典型涉水滑坡機理及演化規(guī)律研究

卿 菁，張凌晨，盧應發(fā)

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北 武漢 430068)

滑坡是較為常見的地質災害，常會帶來巨大的損失。影響滑坡穩(wěn)定性的因素多種多樣，其中包括地質運動、氣象條件、人類工程活動等[1-6]。

自從三峽大壩建成水庫蓄水以來，使大量自然邊坡開裂形成滑坡，同時使原本沉睡已久的古老滑坡又重新活躍了起來。然而，水庫周期性蓄水是引起庫區(qū)滑坡變形的主要原因之一。殷躍平[7]系統(tǒng)地研究了三峽庫區(qū)滑坡的滲透壓力問題，指出考慮動水壓力在滑坡防治中的重要性，并提出水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響與滑動帶的平緩程度相關。鄭曉晶等[8]研究了庫水位變化對滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。徐平等[9]研究了一個完整的庫水位變化周期內的馬家溝滑坡穩(wěn)定性演化規(guī)律，并針對該滑坡提出了加固處理方法。陸世軒等[10]研究了老蛇窩滑坡的動態(tài)穩(wěn)定性。

現(xiàn)行滑坡穩(wěn)定性分析中，極限平衡法不能真實地體現(xiàn)滑坡的應力狀態(tài)與位移演化規(guī)律。然而，數(shù)值分析方法不僅能計算滑坡的應力分布及變形規(guī)律，而且可較準確地體現(xiàn)出滑坡整體所處的狀態(tài)。因此，這里采用有限差分法對實際工程案例中的滑坡進行數(shù)值模擬計算，從而對臨水庫大型滑坡的成因機制以及動態(tài)發(fā)育規(guī)律進行探究。

1 理論基礎

1.1 本構模型

在巖土工程中，彈性本構模型與摩爾-庫倫本構模型較為常用[11]。彈性本構模型基于剪切模量與體積模量兩個參數(shù)，適用于以彈性變形為主的材料。摩爾庫倫本構關系基于粘聚力、內摩擦角、剪脹角與抗拉強度等參數(shù)，適用于彈塑性材料的模擬計算。故這里在模擬計算的過程中采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性本構模型。

1.2 屈服準則

由于滑坡體巖土材料的復雜性使摩爾-庫倫本構模型所需的參數(shù)中剪切模量與體積模量的試驗獲取較為困難，故采用根據(jù)材料彈性模量與泊松比進行彈性力學換算，換算依據(jù)的公式如下[12]：

式中：E為彈性模量；μ為泊松比；k為體積模量；G為剪切模量，其中E、k、G的單位均為Pa，μ無量綱。

為了與摩爾-庫倫本構模型相對應，本文在模擬計算過程中采用摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則。對應的屈服判據(jù)為[13]：

式中：c為粘聚力，Pa；φ為摩擦角，(°)；σ1為第一主應力；σ3為第三主應力，F(xiàn)S為材料剪應力。

1.3 滲流基本原理

在庫水位周期作用下，滑坡介質中水的狀態(tài)是一個由非飽和到飽和再到飽和的往復過程。考慮滑坡巖土體各向異性，由達西定律推導得三維非飽和滲流的基本微分方程為[14-16]：

式中：H為水頭，m；Q為流量，m3；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)；mv為比水容量，cm2/kg；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

2 滑坡概況

2.1 地理位置

卡子灣滑坡在行政區(qū)域上，位于湖北省秭歸縣歸州鄉(xiāng)彭家坡6組。地理坐標為北緯31° 0′48″，東經(jīng)110°41′37″。滑坡坐落在歸州河左岸，距離歸州河入江口約1900 m。滑坡處于坡度在15°～40°范圍的順向斜坡之上。

2.2 水文地質特征

卡子灣滑坡的地質形態(tài)特征如圖1所示。滑坡的平面分布區(qū)域形狀近似一個開口朝向歸州河的簸箕，其前緣沒入歸州河。滑體前部坡度較緩，中部有100 m左右的順坡向平臺，此處房屋較多。滑體受季節(jié)性雨水沖刷，形成了兩道沖構，分別位于滑坡兩側。滑坡外形突出，近似成階梯狀，其坡長約1270 m，坡高約635 m。

圖1 卡子灣滑坡外觀全貌

卡子灣滑坡受地下水與地表水的共同作用。滑坡地下水受三峽水庫水位的周期性變化及大氣降水的影響，其存在形式包括滑床中透水性較強的滑移碎裂巖中的裂隙水及滑體具有透水性的堆積物孔隙水。影響滑坡的地表水主要為歸州河，是長江的支流，其水位受庫水調度及降雨周期的影響。

