考慮流固耦合作用的金坪子滑坡Ⅱ區(qū)排水效果分析

鄧燕紅

(湖北鄂西地質(zhì)工程勘察院,湖北 宜昌 443002)

人類工程活動引起的滑坡地質(zhì)災(zāi)害日益增多,滑坡防治成為工程研究的熱點之一[1]。在滑坡工程治理中,排水措施經(jīng)濟且便捷,實時排出坡體內(nèi)地下水可減少降雨誘發(fā)型滑坡災(zāi)害的發(fā)生[2-3]。許歡等[4]討論了水平排水孔的淤堵位置與滲流路徑有關(guān),小仰角是造成水平排水孔淤堵的重要原因。王騰飛等[5]認(rèn)為滑帶粉質(zhì)粘土由飽和到非飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力增大可提高粘聚力,使土體抗剪強度不斷增大。吳岱諠等[6]認(rèn)為滑坡粘聚力、內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而線性減小。李會中等[7]研究表明基于烏東德水電站工程施工與運行安全考慮,建議對金坪子滑坡Ⅱ區(qū)蠕滑體采用系統(tǒng)排水的工程防治措施。

金坪子滑坡位于金沙江烏東德壩址下游2.5 km處的金沙江右岸,滑坡的穩(wěn)定與否直接制約烏東德水電站壩址的規(guī)劃選址,為此,對該滑坡進(jìn)行了深入的穩(wěn)定性研究及一定程度的工程治理,滑坡排水工程就是主要治理手段之一。本文在分析金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地質(zhì)及變形監(jiān)測資料的基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)力學(xué)模型,應(yīng)用MIDAS-GTS及Geo-Slope軟件,模擬流固耦合作用下滑坡體變形特征,對比實施排水工程前后的滑坡穩(wěn)定性,對排水治理效果進(jìn)行評價。本文研究成果可為類似滑坡工程治理提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

金坪子滑坡縱向上分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)兩部分,多年來Ⅰ區(qū)未見明顯變形,穩(wěn)定性較好；Ⅱ區(qū)近年變形明顯,穩(wěn)定性較差,對烏東德壩址威脅較大。

滑坡Ⅱ區(qū)是金沙江烏東德壩址金坪子滑坡最下游的一個分區(qū),距離烏東德壩址約2.5 km,整個滑坡體在平面形態(tài)上呈“花瓶”狀,坡體前緣瓶口處為滑坡剪出口,高程約880 m,坡體后緣界限相鄰于Ⅰ區(qū)前緣,分布高程約1 480 m,寬度約450 m；其主滑方向126°,原始地形坡度約30°,滑坡前緣緊鄰金沙江右岸,剪出口位于前緣基巖出露陡坎處。滑床順坡向傾角約23°；滑帶厚約2～5 m,滑帶內(nèi)微層理清晰,擦痕現(xiàn)象明顯,運動擦痕方向與滑坡體主滑方向基本一致；滑體平均厚度約60～80 m,體積約2 700×104m3。金坪子滑坡Ⅱ區(qū)典型剖面如圖1所示。

圖1 金坪子滑坡Ⅱ區(qū)典型剖面圖Fig.1 Typical section of Jinpingzi landslide area Ⅱ

1.2 物質(zhì)組成

金坪子滑坡Ⅱ區(qū)滑體主要由第四系崩坡積和殘坡積物堆積而成,根據(jù)滑體物質(zhì)體積含量判斷該滑坡為大型堆積體滑坡。滑體按物質(zhì)組成由上至下可分為三層：第一層為白云巖塊石碎石土層,結(jié)構(gòu)松散,厚度約10～15 m,其中碎石含量約40%～50%,塊石含量20%～30%,碎石粒徑5～7 cm,塊石直徑10～20 cm,碎塊石之間充填粘土,該層物質(zhì)孔隙較大,滲透性強；第二層為碎石碎屑夾土層,碎石碎屑組成成分主要為千枚巖,含少量白云巖,整體結(jié)構(gòu)較松散,厚約20～40 m,碎石含量約10%～30%,粒徑一般為2～3 cm,磨圓較差,呈棱角狀；第三層為似層狀碎石層,碎屑巖成分為千枚巖,厚度約10 m,碎屑間微層理清晰,揉皺較發(fā)育,局部區(qū)域可見明顯的擠壓現(xiàn)狀,整體結(jié)構(gòu)較緊密。

