庫水位下降速率對上孝仁村滑坡的穩定性影響

鐘 瑤

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

三峽水庫蓄水后，每年都存在蓄水和泄洪時期，在降低蓄水水位的全過程中，水庫蓄水量的急劇下降改變了坡體內液體在土壤空隙中的流動場，對滑坡的安全性和穩定性有極大的影響，另一方面，長期蓄水后泄洪引起的水位驟降是造成山體滑落的主因之一，水庫蓄水水位會造成庫岸邊坡發生滑坡等地質災害問題[1-4]。因此有必要對庫水位升降速率與滑坡的穩定性進行相關性的分析。鄭穎人等根據包辛涅斯克(Boussinesq)方程，通過拉普拉斯矩陣變換，得到了水庫蓄水水位下降時的浸潤線簡化公式，證明了庫岸邊坡土壤中水對滑坡體的穩定系數有很大影響[5]。盧書強等以白水河滑坡為例，分析其變形機理、影響因素及穩定性，分析認為，滑坡的穩定性降低是由于坡體內滲透性能較差從而導致土壤內的地下水不能及時排出[6]。廖紅建等針對復雜的庫岸邊坡地質條件，對不同滲透系數的邊坡在不同的庫水位下降速率條件下進行數值計算和分析，提出了不同的水庫蓄水水位降低速率在同一滲透系數下的穩定性系數變化曲線是相近的[7]。涂國祥等結合數值模擬與剛體極限平衡的方法對滑坡內滲流場及穩定性進行分析，提出水庫蓄水水位升降速率對某一時刻的滲流場有較大影響[8]。仉文崗等采用FLAC對庫水位下降過程進行數值計算并同時考慮坡度、滲透系數與庫水位下降速率的不同條件下的孔隙水壓力變化，提出了水庫蓄水水位下降過程中在滑坡體1/3處存在一個最不利水位，此時滑坡體穩定系數最小[9]。Yingfa Lu詳細介紹了推移式和牽引式滑坡的漸進破壞機理，同時也根據剪應力和應變的特點，提出了推移式滑坡的兩種破壞模式和牽引式滑坡的三種破壞模式[10]。同時降雨入滲也是邊坡失穩破壞的最常見的誘導因素。在大氣降雨時，土體內滲流場分布對其穩定性有著不可忽視的影響[11-14]。銀曉鵬等針對不同的土體性質，運用飽和—非飽和滲流理論及降雨入滲理論，分析了不同降雨條件對土坡滲流場和穩定性的影響[15]。還有許多國內外學者如Palazzolo Nunziarita等對滑坡建立SCOOPS 3D、GreenⅠAmpt模型和松散耦合的液-氣-固三相等模型，分析降雨入滲過程中滲流場的變化并對滑坡的穩定性進行評價從而優化改進滑坡的預測[16-19]。

本文以上孝仁滑坡為例，通過數值模擬軟件Geo-Studio模擬出不同下降速率條件下的滲流場計算，并結合Morgenstern-Price極限平衡法進行穩定性分析評價，表明滑體穩定性與水庫蓄水水位的下降速率密切相關，在疊加降雨的情況下，滑坡穩定系數將下降得更顯著。

1 上孝仁村滑坡基本概況

1.1 滑坡地質概況

上孝仁村滑坡地處長江右岸，距三峽壩址25 km，坡向40°，地形坡度呈明顯的上陡下緩特點，坡度28-31°，地表發育多條沖溝，沖溝走向近南北向，切坡深度一般5～10 m，溝底未見基巖，在約400 m高程形成后緣崩滑體平臺。下伏基巖為砂質頁巖、頁巖、泥質粉砂巖，滑坡結構類型為斜逆向坡滑坡，滑坡體的構成主要為碎塊石土，碎石成份為灰巖、砂質泥巖等。滑帶厚1～2 m，主要為粘性土夾碎石角礫。滑床的構成主要為砂質頁巖、泥質粉砂巖、頁巖(圖1)。

