三峽庫(kù)區(qū)三門(mén)洞滑坡穩(wěn)定分析及抗滑樁模擬研究

易慶林　周瑞　梁衛(wèi)　劉藝梁　曾懷恩　陳源

摘要：為研究降雨和庫(kù)水作用對(duì)三峽庫(kù)區(qū)三門(mén)洞滑坡抗滑樁加固的影響，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析，以降雨、庫(kù)水、樁位等組合不同工況，運(yùn)用有限元分析軟件建立模型并模擬抗滑樁加固效果。采用強(qiáng)度折減法得出多種工況的抗滑樁內(nèi)力分布圖。結(jié)果表明：三門(mén)洞滑坡為前緣變形大于后緣變形的牽引式滑坡;庫(kù)水位漲落是導(dǎo)致滑坡變形的主要因素，降雨加速了滑坡變形;通過(guò)模擬得到最佳抗滑樁樁位，其距離滑坡前緣剪出口245 m，且建議初步設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30 m。

關(guān)鍵詞：抗滑樁; 強(qiáng)度折減法; 數(shù)值模擬; 剩余推力; 三門(mén)洞滑坡; 三峽庫(kù)區(qū)

中圖法分類號(hào)： P642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.018

0引 言

中國(guó)滑坡災(zāi)害分布范圍廣，致災(zāi)因素多，防災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻。滑坡的防治設(shè)計(jì)受到多方面的重視，抗滑樁作為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的防治措施，它的使用也受技術(shù)經(jīng)濟(jì)等諸多因素控制[1]。謝全敏等[2]提出了一種基于相似度的三角模糊數(shù)型多屬性決策方法，以確定抗滑樁為主并輔以格構(gòu)和排水措施的綜合治理方案，最終成功應(yīng)用于實(shí)際工程。前人針對(duì)抗滑樁的樁位[3-4]、樁間距[5-6]以及不同截面[7]抗滑樁等各方面有較多的研究。對(duì)于受庫(kù)水位影響較大的滑坡，李邵軍等[8]通過(guò)模擬庫(kù)水位變化的離心模型試驗(yàn)，探究了滑坡推力的分布以及不同樁間距的樁-土作用機(jī)制;胡新麗等[9]根據(jù)三峽水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況用數(shù)值模擬計(jì)算抗滑樁在不同樁位的抗滑穩(wěn)定性，選出了最優(yōu)樁位。針對(duì)同樣是涉水滑坡的三門(mén)洞滑坡，本文通過(guò)對(duì)其專業(yè)監(jiān)測(cè)資料的簡(jiǎn)要分析，對(duì)幾種抗滑樁方案開(kāi)展模擬，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果加以分析，選出三門(mén)洞滑坡合理的抗滑樁樁位。

1滑坡地質(zhì)特征

三門(mén)洞滑坡位于湖北省秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)梅坪村一組，為長(zhǎng)江一級(jí)支流青干河右岸，距離沙鎮(zhèn)溪集鎮(zhèn)約2.5 km，距離三峽工程壩址約50 km。

根據(jù)三門(mén)洞滑坡監(jiān)測(cè)平面布置圖（見(jiàn)圖1），滑坡平面形態(tài)呈舌狀，整體呈圈椅狀。巖層傾向與坡面角度相近，為順向坡，東北低、西南高，由西南向東北直抵青干河。滑坡左右以陡坎和山脊為界，前緣高程140 m，后緣高程350 m，滑坡展布于此范圍內(nèi)。滑坡平均坡度15°，長(zhǎng)約830 m，均寬300 m，面積約24.9萬(wàn)m2，平均厚度約22 m，滑坡體積約547.8萬(wàn)m3，主滑方向約66°。

2GPS變形監(jiān)測(cè)分析

2.1總體分析

三門(mén)洞滑坡變形歷史由來(lái)已久。自2003年三峽工程進(jìn)入汛期135 m蓄水運(yùn)行，坡體前部開(kāi)始出現(xiàn)較大裂縫，2008年汛末，三峽工程首次進(jìn)入175 m試驗(yàn)性蓄水期，三門(mén)洞滑坡開(kāi)始進(jìn)入大變形期。三門(mén)洞滑坡坡體上布置有6個(gè)GPS變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG360、ZG361、ZG362、ZG363、ZG364、ZG365，呈三橫兩縱形式布置，坡體兩側(cè)分別布置兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)ZG232、ZG233，如圖1所示。