滑帶物質(zhì)為土夾碎石碎屑,土為灰黑色、紫紅色粘土,粘性較大,呈可塑狀,碎石碎屑成分為千枚巖等,厚度約2～5 m左右,碎石碎屑研磨作用明顯,具有一定程度磨圓現(xiàn)象,呈次圓—渾圓狀,結(jié)構(gòu)密實,滑帶內(nèi)微層理清晰,擦痕現(xiàn)象明顯。據(jù)勘察報告顯示,滑帶土的顆粒級配良好,其塑限指標(biāo)為27%、液限指標(biāo)為13.4%。

滑床基巖由兩部分組成,以黃海高程1 200 m為界限,其上為會理群黑山組(Pt2hs)千枚巖,巖性軟弱較破碎；界限以下為會理群落雪組(Pt2l)灰?guī)r、大理巖,巖性呈堅硬完整狀；坡體整體地層產(chǎn)狀傾向坡內(nèi),屬于逆向坡。

2 變形特征及治理方案

2.1 變形特征

據(jù)監(jiān)測資料,金坪子滑坡Ⅱ區(qū)水平合位移累積曲線如圖2所示,其監(jiān)測點布設(shè)位置投影點見圖1。

圖2 水平合位移累積圖Fig.2 Cumulative horizontal displacement diagram

滑坡變形特征：以前緣變形最大監(jiān)測點TP11為代表,截至2016年12月其最大累積水平位移為3 553 mm,平均位移每天可達(dá)0.9 mm及以上；滑坡體中部以監(jiān)測點TP08變形為例,其最大累積水平位移達(dá)3 069 mm,平均位移每天達(dá)0.76 mm；坡體后緣變形其水平合位移僅為200～700 mm,平均位移每天僅約0.2 mm。分析可知,以TP11為例的一系列產(chǎn)生位移較大的監(jiān)測點多集中于坡體前緣,坡體中部變形次之,后緣變形最小。滑坡位移速率與區(qū)域降雨相關(guān)性分析如圖3所示。

圖3 滑坡位移與降雨相關(guān)性分析圖Fig.3 Correlation analysis of landslide displacement and rainfall

滑坡變形與區(qū)域降雨響應(yīng)關(guān)系：受地區(qū)強降雨影響,坡體持續(xù)出現(xiàn)變形,且變形速率與降雨量呈線性正相關(guān)關(guān)系，降雨量越大,變形速率越大。由于滑坡的變形受區(qū)域降雨影響顯著,滑坡工程治理主要集中于解決降雨入滲對滑坡體穩(wěn)定性影響的問題。

2.2 治理方案

金坪子滑坡滑體物質(zhì)較厚且破壞模式為典型的松脫式,坡體前緣具有良好的臨空面,分析認(rèn)為水是本滑坡發(fā)生破壞的主要誘因,因此最適宜采取排水措施進(jìn)行工程治理。實踐表明,滑坡采用排水治理方案不僅施工操作方便、經(jīng)濟合理,而且治理效果非常顯著[2]。

治理方案：在Ⅱ區(qū)坡體上規(guī)劃布置6條截排水洞進(jìn)行地下排水,分別布設(shè)于坡體前緣、中部、后緣,如圖4所示；在Ⅱ區(qū)坡體后緣設(shè)置截水溝進(jìn)行地表排水,以截斷Ⅰ區(qū)坡體的補給；在Ⅱ區(qū)坡體上設(shè)置排水溝進(jìn)行地表排水,排水溝分布高程分別為1 290 m、1 230 m、1 165 m、1 050 m、1 000 m。