2.3 滑坡物質組成

卡子灣滑坡的滑體物質呈上下兩層分布。滑體上層物質組成為粉質黏土夾雜碎石塊而形成的碎石土，且塊石的分布十分不均勻，前部坡腳較多，向中部與后部逐漸較少。滑體下層物質的主要組成成分為砂巖，其中還含有夾泥頁巖，故具有較大的孔隙度，且透水性良好。

滑動帶的物質結構分布同樣為上下兩層結構，其上層部分由堆積碎石土覆蓋碎裂巖組成，下層部分由碎裂巖覆蓋層間錯動帶組成。

滑床的巖土體物質類型屬侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)，其組成成分包括長石砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖(呈紫紅色)及泥巖與砂巖交互層。滑坡東北部的滑床側向出露基巖產(chǎn)狀為300°∠34°；西南部的滑床巖石產(chǎn)狀為65°∠66°。

3 變形分析

3.1 宏觀變形

卡子灣滑坡的變形主要集中在中部和前部區(qū)域。如圖2所示，根據(jù)工程地質勘察所得的變形情況將滑坡分為預警區(qū)、變形影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。變形預警區(qū)和變形影響區(qū)共同組成卡子灣滑坡的滑體，穩(wěn)定區(qū)構成深層滑動帶，穩(wěn)定區(qū)之外為基巖滑床。

圖2 卡子灣滑坡工程地質平面圖

三峽水庫蓄水初期，卡子灣滑坡的滑體前緣和西北部首先出現(xiàn)裂縫及地表建筑變形。隨后，滑坡前緣的裂縫發(fā)育，預警區(qū)中后部開始出現(xiàn)裂縫。至今，變形繼續(xù)發(fā)展，滑坡前緣裂縫貫通，預警區(qū)中后部裂縫不斷擴展，變形影響區(qū)前部開始發(fā)生變形。

3.2 成因與機制分析

卡子灣滑坡的前緣面向歸州河，處于歸州河沿南北方向急轉彎的凹形河岸段。由于三峽水庫蓄水作用導致歸州河水位升高，淹沒了滑坡前緣。在庫水的侵蝕及河水的沖刷對滑坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響。由于滑體物質成分的特征，在歸州河的沖刷作用下，卡子灣滑坡前段形成臨空面從而產(chǎn)生滑坡。因此，卡子灣滑坡體為動水壓力型滑坡，也是牽引式滑坡。

此外，人類的耕植與工程活動導致植被與土體結構的嚴重破壞，故遇到暴雨等氣象情況，雨水滲入坡體的速度增大，導致巖土體內含水量快速增長而軟化。巖土體軟化后，其強度下降，引起巖土體沿著下方滑動面產(chǎn)生剪切位移。

4 真三維數(shù)值模擬

4.1 模型的建立

基于Rhino軟件建立真三維地質模型不僅能提高精度，而且能直觀地展示與處理模型，同時克服了數(shù)據(jù)文件建模方法費時多、工作量大、易出錯的缺點。

根據(jù)卡子灣滑坡的地質特征和變形特點，基于Rhino建模軟件，利用工程地質勘察所得的高精度地形等高線建立真三維地質模型。 真三維模型建立的范圍如圖3所示，包含了滑體、 滑帶和滑床。 卡子灣滑坡真三維地質模型根據(jù)工程地質剖面圖確定滑體與滑動帶的界面和滑動帶與滑床的界面，克服了傳統(tǒng)三維地質模型滑體與滑帶取平均厚度而導致模型與實際情況不符的缺點(圖3a、3b)。 如圖3c所示，模型沿主下滑方向(x方向)的尺寸為1380 m； 沿垂直于主下滑方向(y方向)的尺寸為1709 m； 模型底面標高為0 m(z=0 m)； 模型沿豎直方向(z方向)的尺寸為601 m，且底面標高為0 m(z=0 m)。

(a) (b)

運用網(wǎng)格插件Griddle進行真三維網(wǎng)格劃分，得到真三維模型計算網(wǎng)格如圖4所示。整個網(wǎng)格包含了55166個節(jié)點，90868個單元，其中計算網(wǎng)格以六面體單元為主。

圖4 模型計算網(wǎng)格

根據(jù)工程地質平面圖所示主下滑計算剖面Ⅰ-Ⅰ′剖面的位置，在真三維地質模型上截取模型的主下滑計算剖面(圖5)，以便于對模擬結果進行分析。

圖5 模型主下滑計算剖面

4.2 模型參數(shù)

根據(jù)卡子灣滑坡的工程地質勘察資料，結合對滑坡試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析并采用工程類比法，綜合獲得卡子灣滑坡真三維數(shù)值模型計算參數(shù)(表1)。

表1 真三維數(shù)值模型參數(shù)

4.3 邊界條件

如圖6所示，對真三維地質模型底面(z=0 m)施加固定約束(x、y、z方向均無位移)邊界條件，對外法線沿x方向的邊界面(x=0 m、x=1709 m)施加與邊界面外法線反向的單向約束，對外法線沿y方向的邊界面(y=0 m、y=1380 m)施加與邊界面外法線反向的單向約束。在175 m庫水位與重力(重力加速度取g=10 m·s-2)作用下對模型進行初始化計算，并將達到平衡的應力應力場作為真三維模型的初始應力場。

