滑動(dòng)帶發(fā)生失穩(wěn)破壞。張龍飛等[8]則分別研究庫水、降雨以及庫水聯(lián)合降雨對滑坡變形特征和穩(wěn)定性影響，進(jìn)而得出滑坡各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)特征。趙志陽等[9]重點(diǎn)研究三峽庫區(qū)萬州段區(qū)域的庫岸邊坡穩(wěn)定性，建立Scoops 3D模型，基于庫水位勻速變動(dòng)情況，計(jì)算庫岸水位線，探討邊坡穩(wěn)定性時(shí)空分布。繆信等[10]通過研究庫水位變動(dòng)情況下浸潤性的變化趨勢，探究水位變動(dòng)條件下滑坡變形穩(wěn)定性。盧書強(qiáng)等[11]認(rèn)為臥沙溪滑坡變形前期表現(xiàn)為牽引式、變形后期表現(xiàn)為推移式，重點(diǎn)分析其失穩(wěn)機(jī)理。尚敏等[12]模擬降雨滲流場變化，量化降雨與滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而探討坡體變形機(jī)制與降雨強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性，為極端降雨條件下，滑坡的變形研究提供借鑒。范慶來等[13]和薛聰聰?shù)萚14]分別研究了庫水聯(lián)合降雨作用下三門洞滑坡和綠草碼頭滑坡滲流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律及穩(wěn)定性分析。

庫水位突變對滑坡體地下水滲流場和應(yīng)力場產(chǎn)生影響，形成動(dòng)水壓力。本文從地質(zhì)條件入手，采用理論分析和數(shù)值模擬計(jì)算方法，以白家包滑坡為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場勘查監(jiān)測資料,運(yùn)用GeoStudio建立模型，用SEEP/W模塊進(jìn)行地下水滲流場求解計(jì)算，導(dǎo)入SLOPE/W模塊求解其穩(wěn)定性系數(shù)；導(dǎo)入SIGMA模塊 建立耦合孔隙水壓力變化的彈塑性模型求解分析，全面研究在庫水位消落作用下滑坡滲流場、位移場以及滑坡體穩(wěn)定性情況。

1 白家包滑坡的工程概況

白家包滑坡相距三峽大壩41.2 km，位于長江支流香溪河的右岸。滑坡發(fā)育于兩山脊之間，整個(gè)滑坡呈現(xiàn)西高東低的趨勢，剖面凹陷。白家包滑坡平面形態(tài)喇叭狀，面積大約為22×104m2。后緣以基巖為界，高程約270 m，縱向長度約550 m，前緣呈弧形向香溪河突出。滑坡剪出口高程約126 m；平均厚度約45 m，體積約990×104m3；屬于大型堆積體滑坡(見圖1)。

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

滑體主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，包括粉質(zhì)黏土及塊碎石和碎塊石土，呈現(xiàn)不規(guī)則狀交替出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)致密。滑帶主要為粉質(zhì)黏土混合碎石角礫，碎石成份以灰黃色砂巖和紫紅色泥巖為主，含量為25%～30%，軟—可塑，且含明顯的磨光泥巖顆粒。從坡面邊坡看起伏波動(dòng)小，基巖產(chǎn)狀260°∠30°?；驳闹饕镔|(zhì)組成為泥巖和長石石英砂巖。

2 變形特征與誘發(fā)機(jī)制分析

2.1 變形特征

近年，基于對此滑坡的工程地質(zhì)調(diào)查與專業(yè)監(jiān)測，蓄水前期滑坡主要的變形集中在后緣出現(xiàn)弧形裂縫。自2009年之后，滑坡的變形集中在前部右側(cè)的秭興公路，路面出現(xiàn)拉裂變形，多次整修，路基下沉，形成凹形陡坎；前部右側(cè)的消落帶區(qū)域，形成小規(guī)模坍塌。2012年之后，滑坡左側(cè)邊界出現(xiàn)裂縫并不斷新張，最終與滑坡后緣裂縫逐漸連接，并且延伸至前緣消落帶。