圖4 金坪子滑坡Ⅱ區(qū)治理平面及剖面圖Fig.4 Plane and section map of treatment of Jinpingzi landslide area Ⅱ

本文采用有限元分析方法對治理前后滑坡的孔隙水壓力變化特征及穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬,對滑坡治理效果進(jìn)行分析評價。

3 排水前后滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 基本原理

本文數(shù)值模擬充分考慮滑坡體滲流場與應(yīng)力場的耦合作用,具體理論基礎(chǔ)如下：

3.1.1滲流場對應(yīng)力場的影響機理

滲透體積力f與滲流場緊密聯(lián)系,其與滲透壓力P共同表示水荷載，可反映滲流場與應(yīng)力場之間的關(guān)系,不同滲流場產(chǎn)生各異的水荷載,由于滲流場改變的同時,水荷載對應(yīng)力場產(chǎn)生不同效應(yīng),因此滲流場影響應(yīng)力場是通過水荷載引起的[8]。

在滲流場中滲透體積力f為：

(1)

應(yīng)力場數(shù)值模型：

(2)

式中：Ω為滲流區(qū)域；σij為應(yīng)力場；fi(H)為體積力,構(gòu)成水頭分布函數(shù)；εij為應(yīng)變場；ui為位移場；λ、G為彈性常數(shù)；nj為Sσ法線方向余弦；Su為位移邊界。

滲流場數(shù)值模型：由質(zhì)量守恒定理可知,滲流場中單位水的增減率等于單位流量的增減率[9]。通過微分單元體推演,有如下方程:

(3)

式中：Ss為單位儲存量。

根據(jù)達(dá)西定律,可得如下方程：

(4)

式中：h為水頭函數(shù)；k為滲透系數(shù),構(gòu)成應(yīng)力場的函數(shù)；Ω為滲流區(qū)域；Γ1為水頭邊界,h1為水頭分布；Γ2為流量邊界；q為流量分布；Γ3為滲流自由邊界。

3.1.2應(yīng)力場與滲流場的相互作用機理

土壤的孔隙率n與土壤的滲透系數(shù)k成正比,具體關(guān)系為：

k=k(n)

(6)

根據(jù)體積應(yīng)變εv受應(yīng)力場σij控制,因此土體的滲透率k最終可以表示為應(yīng)力場σij的函數(shù),即：

k=k(σij)

(7)

應(yīng)力場通過影響土體的體積應(yīng)變εv和孔隙率n來影響土體滲透率,進(jìn)而影響滲流場。

綜上,滲透系數(shù)不僅是個常數(shù),其值與應(yīng)力場一一對應(yīng),且隨應(yīng)力場變化而發(fā)生改變,坡體外部產(chǎn)生的水荷載隨滲流場變化,也不再是一個常數(shù)[10]；有限元流固耦合分析不同于單獨分析應(yīng)力場或滲流場,其應(yīng)力場與滲流場相互作用且相互影響,更加貼合工程實際。

3.2 計算方法及模型

本文通過MIDAS-GTS軟件建立金坪子滑坡Ⅱ區(qū)計算模型(如圖5),并設(shè)置地層、邊界及荷載條件,定量分析排水前后坡體的滲流場、應(yīng)力場、位移場及塑性區(qū)的變化特征。計算模型長約2 733 m,高約1 423 m。采用三角形加四邊形及不同單元梯度劃分網(wǎng)格,以提高計算精度,且避免網(wǎng)格單元變化幅度急劇增大。整個模型剖面共劃分3 938個單元,8 756個節(jié)點,并設(shè)A、B、C三個觀察點。

mine periphery in Huaiyuan county of Anhui province JING Hai-xia HUANG Jiang-hua SHI Yun-long et al.(70)