圖6 邊界條件

4.4 計算工況

對水庫蓄水后的一個完整的庫水位升降周期內的各個階段進行概化，得到數(shù)值模擬計算工況(表2)。基于此，在一個完整的庫水位調度周期內，對滲流作用下的卡子灣滑坡進行數(shù)值模擬計算，并分析此動態(tài)過程中滑坡的位移及塑性區(qū)的變化規(guī)律。

表2 計算工況

4.5 計算分析

基于Fish語言編寫程序，以實現(xiàn)庫水位反復升降各個階段的模擬過程，針對不同的庫水位變化速率，施加相應的滲流作用力，并導入FLAC3D進行運算。

1)位移分析 一個完整的庫水位調度周期內卡子灣滑坡主下滑計算剖面的位移如圖7所示。

(a)第1 d 175 m庫水位

由圖7可知，庫水位作用第一階段初滑坡的最大位移為3.801 mm；第一階段末滑坡的最大位移為5.918 mm，最大位移階段增量為2.116 mm，日增量為0.017 mm；第二階段末滑坡的最大位移為14.093 mm，最大位移階段增量為8.175 mm，日增量為0.341 mm；第三階段末滑坡的最大位移為15.672 mm，最大位移階段增量為1.579 mm，日增量為0.021 mm；第四階段末滑坡的最大位移為16.147 mm，最大位移階段增量為0.474 mm，日增量為0.007 mm；第五階段末滑坡的最大位移為16.311 mm，最大位移階段增量為0.165 mm，日增量為0.002 mm。在整個模擬周期內，最大位移呈增長趨勢，位移的增長速率先增大后減小，快速下降期(第Ⅱ階段)的增長速率最大，高水位期的最小。

2)塑性區(qū)分析 一個完整的庫水位調度周期內卡子灣滑坡的塑性區(qū)計算結果如圖8所示。

圖8 塑性區(qū)云圖

由圖8可知，在庫水位調度模擬的第一階段初大部分滑體單元處于初始地應力作用下的原狀剪切狀態(tài)，滑坡后緣小范圍局部受原狀拉張作用。隨著庫水位下降，現(xiàn)狀剪切破壞塑性區(qū)的面積逐漸增大，滑坡后緣的拉破壞區(qū)逐漸擴展。低水位階段，現(xiàn)狀剪切塑性區(qū)的面積減小，后緣張拉區(qū)的面積持續(xù)增大。庫水位上升過程中，現(xiàn)狀剪切塑性區(qū)面積減小，原狀剪切塑性區(qū)面積增大，后緣張拉破壞塑性區(qū)面積增大，且出現(xiàn)明顯的拉剪破壞區(qū)。

根據(jù)塑性區(qū)演化規(guī)律可知，卡子灣滑坡在一個完整庫水調度周期內，其前緣主要是以拉剪的方式破壞。這是由于前緣受到歸州河沖刷的作用而形成的。滑坡中前部由原本的受剪切狀態(tài)逐漸轉化為拉剪狀態(tài)，故應力傳遞至中后部，導致滑坡后緣處于張拉應力狀態(tài)。

5 結論

結合實例，采用有限差分法對三峽庫區(qū)典型滑坡的變形機制及其動態(tài)發(fā)展規(guī)律進行了研究分析。

1)卡子灣滑坡的變形與庫水位的波動關系十分密切。在庫水位快速下降階段，滑坡的變形增加最為明顯。在庫水位快速上升階段，滑坡變形增加雖不及快降階段顯著，但仍較為明顯。在滑坡防治中需考慮水位降速和升速對穩(wěn)定性的影響。

2)卡子灣滑坡塑性破壞區(qū)的變化特征與一般牽引式滑坡較為一致。其變形機理為：前緣受河水沖刷形成了利于滑移的臨空條件，坡體結構松散且包含易形成滑動帶的巖土層，在庫水和降雨的動水壓力作用下土體強度降低伴隨巖體裂隙擴展而發(fā)生變形。

3)基于有限差分法數(shù)值模擬的滑坡變形特征分析結果與實地勘察的結論表現(xiàn)良好的一致性。有限差分法在大變形分析中具有較好的適用性。此外，本文的典型案例可為涉水滑坡的防治研究提供參考。

4)所取模型計算參數(shù)皆為定值。然而，滑坡巖土體物理力學參數(shù)在經(jīng)歷多次水庫水位波動和降雨過程會發(fā)生變化，故應該建立考慮巖土體參數(shù)動態(tài)變化的分析機制，從而為滑坡的監(jiān)測預報提供更為合理可靠的依據(jù)。