不同庫水位降速條件下三峽庫區動水壓力型滑坡穩定性研究

鄧永煌, 張端淼, 龐 威, 熊 珅, 徐子一

(1.宜昌市地質環境監測站,湖北 宜昌 443000; 2.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心,湖北 宜昌 443002)

三峽庫區自2003年蓄水以來,水庫水位周期性變化,導致老滑坡復活并誘發新滑坡[1-2],如千將坪滑坡[3]、樹坪滑坡[4]、白家包滑坡[5]等。許多學者都對三峽庫區動水壓力型滑坡進行了深入的分析研究,并取得了卓越成果[6-7]。三峽水庫水位自175 m緩降至159 m之后,快速降至145 m,由于動水壓力型滑坡巖土體的滲透性能較差,滑坡體內地下水滯后于庫水位的下降,滑坡地下水與庫水位形成正落差,產生指向滑體外側方向的滲透壓力,不利于滑坡的穩定,特別是庫水位驟降的時候,可能引起庫區滑坡失穩。三峽庫區樹坪滑坡為動水壓力型滑坡,其穩定性主要受庫水位下降的影響[7]。為了研究動水壓力型滑坡對庫水位波動的響應,本文以樹坪滑坡為例,采用Geo-Studio軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊,研究其在不同庫水位降速下的地下水和穩定性變化情況,為三峽庫區動水壓力型滑坡穩定性分析、監測預警和水庫調度提供重要指導意義。

1 樹坪滑坡

樹坪滑坡[8]位于三峽庫區長江南岸。滑體前緣高程約60 m,后緣高程約380～400 m,縱長約800 m,橫寬約700 m,厚度約30～70 m,體積約2 750×104m3。

圖1 樹坪滑坡平面圖Fig.1 Plane map of Shuping landslide1.第四系崩坡積物;2.第四系殘坡積物;3.三疊系中統巴東組地層;4.滑坡邊界;5.巖層產狀;6.基巖與第四系分界線;7.侏羅系地層;8.GPS監測點及編號;9.裂縫及相對位移監測;10.下降泉;11.監測剖面及編號。

主滑區面積約35×104m2,總體積約1 575×104m3。滑體物質主要為粉質粘土和碎塊石土,滑帶為堆積層與基巖接觸帶,物質主要為粉質粘土,滑床為三疊系中統巴東組(T2b)紫紅色、灰綠色中厚層狀粉砂巖夾泥巖和淺灰、灰黃色中厚層狀灰巖、泥灰巖。巖層產狀傾向135°～205°,傾角10°～35°,逆坡向。滑坡工程地質平面圖見圖1、剖面圖見圖2。

圖2 樹坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′剖面圖Fig.2 Ⅱ-Ⅱ′ profile of Shuping landslide1.第四系滑坡堆積體;2.三疊系中統巴東組;3.崩坡積碎石土;4.泥灰巖;5.粉砂質泥巖;6.巖層產狀;7.新增傾斜監測鉆孔編號監測點及編號。

2 計算理論與方法

2.1 滲流計算理論方程

將達西定律代入連續方程,假設水體不可壓縮,忽略土顆粒骨架的變形,并采用總水頭作為控制方程的應變量,可得各向異性的二維 Richards 飽和非飽和滲流控制方程[9-10]。

式中:k(x,y)為不同滲透分區的滲透系數;γw為水的容重;θw為體積含水量,對于飽和區,體積含水量的變化量即為體應變(Δεv)的變化量。

流體滲流場的初始條件通常是第一類邊界條件,即流場的水頭分布在t=0時滿足:

p(x,y,z)|t=0=fp(x,y,z)

