白家包滑坡的滲流與穩定性分析

許 倩，周 瑞，陳 源，李世貴，劉藝梁

(1.三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省鄂西地質工程勘察院，湖北 宜昌 443000)

三峽庫區具有復雜地質結構，巖體變形強烈，河谷嚴重切割，歷來多發生地質災害[1]。莫偉偉等[2]在庫岸邊坡水巖相互作用機理基礎上，現有的滑坡穩定性分析方法進行總結分析，包括滲流場與應力場耦合分析，剛體極限平衡法及有限元強度折減法。鄭穎人等[3]分析庫水下降速度及土的滲透系數，并比較研究浸潤面位置解析解和數值解對滑坡穩定性影響進行分析。董建軍等[4]通過耦合應力場和非飽和-飽和滲流場，進行數值模擬降雨入滲坡體的孔壓變化規律，進而分析降雨后邊坡安全系數變化，坡體的穩定狀態。張珂峰[5]分析庫水位不同速率驟降并且在不同時刻擬合降雨,探討滑體不同位置的孔壓伴隨時間的變化,分析探討滑坡的滲透特性,認為當庫水位驟降聯合降雨會使滑體最危險。江強強等[6]以大型物理模型試驗為手段，從時間空間兩方面揭示庫水位消落與降雨作用機制下，庫岸滑坡失穩破壞，揭示三峽庫區庫岸滑坡的演化規律及孕災機理。江儒洪等[7]則認為土體在危險面的基礎上沿著滑動帶發生失穩破壞。張龍飛等[8]則分別研究庫水、降雨以及庫水聯合降雨對滑坡變形特征和穩定性影響，進而得出滑坡各個部位的運動特征。趙志陽等[9]重點研究三峽庫區萬州段區域的庫岸邊坡穩定性，建立Scoops 3D模型，基于庫水位勻速變動情況，計算庫岸水位線，探討邊坡穩定性時空分布。繆信等[10]通過研究庫水位變動情況下浸潤性的變化趨勢，探究水位變動條件下滑坡變形穩定性。盧書強等[11]認為臥沙溪滑坡變形前期表現為牽引式、變形后期表現為推移式，重點分析其失穩機理。尚敏等[12]模擬降雨滲流場變化，量化降雨與滑坡體內的孔隙水壓力的相關關系，進而探討坡體變形機制與降雨強度的關聯性，為極端降雨條件下，滑坡的變形研究提供借鑒。范慶來等[13]和薛聰聰等[14]分別研究了庫水聯合降雨作用下三門洞滑坡和綠草碼頭滑坡滲流場運動規律及穩定性分析。

庫水位突變對滑坡體地下水滲流場和應力場產生影響，形成動水壓力。本文從地質條件入手，采用理論分析和數值模擬計算方法，以白家包滑坡為研究對象，結合現場勘查監測資料,運用GeoStudio建立模型，用SEEP/W模塊進行地下水滲流場求解計算，導入SLOPE/W模塊求解其穩定性系數；導入SIGMA模塊 建立耦合孔隙水壓力變化的彈塑性模型求解分析，全面研究在庫水位消落作用下滑坡滲流場、位移場以及滑坡體穩定性情況。

1 白家包滑坡的工程概況

白家包滑坡相距三峽大壩41.2 km，位于長江支流香溪河的右岸。滑坡發育于兩山脊之間，整個滑坡呈現西高東低的趨勢，剖面凹陷。白家包滑坡平面形態喇叭狀，面積大約為22×104m2。后緣以基巖為界，高程約270 m，縱向長度約550 m，前緣呈弧形向香溪河突出。滑坡剪出口高程約126 m；平均厚度約45 m，體積約990×104m3；屬于大型堆積體滑坡(見圖1)。

圖1 滑坡工程地質平面圖

滑體主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，包括粉質黏土及塊碎石和碎塊石土，呈現不規則狀交替出現，其結構致密。滑帶主要為粉質黏土混合碎石角礫，碎石成份以灰黃色砂巖和紫紅色泥巖為主，含量為25%～30%，軟—可塑，且含明顯的磨光泥巖顆粒。從坡面邊坡看起伏波動小，基巖產狀260°∠30°。滑床的主要物質組成為泥巖和長石石英砂巖。

2 變形特征與誘發機制分析

2.1 變形特征

近年，基于對此滑坡的工程地質調查與專業監測，蓄水前期滑坡主要的變形集中在后緣出現弧形裂縫。自2009年之后，滑坡的變形集中在前部右側的秭興公路，路面出現拉裂變形，多次整修，路基下沉，形成凹形陡坎；前部右側的消落帶區域，形成小規模坍塌。2012年之后，滑坡左側邊界出現裂縫并不斷新張，最終與滑坡后緣裂縫逐漸連接，并且延伸至前緣消落帶。

