庫水作用下青杠坪滑坡堆積體變形演化趨勢

馮文凱， 頓佳偉， 張國強， 易小宇， 孟 睿， 周 強

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059;2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司， 成都 610021)

溪洛渡水庫位于高山峽谷地貌區，庫區內復雜的地質條件為大型堆積體、碎裂化巖質邊坡的形成演化提供了內動力地質條件。溪洛渡庫區自2013年下閘蓄水后，庫水位在540～600 m反復升降，為古滑坡堆積體的復活提供了外動力地質條件。庫水作用對動水壓力型滑坡[1-2]、浮托減重型滑坡[3]、紅土型庫岸滑坡[4]等不同類型滑坡的穩定性造成了一定影響，并且庫岸滑坡的危害極其巨大，1961年，湖南省資水拓溪水庫蓄水初期，近壩庫區右岸塘巖光村發生高速滑坡，造成重大損失，死亡40人[5]；1963年，意大利瓦依昂水庫蓄水過程中，大壩上游峽谷左岸山體突然滑下巨型滑坡體，造成近壩下游城鎮災難后果，死亡近3 000人[6]；2003年，三峽水庫初期蓄水后1年，庫區秭歸縣沙鎮溪鎮千將坪村二組和四組1 500×104m3山體突然下滑，造成14人死亡，10人失蹤，經濟損失慘重[7]。國內外典型庫岸滑坡案例表明，庫岸滑坡破壞力大，影響范圍廣泛，特別是在水庫蓄水后，在庫水位升降作用下更容易發生此類地質災害。

水庫蓄水運行中，庫水位變幅區的巖土體將受到“飽水-風干”循環作用，使庫岸坡體穩定性不斷降低[8]，其影響備受專家學者關注，研究并取得了一些相關成果。董金玉等[9]對于某水電站庫區一大型堆積體邊坡，通過現場原位實驗獲取巖土體力參數，利用FLAC3D模擬蓄水和水位下降過程位移變化，對邊坡變形破壞特征進行了預測分析；魯濤[10]以白水河滑坡為例，通過水-巖試驗獲取坡體在庫水壓力作用下的力學參數，利用FLAC3D模擬分析了滑坡在庫水循環長期作用下的破壞過程以及后期演化趨勢；朱少帥[11]以黃河上游某電站壩前右岸變形岸坡為研究對象，結合大量監測數據，對岸坡變形的預測預報進行挖掘，利用綜合信息預報模型、時序分解法、R/S分析法對岸坡變形的階段、位移量、發展趨勢進行預測預報研究；李鵬岳等[12]以瀑布溝水電站庫區雙家坪滑坡為例，運用GeoStudio軟件中的seep模塊模擬庫水作用下滑坡體地下水變化，計算不同庫水位升降速率條件下堆積體滑坡內部滲流場變化并分析其穩定性；張夏冉等[13]以萬州區下坪滑坡為研究對象，采用極限平衡法與概率分析法，分析庫水位從159 m降至145 m階段該滑坡的穩定性狀態；傅鵬輝[14]以三峽庫區堆積層滑坡為研究對象，利用理論分析、正交試驗，通過數值模擬對滑坡滲流場、應力場、位移場及穩定性演化規律進行系統研究，指出坡體滲流場、應力場及穩定性的演化規律。

根據溪洛渡庫水升降調度，結合滲透試驗、干濕循環試驗等，獲取相關物理力學參數，并采用FLAC3D模擬分析方法，考慮庫水高程為540、560 m的穩定水位以及庫水在540～600 m高程頻繁升降作用下，對青杠坪滑坡體空間變形及穩定性發展演化趨勢進行分析，以便為類似滑坡研究及災害治理提供參考。

