三峽庫區(qū)大坪滑坡變形對前緣塌岸的響應分析*

王世梅 潘宇晨 王 力 崔憲東 劉 婷 陳玙珊

(①三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室， 宜昌 443002， 中國)(②湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

滑坡是三峽庫區(qū)最為嚴重的地質(zhì)災害，自2003年蓄水以來，三峽水庫已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的滑坡或潛在滑坡超過5000余處。鑒于水庫滑坡發(fā)生的嚴重危害(Belloni et al.，1987)，早在三峽水庫建庫之初，已有學者開始研究水庫蓄水對復活型滑坡的影響(劉禮領等， 2003； 鄭軒等， 2014； 肖捷夫等， 2020)，隨著滑坡復活機理及預測評價等重大問題研究的深入(許強等， 2014； 代貞偉等， 2016； 王世梅等， 2017)，以及大量滑坡災害專業(yè)監(jiān)測及防治工程的實施(郭子正等， 2020； 許強， 2020)，重大滑坡災害已經(jīng)得到了有效預防和控制。然而，隨著水庫的長期運行，三峽庫區(qū)的岸坡塌岸愈發(fā)嚴重(葉潤青等， 2019)，塌岸不僅導致水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化，還會不斷加劇岸坡破壞甚至是誘發(fā)滑坡復活。大坪滑坡是三峽庫區(qū)滑坡專業(yè)監(jiān)測點之一，其前緣右側(cè)塌岸明顯，該側(cè)的GPS地表位移表明其塌岸對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了直接影響，因此，十分有必要分析滑坡變形對前緣塌岸的響應。岸坡塌岸會顯著改變滑坡形態(tài)，同時使滑坡的應力狀態(tài)產(chǎn)生變化，最終影響到滑坡穩(wěn)定性。然而，水庫岸坡的塌岸過程極其緩慢，目前國內(nèi)外對塌岸誘發(fā)滑坡的關注還不夠。相關研究主要集中于水庫復活型滑坡的成災機理及預測評價方面，如庫水與降雨共同作用下滑坡的土體性能劣化(鄧華鋒等， 2017； 陳勇等， 2019)、水氣運移規(guī)律(Sun et al.，2015； Liu et al.，2018)、多相多場耦合(張巖等， 2016; 王世梅等， 2017； 李長冬等， 2020； Wang et al.，2020)等力學過程，很少有學者在滑坡穩(wěn)定性評價時考慮塌岸對滑坡的影響。

在三峽水庫蓄水之初，有學者注意到滑坡前緣發(fā)生塌岸后將對滑坡的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響(唐輝明， 2003)，初步認識到庫岸再造對滑坡穩(wěn)定性的影響效果會因塌岸部位與滑坡阻滑段之間相對位置關系的不同而有顯著差異(張奇華等， 2002)。也有學者在對瀾滄江根達坎巨型滑坡進行工程地質(zhì)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，受河流侵蝕的影響，滑坡前緣的侵蝕形態(tài)是漸進發(fā)展的，同時導致滑坡的變形過程也是動態(tài)變化的(Tu et al.，2020)。數(shù)值模擬是揭示塌岸對滑坡變形影響的最有效手段，然而目前很少有人采用合理、有效的數(shù)值方法來確定這種影響，有研究考慮采用塌岸計算圖解法預測滑坡前緣最終塌岸范圍，然后采用極限平衡法(王建鋒等， 2003)或者有限元法(肖長波等， 2018)來計算確定不同坡面形態(tài)條件下滑坡穩(wěn)定性，從而確定前緣塌岸對滑坡穩(wěn)定性的影響。顯然，這些數(shù)值方法滑坡前緣形態(tài)的變化，沒有考慮塌岸對滑坡應力場的影響。與開挖卸荷誘發(fā)的滑坡復活機理相似(張子東等， 2018； 黃曉虎等， 2020)，塌岸對滑坡應力狀態(tài)的影響也是不容忽視的。

鑒于上述，本文以三峽庫區(qū)大坪滑坡為例，從監(jiān)測資料入手，結(jié)合現(xiàn)場宏觀調(diào)查結(jié)果，自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析前緣塌岸觸發(fā)的大坪滑坡變形特征，探索大坪滑坡前緣塌岸與地表變形之間的響應關系。為進一步分析前緣塌岸對滑坡穩(wěn)定性的影響，通過大型通用有限元程序ABAQUS的生死單元技術，實現(xiàn)大坪滑坡前緣塌岸模擬，進而揭示前緣塌岸對滑坡穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果對前緣侵蝕對滑坡穩(wěn)定性影響有重要的價值。

