易慶林 汪標 鄧茂林 童 權 劉開心 張家旭 賴雪梅

(1.防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學), 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌443002)

滑坡是一種嚴重的地質災害,滑坡體沿軟弱結構面快速滑動、推擠、拉伸、碰撞,導致坡體穩(wěn)定性變差,嚴重威脅著人類的生產(chǎn)生活,并對環(huán)境造成了巨大破壞[1-2].三峽庫區(qū)是我國滑坡災害高發(fā)區(qū),該地區(qū)滑坡變形破壞受自身地質條件、外界誘發(fā)因素、人類活動等各種影響,為減輕災害帶來的風險,須進行滑坡監(jiān)測預警預報的相關研究工作[3-4].庫區(qū)滑坡按物質組成劃分,主要包含堆積層土質滑坡以及裂隙巖體滑坡.據(jù)統(tǒng)計,在堆積層滑坡的失穩(wěn)中,94%以上是由降雨和地下水影響而引起的[5];裂隙巖體的滲流作用引發(fā)的工程事故也屢見不鮮,90%的裂隙巖體的失事都與地下水的活動有關[6],地下水成為誘發(fā)滑坡失穩(wěn)破壞的重要因素.

三峽庫區(qū)地下水富水條件好,地下水長期賦存于滑坡體內,滑坡體常因地下水流動而失穩(wěn).地下水在巖土體間流動,在巖體結構面中形成的孔隙靜水壓力、動水壓力改變了結構面的力學狀態(tài),使結構面受到水的推力、揚壓力和劈裂作用,從而使坡體的穩(wěn)定性劣化[7-8].像浮托減重型滑坡(木魚包滑坡[9]、譚家河滑坡[10]等),動水壓力型滑坡(八字門滑坡[11]、白水河滑坡[12]、白家包滑坡[13]、樹坪滑坡[14]等),均與地下水的活動有關.劉才華等[15]研究認為順層巖質滑坡的穩(wěn)定性主要取決于滑動面的物理力學性質和地下水對滑坡巖土體的水壓力.賀可強等[5]認為水誘發(fā)堆積層滑坡的位移與失穩(wěn)直接受地下水位變化量控制,且其位移規(guī)律與地下水位變化量存在對應關系.此外,由于滑坡物質組成的多樣性以及滲透性差異,降雨及庫水對地下水的入滲補給響應不同,使滑坡不同區(qū)域的地下水位漲落變化不同,越靠近庫岸滑坡體前緣,庫水對地下水位的影響則越強,越靠近滑坡體中后部,降雨對地下水位的影響則越強[16-17].

近年來,一些學者利用Geostudio有限元數(shù)值模擬等軟件,考慮了降雨入滲坡內抬高地下水位的影響,對滑坡在地下水滲流作用下的失穩(wěn)破壞機制進行了研究,成果也頗為豐碩[18-20].但地下水位曲線實際演化過程卻少有提及,且地下水位漲落的各個階段對應滑坡變形狀態(tài)的相關文獻較為罕見,須進一步研究.近20年來,UDEC 離散元程序已在巖土工程、水利工程、采礦工程等多方面領域得到廣泛的認可和應用[7,21-23],被公認為是對裂隙巖體進行數(shù)值模擬的一種有效方法,尤其在研究裂隙巖體滲流的數(shù)值模擬方面更是獨樹一幟.鑒于此,本文利用UDEC 程序模擬降雨抬升地下水位下滑坡的位移變形,并分析其原因.

為確保三峽庫區(qū)的航道、三峽工程運營和滑坡體上居民的生命財產(chǎn)安全,自2003年起,三峽庫區(qū)地質災害監(jiān)測預警體系開始實施,對250多處風險性較大的重點崩塌滑坡災害體進行了專業(yè)監(jiān)測[13,24].實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和現(xiàn)場野外巡查為滑坡監(jiān)測預警提供了依據(jù).基于此,本文以譚家河滑坡、譚家灣滑坡為例,通過地質勘察資料、水文氣象資料、地表位移及地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)等,研究降雨與地下水位之間的響應關系,以及地下水位漲落的各個階段對應滑坡體變形狀態(tài).最后建立譚家河滑坡UDEC 離散裂隙網(wǎng)絡數(shù)值計算模型,模擬坡表裂隙充水抬高地下水位,分析地下水位漲落作用下滑坡體變形特征及機理.