1 青杠坪滑坡基本特征

青杠坪滑坡位于云南省永善縣務基鎮白勝村上壩一、二社，金沙江溪洛渡庫區右岸，滑坡后緣為白勝村青杠坪平臺，在庫水位的升降作用下，于2014年4月24日復活。

1.1 地貌形態及邊界特征

滑坡所在的岸坡向金沙江凸出，平面上呈“撮箕狀”，主滑方向325°，坡腳為溪洛渡水庫庫區。滑坡左側以劉家河溝為界、右側以廖家河溝為界，邊界兩側溝谷深切，排水通暢。水庫蓄水前滑坡縱向長2 200 m，寬700 m，中前部坡度23°～25°，后緣坡度10°～20°，厚度37.73～220.00 m，體積約14 840×104m3，為一巨型滑坡。蓄水后滑坡中前緣坡體復活，呈“圈椅狀”，主滑方向為340°，斜長約450 m，橫寬約300 m，滑體厚8.5～35 m，體積約300×104m3；在復活體后緣右側形成一弧形陡壁，坡度60°～80°，高程780 m，后緣左側發育弧形拉張裂縫，并形成錯坎。中部主要為滑坡堆積物，碎塊石凌亂堆積，坡度約20°。前緣較陡，坡度25°～30°，局部稍緩，抵金沙江溪洛渡庫區，高程約580 m，復活體左側為古滑坡未解體的中傾下游的巨型泥頁巖塊石(圖1)，滑坡工程地質平面圖如圖2所示。

圖1 青杠坪滑坡全貌圖Fig.1 Overview of Qinggangping landslide

圖2 青杠坪滑坡工程地質平面圖Fig.2 Engineering geological plan of Qinggangping landslide

1.2 斜坡體結構特征

根據勘察成果，古滑坡堆積體由含碎石角礫土組成，碎石巖性為灰巖、泥頁巖，其余為粉質黏土充填，厚度5～300 m，呈現前緣薄后緣厚的分布特征。滑坡堆積體后緣分布少量崩坡積碎石層，巖性以灰巖為主，滑坡前緣有部分段為灰巖地層。滑帶厚1.10～5.33 m，由志留系(S)泥頁巖組成。滑床主要為志留系下統龍馬溪組(S1l)泥頁巖，巖層緩傾坡內，傾向95°，傾角10°～15°(圖3)。

庫水作用下青杠坪滑坡前緣復活，復活體前緣左側為層狀結構泥頁巖塊體(假基巖)，為滑坡整體滑動后未解體的巨型泥頁巖塊石，仍保持明顯的層理，巖性與基巖保持一致。復活體控滑結構面主要為土巖接觸面，巖性為灰褐色角礫夾粉質黏土，角礫石成分以泥頁巖為主，滑帶埋深8.6～21.3 m，滑帶土厚度0.2～0.3 m。強變形區工程地質剖面圖見圖4。

1.3 變形破壞過程特征

青杠坪滑坡變形破壞分為水庫蓄水前、水庫蓄水后至滑坡復活期間和滑坡復活后3個階段，不同階段的變形破壞特征如下。

(1)最初變形發生在水庫蓄水前(2013年5月之前)，830 m高程的平臺前緣，發育有N40°E方向展布的串珠狀陷坑及裂縫，陷坑坑口直徑0.5～1.5 m，深0.5～1 m；裂縫寬30～40 cm，深大于1 m，外側(NW側)相對有下錯現象，下錯高度為30～40 cm。680 m高程附近，每逢雨季均會出現一系列相互平行的地面裂縫，展布方向N40°～45°E，一般長數米至十余米，縫寬3～5 cm。

(2)2013年5月—2014年4月24日，岸坡以變形為主，變形范圍主要在坡體上兩條小沖溝，高程840 m以下，高程750 m以上裂縫主要分布3條，高程750 m以下裂縫較多，主要集中在4個區域：①2#沖溝左側高程700～740 m，長約50 m；②2#沖溝右側高程680～720 m，長約50 m；③1#沖溝兩側高程680～730 m，長約100 m；④2#沖溝至劉家河溝間高程780～750 m處。裂縫及各變形區分布示意圖如圖5所示。

(3)2014年4月24日，原青杠坪滑坡堆積體中部產生滑移破壞，復活體后緣高程800～840 m平臺前緣水平寬度約50 m處新增多條拉裂縫，間距約10 m，方向平行于河道。裂縫長度多在20～50 m[圖6(a)]，寬度一般為5～15 cm，局部未貫通。最前緣發育一條長度近200 m、中部貫通性良好的拉張裂縫，其中約20 m長的一段下錯50～100 cm[圖6(b)]，寬度10～30 cm，上下游裂縫寬度5～10 cm，無明顯錯臺。

圖3 青杠坪滑坡剖面圖1-1′Fig.3 The profile map 1-1′ of Qinggangping landslide

圖4 強變形區剖面圖2-2′Fig.4 The profile map 2-2′ of strong deformation zone

圖5 裂縫及各變形區分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of cracks and distribution of deformation zones

