庫水位變化下滑坡滲流機制與穩(wěn)定性分析

陳忠潤 王邦林

【摘 要】我國大型滑坡發(fā)生的巖土介質(zhì)主要有巖質(zhì)滑坡、土層滑坡和松散堆積層滑坡。同時，滑坡也包含崩、滑堆積體和處于穩(wěn)定狀態(tài)的崩、滑堆積體，以及正在變形中的邊坡。大量水庫滑坡都與庫水位變化有關。本文分析了庫水位變化下滑坡滲流機制與穩(wěn)定性。

【關鍵詞】庫水位變化；下滑坡；滲流機制；穩(wěn)定性

1、庫水位變化下滑坡穩(wěn)定性分析

1.1邊界條件

根據(jù)水文地質(zhì)條件確定模型的邊界條件，假定滑體與基巖均為均質(zhì)材料，滑坡模型x向橫長600m，y向縱高500m，底端施加固定約束，左右兩端施加法向約束。

（1）上下邊界：上表面為自由滲透邊界，下底面為不透水邊界。

（2）左右邊界：水位以上兩側邊界為零流量邊界，水位以下為給定水頭邊界，大小為該處位置水頭。其中，左邊界的水頭高度為初始地下水水位高度，右邊界的初始水位與實際水位之間為庫水位變水頭邊界，初始水頭145m，分析穩(wěn)態(tài)滲流作用，滲流結果作為庫水位變化過程中暫態(tài)分析的初始條件。即計算時以蓄水前坡體天然狀態(tài)為初始條件，蓄水期庫水位作為邊界條件施加在坡面上。

某斜坡體前緣為長江，巖土界面傾角陡，斜坡規(guī)模為千萬方量級，系特大型坡體，分析取典型二維G3–3剖面。計算工況為：（1）靜水位：自重+地表荷載+水庫水位（145，175m）+20年一遇暴雨；（2）動水位：自重+地表荷載+水庫水位在145～175m范圍升降+20年一遇暴雨。

采用位移收斂準則，容許限值為1×10-5m，材料分滑床和滑體，為 Mohr-Coulomb 理想彈塑性材料，二維模型網(wǎng)格劃分成四邊形和三角形單元，基巖劃分尺寸取4m，滑面處細化處理，共10107個節(jié)點，10015 個單元。坡體在靜水位下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在庫水位動態(tài)變化過程中處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，水位由175m降至145 m時，穩(wěn)定性達到最低，為最危險工況，同時也表明最危險水力條件是庫水位下降，而并非庫水位上升或最高庫水位。建立庫水位由 175 m 降至145 m邊坡模型，并計算出的穩(wěn)定性，結果F=0.968，即在水庫運營、降雨等因素引起的庫水位升降時，邊坡可能發(fā)生滑動，需要進行治理。我們可以看出，地下水位線均隨著庫水的下降而下降，庫水滲出坡體，形成向坡體外的動水壓力作用，滑坡體內(nèi)地下水位線的下降滯后于庫水位的下降，并存在內(nèi)外水頭差，地下水位線普遍呈現(xiàn)上凸趨勢。

2、滲流滑坡機制

2.1水位上升階段

庫水位上升時，坡體內(nèi)浸潤線上升，浸潤線以下飽和區(qū)域增大，浸潤線以上非飽和區(qū)域減小。水分在非飽和土中受土壤吸力控制，由吸力低處向吸力高處運動，即水由飽和區(qū)穿過浸潤線進入非飽和區(qū)，與此同時浸潤線也在不斷抬升，使非飽和土體積含水量增加，基質(zhì)吸力（即負孔隙水壓力）逐漸喪失，達到飽和時，基質(zhì)吸力為0，此時的滲透系數(shù)變?yōu)轱柡蜐B透系數(shù)。基質(zhì)吸力的分布特征導致了坡體由上往下強度的逐層弱化。水位上升對滑坡的影響具體可分為兩方面考慮：

（1）坡體內(nèi)的水位上升會滯后于庫水位，出現(xiàn)水位差，水向坡體內(nèi)入滲，產(chǎn)生沿坡內(nèi)方向的動水滲透壓力和空隙靜水壓力，當升至175m后，仍有施加坡體的靜水壓力作用，且前緣為下滑段，水下部分受到水的浮力作用，使下滑力減小，這些均是對滑坡穩(wěn)定的有利影響。

（2）水向堆積體內(nèi)入滲，土顆粒間的膠結物質(zhì)被溶解使土體黏聚力降低，土粒間的潤滑作用增強使內(nèi)摩擦角減小，即水通過物理的化學的作用使土的抗剪強度降低了，與基巖接觸處（滑面）有效應力減小，抗滑阻力降低，成為對滑坡的不利影響。不利因素的影響大于有利因素，所以蓄水過程中，坡體整體穩(wěn)定性是下降的。