1 大坪滑坡概況

大坪滑坡位于湖北省巴東縣東壤口鎮(zhèn)綠竹筏村8-9組，位于長江左岸，距離三峽大壩68.09km(圖1)?；缕矫嫘螒B(tài)為舌形，逆向坡，前緣高程約65m，后緣高程340m?；驴v長680m，寬350m，平均厚度為10～90m，面積為20.4×104m2，體積約為816×104m3。滑坡后緣為圈椅狀陡坎，高約10m，坡度為40°～50°； 左、右兩側(cè)均為沖溝，左側(cè)邊界外為橫梁子滑坡，上陡下緩，而內(nèi)側(cè)大坪滑坡上緩下陡，地形不連續(xù)； 右側(cè)沖溝溝口發(fā)育塌岸，形成50°～60°陡坡，內(nèi)側(cè)低于外側(cè)，大坪滑坡全貌圖及平面圖見圖2，圖3。

圖1 大坪滑坡地理位置示意

圖2 大坪滑坡全貌圖

圖3 大坪滑坡群工程地質(zhì)平面圖

根據(jù)勘查結(jié)果，大坪滑坡滑體表層物質(zhì)以紫紅色碎石土為主，土石比7︰3～8︰2，厚約10m。紫紅色碎石成分為三疊系中統(tǒng)巴東組二段(T2b2)泥巖、粉砂巖； 根據(jù)鉆孔資料，滑坡滑體后緣較薄，前緣及中間較厚，最大厚度約為80m，平均厚度40m。碎石土下部滑體物質(zhì)為紫紅色、灰色泥巖、泥灰?guī)r碎裂巖體，碎裂巖成分為三疊系中統(tǒng)巴東組一段(T2b1)、二段(T2b2)紫紅色泥巖、粉砂巖，灰色、灰黃色灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖體多呈碎裂狀，部分呈大孤石狀，強風化-中等風化。鉆孔揭露，碎裂巖體中至少發(fā)育兩層軟弱帶，軟弱帶物質(zhì)為紫紅色含礫粉質(zhì)黏土，其剖面圖見圖4。

圖4 工程地質(zhì)剖面圖

根據(jù)已有鉆孔資料，滑面(帶)土物質(zhì)由紫紅色、灰黃色含礫粉質(zhì)黏土構成，硬塑-堅硬狀，厚10～150cm，主滑面(帶)埋深50～80m?？v剖面上主滑面(帶)形態(tài)呈上陡下緩的折線形，滑面(帶)上段傾角30°～40°，平均35°，可能沿傾向坡外結(jié)構面發(fā)育； 滑面(帶)下段可能受緩傾坡外結(jié)構面控制，傾角約10°?；w內(nèi)還發(fā)育至少兩層次級滑面(帶)，可能沿碎裂巖中軟弱帶發(fā)育。據(jù)鉆孔測斜儀監(jiān)測資料證實，該滑坡存在兩條次級滑面(帶)，埋深分別為15～20m， 45～55m。

2 大坪滑坡變形監(jiān)測分析

2.1 宏觀變形特征

據(jù)前期調(diào)查資料顯示，大坪滑坡為一古滑坡，長期以來處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地表和滑坡前緣發(fā)生了局部變形現(xiàn)象，具體變形情況如下：

2.1.1 2013年變形

2013年底滑坡后壁下發(fā)育一條裂縫，走向260°，延伸約60m，裂縫寬度約5～10cm。

2.1.2 2014年變形

2014年調(diào)查期間，發(fā)現(xiàn)上述裂縫已趨閉合，寬3～5cm，長3～5m(圖5a)?；轮胁堪l(fā)育一處小型滑塌，寬5m，高2m，厚1m，估計總方量為10m3(圖5b)?；虑熬壈l(fā)育3處塌岸： (1)右側(cè)溝口175m水位線以下發(fā)育一處灰黃色泥灰?guī)r、灰?guī)r碎裂巖體塌岸，寬約40m，高約25m，厚約1～3m。右側(cè)邊界外圍175m水位線以下均發(fā)生塌岸，寬度超過150m(圖5c)； (2)靠近左側(cè)邊界的一處塌岸寬30m，高10m，厚1～5m(圖5d)； (3)中部溝口處的塌岸平面上呈正三角形，寬度10～60m，高度為26m，厚度1～5m。