三門(mén)洞滑坡自2006年10月開(kāi)始進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測(cè)，圖2為累積位移-月降雨量-庫(kù)水位-時(shí)間曲線圖。從累積位移可以看出，每年汛期（5～9月）就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)變形階梯，使累積變形出現(xiàn)一段較大的突變情況，變形情況根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置具有不同位移情況，但整體都表現(xiàn)為階躍型動(dòng)態(tài)變形特征。位于坡體前緣的ZG365和ZG362監(jiān)測(cè)點(diǎn)因靠近175 m水位，變形明顯大于坡體中后部的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且位于滑坡體中軸線附近的ZG365比ZG362變形更加劇烈。坡體中部ZG361因位于公路邊，常年承受交通荷載影響，故較坡體中部的ZG363和ZG364位移大，直到2017年12月3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量基本趨于一致。前緣總是比后緣先變形且前緣比后緣變形大，呈現(xiàn)牽引式運(yùn)動(dòng)特征，值得注意的是，在2017～2018年的“階梯”已達(dá)到近10 a最高，預(yù)示著滑坡變形可能進(jìn)一步加劇。

2.2庫(kù)水漲落影響分析

圖3為庫(kù)水位變化-庫(kù)水位變化速率-位移速率的關(guān)系，剔除幾乎不受庫(kù)水位變化影響的監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG360和ZG363，庫(kù)水位變化速率以庫(kù)水位上升為正，下降為負(fù)。庫(kù)水位下降的時(shí)候，變化速率曲線波動(dòng)幅度較小，相反庫(kù)水位上升的時(shí)候波動(dòng)幅度很大，所以三峽水庫(kù)的運(yùn)行采用的是緩降陡升的模式。再結(jié)合月變形速率，庫(kù)水位日變化速率波動(dòng)幅度越小，變形速率波動(dòng)也越小，庫(kù)水位波動(dòng)幅度越大，同樣波動(dòng)的幅度，越在前緣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率波動(dòng)越大。結(jié)合圖2的庫(kù)水位變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)每當(dāng)庫(kù)水位快速消落時(shí)，累積位移曲線就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)變形階梯，當(dāng)庫(kù)水位上升時(shí)或平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，累積位移曲線開(kāi)始也會(huì)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì)，庫(kù)水位變化與滑坡變形有著較強(qiáng)的相關(guān)性。

2.3降雨影響分析

圖4為月位移速率-庫(kù)水位-降雨的關(guān)系。因?yàn)閹?kù)水位和累積變形具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中特別排除了對(duì)庫(kù)水位影響較大的ZG365和ZG362監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從圖中可以看出每年的位移速率峰值均對(duì)應(yīng)降雨集中期，即汛期5～9月，回顧圖2也能發(fā)現(xiàn)每年累積位移發(fā)生突變的時(shí)候也處在降雨集中期。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料可知，處在坡高地陡的ZG363監(jiān)測(cè)點(diǎn)曾在多年變形速率中達(dá)到最高，在2017年10月達(dá)到歷史峰值196.05 mm/月，同時(shí)中部的ZG364監(jiān)測(cè)點(diǎn)也達(dá)到峰值181.6 mm/月。與此同期月降雨量為218.7 mm，并不是全年降雨量最大的。在變形最大的7，8月份，通常降雨量都是全年較大月份，但降雨量大不一定會(huì)直接激發(fā)位移速率的增加，如2008年10月和2010年10月降雨量甚至超過(guò)300 mm，但并沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的較大并行速率，故降雨對(duì)三門(mén)洞滑坡變形的相關(guān)性相對(duì)庫(kù)水位對(duì)滑坡變形的相關(guān)性要小，降雨在一定程度上促進(jìn)了滑坡位移的增加，但庫(kù)水漲落對(duì)滑坡變形的影響更明顯。

3滑坡抗滑樁加固數(shù)值模擬

三門(mén)洞滑坡滑體狹長(zhǎng)且均勻，前后緣高差將近110 m，平均厚度22 m，左側(cè)為基巖山脊，右側(cè)為陡坎臨空面，兩側(cè)高中間低，呈“圈椅狀”，且為前緣變形大于后緣變形的牽引式滑坡。結(jié)合抗滑樁、錨桿（索）、擋土墻、削方減載、回填壓腳等加固方案的分析，認(rèn)為錨桿（索）適用于較深的巖土體，支護(hù)范圍不大，所以大量使用顯然會(huì)對(duì)土地利用造成困擾;削方減載和回填壓腳方案則會(huì)因周?chē)匦卧驅(qū)е峦诜綗o(wú)法存放，前緣變形大于后緣變形的牽引式情況則無(wú)法“壓腳”，有可能導(dǎo)致前緣進(jìn)一步滑動(dòng);而抗滑樁在一定程度上占地面積小，施工擾動(dòng)小，布置靈活，有著較好的加固效果，且挖孔過(guò)程中還能進(jìn)一步校核前期的地質(zhì)勘察情況。因此，基于降雨和庫(kù)水兩大影響因素，本文選擇在降雨和庫(kù)水組合工況下模擬抗滑樁加固后的穩(wěn)定性變化情況，選出加固效果最好的樁位。

