地下水滲流作用下的三峽庫(kù)區(qū)巴東縣趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性研究

劉秋強(qiáng)，胡嫚，呂杰堂，程凱

（1.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012；2.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；3.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心，北京 100086 ）

0 前言

中國(guó)是世界上滑坡分布最廣、危害最嚴(yán)重的國(guó)家之一?；聻?zāi)害數(shù)量近百萬之多，平均每年造成數(shù)百人死亡，數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)損失。地下水滲流作用是誘發(fā)滑坡災(zāi)害的因素之一。大量的事故表明，土質(zhì)邊坡的失穩(wěn)在滑坡事故中占有很大的比例，而地下水滲流則是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，對(duì)坡體的穩(wěn)定系數(shù)起著決定性的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約90%的自然邊坡和人工邊坡的破壞與地下水作用有關(guān)。地下水滲流誘發(fā)邊坡失穩(wěn)主要由于土體的含水率增加，發(fā)生非穩(wěn)定滲流，增加土體的重量和滑動(dòng)力（謝羅峰，2009）。在工程實(shí)例中，不乏有許多學(xué)者通過對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析研究分析為滑坡治理決策提供理論支撐，從而減少事故損失（張秦華等，2019；張啟興等，2019）。所以，正確認(rèn)識(shí)滑坡中的地下水分布情況及其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，能夠有效指導(dǎo)滑坡防治，減少事故損失。

一直以來，眾多學(xué)者對(duì)地下水滲流作用下的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。如：Morgenstern（1963）最早基于極限平衡法研究了不同水位變化對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，Desai（1977）和Cousins（1978）分別通過極限平衡法研究滲透作用下邊坡的穩(wěn)定性；Iversion and Major（1986），Hodge and Freeze（1997）認(rèn)為水對(duì)滑坡變形起重要作用；Lam et al.（1987）對(duì)飽和-非飽和土進(jìn)行了論述，分析地下水復(fù)雜的流動(dòng)滲流實(shí)例；章廣成（2005）提出土水特征曲線的多項(xiàng)式約束優(yōu)化模型，以趙樹嶺滑坡為例分析滑坡滲流場(chǎng)以及水位下降過程中的穩(wěn)定性系數(shù)之間的規(guī)律；代科建（2019）研究庫(kù)水在不同降速、極端降速疊加降雨、土體強(qiáng)度弱化以及不同滲透系數(shù)下滑坡滲流及穩(wěn)定性變化規(guī)律；陳歡（2018）對(duì)三峽庫(kù)區(qū)溝邊上滑坡進(jìn)行滲流分析和穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)；林仕祥等（2009）通過對(duì)三峽水庫(kù)區(qū)猴子石滑坡的滲流場(chǎng)分析從而進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算得到水位消落速度越快，對(duì)滑坡穩(wěn)定越不利；徐慶方（2019）通過求解滑坡的穩(wěn)定滲流場(chǎng)，對(duì)滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，得到考慮滲流作用滑坡的穩(wěn)定系數(shù)小于不考慮滲流作用下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。上述研究均揭示了地下水滲流對(duì)三峽庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定的不利影響。

許多學(xué)者曾對(duì)趙樹嶺滑坡進(jìn)行過相關(guān)研究：許憶（2016）基于塑性力學(xué)極限分析法求得趙樹嶺滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，得到趙樹嶺滑坡總體穩(wěn)定，但穩(wěn)定性富裕度不高；范國(guó)榮（2019）采用GEO-slope和FLAC3D對(duì)該滑坡不同工況下的穩(wěn)定性研究；羅紅明等（2008）以趙樹嶺滑坡為例，分析了庫(kù)水位漲落對(duì)庫(kù)岸滑坡穩(wěn)定性的影響，得到庫(kù)水位上升時(shí)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)總體逐漸增大，同一庫(kù)水位下，上升時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)比下降時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)大等結(jié)論；陶宏亮等（2008）通過對(duì)趙樹嶺滑坡特征的歸納總結(jié)，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得到在水位上升和暴雨情況下仍滿足穩(wěn)定性要求。本文基于前期對(duì)趙樹嶺滑坡的充分調(diào)查，結(jié)合地下水滲流作用下的穩(wěn)定性研究所取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，對(duì)趙樹嶺滑坡在地下水滲流作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而得到趙樹嶺滑坡的穩(wěn)定性，完成其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1 滑坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬理論方法