圖5 2014年滑坡變形情況

2.1.3 2020年變形

2020年調(diào)查期間，滑坡前緣右側(cè)塌岸擴大： (1)右側(cè)沖溝175m以下出現(xiàn)塌岸，寬15m，高10m，厚2m，估計方量300m3(圖6a)； (2)右側(cè)前緣175m下出現(xiàn)浪坎型塌岸，寬45m，高15m(圖6b)； (3)160m水位高程下前部碎裂巖體塌岸(圖6c)； (4)中部左側(cè)邊界出現(xiàn)一處崩塌型塌岸，寬45m，高15m，厚1～2m(圖6d)。

圖6 2020年滑坡變形情況

2.2 監(jiān)測變形特征

大坪滑坡為三峽庫區(qū)地質(zhì)災害防治三期和“后規(guī)”專業(yè)監(jiān)測點，監(jiān)測從2007年3月開始，大坪滑坡監(jiān)測系統(tǒng)隸屬于大坪滑坡群監(jiān)測系統(tǒng)(圖7)。大坪滑坡變形監(jiān)測中采用了3種監(jiān)測手段：GPS監(jiān)測、鉆孔傾斜儀監(jiān)測和地下水監(jiān)測(圖8)。各監(jiān)測布置與運行詳細情況如下：

2.2.1 地下水響應

地下水位變動產(chǎn)生的滲透力變化是滑坡發(fā)生變形的最主要水動力因素，因此開展地下水位監(jiān)測是十分必要的，大坪滑坡上布置了4個地下水位監(jiān)測點，分別為SW1、SW2、SW3、SW4，其具體位置見圖7。因SW1儀器故障未采集到的數(shù)據(jù)，將SW2、SW3、SW4監(jiān)測點所測地下水位、日降雨量和庫水位繪圖(圖9)。由圖7可以看出，因SW4位于滑坡前緣，其孔底高程低于三峽水庫水位，其地下水位主要受三峽水庫水位控制，而與大氣降雨關系不密切； SW2和SW3孔底高程高于三峽庫區(qū)正常蓄水位，三峽水庫庫水位調(diào)度對這兩個監(jiān)測孔沒有影響，而SW3與大氣降雨關系密切， 2019年6月及2020年6月雨季其地下水位發(fā)生明顯變化。

圖7 大坪滑坡群監(jiān)測點平面布置

圖8 滑坡中前部專業(yè)GPS監(jiān)測點BDT-9、測斜孔、水文孔

圖9 大坪滑坡地下水位與降雨、庫水位的關系

2.2.2 地表變形對前緣侵蝕的響應

自2014年開始，大坪滑坡的變形逐漸明顯。為了分析庫水位、降雨對大坪滑坡變形的影響，將大坪滑坡的人工GPS位移數(shù)據(jù)，月降雨量和水位數(shù)據(jù)繪圖(圖10)，位移變化明顯的監(jiān)測點在滑坡西側(cè)，分別為BDT-4、BDT-5、BDT-6，滑坡中部的監(jiān)測點BDT-7、BDT-8、BDT-9位移也有所變化。2015年有小幅增加， 2020年同比2019年有小幅增加。從庫水位與地表位移的關系看，自2014年6月后，庫水位每次下降后，各個監(jiān)測點的地表累計位移曲線隨之增大，顯然滑坡地表位移增大與庫水位的下降關系密切。相反，每次庫水位上升后，盡管滑坡位移持續(xù)增大，但是突變增大特征不明顯。而且從曲線可以看出，由于BDT-9位于滑坡前緣，其位移曲線隨庫水位的波動變化最明顯。從降雨與地表位移關系來看，滑坡中后緣GPS監(jiān)測點位移隨大氣降雨的增加而增加，且對BDT-7、BDT-8影響較為明顯。

圖10 大坪滑坡GPS位移與降雨、庫水位的響應關系

2.2.3 深部位移與傾角變化

大坪滑坡在兩條主剖面線上共布設有6個測斜孔。2017年5月開始全自動監(jiān)測?；虏荚O6個全自動深部位移監(jiān)測點，位于滑坡體中部，點號分別為CX1、CX2、CX3、CX4、CX5、CX6。其中：變形較明顯的CX2深部位移曲線如圖11所示，該孔深部位移在42.2m處存在突變位移帶，累計位移量為93.66mm，存在明顯變形。

圖11 深部位移曲線

3 大坪滑坡變形塌岸響應數(shù)值模擬

3.1 二維有限元模型構建

為進一步探明前緣塌岸對大坪滑坡穩(wěn)定性的影響，本文采用大型通用有限元程序ABAQUS開展前緣塌岸對大坪滑坡穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析。ABAQUS模擬實現(xiàn)塌岸對滑坡影響的步驟如下：根據(jù)實際塌岸次數(shù)與塌岸范圍預先設定塌岸范圍內(nèi)的模型單元，計算過程中采用“生死單元”技術處理這些模型單元進行逐步計算，“生”指的是激活單元，將邊坡的某些部分激活，參加結(jié)構的受力和變形； “死”指的是殺死單元，將需要“殺死”的部分移除，使之不參與受力與變形，但未被“殺死”的單元仍繼承之前的應力狀態(tài)，從而同時實現(xiàn)塌岸形態(tài)改變和應力影響。