1 研究區(qū)域基本概況

研究區(qū)域位于三峽庫區(qū)秭歸縣,如圖1(a)所示,該地區(qū)位于鄂西褶皺山地,地勢西南高東北低,平均海拔1 000 m 以上,山峰聳立,河谷深切,相對高差一般在500～1 300 m 之間.區(qū)內地貌主要類型有:侏羅系砂頁巖組成的侵蝕構造類型,古、中生界灰?guī)r組成的侵蝕構造類型,侵蝕堆積類型.區(qū)域地質條件復雜,滑坡災害頻繁發(fā)生.圖1(b)、(c)是該地區(qū)的兩個大型滑坡:譚家河滑坡屬沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)范家坪村一組,位于長江右岸,距三峽大壩壩址56 km;譚家灣滑坡屬水田壩鄉(xiāng)上壩村,位于長江支流咤溪河右岸,距長江河口10.8 km.

圖1 滑坡位置與全貌圖

三峽工程自2003 年庫水位蓄水到135 m,2006年蓄水到156 m,2008年蓄水到175 m 以后,每年庫水位在145～175 m 間波動變化,水位變幅近30 m.秭歸縣地處中緯度,屬于亞熱帶大陸性季風氣候區(qū),境內山巒起伏,全年溫暖濕潤、光照充足,雨量充沛.年降雨量由南向北、從低到高,逐漸增多,一般年降雨量900～1 600 mm,降雨主要集中在4～10月,月平均降雨量150～460 mm,日降雨量達到50～120 mm 的暴雨及大暴雨均有發(fā)生.降雨量大、強度高是導致該區(qū)域滑坡地質災害易發(fā)的重要因素.滑坡區(qū)地下水主要由大氣降雨及庫水補給,地下水具有就地補給、排泄的特點.

1.1 譚家河滑坡

1.1.1 滑坡形成的地質環(huán)境

譚家河滑坡屬于特大型深層基巖滑坡,自實施地質災害監(jiān)測以來,在滑坡后緣及東西兩側邊界處出現(xiàn)較多變形跡象,滑坡體仍持續(xù)位移變形.譚家河滑坡后緣至高程432 m 山包鞍部,前緣至江中135 m 高程,西以自然沖溝為界,東以一斷裂帶為界.滑坡體中后部地形陡峭,長約810 m,為整個滑坡驅動塊體,為促滑段;滑坡前緣地形平緩,長350 m,為阻滑段,前緣的下游側面的巖層發(fā)生了彎曲.滑坡寬400 m,縱長1 000 m,體積約為1 600萬m3,主滑方向340°,監(jiān)測點布置及剖面如圖2所示.

圖2 譚家河滑坡等高線地形圖及I-I剖面圖

滑坡體由兩部分構成,上層為碎塊石土組成的薄層松散堆積體,土為粉質黏土,碎塊石成分為砂巖、粉質砂巖以及泥巖等,碎塊石粒徑0.1～0.3 m 不等,土石比為5∶5～3∶7,下層為擾動的層狀石英砂巖.中上部順層段滑床由香溪組下段薄-中厚層炭質粉砂巖組成,下部切層段滑床由香溪組中段褐黃色中厚-厚層狀石英砂巖組成.滑帶主要由滑體受擠壓形成重粉質亞黏土及角礫組成,據(jù)滑帶的黏土礦物分析可知,主要礦物有石英、綠泥石、伊利石,次為方解石、高嶺石、長石等,其中伊利石約占比25%,其親水性和脹縮性在層狀硅酸鹽礦物中僅次于蒙脫石,是對巖石軟弱和活化影響較大的礦物.

滑坡區(qū)地下水屬潛水,其總趨勢向長江(當?shù)厍治g基準面)運移.滑坡區(qū)地下水主要為上層松散堆積層孔隙水和下層基巖裂隙水.

1.1.2 滑坡變形特征

已有研究認為譚家河滑坡位移變形與降雨以及庫水有關[10,25],庫水對滑坡巖土的浸泡軟化以及庫水位升降是滑坡變形的直接因素,而降雨對滑坡變形起到極大的促進作用.譚家河滑坡為裂隙順層古滑坡,經(jīng)歷了多次復活變形-滑移潰決-自然恢復改造,滑坡體裂隙發(fā)育,巖體結構面破碎,有利于降雨入滲補給抬高地下水位.本文重點分析滑坡體中部QSK2地下水位與GPS 自動監(jiān)測點位移量之間的響應關系,旨在得出滑坡失穩(wěn)關鍵預警指標,為三峽庫區(qū)滑坡的穩(wěn)定判斷提供理論基礎和技術保障.