圖6 平臺最前緣拉裂縫及錯砍Fig.6 Tension crack and cutting at the front edge of platform

2 巖土體物理力學性質

2.1 滲透特性

2.2 強度特性

獲取青杠坪滑坡堆積體角礫土在不同干濕循環次數條件下抗剪強度參數特性，進行密度為1.8 g/cm3，干濕循環次數為5、10、15、20次的重塑土快剪試驗。試驗結果如表2所示。

表1 試坑雙環滲透試驗結果Table 1 Test pit double loop penetration test results

從表2中可知，近天然含水率狀態下，角礫土抗剪強度指標隨著干濕循環次數n的增加而降低。在循環次數n從0至20的過程中，角礫土黏聚力c下降約19.0%，內摩擦角φ降低約12%。

表2 干濕循環次數與抗剪強度指標關系(ω=20%)Table 2 The relationship between the number of wet and dry cycles and the shear strength index (ω=20%)

圖7 黏聚力與干濕循環次數擬合曲線Fig.7 Fitting force and fitting curve of dry and wet cycle times

對土體抗剪強度指標隨干濕循環次數n的變化進行線性擬合(圖7、圖8)，得知土體黏聚力c與干濕循環次數n間具有c=0.004 57n2-0.367n+27.048 6的關系；土體內摩擦角φ與干濕循環次數n間具有φ=-0.166n+26.78的關系。

圖8 內摩擦角與干濕循環次數擬合曲線Fig.8 Fit curve of internal friction angle and dry and wet cycle times

3 庫水作用下滑坡變形演化趨勢分析

3.1 模擬方案

根據庫區蓄水調節，從以下2個方面對青杠坪滑坡堆積體在540～600 m水位高程下進行模擬。

(1)對滑坡堆積體在540、600 m庫水位高程條件下坡體的孔隙水壓力、位移場、初始剪應變增量、各監測點位移曲線進行分析，對比不同水位下斜坡體的變形區及位移的大小，對穩定性進行分析。

(2)結合室內重塑土體干濕循環強度實驗獲得的黏聚力c與內摩擦角φ隨干濕循環次數n的關系，將其關系曲線引入數值模擬模型中對庫水消落帶(高程540～600 m水位段)進行折減，而后模擬不同干濕循環次數條件下斜坡體變形位移及穩定性的變化情況。

3.2 模型建立與參數選取

采用FLAC3D對該滑坡進行建模，由于青杠坪滑坡弱變形區變形較小，因此本次僅對弱變形區前緣(高程為1 120 m)以下坡體進行建模。本構模型采用取Mohr-Coulomb(M-C)理想彈塑性模型，模型長1 808.5 m，寬1 066.5 m，高850 m，網格劃分按照20 m長度進行，共127 820個節點，707 521個單元，在模型表面共設置8個監測點(圖9)。根據溪洛渡水庫庫區水位升降特點，滑坡堆積體在540、600 m穩定蓄水位下以及后期庫水于540～600 m高程持續作用，根據上述試驗結果及相關工程經驗類比，得出不同水位升降作用次數n對應的巖體力學參數，滑坡體物理力學參數如表3所示。

圖9 模型及各監測點點位分布圖Fig.9 Model and point distribution map of each monitoring point

表3 模型參數取值Table 3 Model parameter value

3.3 模擬結果分析

3.3.1 穩定蓄水位下滑坡穩定性分析

從模擬結果圖10、圖12中可以看出，無論滑坡的穩定蓄水水位是540 m還是600 m，其位移、剪應變增量主要是在集中在巨型塊石所在部位(消落帶上部)。

從剪應變增量可以看出(圖12)，540 m水位和600 m水位的剪應變增量值較小且差別不大，未見明顯突變。堆積體發生失穩的可能性較小。

從位移可以看出(圖11)，巨型塊石所在部位最大位移分別為9.09、12.24 cm，在實地調查中發現該區域有多條拉裂縫，寬度一般為5～15 cm，模擬結果與實際情況較符合。

因此在庫水穩定在540、600 m庫水位的條件下，坡體整體基本處于穩定狀態，僅在斜坡體一定部位產生裂縫，裂縫寬度(位移)為0.1～12.24 cm。

3.3.2 滑坡長期演化規律分析

庫區水位升降過程中，消落帶在干濕循環作用下的土體力學參數弱化是邊坡失穩的重要外在因素，將消落帶巖土體強度隨水-土循環作用次數n的衰減規律通過FISH函數在模擬中體現出來，對堆積體的長期演化規律進行分析。