3.1強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法最初由Dawson[10] 和Griffiths[11]等提出。它通過(guò)逐步按比例削弱土壤的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，從而得到削弱后的強(qiáng)度參數(shù)c′、φ′值。直到不能獲得收斂解的時(shí)候，推斷系統(tǒng)超出了極限平衡點(diǎn)，即系統(tǒng)發(fā)生“失效”，此時(shí)的折減系數(shù)就是滑坡的安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法系數(shù)用下式表示：

SRF=tanφ′tanφ′f=c′c′f

式中：SRF為強(qiáng)度折減系數(shù)（strength reduction factor）;c′f和φ′f為失穩(wěn)時(shí)土的強(qiáng)度參數(shù)。

本文先用seep/w滲流分析模塊在不同樁位的工況下，分別得到僅庫(kù)水作用和降雨庫(kù)水同時(shí)作用時(shí)的滲流場(chǎng)，再通過(guò)sigma/w進(jìn)行原位分析和應(yīng)力重分布分析[12]。土的強(qiáng)度是人為降低的，而土中不可能產(chǎn)生超應(yīng)力，超出的應(yīng)力最終還是會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰單元，因此需要重新分配應(yīng)力，通過(guò)得到的應(yīng)力場(chǎng)模擬樁的作用效應(yīng)，最后結(jié)合slope/w計(jì)算安全系數(shù)。

3.2計(jì)算模型

本文選擇變形最大的監(jiān)測(cè)剖面A-A′為計(jì)算剖面。圖5為滑坡剖面圖，圖 6為剖面模型及樁位示意圖。邊界設(shè)置中以175 m以下為水頭邊界，175 m以上為潛在滲流面，底部為隔水邊界。應(yīng)力分析中，采用有效應(yīng)力（排水）參數(shù)，滑體和滑帶的材料模型采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為本構(gòu)模型，滑床為基巖且視為理想線彈性模型。

3.3樁位選取及嵌巖深度確定

考慮庫(kù)水位消落范圍的影響，設(shè)置樁位1位于145 m庫(kù)水位附近之上，設(shè)置樁位2位于175 m庫(kù)水位附近之下，樁位1，2，3均以等距離設(shè)置，樁位4考慮滑坡相關(guān)地形地貌適當(dāng)調(diào)整設(shè)置。根據(jù)雷文杰[13]、楊光華[4]等對(duì)涉水滑坡抗滑樁樁位確定的相關(guān)研究，建議樁位應(yīng)位于滑坡體中部往下部分，故將樁位5設(shè)于滑坡中部，根據(jù)距離推算，設(shè)置5個(gè)樁位較合適。在圖6中從下至上為樁位1～5，分別距離滑坡前緣剪出口115，180，245，315，414 m。

為把滑坡推力通過(guò)抗滑樁傳遞到穩(wěn)定的基巖中，首先是抗滑樁自身強(qiáng)度要足夠，再是基巖不被破壞，而基巖的強(qiáng)度是不變的，則需要一定的嵌巖深度。根據(jù)DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[14]：抗滑樁樁長(zhǎng)宜小于35 m;抗滑樁嵌固段應(yīng)嵌入滑床中，約為樁長(zhǎng)的1/3～2/5。根據(jù)以上依據(jù)，故對(duì)每個(gè)樁位的嵌巖深度都選擇10 m。

3.4參數(shù)選取

該滑坡物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、原位試驗(yàn)以及相似滑坡類比綜合取值如表1所列。