本文分析監(jiān)測為時段2017年1月1日-12月31日內數(shù)據(jù),因傳感器故障,圖3 部分數(shù)據(jù)缺失.ZGX288、ZGX289、ZGX290累積位移分別為172.5、183.3、101.7 mm,可見前2個監(jiān)測點位移量相對較高且基本保持同步,其中ZGX289 位移變形最為劇烈,前緣ZGX290位移量相對較低,說明滑坡發(fā)生了推移式蠕動變形.1月1日-5月10日,期間降雨強度較弱,QSK2地下水位相對較低,庫水位由172.2 m緩慢下降至158.9 m,ZGX289日均位移速率較小,為0.3 mm/d,可見滑坡體在庫水的浸泡軟化以及庫水位緩慢消落作用下變形較弱.5月10日-6月10日,庫水位由158.9 m 快速消落至145.4 m,期間庫水位下降速率大、降雨強度高、QSK2 地下水位較高,ZGX289變形速率明顯提升.8月29日-9月26日,蓄水期庫水位上漲期間,QSK2 地下水位較低,ZGX289無明顯位移變形,此時庫水位上漲不足以誘發(fā)滑坡變形.9月27日單日降雨量達到43.4 mm 后,QSK2地下水位逐漸上漲至245.5 m,ZGX289 變形速率明顯提升,說明了庫水位上漲誘發(fā)滑坡變形需要強降雨的補償作用,且QSK2地下水位越高,滑坡變形往往越劇烈.

圖3 監(jiān)測點位移-QSK2地下水位-庫水位-日降雨變化關系圖

本文分析降雨及地下水位漲落下滑坡變形規(guī)律.由圖3可知,降雨入滲坡內,QSK2地下水位出現(xiàn)了4次漲落過程,將4次地下水位漲落周期劃分為A、B、C、D 變 形 時 段.在A 時 段 內,5 月11 日 降 雨 量 為53.2 mm,該強降雨入滲2 d,QSK2地下水位抬升達到243.5 m 后,ZGX289變形趨勢明顯增強;當降雨強度減弱,地下水位下降至241.5 m 后,ZGX289變形趨勢明顯減弱.對此,根據(jù)ZGX289變形速率拐點,將A 時段內QSK2 地下水位變化過程精細劃分為:①235.9 m→243.5 m;②243.5 m→244.2 m(峰值);③244.2 m→241.5 m;④241.5 m→241.2 m.①②③④過程中ZGX289 位移速率分別為0.38、0.80、0.94、0.08 mm/d,可見ZGX289 變形主要發(fā)生在②③過程中.這一滑坡變形特征與B、C、D 時段內變形特征基本一致,即QSK2 地下水位抬高到一定范圍后,ZGX289位移速率較高,滑坡體變形明顯增強,地下水位下降到一定范圍后,ZGX289位移速率較低,滑坡體變形明顯減弱.

1.2 譚家灣滑坡

1.2.1 滑坡形成的地質環(huán)境

譚家灣滑坡屬于降雨型牽引式土質滑坡,滑坡體為一典型圈椅狀凹槽地形,順向坡,坐西朝東向咤溪河展布.滑坡體后緣位于基巖陡壁坡腳,高程370 m,前緣直抵咤溪河,高程為160 m,南北兩側均以沖溝為界,總體坡度27°.滑體東西向長度450 m,南北向寬度350 m,平均厚度約為20 m,總體積3.15×106m3,主滑方向68°,監(jiān)測點布置及剖面圖如圖4所示.

圖4 譚家灣滑坡等高線地形圖及2-2’剖面圖

滑坡滑體物質主要為含碎石粉質黏土,土石比為6∶4～9∶1,碎石粒徑為0.2～2 cm.滑面為土體與基巖接觸面,巖性以碎石土為主.滑床為底部基巖即侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)厚層石英砂巖和紫紅色泥質粉砂巖互層,巖層產(chǎn)狀30°∠12°.滑帶為含礫粉質黏土,土石比為9∶1,礫石成分為紫紅色泥質粉砂巖、灰黃色石英砂巖等.