圖 1 上孝仁村滑坡工程地質平面圖

1.2 滑坡類型、形態及規模

上孝仁村滑坡為碎屑土質滑坡，按照水庫滑坡分類，屬于動水壓力+降雨型滑坡。滑坡后緣以平緩的崩滑體平臺向較陡的巖質斜坡轉折的過渡帶為界，東西兩側175 m高程以上以基巖山脊為界，175 m高程以下以自然沖溝為界，前緣為長江庫水淹沒。滑坡平面形態為箕形，剖面形態為階梯形，兩側的基巖山梁和后山陡坡共同圍成了“圈椅狀”，地形坡度呈明顯的上陡下緩的特點，整體坡度28-31°，地表發育多條沖溝，沖溝走向近南北向，切坡深度一般5-10 m。滑坡主滑方向約40°，前緣高程105 m，后緣高程435 m，縱長約925 m，寬度約600 m，平均厚度約45 m，面積50×104 m2，體積約2200×104 m3。

2 滑坡成因機制及變形特征

2.1 成因機制分析

滑坡所在斜坡地層存在巖性較為松散的志留系泥巖和粉砂巖；上部為堅硬的砂巖和灰巖為崩塌的發生提供了良好的巖石組合條件。新構造遠動導致地殼抬升，河流下切，為崩塌的發生提供了陡立的地形條件。斜坡附近區域內降雨量充沛，并且有連續的強降雨，長期降雨使滑坡體土處于飽水狀態，自重增加，土體的抗剪強度參數c、φ值降低，而滲透力的存在降低了滑坡的穩定性。當庫水位下降時，會產生兩個不利于滑體穩定的作用，一是短時間內滑坡體內部的地下水未能及時排出，則會在坡體內部形成動水壓力，二是滑坡體內部的地下水會降低巖土體力學性能從而軟化滑帶。

2.2 變形監測及趨勢分析

上孝仁村滑坡被納入三峽庫區秭歸縣專業監測，目前滑坡上共布設3個GPS監測點。3個GPS監測點分別是ZG115、ZG116、ZG117，分別分布在滑體中部高程182 m、235 m、282 m處，3個深部位移鉆孔傾斜監測點位置與之相對應，形成一個縱向監測剖面，各監測點位的布置詳見圖1。監測間隔為1次/月，汛期根據需要不定期監測。監測結果見圖2。

圖 2 GPS專業監測點累積位移曲線圖

由上孝仁村滑坡GPS專業監測點累積位移曲線圖分析可以看出自2003年6月監測以來，上孝仁村滑坡變形不明顯，專業監測數據表明多年累積位移基本沒有增大，變形的跳動為測量誤差所致。上孝仁村滑坡在水庫蓄水期間位移無明顯變化，當庫水位緩慢下降時，滑坡的位移也隨之有些許增長，當水位下降速率突變時，位移也對應的跳動增長，因此表明滑坡穩定性降低與庫水位升降有一定關系。

3 滑坡穩定性分析

3.1 計算方法

利用數值模擬軟件Geo-Studio中的SEEP/W和SLOPE/W兩大模塊，對上孝仁村滑坡進行滲流場分析和穩定性計算。SEEP/W是分析地下水滲流的模塊，該模塊可以對飽和─非飽和土在特定工況條件下完成特定時刻的滲流場分析，從而得到某一時刻下的滲流場分布。SLOPE/W模塊是進行穩定性計算的模塊，在充分考慮滑坡體的自重以及滑坡前緣蓄水水位對滑坡的壓力，結合SEEP/W模塊計算所得到的滲流場分布的情況下，選擇上孝仁村滑坡的主剖面Ⅰ-Ⅰ′進行穩定性計算，SEEP/W模塊中選擇Morgenstern-Price極限平衡法對主剖面進行穩定性建模分析，由于Morgenstern-Price極限平衡法考慮到足夠多的條塊之間力的相互作用，所以計算的過程一般而言會比較復雜，但是計算精度較高。