抗滑樁采用梁?jiǎn)卧Ｐ停捎梦墨I(xiàn)[12]推薦的參數(shù)，

其中，截面積0.1 m2，慣性矩0.01 m4，彈性模量10 000 MPa，上述參數(shù)允許張拉和壓縮，且能達(dá)到加固效果而不被破壞。

3.5工況設(shè)置

根據(jù)對(duì)多年三峽水庫(kù)運(yùn)行和降雨量資料的統(tǒng)計(jì)分析，未發(fā)現(xiàn)年際間有較大差異，為盡可能分析滑坡的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，采用最近1 a（2018年）的數(shù)據(jù)。如圖7為2018年三峽工程水位調(diào)度運(yùn)行和降雨量情況。選取僅有庫(kù)水位和既有庫(kù)水位又有降雨兩種情形作為外部作用。針對(duì)監(jiān)測(cè)資料所得每到汛期（5～9月）就出現(xiàn)變形階梯這一情況，庫(kù)水位作用采用汛期末時(shí)的滲流場(chǎng)，降雨采用2018年與庫(kù)水位同期的降雨量，將這兩種外部作用分別施加在5種不同樁位的滑坡體上，組成10種工況。

4成果分析

4.1樁內(nèi)力分布

圖8為僅在庫(kù)水作用下的樁內(nèi)力分布圖，圖9為降雨和庫(kù)水共同作用下的樁內(nèi)力分布圖。從曲線形態(tài)上看，兩圖相差無(wú)幾，根據(jù)上述監(jiān)測(cè)資料分析，這反映出降雨的影響較小，所以有必要將一些極值點(diǎn)標(biāo)注于圖中。從圖8（a）和圖9（a）的剪切力圖來(lái)看，樁1的剪切力突變值僅增長(zhǎng)個(gè)位數(shù)量級(jí)，樁2的突變值開(kāi)始增長(zhǎng)到兩位數(shù)量級(jí)，從樁位3開(kāi)始削弱，削弱量為小數(shù)點(diǎn)后一位，樁位4開(kāi)始削弱至個(gè)位數(shù)量級(jí)，樁位5由于值太小，認(rèn)為基本不變。進(jìn)一步看圖8（b）和圖9（b）的彎矩，以及圖8（c）和圖9（c）的撓度，雖然在數(shù)量級(jí)上的增長(zhǎng)和削弱各不相同，但總體規(guī)律是一致的：抗滑樁的內(nèi)力從樁位1，2開(kāi)始增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)率從個(gè)位數(shù)量級(jí)到兩位數(shù)量級(jí)，隨后到樁位3時(shí)開(kāi)始減少，一直削弱到樁位5基本不變，但削弱率持續(xù)減緩;其最大正彎矩先從樁位1增長(zhǎng)至樁位2后開(kāi)始減小，最大負(fù)彎矩所對(duì)應(yīng)的深度從樁位1增長(zhǎng)至樁位3后開(kāi)始減小;最大撓度所對(duì)應(yīng)的深度從樁位1增長(zhǎng)至樁位3后開(kāi)始減小;從所有樁內(nèi)力圖能看出，當(dāng)曲線經(jīng)歷一兩次突變后都會(huì)歸零，即存在有效利用點(diǎn)，樁長(zhǎng)到達(dá)一定深度后，超出的長(zhǎng)度已經(jīng)不受力，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，當(dāng)樁長(zhǎng)滿足抗滑能力或規(guī)范要求時(shí)，可以適當(dāng)?shù)臏p少樁長(zhǎng)，從而有效利用和節(jié)省工程造價(jià)。

總體來(lái)看，隨著樁位從坡腳上移，即樁位數(shù)增大，樁身正向和負(fù)向剪切力均呈減小趨勢(shì)，直到樁位5時(shí)成為一條“直線”，正向和負(fù)向剪切力突變值總是在薄弱層區(qū)域滑帶內(nèi)。有限元法考慮了樁土相互作用，即樁前土體的剩余推力[13]，當(dāng)抗滑樁位于樁位1時(shí)，樁前土體較少，所提供的抗力也相對(duì)較小，隨樁位上移，樁前所能提供的抗力也越大，但在坡體某處存在一個(gè)臨界位置，即剩余推力為零處，樁前土體已不能提供足夠的抗力或樁前土體已有自由滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，盡管樁位繼續(xù)上移，也只是起到阻止樁后部分土體的作用，已達(dá)不到整體抗滑的效果。經(jīng)過(guò)以上分析，樁位3能有效起到抗滑效果。因滑體均厚約22 m，嵌巖深度10 m，以及規(guī)范建議樁長(zhǎng)宜小于35 m，結(jié)合樁內(nèi)力圖內(nèi)力值歸零處所對(duì)應(yīng)的樁長(zhǎng)綜合取值，故建議初步設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30 m。