1.2.2 滑坡變形特征

自2006年實施地質災害監(jiān)測以來,譚家灣滑坡一直持續(xù)位移變形,尤其是2015年以來,滑坡體變形趨勢逐漸增大.譚家灣滑坡區(qū)地表形態(tài)、地質構造及巖性等因素決定了滑坡的形成和發(fā)育,強降雨和持續(xù)性降雨作用激勵了滑坡的變形[26-28].該滑坡區(qū)地下水富水條件好,地下水賦存在坡體內,導致巖土體浸泡軟化,加劇了滑坡的位移變形.本文對滑坡體中后部S1地下水位與GPS自動監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析.

本文分析監(jiān)測時段為2020年4月24日-12月31日內數(shù)據(jù),如圖5所示.

圖5 監(jiān)測點位移-QSK2地下水位-日降雨變化關系圖

G3、G6、G7、G11 累 計 位 移 分 別 高 達685.1、1 082.5、2 861.9、4 508.2 mm,其中G11位移變形最為劇烈.由圖5可知,該4個監(jiān)測點的5次“階躍”位移變形基本同步發(fā)生,且5次“階躍”變形與S1地下水位的5次漲落具有顯著相關性.對此,將5次地下水位漲落周期劃分為A、B、C、D、E變形時段.在A 時段內,降雨入滲坡內,S1地下水位抬高到285.3 m 后,G11變形趨勢明顯增強;當水位下降至287.9 m 后,G11變形趨勢明顯減弱.根據(jù)G11 變形速率拐點,將S1地下水位變化過程精細劃分為:①266.1 m→285.3 m;②285.3 m→296.9 m(峰值);③296.9 m(峰值)→287.9 m;④287.9 m→286.4 m.①②③④過程中G11位移速率分別為2.1、101.6、44.8、7.0 mm/d,說明G11位移變形主要集中在②③過程中.這一滑坡變形特征與B、C、D、E 時段變形特征基本一致.經(jīng)過譚家河滑坡、譚家灣滑坡變形特征的分析,充分印證了各變形時段內,地下水位上漲及下降各階段中,滑坡變形劇烈程度不一.

據(jù)監(jiān)測資料顯示,G11在A、B、D 時段內變形量較高于C、E 時段,這與地下水位抬升高度有關,A、B、D 時段內S1 地下水位峰值均達到296 m 以上,C、E時段內S1 水位峰值相對較低,分別為276.7、293.8 m.此外,A 時段內S1高水位(296.9 m)運行時間較長(15 d),G11“階躍”變形時間跨度較長,不利于滑坡體穩(wěn)定.

1.3 降雨與地下水位變化關系

本文統(tǒng)計各時段內QSK2、S1地下水位與降雨量變化信息見表1～2,可見①、②地下水位上漲期間日均降雨量較③、④地下水位下降期間高.

表1 QSK2地下水位與降雨量信息統(tǒng)計

由表1可知,①期間,日均降雨量均達到5 mm以上,使得QSK2地下水位由下降階段轉換為上漲階段;③期間,日均降雨量均在2 mm 以下,QSK2地下水位由上漲階段轉換為下降階段.由表2可知,①期間,日均降雨量均達到6 mm 以上,使得S1地下水位由下降階段轉換為上漲階段;③期間內日均降雨量均在6 mm 以下,S1地下水位由上漲階段轉換為下降階段.綜上所述,降雨強度的增減與地下水位漲落具有較強相關性.

表2 S1地下水位與降雨量信息統(tǒng)計

同時,A 時段內,②期間日均降雨量為0 mm 時,QSK2地下水位持續(xù)上漲,地下水位由243.5 m→244.2 m,且②期間內監(jiān)測點ZGX289變形速率提升,滑坡變形較為劇烈.上述說明地下水位抬升是滯后于降雨過程的,且滑坡的變形往往發(fā)生在降雨期間甚至降雨若干天之后.

由表2可知,C、E時段內,②S1地下水位上漲期間,日均降雨量相對較低,為0、2.1 mm,使S1地下水位峰值相對較低,分別為276.7、293.8 m.A、B、D 時段內,②期間內日均降雨量較高,分別為11.5、8.9、6.6 mm,使S1地下水位峰值相對較高,分別為296.9、296.8、296.4 m.這說明地下水位上漲過程中,降雨強度越高,地下水位峰值往往越高.A 時段內,③期間,日均降雨量均較高,為5.8 mm,持續(xù)強降雨入滲補給滑坡體內,使S1地下水高水位運行時間(15 d)較長(見圖5);B、C、D、E 時段內,③期間日均降雨量(≤1 mm)均較低,使S1 地下水高水位運行時間較短.這說明地下水位上漲至峰值后,持續(xù)強降雨會使地下水高水位運行時間變長,且滑坡“階躍”位移變形時間跨度也變長.

