庫水位升降及降雨作用下的滑坡穩定性研究

朱 蕾，夏承志，習常志

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

三峽工程自2003年蓄水運行以來，庫區每年都會有30 m的水位落差，且三峽庫區處于多雨地帶，由于三峽水庫的調度改變，庫水位將呈周期性漲落。伴隨著三峽地區強降雨的作用，坡體的水土作用加劇，繼而引起坡體的地下水應力場、滲流場的變化，改變了三峽庫區滑坡巖土體的應力狀態和抗剪強度，從而威脅到庫岸滑坡的穩定性。地質構造、地形地貌、地層巖性等綜合地質條件是導致滑坡形成和演變的內在因素；庫水位升降和大氣降雨等情況，是影響滑坡變形的外部因素。因此，在目前的庫區地質災害防治過程中關鍵性的問題就是進行庫水動力及降雨組合特征相關研究。

對于庫水位變化作用下的邊坡研究，已經有眾多學者做了相關工作。楊帆等針對樹坪滑坡，采用有限元分析軟件分析了三峽庫區各蓄水階段樹坪滑坡的滲流場、位移場和穩定性變化規律特征[1]。曾剛通過運用了滲流和抗剪強度理論，分析了庫水位升降作用下的邊坡穩定性，得出了坡體滲流場和安全系數隨庫水位變化的規律[2]。王力等采用GEO-studio軟件分析了動水壓力型滑坡體在不同庫水位條件下的穩定性系數變化情況[3]。但是，以上研究均只研究庫水位的升降作用，并未分析降雨強度下的影響。在考慮降雨條件下的滑坡變形情況研究，已經取得了一定的進展。庫水位升降導致地下水位變化疊加降雨作用，將造成坡體巖土力學參數改變、滑體容重變化、水力梯度浮動、孔隙水的變化、動靜水壓力增減等[4-9]。實際上，降雨多具有季節性與隨機性，隨庫水的升降變化，庫區滑坡地下水不斷補給，對于地下水動力場分析時應考慮為非穩定運動滲流場。采用非穩定滲流分析方法確定出浸潤曲線分布，進而研究巖土體參數的弱化區域特征。現階段的研究，多針對某一誘發因素進行分析，多重因素的下的滑坡變形規律研究相對較少。

以三峽庫區秭歸縣白家包滑坡為例，運用飽和非飽和滲流理論，對滑坡在庫水位升降和降雨條件下的滲流場采用有限元分析軟件Geo-Studio進行數值模擬，再結合Morgenstern-Prince法進行穩定性分析。研究結論分析了滑坡的變形規律和破壞機理，表明了滑體的變形與庫水位變化有著密切的聯系，且隨著庫水位升降及降雨情況的改變，滑坡的整體穩定性系數也呈相應的規律性變化。通過上述研究，為三峽庫區地質災害防治等相關工作提供參考。

1 滑坡地質特征

白家包滑坡位于湖北省西部的香溪河畔，滑坡前緣與河流接壤，其海拔約為120～140 m，后緣土質為粉砂質泥巖，海拔約為265 m，前緣寬度約為505 m，摻雜少量碎石塊，有大量基巖阻擋，土壤與巖石交界處為分界點，滑坡右側與左側分別以山梁、基巖為界，其平均寬度約為400 m，縱向長度約為560 m(圖1)，整個滑面面積約為2.16×105m2。

圖1 白家包滑坡三維立體圖

滑坡平面形態呈短舌狀。深層滑體前緣厚20～30 m，中部厚47 m，后緣厚10～40 m，滑體平均厚度45 m，滑體體積9.9×106m3。淺層滑體前緣厚10～20 m，中部厚35 m，后緣厚10～40 m，滑體平均厚度30 m，滑體體積6.6×106m3。滑坡前緣坡度約為20°，中后緣坡度較為平緩，整體坡度約為12°～15°。

白家包滑坡主要土質成分為粉砂質泥巖與泥質粉砂巖、角礫巖，且摻雜有粒徑0.2～60 cm的碎石塊，少量粉質粘土和粘土粒徑0.1～2 cm，土石比約為7∶3，碎石塊形狀呈不規則狀，土質顏色多為灰色、黃灰色及黃褐色。風化情況比較嚴重，呈強-中風化，巖土體有薄-中厚層狀。該層分布于整個滑坡體，鉆探揭露厚32.3～50.0 m。