滑坡右側的變形大于左側變形，左側的前緣強度較高，由于節理裂隙的存在滲透系數也比較大，庫水快速消落則形成的動水壓力較小，并且左側的阻滑段大于右側，而右側邊界有較強的的砂泥巖堆積體，并且滑坡右側的公路內側存在汲水坑，因而有更大的孔隙水壓力，有效應力相對減小，所以滑坡右側變形大于左側。

2.2 GPS監測數據分析

(1) 2017年10月以來，白家包滑坡實施自動監測，滑坡縱軸線上分別布設ZD1、ZD2、ZD3三處自動GPS變形監測點和一個基準點，如圖2所示為自動監測點ZD1、ZD2、ZD3累積位移與庫水位的關系曲線圖(因2019年8月，監測點解算出現故障，缺失部分數據，圖2中顯示斷開部分)。

(2) 根據自動監測數據(見圖2)顯示，監測點ZD1、ZD2、ZD3的位移變化與三峽庫區水位消落有著積極的響應關系。自2017年10月自動監測初測到2019年10月，監測點ZD1、ZD2、ZD3累計位移分別達到125 mm、147 mm、210 mm。當庫水位上漲與平緩運行階段，滑坡相對較為穩定，位移沒有明顯的幅度改變。特別受庫水位消落的影響，2018年與2019年6月份，滑坡位移變形劇烈的跳躍式抬升，表現為累積位移的陡坎段，位移增幅達到50 mm～120 mm；而庫水位消落自每年2月份開始，分析認為滑坡體具有較弱的滲透性，使得滑坡呈現較為明顯的滯后性變形。

圖2 自動監測累計位移曲線

3 滑坡的數值模擬基于不同庫水位消落速度

3.1 基本理論

SEEP/W的理論基礎基于飽和與非飽和滲流的達西定律[15]：

q=ki

(1)

式中：q為單位滲流流量；k為滲透系數；i為水頭梯度。

SEEP/W有限元公式中的控制方程為：

(2)

SLOPE/W模塊能夠考慮孔隙水壓力的條件，通過Morgenstern-Price法，運算邊坡的穩定性系數。

SIGMA/W模塊選取彈塑性本構模型，材料模型設置為摩爾-庫侖模型耦合孔隙水壓力變化，模擬不同庫水降速下滑坡體的應變變化。

3.2 計算模型參數的選取

根據工程地質特征，選取I-I′主縱剖面作為計算斷面，其長度約為730 m，高度約為300 m(見圖3)。對計算模型進行有限元網格劃分，對滑坡設置網格屬性，全局單元尺寸6 m，單元數為18 263個，單元節點數為18 202個。對滑帶區域設置單元邊界尺寸長度為1 m，滑帶網格更為密集(見圖4)。

圖3 滑坡剖面圖

圖4 滑坡計算模型圖

3.3 計算參數

依據滑坡勘察資料，類比附近滑坡相似巖土體，適當修正后確定滑坡的物理力學參數見表1。滑體基質吸力與體積含水率曲線如圖5所示。

表1 滑坡物理力學參數

3.4 計算并分析工況

依據三峽庫區庫水位運行資料，考慮河谷的寬度不同使得水庫容量不同，設定模擬工況如表2所示。通常情況下，第一階段每年1月—5月，庫水位由175 m消落至160 m，歷時116 d；第二階段庫水位由160 m迅速下降到145 m。本文主要模擬庫水位下降時，滑坡的滲流場以及穩定系數的變化，分析其位移變化。

圖5 滑體非飽和滲透系數曲線

表2 庫水位降落模擬工況

4 求解結果分析

4.1 滑坡滲流場分析

采用SEEP/W模塊對不同工況下的滲流場進行模擬，計算模擬出庫水位下降的滲流場變化，各個工況下浸潤線變化如圖6,圖7所示。

圖6 不同工況下浸潤線的變化

圖7 工況4浸潤線隨時間的變化

圖6整體看，庫水下降過程中，滑坡體前部浸潤線明顯下降而中后部的浸潤線變化很小，滑坡體前緣受庫水位下降影響較大。坡體內浸潤線在庫水位由175 m下降時開始出現彎曲。其中庫水位175 m～160 m的坡體內浸潤線彎曲傾斜度相較于160 m～145 m更緩一些，庫水位由160 m降至145 m的坡體內浸潤線更陡。據滲流模型模擬坡體內浸潤線顯示，庫水位160 m～145 m消落階段，庫水位降速增大浸潤線外凸趨勢更為明顯。滑體物質組成多為孔隙介質，以土質為主，透水性弱，孔隙水難以消散，地下水滲流受巖體阻礙排除緩慢，滑坡體前緣浸潤線與庫水位自由水面高程存在一定高差，在坡體內外水頭差的作用下，坡體內的地下水不斷向外滲流，對滑坡產生動水壓力，形成瞬態滲流場，飽和度增加，基質吸力減小，黏聚力減小，抗剪強度下降，滲流流量增加，滲透力增加，浸潤線外凸，穩定性降低。