2 地下水位曲線演化特征

滑坡不同區(qū)域地下水位及水位變化具有一定差異性,這跟滑坡體物質組成的多樣性、滲透性差異有關.滑坡區(qū)初始地下水位以及包氣帶前期含水量不同,使包氣帶對降雨的調節(jié)能力不同[29-30],從而影響降雨入滲,抬升地下水位.受降雨作用影響顯著的滑坡,在滑坡位移變形歷程中,當坡體中后部地下水位無逐年增長或呈減弱趨勢,地下水的補給量與排泄量處于均衡狀態(tài)時,地下水位隨著環(huán)境影響因素的變化,可以是以月為周期的漲落變化(見圖3、5).據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)可知,在一個水文年內,地下水位存在多次周期漲落過程.在一次地下水位漲落期間,當降雨抬高地下水位到一定范圍后,監(jiān)測點位移速率提升,滑坡體變形明顯增強;當降雨強度減弱,地下水位下降到一定范圍后,監(jiān)測點位移速率降低,滑坡體變形明顯減弱.可見地下水位上漲及下降各階段中,滑坡變形劇烈程度不一.

對此,根據(jù)監(jiān)測點變形速率拐點,將各時段內地下水位變化過程精細劃分為:起始水位→上漲臨界值L1→峰值水位→下降臨界值L2→結束水位,如圖6所示,其中圖6(a)、(b)兩者的區(qū)別在于,地下水在高水位(峰值)運行的時間跨度不一.

圖6 地下水位曲線演化特征

3 水力作用下譚家河滑坡數(shù)值模擬

3.1 UDEC數(shù)值模擬方案

滑坡體在變形過程中,多種誘發(fā)因素(庫水、降雨、地下水等)均會影響滑坡的位移變形.本文以譚家河滑坡為研究對象,僅考慮降雨-庫水-地下水水力作用對滑坡變形的影響,不考慮滑帶土及滑體物質浸泡軟化等因素,建立UDEC離散元數(shù)值模擬計算模型,旨在研究降雨入滲抬高地下水位條件下滑坡的變形響應特征.通過數(shù)值模擬結果驗證第1.1.2節(jié)滑坡實際監(jiān)測成果,并分析降雨及地下水漲落條件下滑坡變形機理.

3.1.1 數(shù)值模型及基本參數(shù)

根據(jù)工程地質剖面圖2,建立譚家河滑坡二維UDEC離散元模型,如圖7所示,模型長1223.8 m,高453.3 m,2個滑坡巖體節(jié)理產(chǎn)狀分別取10°∠25°,10°∠5°,并設置次級正交節(jié)理,坡內巖層向節(jié)理間距8 m,正交次級節(jié)理間距為12 m.建立3個位移監(jiān)測點:滑坡前緣D1,滑坡中部D2,滑坡后緣D3.監(jiān)測水平位移x方向、垂直位移y方向.

圖7 譚家河滑坡二維概化計算模型

在坡中部順層滑帶部位設置P孔隙水壓監(jiān)測點.滑坡巖體選用Mohr-Coulomb模型,節(jié)理采用摩爾-庫侖面接觸滑動模型.巖體和節(jié)理的物理力學參數(shù)根據(jù)文獻[7],結合地質勘察資料和工程類比[21-23]取得,詳見表3～4.滑體中巖塊設置為剛性體,滑體中類基巖碎裂塊體不透水,接觸單元定義為彈塑性體.滑床上邊界(隔水層)為不可滲透邊界.約束模型左、右邊界的水平位移,約束模型底邊界的豎直位移,上邊界為自由邊界.邊界.采用的庫水位及降雨調節(jié)方案如圖8所示.