滑坡右側(cè)的變形大于左側(cè)變形，左側(cè)的前緣強(qiáng)度較高，由于節(jié)理裂隙的存在滲透系數(shù)也比較大，庫水快速消落則形成的動(dòng)水壓力較小，并且左側(cè)的阻滑段大于右側(cè)，而右側(cè)邊界有較強(qiáng)的的砂泥巖堆積體，并且滑坡右側(cè)的公路內(nèi)側(cè)存在汲水坑，因而有更大的孔隙水壓力，有效應(yīng)力相對減小，所以滑坡右側(cè)變形大于左側(cè)。

2.2 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1) 2017年10月以來，白家包滑坡實(shí)施自動(dòng)監(jiān)測，滑坡縱軸線上分別布設(shè)ZD1、ZD2、ZD3三處自動(dòng)GPS變形監(jiān)測點(diǎn)和一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖2所示為自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)ZD1、ZD2、ZD3累積位移與庫水位的關(guān)系曲線圖(因2019年8月，監(jiān)測點(diǎn)解算出現(xiàn)故障，缺失部分?jǐn)?shù)據(jù)，圖2中顯示斷開部分)。

(2) 根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見圖2)顯示，監(jiān)測點(diǎn)ZD1、ZD2、ZD3的位移變化與三峽庫區(qū)水位消落有著積極的響應(yīng)關(guān)系。自2017年10月自動(dòng)監(jiān)測初測到2019年10月，監(jiān)測點(diǎn)ZD1、ZD2、ZD3累計(jì)位移分別達(dá)到125 mm、147 mm、210 mm。當(dāng)庫水位上漲與平緩運(yùn)行階段，滑坡相對較為穩(wěn)定，位移沒有明顯的幅度改變。特別受庫水位消落的影響，2018年與2019年6月份，滑坡位移變形劇烈的跳躍式抬升，表現(xiàn)為累積位移的陡坎段，位移增幅達(dá)到50 mm～120 mm；而庫水位消落自每年2月份開始，分析認(rèn)為滑坡體具有較弱的滲透性，使得滑坡呈現(xiàn)較為明顯的滯后性變形。

圖2 自動(dòng)監(jiān)測累計(jì)位移曲線

3 滑坡的數(shù)值模擬基于不同庫水位消落速度

3.1 基本理論

SEEP/W的理論基礎(chǔ)基于飽和與非飽和滲流的達(dá)西定律[15]：

q=ki

(1)

式中：q為單位滲流流量；k為滲透系數(shù)；i為水頭梯度。

SEEP/W有限元公式中的控制方程為：

(2)

SLOPE/W模塊能夠考慮孔隙水壓力的條件，通過Morgenstern-Price法，運(yùn)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

SIGMA/W模塊選取彈塑性本構(gòu)模型，材料模型設(shè)置為摩爾-庫侖模型耦合孔隙水壓力變化，模擬不同庫水降速下滑坡體的應(yīng)變變化。

3.2 計(jì)算模型參數(shù)的選取

根據(jù)工程地質(zhì)特征，選取I-I′主縱剖面作為計(jì)算斷面，其長度約為730 m，高度約為300 m(見圖3)。對計(jì)算模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，對滑坡設(shè)置網(wǎng)格屬性，全局單元尺寸6 m，單元數(shù)為18 263個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 202個(gè)。對滑帶區(qū)域設(shè)置單元邊界尺寸長度為1 m，滑帶網(wǎng)格更為密集(見圖4)。

圖3 滑坡剖面圖

圖4 滑坡計(jì)算模型圖

3.3 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)滑坡勘察資料，類比附近滑坡相似巖土體，適當(dāng)修正后確定滑坡的物理力學(xué)參數(shù)見表1?；w基質(zhì)吸力與體積含水率曲線如圖5所示。

表1 滑坡物理力學(xué)參數(shù)