1.1 地下水滲流計(jì)算方法

三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)水位在175～145 m波動(dòng)。庫(kù)水位上升時(shí)，初始庫(kù)水位以上滑坡體處于非飽和狀態(tài)，庫(kù)水位以下滑體處于飽和狀態(tài)，隨著庫(kù)水位上升，初始庫(kù)水位以上滑體內(nèi)孔隙水壓力也逐漸增加，土體由非飽和變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)；庫(kù)水位下降時(shí)，庫(kù)水位以上滑坡體處于非飽和狀態(tài)，庫(kù)水位以下滑體處于飽和狀態(tài)，隨著庫(kù)水位下降，滑體孔隙水壓力也逐漸消散，土體由飽和變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，非飽和區(qū)土壤水的運(yùn)動(dòng)和飽和區(qū)水的運(yùn)動(dòng)相互聯(lián)系，將兩者統(tǒng)一起來即所謂飽和與非飽和問題（李紅軍和王旭，2009）。采用庫(kù)水位h作為控制方程的因變量，建立各向異性的二維飽和-非飽和滲流控制方程。對(duì)于各向異性的巖土體來說，飽和-非飽和二維滲流的一般控制方程（張培文等，2003）可以表達(dá)為：

式中：ρw為水的密度；Kx，Ky分別表示水平方向和垂直方向的飽和滲透系數(shù)（本次模擬均假定Kx=Ky）；g為重力加速度；m w為比水容量：定義為體積含水量θw對(duì)基質(zhì)吸力(μa-μw)偏導(dǎo)數(shù)的負(fù)值，即：

滲流邊界條件如下：

1.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

對(duì)于目前的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，剛體極限平衡分析法是最為廣泛的計(jì)算方法，包括Fellenius法（Fellenius，1957）、Bishop 法（Bishop，1995）、Janbu 法（Janbu,1973）、Morgenstern-Prince 法（Morgenstern and Price，1965）、Spencer法（Spencer，1967）、Sarma法（Sarma,1979）等。在本例中，趙樹嶺滑坡采用Morgenstern-Prince極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算。該方法適用于不規(guī)則曲線形滑面的滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法，在充分考慮條間力的相互作用下，先假定相鄰兩土條間的法向力和切向力之間存在函數(shù)關(guān)系，根據(jù)給出的邊界條件，通過迭代求出解，水平力與垂直力之比用條間力函數(shù)f（x）與特定比例系數(shù)λ的乘積表示。計(jì)算時(shí)任一條塊要滿足靜力和力矩平衡條件，誤差較小。

采用GeoStudio軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，利用SEEP/W模塊模擬計(jì)算不同工況下滑坡區(qū)滲流場(chǎng)，用于分析土體或巖石等多孔材料飽和及非飽和地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題，進(jìn)行傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)飽和滲流場(chǎng)分析，以及隨時(shí)間變化的瞬態(tài)飽和/非飽和滲流場(chǎng)分析。Seep/W模塊的理論公式是基于飽和與非飽和土體滲流的達(dá)西定律，同樣適用于非飽和土，區(qū)別在于非飽和條件下滲透系數(shù)不再是常數(shù)，而是隨著含水量的變化而變化，并且間接地隨著水壓力的變化而變化。

2 趙樹嶺滑坡概況

三峽工程建設(shè)以來，在巴東縣城擬建場(chǎng)地勘察過程中發(fā)現(xiàn)趙樹嶺一帶的地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)與周圍不協(xié)調(diào)，特對(duì)趙樹嶺滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。趙樹嶺滑坡平面形態(tài)近似長(zhǎng)方形（圖1），前后緣南北向等長(zhǎng)（約1200 m）、側(cè)緣東西向等寬（570 m）；坡面形態(tài)總體呈階梯狀，總體坡向340°～360°；滑坡后緣高程422～471 m，前緣涉水，高程58～115 m；滑坡縱長(zhǎng)1130～1263 m，寬約565～585 m，厚24.8～110 m，平均厚度約70 m，總面積68.4×104m2，總體積約4788×104m3；滑坡主滑方向350°。

圖1 趙樹嶺滑坡平面布置圖

2.1 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

（1）滑體：趙樹嶺滑坡物質(zhì)構(gòu)成較復(fù)雜，滑體包括人工填土（Q4ml）、碎（塊）石土（Qdel）、塊石土（Qdel）、塊石（Qdel）和塊裂巖（Qdel）幾個(gè)部分，表層一般為人工填土、碎塊石土。

（2）滑帶：滑帶物質(zhì)成分由粉質(zhì)粘土夾碎石角礫構(gòu)成。碎石表面有粉沫感，為碾壓殘余物質(zhì)，局部見有殘留擦痕，土體中分布有帶擦痕的磨光鏡面。碎石角礫成分由T2b3灰質(zhì)巖或T2b2泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，與滑床巖體相關(guān)聯(lián)，局部有混雜現(xiàn)象。

（3）滑床：趙樹嶺滑坡滑床的巖性主要為T2b2、T2b3巖體。東側(cè)滑體基床為T2b2泥巖，分布于滑坡中部及東區(qū)，深部基床為T2b3灰?guī)r，分布于滑坡西側(cè)及東部外側(cè)緣。