表3 巖體物理力學參數(shù)

表4 結構面物理力學參數(shù)

圖8 數(shù)值模擬降雨及庫水位漲落情況

3.2 滑坡體滲流特征分析

由圖9可知,在計算時步0～2 200步內,庫水位從172.2→162.3 m,期間無降雨作用,滑坡體中前部區(qū)域地下水沿著節(jié)理裂隙面和層面由高往低處滲流,坡內地下水位逐漸下降,坡體孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸減小.

圖9 不同時步下滑坡體孔隙水壓力及地下水滲流方向

3.1.2 數(shù)值模擬工況

本文UDEC離散元模型考慮了降雨-庫水-地下水位漲落過程中的水-力相互作用,地下水位表面以下節(jié)理裂隙均受到孔隙水壓力的作用.滑坡僅在重力作用下達到應力平衡狀態(tài)后進行工況模擬,水力邊界條件設置步驟如下:

1)考慮降雨作用.在滑坡前緣高程145 m 以上滑坡表面施加恒定孔隙水壓力邊界.在2017年汛期(5-6月)以及蓄水期(9-10月),集中降雨的作用加劇了譚家河滑坡變形,對此,本文模擬該期間的集中降雨對滑坡變形的影響.

2)指定滑坡區(qū)初始地下水位的表面.采用2017年1月1日QSK1、QSK2地下水位實測數(shù)據(jù)(180.9、238.6 m)及前緣臨空面處庫水位(172.2 m)為初始地下水位,通過三點地下水位實際值之間執(zhí)行線性差值進而設置地下水位面.

3)考慮庫水作用.庫水位變化值取2017年實際監(jiān)測值,在滑坡前緣坡表施加庫水邊界條件,數(shù)值模擬前緣水力邊界條件設置為動態(tài)變化的孔隙水壓力

在計算時步2 200～3 300步內,庫水位從162.3→146.1 m,同時,隨著汛期的到來,庫區(qū)降雨強度明顯增大,降雨在坡表裂隙入滲補給坡內包氣帶,新的降雨推動包氣帶其下較老的降雨,從而持續(xù)滲透補給潛水,由于滑帶局部隔水以及滑床隔水層的影響,地下水在中后部順層滑帶附近匯聚,該區(qū)域地下水位快速上漲,使得坡體孔隙水壓力明顯增加.在計算時步4 400～5 500 步內,正值蓄水期,庫水位從146.5→172.5 m,同時,降雨會持續(xù)抬升滑坡中后部區(qū)域地下水位,使得坡體孔隙水壓力明顯增加.在計算時步5 500～6 600步內,庫水保持175 m 高水位運行,其間無降雨作用,中后部地下水位逐漸降低,坡體孔隙水壓力逐漸減小.

3.3 滑坡位移變形特征分析

3.3.1 滑坡體變形響應

滑坡體在初始平衡后,其累積位移已達到374 mm,由圖10 可知,在計算時步2 200、3 300、5 500、6600步時,滑坡體累積位移分別為374、393.4、510.9、571.4 mm.可見,在計算時步0～2 200步,庫水位從172.2→162.3 m,滑坡體無明顯位移變形.

圖10 不同時步下滑坡體位移云圖及局部塊體運動速度方向

在計算時步2 200～3 300步,庫水位從162.3→146.1 m,其間降雨強度增大,滑坡體位移變形增長19.4 mm,說明庫水位快速消落及集中降雨會加劇滑坡體變形.在計算時步4 400～5 500 步,庫水位從146.5→172.5 m,在庫水及集中降雨作用下滑坡位移變形增長42.4 mm.這說明庫水位漲落期間,集中降雨均加劇滑坡變形.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是降雨有效地抬升坡體中后部地下水位,地下水位抬高增大了滑坡體促滑段下滑力,并極大地劣化滑坡體穩(wěn)定性,這會破壞滑坡體原本的平衡狀態(tài),促使滑坡體在該階段發(fā)生劇烈變形.

3.3.2 坡表位移規(guī)律

坡表布置監(jiān)測點D1、D2、D3的水平及垂直位移曲線如圖11～12所示.

圖11 坡表監(jiān)測點水平位移

圖12 坡表監(jiān)測點垂直位移

在2次集中降雨及庫水位波動作用下,D1、D2、D3在水平及垂直方向上發(fā)生了2次“階躍”位移變形.D1、D2、D3水平位移分別為74.4、194.5、122.6 mm,垂直位移分別為33、-72.1-105.1 mm.可見,水平方向上坡體變形D2＞D3＞D1,坡體中后部水平位移較高于坡體前緣;垂直方向坡體變形D3＞D2＞D1,說明坡體中后部沉降變形更為顯著.除此之外,前緣D1垂直位移為正值33 mm,這正是中后部巖體在水平方向擠壓前緣巖體,使前緣淺表巖體在垂直方向有了回升變形.