3.4 計(jì)算并分析工況

依據(jù)三峽庫區(qū)庫水位運(yùn)行資料，考慮河谷的寬度不同使得水庫容量不同，設(shè)定模擬工況如表2所示。通常情況下，第一階段每年1月—5月，庫水位由175 m消落至160 m，歷時(shí)116 d；第二階段庫水位由160 m迅速下降到145 m。本文主要模擬庫水位下降時(shí)，滑坡的滲流場以及穩(wěn)定系數(shù)的變化，分析其位移變化。

圖5 滑體非飽和滲透系數(shù)曲線

表2 庫水位降落模擬工況

4 求解結(jié)果分析

4.1 滑坡滲流場分析

采用SEEP/W模塊對不同工況下的滲流場進(jìn)行模擬，計(jì)算模擬出庫水位下降的滲流場變化，各個(gè)工況下浸潤線變化如圖6,圖7所示。

圖6 不同工況下浸潤線的變化

圖7 工況4浸潤線隨時(shí)間的變化

圖6整體看，庫水下降過程中，滑坡體前部浸潤線明顯下降而中后部的浸潤線變化很小，滑坡體前緣受庫水位下降影響較大。坡體內(nèi)浸潤線在庫水位由175 m下降時(shí)開始出現(xiàn)彎曲。其中庫水位175 m～160 m的坡體內(nèi)浸潤線彎曲傾斜度相較于160 m～145 m更緩一些，庫水位由160 m降至145 m的坡體內(nèi)浸潤線更陡。據(jù)滲流模型模擬坡體內(nèi)浸潤線顯示，庫水位160 m～145 m消落階段，庫水位降速增大浸潤線外凸趨勢更為明顯?；w物質(zhì)組成多為孔隙介質(zhì)，以土質(zhì)為主，透水性弱，孔隙水難以消散，地下水滲流受巖體阻礙排除緩慢，滑坡體前緣浸潤線與庫水位自由水面高程存在一定高差，在坡體內(nèi)外水頭差的作用下，坡體內(nèi)的地下水不斷向外滲流，對滑坡產(chǎn)生動(dòng)水壓力，形成瞬態(tài)滲流場，飽和度增加，基質(zhì)吸力減小，黏聚力減小，抗剪強(qiáng)度下降，滲流流量增加，滲透力增加，浸潤線外凸，穩(wěn)定性降低。

圖7為工況4在不同時(shí)段坡體內(nèi)浸潤線，水位下降初期，浸潤線基本與庫水位同步下降，當(dāng)庫水位到達(dá)160 m時(shí)，浸潤線略顯得滯后，向坡外傾斜。當(dāng)庫水降至145 m時(shí)，浸潤線明顯滯后于庫水位下降，庫水下降越快則坡內(nèi)浸潤線滯后于庫水位線的變化越明顯，其滯后性與庫水位下降速率為正相關(guān)。坡體前緣浸潤線與庫水位自由水面高程存在一定高差，表明庫水位下降速率大于坡體內(nèi)地下水的滲流速度，坡內(nèi)浸潤線對庫水位變化的響應(yīng)存在一定的滯后，在坡體內(nèi)外水頭差的作用下，坡體內(nèi)的地下水不斷向外滲流，地下水位與庫水位差增大，破壞了滑體系統(tǒng)滲流場與應(yīng)力場維系的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，增加坡體重量或者下滑力，不利于滑坡穩(wěn)定性。