2.2水位下降階段

庫水從最高峰消落時，由于土體的持水性，使浸潤線的下降滯后于庫水位，造成孔隙水壓力的梯度變化較大，坡體內(nèi)具有較高的孔隙水壓（超孔隙水壓力）且不能及時消散，形成非穩(wěn)態(tài)滲流場，對周圍土體骨架產(chǎn)生向臨空面及向下的滲流動水壓力（動態(tài)擴張力），同時由水頭差產(chǎn)生的靜水壓力相當于對前緣施加了一個推力。運動著的地下水“拖拽”土體或土粒向滲流方向前進，并軟化土體，此時滲透力占主導，大于浮力作用，且在飽和區(qū)、非飽和區(qū)均存在滲流，隨后滑體孔隙水壓力逐漸消散，土體由飽和變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，浸潤面下降達到穩(wěn)定，形成穩(wěn)態(tài)滲流場。在坡表，除了降雨可能產(chǎn)生徑流沖刷土體外，庫水下降產(chǎn)生黏滯力向下牽引帶動坡面土體，對前緣坡體進行侵蝕、浸泡、掏空，反復循環(huán)作用下，逐漸促進前緣蠕滑、溶蝕、解體。

2.3滑坡機制

天然的坡體會在形成過程中由于整體的卸荷回彈變形，在坡頂形成拉張應力區(qū)，出現(xiàn)風化裂隙、溶蝕裂隙，某坡體為堆積層滑坡體，土石混合體松散堆積于基巖面之上，壓實度低、孔隙比大、孔隙分布多、透水性強、易變形，下覆基巖為灰?guī)r、泥灰?guī)r，為弱透水層，同時，庫區(qū)受大氣降水補給引起水位的改變。降雨入滲弱化了巖土體結構與強度參數(shù)c，增大了土體體積含水率和坡體重度，以及水在坡體內(nèi)運移產(chǎn)生的滲流力（動水壓力作用）和黏土侵蝕軟化引起的膨脹，均使下滑力增大；上層滯水及地下水向下滲流匯聚為滑體下基巖承壓含水層，在基巖與堆積層間形成層狀含水體或統(tǒng)一的潛水面，潤滑軟化坡體且產(chǎn)生浮托作用，通過土骨架起作用的有效應力減小了，摩阻力變小，導致抗滑力減小；地下水與雨水擠入張性裂隙，使水壓力增大形成高壓水流，促進裂隙張大，相當于對前面堆積層土體施加一個推力，同時裂縫受到較大的側向壓力，拉裂向坡內(nèi)擴展或產(chǎn)生新裂隙繼續(xù)發(fā)育，結構面及節(jié)理裂隙處的巖土體泥化膨脹，并在軟弱處產(chǎn)生一個剪應力使破壞面逐漸貫通，進一步加劇堆積體的變形和位移；中部坡體承受上部坡體的變形擠壓作用而逐漸積累應力和應變能，對上部坡體的阻擋作用也越來越弱，同時推動下部坡體，產(chǎn)生擠壓變形，發(fā)生累進性破壞；堆積體本身是一種亞穩(wěn)定結構的土體，具有沿基巖面滑移的潛勢，其潛在滑移面會通過處于地下水位線以上的具有負孔隙水壓力的非飽和土，當剪應力超過其抗剪強度時即沿軟弱面滑出，發(fā)生滑坡。

3、結論

（1）水對邊坡產(chǎn)生機械的、物理的、化學的相互作用，使土體性質(zhì)劣化，與土體間發(fā)生的相互作用，也不斷改變雙方的力學形態(tài)和特性，因此必須考慮水土相互作用。水在坡體中起到了頂托、楔裂、促動的作用，坡頂張拉裂隙積水對維持坡體穩(wěn)定不利，裂隙發(fā)育，是主要構造作用因素；結構面破壞，是變形的主要影響因素；破壞結構面累進貫通形成滑移面是滑坡的直接因素。

（2）基巖穩(wěn)固，整體穩(wěn)定性的核心在于上覆堆積層坡體，滑坡的作用影響因素為動水壓力，庫水作用下存在一個最危險水力條件即從175m降至145m，前緣存在庫水循環(huán)漲落的侵蝕掏空，中緣淺部可能存在二級滑面，沿中緣出露口部分剪出，中后緣為控制滑坡整體穩(wěn)定性的關鍵。

（3）揭示了孔隙水壓力差的不斷變化直至減弱消散以及浸潤線滯后庫水的時間效應，水分在坡體內(nèi)運移滲流與土體變形相互影響作用的空間效應，詳細闡釋了庫水作用下的滲流滑坡內(nèi)在作用機制。

【參考文獻】

[1]李紀偉，汪華斌，張玲.非飽和土應力場與滲流場耦合一維解析求解與參數(shù)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41（4）：57–61.