將數(shù)值模擬結果與2017年GPS 全自動監(jiān)測成果進行對比分析.2017年1-4月,監(jiān)測點位移呈低速-穩(wěn)定增長(見圖3),這是受自身地質條件、庫水浸泡軟化等綜合作用影響,本數(shù)值模擬暫未考慮這些因素.在計算時步0～2200步,滑坡無明顯位移變形(見圖11).2017 年5-8 月、9-12 月 期 間,ZGX290、ZGX289、ZGX288在水平方向上發(fā)生了2 次“階躍”位移變形,累積位移分別為101.7、183.3、172.5 mm,坡體變形ZGX289＞ZGX288＞ZGX290,說明坡體中后部巖土體變形更為顯著.上述GPS監(jiān)測成果與本文數(shù)值模擬結果相比具有良好的一致性,印證了本文數(shù)值模擬結果具有一定的準確性.

3.3.3 孔隙水壓力與坡體變形響應

滑坡體中部監(jiān)測點D2位移與節(jié)理裂隙內P 點孔隙水壓力的響應關系,如圖13所示.

圖13 監(jiān)測點位移-孔隙水壓力變化關系圖

在計算時步2 200～4 400、4 400～6 600內,D2的2次“階躍”位移變形基本同步發(fā)生,且D2該2次“階躍”變形與P 孔隙水壓力的2次增減具有顯著相關性.而孔隙水壓力的增減往往能反映此區(qū)域地下水位漲落情況,說明了監(jiān)測點變形與地下水位的漲落具有較強關聯(lián)性.

在計算時步2 200～4 400步間,滑坡中部地下水位上漲至241 m 附近(詳見圖14),此時計算時步2 900步,P孔隙水壓力增加至Ⅰ點0.34 MPa,D2開始發(fā)生“階躍”位移變形,滑坡體變形趨勢明顯增強;當滑坡中部地下水位上漲至246 m 附近,此時計算時步3 300步,P 孔隙水壓力達到峰值0.44 MPa;在無降雨作用期間,地下水位下降至241 m 附近,此時計算時步3 700步,P孔隙水壓力由峰值0.44 MPa減小至Ⅱ點0.42 MPa,D2“階躍”位移變形結束.

圖14 不同時步下滑坡體中部區(qū)域地下水滲流方向圖

在計算時步4 400～6 600 步,地下水位上漲至241 m 附近,此時計算時步5 000步,P孔隙水壓力增加至Ⅲ點0.35 MPa,D2開始發(fā)生“階躍”位移變形,滑坡體變形趨勢再次增強;當?shù)叵滤幌陆抵?41 m附近,此時計算時步6200 步,P 孔隙水壓力由峰值0.48 MPa減小至Ⅳ點0.40 MPa,D2“階躍”位移變形結束.

綜上所述,當節(jié)理裂隙內P點孔隙水壓力逐漸增加至0.35 MPa附近后,D2變形速率顯著提升,滑坡體發(fā)生“階躍”位移變形,此階段水力導致坡體變形作用顯著發(fā)揮;當P孔隙水壓力逐漸減少至0.40 MPa附近后,滑坡變形趨勢明顯減弱,此階段水力作用不足以激勵坡體持續(xù)位移變形,滑坡體穩(wěn)定性逐漸提高.滑坡變形與坡體中部地下水位漲落具有較強關聯(lián)性,本文數(shù)值模擬結果與第1.1.2節(jié)實際監(jiān)測成果具有較高的一致性.

3.4 滑坡變形機理分析

1)集中降雨對滑坡體變形起到極大的促進作用

譚家河滑坡體中后部長約810 m,為整個滑坡驅動塊體,滑坡前緣長約350 m,為阻滑塊體.滑坡坡體主要為類基巖的碎裂塊體,節(jié)理裂隙發(fā)育,滲透性較好,降雨易入滲坡內,會增加滑坡體的重量,即增大滑坡體下滑力.同時,雨水會弱化、潤滑滑體物質,這將明顯降低滑體物質的抗剪強度,甚至完全劣化其物理力學參數(shù).尤為重要的是,雨水會浸泡軟化坡體中后部順層面發(fā)育的由重粉質亞黏土及角礫組成的滑帶,這會造成滑坡由淺表變形發(fā)展成深部變形,最終使得滑坡體發(fā)生整體滑移變形現(xiàn)象.