通過室內土體干濕循環直剪試驗所得到的土體黏聚力c與干濕循環次數n間具有c=0.004 57n2-0.367n+27.048 6的關系，土體內摩擦角φ與干濕循環次數n間具有φ=-0.166n+26.78的關系，模擬具體思路如圖13所示，圖13中變量i起到循環FISH函數的作用。

當干濕循環次數n=5時，斜坡體最大位移量達到約15.1 cm，已復活的滑坡體范圍內位移較小，為0.5～1.5 cm，前緣浸水部位及消落帶位移量為1～3 cm，780～930 m高程范圍位移1～5 cm(圖14)。

當n=20時，斜坡體變形范圍稍有擴大，仍包括已復活滑坡體前緣、左側及后緣3個區域，且變形量有明顯增加，最大位移量達到約36.8 cm，前緣浸水部位及消落帶位移量達到4～6 cm，780 ～930 m高程范圍位移量為5～8 cm，已復活滑坡體部位位移量仍較小，為1～2 cm(圖15)。

n=35時，斜坡體最大位移量達到了約90.2 cm，坡體明顯達到破壞狀態，前緣浸水部位及消落帶位移量達到10.3～20.2 cm，780～930 m高程范圍位移量為5.3～26.1 cm(圖16)。

采用強度折減法計算得出n=5、n=20、n=35時，斜坡體安全系數分別為1.26、1.13、0.98。

模擬結果可以看出，隨著干濕循環次數的增加，斜坡變形量不但增大，穩定性不斷降低，當n=35時，滑坡體消落帶以上780～930 m高程范圍及巨型塊石上部的堆積體將發生滑動，青杠坪滑坡將再次復活。

圖10 540、600 m水位岸坡孔隙水壓力分布Fig.10 Pore water pressure distribution of 540 m,600 m water level bank slope

圖11 岸坡540、600 m水位位移Fig.11 540 m,600 m water level displacement of bank slope

圖12 岸坡540、600 m水位剪應變增量Fig.12 Shear strain increment of 540 m,600 m water level on bank slope

圖13 FlAC3D分析流程圖Fig.13 FlAC3D analysis flow chart

圖14 干濕循環次數n=5時斜坡體位及各監測點位移曲線Fig.14 Displacement diagram of slope and curve of each monitoring point when the number of dry and wet cycles n=5

圖15 干濕循環次數n=20時斜坡體位移及各監測點位移曲線Fig.15 Displacement diagram of slope and curve of each monitoring point when number of dry and wet cycles n=20

圖16 干濕循環次數n=35時斜坡體位移及各監測點位移曲線Fig.16 Displacement diagram of slope and curve of each monitoring point when number of dry and wet cycles n=35

4 結論

在室內試驗的基礎上，運用FLAC3D技術分析了青杠坪滑坡堆積體演化趨勢，得到如下結論。

(1)青杠坪滑坡在水庫蓄水前，整體處于基本穩定狀態，水庫蓄水后至2014年4月之前，斜坡堆積體局部發生變形，岸坡以形變為主，2014年4月24日，滑坡堆積體局部發生滑動，中部產生滑移破壞，復活體后緣高程約780 m，前緣高程在540 m庫水位以下，剪出口高程約460 m，復活體后緣右側出現較多的裂縫。強變形區范圍為青杠坪滑坡中部陡坎坡腳(高程940 m)以下區域，陡坎以上至青杠坪滑坡后緣即為弱變形區，隨著時間的推移，強變形區有逐漸向陡坎上部轉移的趨勢。

(2)室內外巖土體物理力學性質試驗顯示：①青杠坪滑坡表層堆積體平均滲透系數為6.94×10-2cm/s，為中-強透水介質；②庫水升降作用對礦物成分的影響有限；③土體抗剪強度指標與干濕循環次數n的關系：黏聚力c=0.004 57n2-0.367n+27.048 6，內摩擦角φ=-0.166n+26.78。

(3)庫水位穩定于540、600 m條件下，坡體整體穩定，僅消落帶上方巨型塊石上部產生拉張裂縫，裂縫寬度(位移量)為0.1～12.24 cm。隨著干濕循環次數的增加，坡體堆積體變形裂縫逐漸加大，穩定性系數不斷降低，當n=35時，消落帶以上780～930 m高程范圍及巨型塊石上部位移集中部位的堆積體將發生滑動，青杠坪滑坡將再次復活。