圖5 計算模型Fig.5 Computational model

邊界及荷載條件：左右位移邊界均采用X軸單向約束,底部邊界進(jìn)行X及Y軸位移約束,邊坡體表面為無約束狀態(tài)；不僅考慮坡體自重與降雨荷載,而且坡體表面為降雨入滲邊界；依據(jù)鉆探及實地考察情況,將滑坡前緣出露地下泉水排泄點作為左水位邊界條件,鉆孔揭露水位作為右水位邊界條件。

3.3 計算參數(shù)及工況

依據(jù)工程地質(zhì)勘查資料、室內(nèi)試驗、收集的數(shù)據(jù)[11],金坪子滑坡Ⅱ區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 滑坡體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of landslide mass

據(jù)區(qū)域降雨資料顯示,降雨主要集中于5—10月,且日降雨量為20 mm/d,暴雨時日降雨量為50 mm/d,10年一遇集中暴雨日降雨量為100 mm/d。因此,本文設(shè)計4種工況(如表2),分別研究該滑坡在天然工況、降雨強度為100 mm/d(最危險工況)條件下的變形特征,以對排水前后滑坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行對比分析。

表2 計算工況表Table 2 Calculation conditions

3.4 排水前后數(shù)值模擬結(jié)果

3.4.1滲流場

由圖6可知,對比分析排水治理前后,坡體內(nèi)最大孔隙水壓力在天然及降雨工況下均發(fā)生顯著變化,如表3所示。

表3 排水治理前后最大孔隙壓力(kPa)Table 3 Maximum pore pressure before and after treatment

排水治理后：在天然工況下,前緣最大正孔隙壓力降低51.36%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升39.36%；在降雨工況下,前緣最大正孔隙壓力降低24.98%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升63.06%。由此表明,排水措施對滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力變化具有顯著影響,使得坡體內(nèi)飽水區(qū)域減小,從而提高坡體整體的穩(wěn)定性,充分體現(xiàn)出排水治理的工程效果。

3.4.2應(yīng)力場

由圖7可知,最大主應(yīng)力變化特征：治理后,天然狀態(tài)下坡體為壓應(yīng)力狀態(tài),且坡面—坡內(nèi)壓力值逐漸增大,坡體底部最大壓力值達(dá)8 665 kPa,坡面表部最小壓力值為91.83 kPa。兩天暴雨(100 mm/d)后,坡體內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生改變,坡體后緣C點壓應(yīng)力由820.48 kPa降至518.94 kPa。由于地下水的作用,以及降雨的入滲沖刷,使巖土體部分區(qū)域由非飽和狀態(tài)變成飽和狀態(tài),滑坡體前緣變化最大,由最初的壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力。

圖7 最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Cloud chart of maximum principal stress

圖8 最小主應(yīng)力云圖Fig.8 Cloud chart of minimum principal stress

3.4.3位移場

由圖9可知,治理后,經(jīng)兩天暴雨(100 mm/d),坡體前緣位移較小,最大位移量為6.9 mm,變形速率為3.45 mm/d,且坡體中部、后部均未出現(xiàn)位移。治理后的坡體隨降雨時間增加,前緣是坡面徑流、坡內(nèi)入滲雨水的排泄點,因此前緣的地下水位上升較快,導(dǎo)致前緣快速飽和,基質(zhì)吸力減小,從而滑坡體前緣出現(xiàn)了較小的位移,這與位移監(jiān)測(圖2)2016年5月后的變形趨勢基本一致。而未治理時,變形量達(dá)到21 mm,變形速率達(dá)10.5 mm/d,是治理后合位移量的3倍,說明排水措施對坡體變形的有效抑制作用。

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement nephogram

3.4.4塑性區(qū)