2)庫水作用是滑坡體變形的直接原因

庫水位緩慢消落期間,滑坡變形受庫水的浸泡軟化以及庫水位消落使地下水滲流滯后產(chǎn)生的動水壓力影響.庫水位快速消落期間,庫水位與前緣地下水位形成較高水位差,產(chǎn)生指向坡體外側的滲透動水壓力,從而誘發(fā)坡體變形.蓄水期庫水位上升期間,庫水入滲滑坡前緣,產(chǎn)生指向坡內滲透壓力.同時,前緣的地下水位抬升使得地下水體積增大,當滑坡體浮托力的增加速率小于指向坡內滲透壓力的增加速率,這將抑制坡體的變形.

3)地下水水力作用會激勵滑坡體變形

滑坡區(qū)域地下水屬潛水,其總趨勢向長江(當?shù)厍治g基準面)運移.地下水在節(jié)理裂隙中從高向低處滲流過程中,產(chǎn)生滲透動水與靜水壓力效應,這將增強順層促滑段滑移方向的下滑力,并削弱滑坡體抗滑力.本文數(shù)值模擬坡體中部地下水位從上漲臨界值241 m→峰值水位246 m→下降臨界值241 m 過程中,滑坡體發(fā)生“階躍”位移變形.滑坡呈現(xiàn)出這一變形特征的主要原因是由于雨季的到來,降雨強度明顯增加,集中降雨會明顯抬高滑坡體中后部地下水位,使得坡體孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸增大,孔隙水壓力影響范圍也逐漸擴大.當?shù)叵滤簧蠞q到一定范圍后,節(jié)理裂隙內孔隙水壓力逐漸增加(節(jié)理內的有效正應力降低[8])以至于結構面的抗剪強度達到極限時,會誘發(fā)滑坡體位移變形.當降雨強度明顯減弱后,滑坡體中后部地下水位開始逐漸降低,由于地下水向下滲流遭遇巖體阻滯,坡內滯留水分不斷向前緣坡腳滲流使得滑坡體持續(xù)發(fā)生位移變形.當?shù)叵滤幌陆档揭欢ǚ秶?孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸減少,水力作用不足以激勵坡體持續(xù)位移變形,滑坡體穩(wěn)定性逐漸提高.

4 結 論

1)降雨入滲補給滑坡體內,會影響地下水位漲落變化,而地下水位漲落又與滑坡變形具有較強關聯(lián)性,把地下水位作為滑坡變形破壞的關鍵預警判據(jù)是可靠的.本文分析地下水位漲落下譚家河滑坡、譚家灣滑坡的變形特征,可知QSK2、S1地下水位分別抬高到臨界范圍(241.7～245、275.3～296.3 m)時,滑坡體發(fā)生劇烈位移變形,當?shù)叵滤环謩e下降至臨界范圍(240.7～243.1、271.5～295.4 m)時,滑坡變形趨勢明顯減弱.同時,建立譚家河滑坡UDEC 離散元數(shù)值模擬計算模型,模擬結果顯示,坡體中部地下水位從上漲臨界值241 m→峰值水位246 m→下降臨界值241 m 過程中,滑坡發(fā)生“階躍”位移變形,數(shù)值模擬結果與實際監(jiān)測成果較吻合.

2)持續(xù)強降雨會明顯抬高地下水位.QSK2、S1地下水位下降期間,日均降雨量分別達到5、6 mm 以上,有利于地下水位抬升,使地下水位由下降階段轉換成上漲階段.QSK2、S1地下水位上漲期間,當日均降雨量分別在2、6 mm 以下,降雨對地下水位影響較弱,地下水位由上漲階段轉換成下降階段.

3)對于譚家灣滑坡,S1地下水位上漲期間,日均降雨量越高(＞6 mm),地下水位峰值往往越高(＞296 m),滑坡體位移變形通常越劇烈;S1地下水位到達峰值后,日均降雨量越高(＞5 mm),地下水高水位(296 m 左右)運行時間往往越長,滑坡“階躍”變形時間跨度通常隨之增加,這不利于滑坡體的穩(wěn)定.