2.2 滑坡水文地質(zhì)特征

巴東縣氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降雨主要集中在5—9月份，占全年降水量的2/3。該地區(qū)多年平均降雨量1100.7 mm，最大降雨量1522.4 mm，最小年降雨量694.8 mm。

趙樹嶺滑坡區(qū)內(nèi)地下水按賦存條件大致可分為3類：第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶、溶隙水。水量均不豐沛，不具備范圍較大的含水層。地下水在空間分布上具有很大的不均一性，在松散介質(zhì)中大多為上層滯水，基巖中的裂隙水或巖溶、溶隙水多呈脈狀。

2.3 滑坡變性特征分析

根據(jù)滑坡災(zāi)害調(diào)查情況，趙樹嶺滑坡在300 m高程以上的工程建設(shè)活動(dòng)中未發(fā)現(xiàn)滑坡明顯整體變形，300 m高程以下的平硐施工中也未見明顯整體變形跡象?；麦w內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處小型崩滑體，規(guī)模一般數(shù)百至數(shù)千立方米不等，塌滑體厚度一般小于10 m。這些崩滑變形有如下特征：（1）發(fā)生時(shí)代新，大多是近幾年內(nèi)產(chǎn)生的；（2）多為淺層局部土體崩滑；（3）其成因多與地形坡度、人工開挖及降雨有關(guān)。

3 滑坡地下水滲流分析

3.1 計(jì)算模型

選取滑坡主剖面建立地質(zhì)模型，在補(bǔ)充勘查的5個(gè)縱向地質(zhì)剖面中，根據(jù)兩級(jí)滑坡分布的情況，選擇c-c′剖面進(jìn)行分析計(jì)算。將滑坡地質(zhì)模型概化為滑體、滑帶和基巖三部分，其中滑坡后部為碎塊石土（Q4），前部為碎裂巖，碎裂體分為上下兩部分，上部（碎裂巖1）為夾有大量碎塊石土的泥巖、粉砂巖（T2b2）；下部（碎裂巖2）以灰?guī)r、泥灰?guī)r（T2b3）為主要成分（圖2a）。

滲流計(jì)算網(wǎng)格剖分采用四邊形/三角形單元，共剖分成6678個(gè)節(jié)點(diǎn)、6741個(gè)單元（圖2b）。

圖2 趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性計(jì)算地質(zhì)模型

3.2 邊界條件和計(jì)算參數(shù)

滲流模擬中，在滑體表面175 m高程以下設(shè)為定水頭邊界，水頭隨工況變化；滑體表面175 m高程以上至滑坡后緣設(shè)為降雨入滲邊界，流量隨時(shí)間變化邊界；基巖與滑帶的接觸面設(shè)為隔水邊界，即零流量邊界，邊界條件如圖3所示。

圖3 模型邊界條件

計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)勘察成果以及結(jié)合該地區(qū)相似地質(zhì)結(jié)構(gòu)的滑坡巖土體參數(shù)進(jìn)行工程地質(zhì)類比反演綜合確定，具體參數(shù)見表1，測(cè)得到各材料非飽和滲透特征曲線（圖4）。

圖4 不同巖土作用下水土特征曲線

表1 SEEP/W計(jì)算參數(shù)

3.3 滲流計(jì)算工況和計(jì)算結(jié)果

按照三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)運(yùn)行情況，確定滲流計(jì)算模擬的4種基本工況，庫(kù)水位145 m和175 m為穩(wěn)水位工況；庫(kù)水位175～145 m為庫(kù)水位下降工況，降落速率為0.6 m/d；庫(kù)水位175 m 疊加非汛期50年一遇5日暴雨工況。

工況①：庫(kù)水位145 m，定水頭邊界，滑坡體內(nèi)穩(wěn)定性滲流場(chǎng)如圖5，145 m庫(kù)水位時(shí)，滑坡前部地下水浸潤(rùn)線靠近滑帶側(cè)逐漸升高，中部地下水浸潤(rùn)線亦呈現(xiàn)順坡向緩傾。工況②：庫(kù)水位175 m，定水頭邊界（正常水位），滑坡體內(nèi)穩(wěn)定性滲流場(chǎng)如圖6，滑坡前部地下水浸潤(rùn)線與庫(kù)水位貫通、持平，中部水位線平緩。工況③：庫(kù)水位175 m降至145 m，庫(kù)水位175 m穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)為初始狀態(tài)，水頭從175 m降至145 m（速率0.6 m/d），庫(kù)水位下降過程地下水浸潤(rùn)線如圖7所示，50天后滲流場(chǎng)如圖8所示。庫(kù)水位降落過程中，由于滑體滲透性良好，在坡體內(nèi)產(chǎn)生了指向坡外的孔隙水壓力，這種朝向坡外的瞬態(tài)動(dòng)水壓力不利于滑坡穩(wěn)定。工況④：175 m庫(kù)水位條件，疊加當(dāng)?shù)?0年一遇5日暴雨量315.9 mm。以庫(kù)水位175 m的穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)為初始狀態(tài)，模擬結(jié)果顯示（圖9），滑坡前部地下水浸潤(rùn)線靠近滑帶側(cè)逐漸升高，中部地下水浸潤(rùn)線順坡向緩傾。