4.2穩(wěn)定性分析

各樁位穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果列于表2，僅庫(kù)水作用下的安全系數(shù)從樁位1開(kāi)始增加到樁位3的最大值1.070，降雨和庫(kù)水共同作用下的安全系數(shù)從樁位1開(kāi)始增加到樁位3的最大值1.066，隨后數(shù)值都開(kāi)始下降。將穩(wěn)定性結(jié)果擬合后繪制成不同樁位的安全系數(shù)變化曲線（見(jiàn)圖10），兩條曲線都呈上凸型，曲線間距數(shù)值并不大，進(jìn)一步說(shuō)明了降雨對(duì)穩(wěn)定性的影響較小。通過(guò)觀察擬合后樁位3所在點(diǎn)兩側(cè)，可以發(fā)現(xiàn)從點(diǎn)左側(cè)至右側(cè)，斜率開(kāi)始減小，斜率為零處即安全系數(shù)最高點(diǎn)在樁位3所在點(diǎn)左側(cè)，也就是說(shuō)，通過(guò)樁內(nèi)力分析確定了樁位3附近為最佳樁位，通過(guò)穩(wěn)定性分析可以進(jìn)一步確定最佳樁位還可以在樁位3處往坡腳前移數(shù)米。

找到最佳樁位是一方面，提高樁自身參數(shù)也能增加安全系數(shù)，最佳的樁位結(jié)合經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)的抗滑樁，才能得到最優(yōu)的安全系數(shù)。不同計(jì)算方法下的安全系數(shù)具有差異性，抓住安全系數(shù)的變化規(guī)律是可行的，但不能一味地提高安全系數(shù)。單根抗滑樁提供的效力范圍有限，而微型樁群[15]的應(yīng)用則有更好的抗滑承載力，加固范圍廣。

抗滑樁布設(shè)后對(duì)滑體內(nèi)地下水滲流有一定的阻礙作用，進(jìn)而增大了樁后滑體的自重。樁位3中下部分仍受175 m水位入滲影響，為保證抗滑樁的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從內(nèi)部來(lái)看，要提高抗滑樁自身抗?jié)B性，在長(zhǎng)期使用中能保證耐久性要求;從外部作用考慮，要減少地表徑流入滲，同時(shí)考慮庫(kù)水在運(yùn)行區(qū)間會(huì)反向入滲坡體，特別是庫(kù)水下降給滑體造成的牽引作用，需要在前緣布設(shè)單向水平排水孔，在整體上布設(shè)坡面疏水、坡體排水相關(guān)措施[16]。

5結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的分析，認(rèn)為三門(mén)洞滑坡為前緣變形大于后緣變形的牽引式滑坡，其中庫(kù)水與滑坡穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而降雨相關(guān)性較小。在庫(kù)水和降雨的共同作用下，呈現(xiàn)周期性的階躍特征，在近2 a中出現(xiàn)了最大一次階躍，預(yù)示著滑坡滑動(dòng)可能進(jìn)一步加劇。

通過(guò)對(duì)樁內(nèi)力的分析，樁位3為最佳樁位，距離前緣剪出口245 m，且建議初步設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30 m。進(jìn)一步通過(guò)穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)，最佳樁位尚可往坡腳前移數(shù)米。

本文著重對(duì)安全系數(shù)的變化規(guī)律展開(kāi)了研究，但未求解出最優(yōu)的安全系數(shù);本文在工況設(shè)置中僅采用實(shí)際已發(fā)生資料，未進(jìn)行拓展;在數(shù)值模擬上二維平面的模擬方法忽略了實(shí)際布樁時(shí)樁間的土拱效應(yīng)。因此當(dāng)出現(xiàn)極端氣候以及多方位治理時(shí)的加固效果還需要進(jìn)一步研究。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：In order to study the effect of rainfall and reservoir water on anti-slide pile reinforcement of Sanmendong landslide，based on the analysis of monitoring data，we use finite element analysis software to establish a numerical model and simulate the anti-slide pile reinforcement under different working cases considering combination of rainfall，reservoir water and pile position.The internal force distribution diagram of anti-slide pile under various working conditions was obtained by strength reduction method.Combing with the analysis of monitoring data，we concluded that Sanmendong landslide was a traction type landslide that the deformation of front edge was greater than that of rear edge，and the fluctuation of reservoir water level was the main factor leading to landslide deformation.Rainfall accelerated the deformation of landslide;the best pile position was pile position 3，where was 245 m away from the landslide front edge，and the preliminary design pile length was suggested to be 30 m.

Key words：anti-slide pile;strength reduction method;numerical simulation;residual thrust;Sanmendong landslide;Three Gorges Reservoir area