在現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，滑坡前緣的塌岸位置主要集中在大坪滑坡右邊界處，且監(jiān)測資料顯示，GPS數(shù)據(jù)變化較大的監(jiān)測點集中于1-1′和2-2′剖面，所以選取1-1′和2-2′剖面作為典型剖面。對1-1′和2-2′剖面建立的計算模型如圖12所示，計算域包含滑體、滑帶和基巖， 1-1′剖面整個計算域剖分網(wǎng)格單元7030個，結(jié)點共13621個，計算模型尺寸為：X方向上最大長度為1050m，Y方向上最大高程為460m，前緣Y方向上50m； 2-2′剖面整個計算域剖分網(wǎng)格單元5482個，結(jié)點共10550個，計算模型尺寸為：X方向上最大長度為670m，Y方向上最大高程為420m，前緣Y方向上80m。邊界條件：限制模型左右兩側(cè)水平位移(即X=0)，約束模型底部水平和豎向位移(即X=Y=0)，對模型整體施加重力荷載，對滑體面施加145m靜水位荷載。塌岸規(guī)模：塌岸范圍在水位145～175m之間，厚度為1～2m。

圖12 大坪滑坡計算模型

3.2 計算參數(shù)選取

計算參數(shù)主要由地質(zhì)勘察資料所建議，滑坡計算參數(shù)表見表1。

表1 大坪滑坡巖土體物理力學參數(shù)

3.3 計算工況

岸坡塌岸模擬分為兩步：第1步，施加重力荷載及145m靜水位荷載，進行地應力平衡； 第2步，通過ABAQUS中的生死單元法殺死岸坡前緣塌岸部分。

3.4 計算結(jié)果

通過ABAQUS軟件，采用單元生死功能進行岸坡塌岸計算，其計算結(jié)果如圖13，圖14所示：

圖13 1-1′剖面位移分布

圖14 2-2′剖面位移分布

由圖13，圖14分析得出，塌岸對滑坡的變形影響十分明顯，影響大小主要與塌岸方量相關； 塌岸導致的滑坡變形主要集中在滑坡前部，并向后部逐漸擴展。為進一步分析塌岸對滑坡穩(wěn)定性的影響，將計算結(jié)果繪制如圖15所示位移與時間變化關系圖，圖中表明在2017年6～7月，位移存在突變趨勢，隨后位移一直增長。為比較數(shù)值模擬結(jié)果與實際位移變化趨勢，選取滑坡西側(cè)監(jiān)測點BDT-04、BDT-05、BDT-06和滑坡中部監(jiān)測點BDT-07、BDT-08、BDT-09的數(shù)據(jù)同計算結(jié)果進行比較(圖15)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點數(shù)據(jù)也在6月發(fā)生突變，隨后一直增長，塌岸位移變化同GPS位移變化基本吻合，大變形時間與實際情況基本類似。ABAQUS生死單元法能較好模擬塌岸的發(fā)生。

圖15 滑坡GPS位移與數(shù)值模擬位移對比圖

4 結(jié) 論

(1)大坪滑坡變形受多種因素控制，包括地層巖性、坡體結(jié)構等。滑坡中后部穩(wěn)定性受降雨影響較大，造成地表裂縫與表層坍塌的發(fā)生； 滑坡前緣穩(wěn)定性受庫水位漲落影響較大，塌岸較發(fā)育。

(2)大坪滑坡塌岸主要集中在滑坡前緣西側(cè)，相較于前緣中部，其塌岸方量較大。隨著塌岸的進一步擴大，相比其他GPS監(jiān)測點的位移，塌岸一側(cè)的GPS監(jiān)測點地表位移變化明顯，表明塌岸是目前大坪滑坡變形的主要影響因素。

(3)有限元計算結(jié)果表明，塌岸對滑坡的變形影響十分明顯，影響大小主要與塌岸方量相關； 塌岸導致的滑坡變形主要集中在滑坡前部，并向后部逐漸擴展； ABAQUS中的生死單元法可以很好地實現(xiàn)塌岸對滑坡穩(wěn)定性影響的模擬。

綜上所述，在庫水位升降和波浪作用下，若前緣塌岸持續(xù)擴大，將對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大威脅，需進一步加強監(jiān)測預警。