圖5 工況①穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)

圖6 庫(kù)水位為175 m時(shí)滑坡體內(nèi)穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)

圖7 庫(kù)水位下降過程地下水浸潤(rùn)線

圖8 50天后滲流場(chǎng)

圖9 暴雨+175 m庫(kù)水位50天后滲流場(chǎng)

4 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

利用Slope/W模塊，采用Morgenstern-Price（M-P）法計(jì)算滑坡在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算主滑坡（滑坡整體）穩(wěn)定性系數(shù)?；路€(wěn)定性判別，采用通常的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)即整體穩(wěn)定（Fs≧1.10）、基本穩(wěn)定（1.1>Fs≧1.05）、欠穩(wěn)定（穩(wěn)定性差 1.05>Fs≧1.0）、不穩(wěn)定（Fs<1.0）四種狀態(tài)。計(jì)算模型與滲流計(jì)算采用相同的計(jì)算剖面，即C-C′地質(zhì)剖面，計(jì)算條塊劃分見圖10。

圖10 SLOPE/W中趙樹嶺滑坡整體穩(wěn)定性條分模型

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算采用的水位主變動(dòng)情況與滲流計(jì)算相同，考慮近年來巴東縣城及周邊多次發(fā)生地震的情況，穩(wěn)定性分析中加入地震影響計(jì)算，共計(jì)算6種工況，見表2。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、工程勘察資料等，趙樹嶺滑坡計(jì)算巖土體參數(shù)見表3。對(duì)趙樹嶺滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果見表4。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算工況

表3 趙樹嶺滑坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)取值

在工況③組合中，庫(kù)水位從175 m下降至145 m過程中，滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨著庫(kù)水位的不斷下降而減小，且?guī)焖灰运俣?.2 m/d下降時(shí)，其穩(wěn)定性比0.6 m/d的情況下略有降低，但滑坡整體仍保持穩(wěn)定。工況④庫(kù)水位175 m時(shí)疊加5日暴雨，如果將降雨作用持續(xù)，F(xiàn)s也表現(xiàn)出隨時(shí)間呈現(xiàn)逐漸減小的變化特征，但持續(xù)降雨5天的情況下，滑坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。工況⑤⑥，考慮地震烈度6度（地震作用水平荷載系數(shù)0.1）時(shí)，可得到地震作用將顯著降低滑坡的穩(wěn)定性，滑坡能處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。工況⑦175 m庫(kù)水位+50年一遇5日暴雨+地震，滑坡穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，滑坡能處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

通過上述穩(wěn)定性計(jì)算得出以下結(jié)論：

（1）趙樹嶺滑坡整體是穩(wěn)定的，在各種計(jì)算工況下，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)均大于1.0。從穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算的數(shù)值上看，降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響小于水位變動(dòng)對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

（2）庫(kù)水位穩(wěn)定的前提下，175 m水位時(shí)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)大于145 m水位條件下的穩(wěn)定系數(shù)，原因可能與高庫(kù)水位的水庫(kù)壓腳作用、和高水位時(shí)滲流壓力作用小有關(guān)。庫(kù)水位從穩(wěn)定的175 m水位降到145 m水位并穩(wěn)定的過程中，隨著水位開始下降，滑坡穩(wěn)定系數(shù)明顯降低，大致在水位下降7～10天時(shí)達(dá)到最低，然后穩(wěn)定系數(shù)逐漸增加，并趨于穩(wěn)定。

（3）巴東縣城區(qū)處于Ⅵ度地震區(qū)內(nèi)，滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表明，地震作用是對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響最大的地質(zhì)作用，考慮地震作用，趙樹嶺滑坡的穩(wěn)定性顯著降低，趙樹嶺滑坡由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為基本穩(wěn)定至欠穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，滑移極限平衡分析的結(jié)果與趙樹嶺滑坡的實(shí)際情況基本相符，計(jì)算過程中降低了巖塊的作用，加大了滲流壓力作用。結(jié)合監(jiān)測(cè)分析，趙樹嶺滑坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定，目前沒有整體變形跡象，也無局部較大規(guī)模變形跡象和局部變形跡象，滑坡可以參考穩(wěn)定性計(jì)算按照適宜性和分區(qū)原則規(guī)劃建設(shè)使用。