圖7為工況4在不同時段坡體內浸潤線，水位下降初期，浸潤線基本與庫水位同步下降，當庫水位到達160 m時，浸潤線略顯得滯后，向坡外傾斜。當庫水降至145 m時，浸潤線明顯滯后于庫水位下降，庫水下降越快則坡內浸潤線滯后于庫水位線的變化越明顯，其滯后性與庫水位下降速率為正相關。坡體前緣浸潤線與庫水位自由水面高程存在一定高差，表明庫水位下降速率大于坡體內地下水的滲流速度，坡內浸潤線對庫水位變化的響應存在一定的滯后，在坡體內外水頭差的作用下，坡體內的地下水不斷向外滲流，地下水位與庫水位差增大，破壞了滑體系統滲流場與應力場維系的動態平衡關系，增加坡體重量或者下滑力，不利于滑坡穩定性。

4.2 穩定性模擬分析

通過SEEP計算得到的坡體內浸潤線，模擬相應的滲流場，基于滲流求解導入SLOPE/W計算各個工況下的穩定系數。模擬結果(見圖8)表明，滑坡穩定性系數減小與庫水位下降密切相關。其中第一階段175 m～160 m庫水位降速均為0.13 m/d，持續116 d，穩定系數緩慢下降，由1.086降至1.019；第二階段庫水位到達160 m后，可以看出第二階段穩定系數斜率明顯大于第一階段，穩定系數減幅增大。由此可見庫水位消落速度越快，穩定系數曲線斜率越大。穩定系數降低加劇，整體堆積體穩定性計算結果最低達到0.973，滑坡由基本穩定演變為不穩定，因此對增大降幅后的堆積體穩定性應給予充分重視。庫水位下降，坡體受到地下水排出而產生擠壓坡體的壓力，從而降低滑坡的有效應力與抗剪強度，同時庫水位下降產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、反復循環作用下，也會使滑坡穩定性降低。

圖8 不同工況下滑坡穩定性變化

4.3 位移場的模擬分析

選取工況4，進行對比分析滑坡體的位移場。如圖9、圖10所示，為庫水下降持續90 d(175 m～160 m庫水位)時滑坡降速為0.13 m/d和120 d(160 m～145 m庫水位)時滑坡降速為1.2 m/d滑坡的位移場。

圖9 庫水下降持續90 d滑坡位移場變化圖

圖10 庫水下降持續120 d滑坡位移場變化圖

由模擬結果可以得看出:隨庫水消落加速，則滑坡位移變形的范圍增大。滑坡體前緣產生局部變形，在前緣高程180 m左右滑坡出現坍塌下滑，最大下滑位移約達到12 m，滑坡前緣150 m左右出現隆起。下部基巖沒有位移，處于穩定。滑坡后部的位移主要出現在剪出口。當庫水位驟降時，引起水位線下降使岸坡土體應力狀態發生明顯改變，打破原有的岸坡堆積平衡；同時作用在滑坡體的水荷載短時間減小，使得局部土體產生變形，形成不可恢復的屈服區域。滑坡體的消落帶長期在庫水的周期性浸泡下，庫水影響水位以下的巖土體使其軟化，抗剪強度降低，致使相應的岸坡位移逐漸增大。

5 結 論

(1) 白家包滑坡的地形地貌，物質組成是滑坡發生發展的基礎，庫水位周期性漲落，以及降雨等對滑坡的復活產生激勵作用。其滑坡體結構致密，滲透性差，為其動水壓力的形成創造了條件。

(2) 坡體內水的滲流相較于庫水位下降呈現較強的滯后性，庫水位消落越快則其滯后性越明顯， 短期內形成較大水力梯度，滲流作用對滑坡體形成 “拖拽力”，同時庫水下降改變滑坡體力學性質，降低滑坡的抗變形、抗破壞的能力；庫水位消落速度增快，坡內浸潤線滯后庫水位消落幅度加大，較容易引起高滲透壓力，滑坡穩定系數下降幅度越大。

(3) 滑坡體前緣是滑坡局部變形重點部位，與滲流分析中坡體內浸潤線的變化相吻合，滑坡體的前緣消落帶在庫水位驟降的條件下，形成較強動水壓力，且材料抗剪強度參數降低，打破原有的岸坡堆積平衡，岸坡局部土體產生變形，相應的岸坡位移逐漸增大。