它在開始時刻時對整個流場起支配作用,所以如果進行非穩定滲流計算或試驗時,必須先求得開始時刻穩定流場的水頭分布作為已知初始條件,繼而進行計算。

2.2 穩定性計算方法

摩根斯坦—普萊斯法同時考慮應用廣泛的力和力矩平衡。

3 數值模擬

3.1 計算工況

不同的庫水位波動速率直接影響三峽庫區涉水滑坡體的穩定性[11]。參考《三峽水庫水位日降幅對庫區地質災害防治工程影響的調查評價研究》,確定四種計算工況,見表1。

表1 計算工況Table 1 Calculation condition

3.2 計算模型

選取樹坪滑坡主滑區的Ⅱ-Ⅱ′剖面進行建模分析,將模型剖分成8 548個單元,共計8 696個節點,具體計算模型網格見圖3。

3.3 計算參數

3.3.1非飽和土滲透性參數

滑體和滑帶參數是通過現場試坑滲水實驗及采樣室內實驗分析得到,見圖4和圖5;滑床參數是結合工程類比分析得到,見圖6。

圖3 樹坪滑坡計算模型網格圖Fig.3 Grid map of computing model of Shuping landslide

3.3.2力學參數

綜合分析地質環境、物質組成、水文條件以及物理實驗和反演分析成果,并類比相似工程實踐經驗,綜合確定滑坡巖土主要物理力學性質指標參數建議值,見表2。

3.4 計算結果

結合勘查資料,確定滑坡在三峽水庫水位159 m的地下水位線,并計算得到初始穩定性系數為1.049,處于欠穩定,如圖7。

圖4 滑體滲透性函數和土水特征曲線Fig.4 Penetration function curve of sliding body and soil water characteristic curve

圖5 滑帶滲透性函數和土水特征曲線Fig.5 Sliding belt penetration function curve and soil water characteristic curve

圖6 滑床滲透性函數和土水特征曲線Fig.6 Sliding bed penetration function curve and soil water characteristic curve

表2 滑坡巖土體力學參數表Table 2 Table of mechanical parameters of landslide rock-soil body

位置天然飽和天然飽和容重γ/(kN·m-3)內聚力c/kPa摩擦角φ/(°)內聚力c/kPa摩擦角φ/(°)滲透系數/(m·d-1)滑體19.615.816.121.712.018.50.5滑帶19.715.913.518.7 11.6 15.4 0.005滑床26.025.83 380461.0×10-20

圖7 初始穩定性系數Fig.7 Initial stability coefficient

根據初始條件,分別計算四種工況的水位線和穩定系數,見圖8-圖11。

3.5 結果分析

(1) 滑坡在工況一壩前水位以0.6 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩定系數為1.013;滑坡在工況二壩前水位以0.8 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩定系數為1.004;滑坡在工況三壩前水位以1.0 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩定系數為0.996;滑坡在工況四壩前水位以1.0 m/d降速從159 m降至155 m,以1.2 m/d降速從155 m降至149 m和以1.0 m/d降速從149 m降至145 m,滑坡穩定系數為0.992。

(2) 滑體內地下水位線均隨著庫水的下降而下降,滑體滲透系數為0.5 m/d,均小于庫水平均降速,地下水位線的下降滯后于庫水位的下降,地下水位線呈現明顯的上凸趨勢,在滑坡體內外形成較高的水頭差,形成向滑體外的動水壓力作用。同時下降速率增大,地下水位上凸明顯。

圖8 工況一地下水位線及穩定系數變化規律Fig.8 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 1

圖9 工況二地下水位線及穩定系數變化規律Fig.9 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 2

圖10 工況三地下水位線及穩定系數變化規律Fig.10 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 3

圖11 工況四地下水位線及穩定系數變化規律Fig.11 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 4

(3) 滑坡的穩定性系數隨著庫水位的下降不斷減小。在水頭差作用影響下滑坡體內形成較大的動水壓力,增大滑坡下滑力,對滑坡穩定性不利。同時,不同庫水位降速對滑坡穩定性影響也不相同,庫水位降速越大,水頭差越高,滑坡穩定性系數越小。

(4) 滑坡隨著庫水位的下降,穩定性系數呈現遞減趨勢;隨著庫水位降速越快,穩定性系數降速也越快,且穩定性越小。滑坡在庫水位以0.8 m/d速率從159 m降至145 m的情況下,穩定系數為1.004,滑坡處于欠穩定,接近于臨界狀態。庫水位降速超過0.8 m/d,穩定系數從1.004逐漸減小,滑坡由欠穩定逐漸發展為不穩定;庫水位降速低于0.8 m/d,穩定系數從1.004逐漸增大,滑坡由欠穩定逐漸發展為基本穩定。因此,分析認為,庫水位降速對樹坪滑坡影響十分明顯,樹坪滑坡的臨界庫水位降速為0.8 m/d。

4 結語

樹坪滑坡屬于典型的動水壓力型滑坡,原因主要在于滑體物質中含有大量的粉質粘土,呈弱透水性,滑體滲透系數遠小于庫水位降速,地下水來不及及時排出,滯后于水庫水位下降,滑坡受到了坡體內地下水向外的滲透動水壓力作用,不利于滑坡的穩定。