由圖10可知，治理后,經(jīng)兩天暴雨(100 mm/d),僅坡體前緣出現(xiàn)較小塑性變形,且處于滑帶上,這是由于滑帶物質(zhì)成分為千枚巖碎屑土及粘土,其礦物成分含有大量親水性較好的伊利石所致。隨著降雨持續(xù),地下水上升,前緣飽和區(qū)域擴大,前緣滑帶巖土體基質(zhì)吸力減小,抗剪強度降低,使得前緣出現(xiàn)潛在破壞面。

圖10 塑性區(qū)云圖Fig.10 Cloud of plastic zone

治理后,塑性區(qū)顯著減小,塑性區(qū)僅現(xiàn)于坡體前緣滑帶處。未治理時,滑坡體的塑性區(qū)逐漸沿著滑帶向坡體后緣延伸,暴雨后塑性區(qū)在滑帶處出現(xiàn)貫穿跡象。說明排水措施有效提高了巖土體間的粘聚力,增大了滑坡體的阻滑力,進(jìn)而改善了滑坡體的穩(wěn)定性。

3.5 排水前后數(shù)值模擬綜合評價

據(jù)上述數(shù)值分析可知，治理后坡體內(nèi)地下水位大幅下降,前緣應(yīng)力場由最初的壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力,位移及塑性區(qū)變化也集中于滑坡前緣部位,且在治理后均表現(xiàn)出顯著的良性變化特征。

因此,在排水治理后,滑坡地表沖刷作用減弱,坡體內(nèi)地下水位大幅降低,飽和區(qū)域及動靜水壓力減小,巖土體顆粒間粘聚力增加,坡體穩(wěn)定性顯著提高；即使遭遇十年一遇暴雨,前緣可能出現(xiàn)局部小變形及坡面碎屑流,其出現(xiàn)整體性變形破壞的可能性較小。

4 基于極限平衡分析的滑坡排水效果評價

分析金坪子滑坡Ⅱ區(qū)地表變形及地質(zhì)地貌特征,將坡體劃分為：前緣破壞、中下部滑移及整體破壞模式三種可能變形破壞方式(見圖11)。

圖11 滑坡體可能滑動模式圖Fig.11 Possible sliding mode of landslide mass

本文應(yīng)用Geo-Slope軟件對治理前后的金坪子滑坡Ⅱ區(qū)各分區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行極限平衡分析,其計算工況及計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，治理后,對于滑坡體前緣、中部、整體破壞三種失穩(wěn)模式,天然狀態(tài)下安全系數(shù)平均提升10%以上,降雨狀態(tài)下安全系數(shù)平均提升35%以上,說明滑坡體各分區(qū)穩(wěn)定性得到有效改善。

表4 治理前后各工況下邊坡穩(wěn)定性Table 4 Slope stability before and after treatment

5 結(jié)論

(1) 滑坡變形破壞模式屬典型松脫式,變形多集中于前緣,中部次之,后緣最小,且變形速率與降雨量呈線性正相關(guān),最適宜采取排水措施進(jìn)行工程治理。

(2) 排水治理后，在天然工況下,前緣最大正孔隙壓力降低51.36%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升39.36%；在降雨工況下,前緣最大正孔隙壓力降低24.98%,后緣最大負(fù)孔隙壓力提升63.06%,排水措施較大程度上改善了坡體內(nèi)的孔隙水壓力特征。

(3) 極限平衡分析表明：治理后,對于滑坡體前緣、中部、整體破壞三種失穩(wěn)模式,天然狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)平均提升10%以上,降雨狀態(tài)下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)平均提升35%以上,驗證了滑坡排水治理的顯著成效。

(4) 本文僅應(yīng)用數(shù)值分析方法探討排水治理措施對滑坡體的影響,如下一步能充分收集滑坡排水治理后的相應(yīng)地下水位資料,對本文研究成果進(jìn)行驗證,將有益于本文研究成果在實際工程中的應(yīng)用。