在鉆探過程中，測得滑移帶的厚度約為0.15～0.25 cm，土質主要為粉砂質泥巖夾雜泥質粉砂巖、角礫巖，顏色為黃色、灰黃色并夾帶少量紫紅色。勘察結果表明，滑體和滑面之間出現過漸進變化的滑移現象，觀察到滑帶土中出現摩擦跡象，土體中泥巖等顆粒的磨光痕跡較為清晰。深層滑帶土體與淺層帶土體相比，滑移現象不能明顯觀察到，但其土體中含有角礫巖成分不多，且為可塑狀。

滑床地層主要為侏羅系下統長石石英砂巖及泥巖，僅滑床前緣為第四系殘坡積。后緣及左右兩側為基巖，其產狀260°∠30°。基巖面較為平緩，高程基本與地面高程持平。由地層產狀可以判定，白家包滑坡坡體屬逆向坡，詳細剖面情況見圖2。

圖2 白家包滑坡地質剖面圖

2 滑坡變形機理分析

2.1 滑坡變形的影響因素

根據現場地質調查及近3年監測資料分析，白家包滑坡變形與前緣三峽水庫水位變化及降雨量具相關性，其近期變形原因如下：

1)大氣降雨的影響分析 從圖3可以看出，每到汛期降雨季節，白家包滑坡的變形監測曲線就出現一個明顯的變形增長階坎，汛期結束后，變形又逐漸恢復平穩，整個變形監測曲線表現出階梯狀演化特征。因此，這些曲線特征均表明：各監測點的位移變化量與降雨量有一定的相關性，降雨量增加引起滑坡位移變形的增加。每年的汛雨季節均為滑坡變形發展變化顯著增加的時段。

圖3 白家包滑坡累計位移-降雨量-水庫水位-時間相關性分析圖

2)庫水位的影響分析 由圖3可知，三峽庫區水位逐年呈現不同的波動情況，對應位移曲線分布可看出：蓄水作用時，滑坡的位移增加幅度不大，即無明顯的變形；庫水位緩慢下降時，滑坡的位移也對應地略微增大，當水位降幅突變，位移也隨之跳躍性增長，以此表明滑坡的變形與庫水位升降密切相關。每年汛期前，三峽水庫需降低水位來預備防洪需要，庫水位會在4-6月出現下降過程，受自然氣候影響，雨季多發于6-9月，此時容易同時出現水位下降和降雨兩種影響因素，位移會出現驟增趨勢。分析表明，當庫水位下降過程中若伴隨強降雨的發生，滑坡將會產生明顯地變形，甚至發生失穩的可能。

2.2 滑坡形成機理分析

白家包滑體由礫石粘土組成，在水庫蓄水階段的滲透性較差，水滲入至坡體內，庫水位與滑體地下水位形成水頭差，產生動水壓力反作用于坡體，增加了白家包滑坡的整體穩定性。

當庫水位下降時，坡體內地下水向外排出，因滲透性差排出緩慢，演化成相反的水頭差，動水壓力作用于坡體外側，滑坡的穩定性降低，尤其在水位下降速率增大時，呈現出了弱透水滯后型的變形特征，與此同時，三峽庫區又恰逢雨季，降雨入滲滑坡體將進一步抬高地下水水位，增加了地下水與庫水位的水頭差，進而產生更劇烈的動、靜水壓力。因此，在降雨或水庫蓄水的浸透作用下，滑坡體出現了臨空面和岸坡的局部坍方和塌岸。另外，在水庫水位的反復漲落時，岸坡塌岸加劇，滑坡前緣阻滑區阻滑力減小，亦可能導致滑坡發生。

3 滑坡滲流場與穩定性分析方法

3.1 滑坡滲流計算

在分析庫水位變化和降雨條件工況下，考慮滲流計算邊界條件(圖4)：

圖4 白家包滑坡模型邊界條件示意圖

1)側端和底端：滑床側向及底端分布為基巖，滲透性小，看作為不透水邊界；

2)水頭端：滑坡前緣淺層滑體被水位線浸泡部分；

3)流量端：取滑坡表面受降雨入滲影響的邊界，當降雨水量入滲速度小于降雨強度時，取坡體入滲速度值為流量邊界值；當降雨水量入滲速度大于降雨強度時，取降雨強度值為流量邊界值計算。