4.2 穩(wěn)定性模擬分析

通過SEEP計(jì)算得到的坡體內(nèi)浸潤線，模擬相應(yīng)的滲流場，基于滲流求解導(dǎo)入SLOPE/W計(jì)算各個(gè)工況下的穩(wěn)定系數(shù)。模擬結(jié)果(見圖8)表明，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)減小與庫水位下降密切相關(guān)。其中第一階段175 m～160 m庫水位降速均為0.13 m/d，持續(xù)116 d，穩(wěn)定系數(shù)緩慢下降，由1.086降至1.019；第二階段庫水位到達(dá)160 m后，可以看出第二階段穩(wěn)定系數(shù)斜率明顯大于第一階段，穩(wěn)定系數(shù)減幅增大。由此可見庫水位消落速度越快，穩(wěn)定系數(shù)曲線斜率越大。穩(wěn)定系數(shù)降低加劇，整體堆積體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果最低達(dá)到0.973，滑坡由基本穩(wěn)定演變?yōu)椴环€(wěn)定，因此對增大降幅后的堆積體穩(wěn)定性應(yīng)給予充分重視。庫水位下降，坡體受到地下水排出而產(chǎn)生擠壓坡體的壓力，從而降低滑坡的有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度，同時(shí)庫水位下降產(chǎn)生黏滯力向下牽引帶動(dòng)坡面土體，對前緣坡體進(jìn)行侵蝕、浸泡、反復(fù)循環(huán)作用下，也會(huì)使滑坡穩(wěn)定性降低。

圖8 不同工況下滑坡穩(wěn)定性變化

4.3 位移場的模擬分析

選取工況4，進(jìn)行對比分析滑坡體的位移場。如圖9、圖10所示，為庫水下降持續(xù)90 d(175 m～160 m庫水位)時(shí)滑坡降速為0.13 m/d和120 d(160 m～145 m庫水位)時(shí)滑坡降速為1.2 m/d滑坡的位移場。

圖9 庫水下降持續(xù)90 d滑坡位移場變化圖

圖10 庫水下降持續(xù)120 d滑坡位移場變化圖

由模擬結(jié)果可以得看出:隨庫水消落加速，則滑坡位移變形的范圍增大?；麦w前緣產(chǎn)生局部變形，在前緣高程180 m左右滑坡出現(xiàn)坍塌下滑，最大下滑位移約達(dá)到12 m，滑坡前緣150 m左右出現(xiàn)隆起。下部基巖沒有位移，處于穩(wěn)定?；潞蟛康奈灰浦饕霈F(xiàn)在剪出口。當(dāng)庫水位驟降時(shí)，引起水位線下降使岸坡土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生明顯改變，打破原有的岸坡堆積平衡；同時(shí)作用在滑坡體的水荷載短時(shí)間減小，使得局部土體產(chǎn)生變形，形成不可恢復(fù)的屈服區(qū)域?；麦w的消落帶長期在庫水的周期性浸泡下，庫水影響水位以下的巖土體使其軟化，抗剪強(qiáng)度降低，致使相應(yīng)的岸坡位移逐漸增大。

5 結(jié) 論

(1) 白家包滑坡的地形地貌，物質(zhì)組成是滑坡發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)，庫水位周期性漲落，以及降雨等對滑坡的復(fù)活產(chǎn)生激勵(lì)作用。其滑坡體結(jié)構(gòu)致密，滲透性差，為其動(dòng)水壓力的形成創(chuàng)造了條件。

(2) 坡體內(nèi)水的滲流相較于庫水位下降呈現(xiàn)較強(qiáng)的滯后性，庫水位消落越快則其滯后性越明顯， 短期內(nèi)形成較大水力梯度，滲流作用對滑坡體形成 “拖拽力”，同時(shí)庫水下降改變滑坡體力學(xué)性質(zhì)，降低滑坡的抗變形、抗破壞的能力；庫水位消落速度增快，坡內(nèi)浸潤線滯后庫水位消落幅度加大，較容易引起高滲透壓力，滑坡穩(wěn)定系數(shù)下降幅度越大。

(3) 滑坡體前緣是滑坡局部變形重點(diǎn)部位，與滲流分析中坡體內(nèi)浸潤線的變化相吻合，滑坡體的前緣消落帶在庫水位驟降的條件下，形成較強(qiáng)動(dòng)水壓力，且材料抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，打破原有的岸坡堆積平衡，岸坡局部土體產(chǎn)生變形，相應(yīng)的岸坡位移逐漸增大。