將上述邊界條件代入飽和-非飽和滲流方程中，根據Geo-Studio有限元分析軟件中的SEEP模塊即可得到白家包滑坡滑體地下水位分布情況。

3.2 滑坡穩定系數計算

現行滑坡穩定性系數計算中，多半采用畢肖普法、瑞典圓弧法、簡布法、Morgenstern-Price法等，也有學者針對滑坡的動態漸進破壞過程，提出了相關強度折減法[10-13]。Morgenstern -Price法滿足力和力矩平衡方程，相對傳統條分法更嚴密，但計算繁瑣。針對滑坡邊界模型，采用了陳昌富[14]提出改進之后非微分形式的Morgenstern-Price法，根據滑體沿滑動方向上的力與力矩平衡條件，推導出邊坡安全系數、比例系數及抗滑力等表達式，通過簡單迭代過程即可獲得坡體的安全系數，更便于工程人員的更便于計算求解。

4 滑坡數值模擬分析

4.1 滑坡模型建立

針對白家包滑坡采用GEO-SLOPE軟件對其地質剖面進行單元網格劃分，根據其高程分布，考慮145～175 m的水位線分布，建立滲流模型見圖5。

圖5 白家包滑坡計算模型圖

4.2 計算參數確定

依據滑坡地質勘察報告的參數建議值，類比于其他相似條件滑坡的巖土力學指標，確定出白家包滑坡滑體計算參數見表1，對應的滑體滲透函數曲線及水土特征曲線見圖6。

表1 滑體計算參數表

(a)水特征曲線

4.3 計算工況及荷載組合確定

計算工況及荷載組合見表2。

表2 計算工況及荷載組合

4.4 滲流及穩定性計算分析

根據相關滲流理論計算出白家包滑坡不同工況組合下的地下水位分布見圖7，從圖可以看出，庫水位下降速率直接影響滑坡內滲流場的分布情況，而降雨對滑坡的地下水位影響不大，且庫水位下降速率越快，水位線凸起越明顯。

圖7 滑坡在各工況下地下水位變化示意圖

在庫水位從175 m下降至145 m過程中，考慮降雨的工況組合，滑坡穩定性系數均具有明顯的下降趨勢，從1.14跌落至1.09時，又有略微的上升趨勢，根據滑坡工程相關評價標準[15]可以判定，此時滑坡處于基本穩定狀態。從不同工況組合情況(圖8)分析來看：疊加暴雨情況下，白家包滑坡穩定性系數會驟減，遭遇惡劣天氣，可能會有失穩的可能性；從工況3和工況4分布來看，高水位下降時，滑坡的穩定性受不同降雨強度的影響較小。

針對白家包滑坡的穩定性系數計算采用基于極限平衡的Morgenstern-Prince法，經計算可得，考慮工況一在自重及地表荷載作用下的穩定性系數為1.144，其他工況組合情況詳見圖8和圖9。

(a)庫水位175 m降至145 m工況下

在庫水位從162 m下降至145 m過程中，此時庫水位的下降速率從1.2 m/d增加到2.0 m/d，在水位差產生的動水壓力和不同降雨情況聯合作用下，滑坡的穩定性系數變化各有不同，最不利時下降至1.15左右，滑坡仍處于穩定狀態。從不同工況組合(圖9)情況分析來看：增大庫水位下降速率時，滑坡受到動水壓力作用，穩定性系數不斷降低。從工況5-工況7研究可得，隨降雨強度越大，穩定性系數下降的幅度越大，滑坡越容易失穩。

5 結論

1)白家包滑坡為動水壓力型滑坡，在水庫蓄水初期，庫水位上升，滑坡內部土壓力增大，此時庫水位高于滑體內地下水位線，水位差產生的動水壓力作用于阻滑段，反壓于坡體，因此滑坡整體穩定性增加。

2)當庫水位下降時，白家包滑坡整體穩定性不斷減小，地下水位線呈凸起向下彎曲趨勢，當下降速率越大，彎曲也越明顯。由于水土間的相互作用力，會產生浮托減重效應，作用于滑體的阻滑段，故白家包滑坡穩定性系數有先減小后略有增大趨勢。增大庫水位下降速率后，降雨作用將直接影響穩定性變化。

3)采用數值分析方法，模擬了白家包滑坡隨庫水位升降和降雨聯合作用下的組合情況，得到了滑體地下水位線及穩定性系數的變化規律，為三峽庫區后期庫水動力及降雨組合相關研究起到了一定的參考作用。