3.2 模型及參數

在實際現場地質勘察及分析收集資料的基礎上，選定滑坡體計算剖面為主剖面Ⅰ-Ⅰ′(圖3)。斜坡體長1050 m，高330 m。

圖 3 上孝仁村滑坡主剖面Ⅰ-Ⅰ′圖

依據上孝仁村滑坡的地質主剖面圖Ⅰ-Ⅰ′采用SLOPE/W模塊對其進行網格劃分，建立相對應的有限元計算模型，節點數總共為7196，單元數總共為7114，網格劃分模型見圖4。

圖 4 上孝仁村滑坡網格劃分圖

在實際現場的地質勘察報告提供的建議參數值基礎上，參考對比其它相似滑坡巖土體的物理力學性質參數值，最終確定了上孝仁村滑坡的計算參數(表1)，上孝仁村滑坡的土水特征曲線及滑體相對應滲透函數曲線見圖5。

表1 上孝仁村滑坡計算參數

圖 5 滑體特征及函數曲線

3.3 分析工況及荷載

本次對主剖面進行穩定性分析評價采用的計算工況組合和荷載組合詳見表2。此次滲流計算時，初始庫水位為175 m，在175 m降至159 m之間按照常規庫水位降速，在庫水位從159 m降至145 m時按表2的工況。工況組合Ⅱ中三天降雨在151.4 m時疊加。

表2 上孝仁村滑坡計算參數

3.4 滑坡地下水滲流分析

運用數值模擬軟件Geo-Studio的SEEP/W模塊對上孝仁村滑坡進行滲流場模擬分析，滑坡在各工況下的地下水位如圖6所示。庫水位下降對滑坡的影響主要體現為動水壓力的影響，SEEP/W程序中將動水壓力等效為容重和孔隙水壓力的影響。

圖 6 庫水位不同下降速率的地下水位線示意圖

對比圖6可知，當庫水位以v=0.6 m/d、0.8 m/d、1 m/d、1.2 m/d的下降速率從159 m的水位下降至145 m水位時，地下水位線呈顯著的上凸形態，且滑坡體內地下水位線均隨著庫水位的下降而下降，而滑坡體內地下水位線位置在不同庫水位下降速率工況條件下形態沒有發生明顯的變化。

而在降雨的過程中，雨水的滲入不僅會導致邊坡土體的含水量隨著降雨時間而增長，還會改變邊坡土體中的滲流場[20]。研究庫水位下降速率和降雨共同作用下對滲流場的影響則需要進行降雨模擬。通過在SEEP/W模塊在模型邊坡的地表線位置設置邊界條件來模擬降雨強度，故選取表面雨水滲入速度作為降雨強度，此時的邊界條件即為計算時的流量邊界。根據現場取樣分析報告，取滲透系數為3.0×10-4m/s，將其作為本次降雨模擬時的流量邊界，并計算得出庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m并疊加50年一遇3日暴雨工況的孔隙水壓力分布圖(圖7)。

圖 7 庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m并疊加50年一遇3日暴雨工況滑體內孔隙水壓力分布圖

圖 8 庫水位以0.6 m/d從159 m下降至145 m不疊加暴雨工況滑體內孔隙水壓力分布圖

圖7、圖8分別給出了庫水位降速為0.6 m/d疊加暴雨工況下滑體內孔隙水壓力等值線圖及庫水位降速為0.6 m/d不疊加暴雨工況下滑體內孔隙水壓力等值線圖。對比分析圖7和圖8可知，庫水位下降疊加降雨對滑坡地下水滲流場有一定影響，由于暴雨滲入滑坡體后，將會導致滑坡體內土壤的孔隙氣壓力與孔隙水壓之間的壓力差值降低，地下水位也有所抬升，此時疊加暴雨比不疊加暴雨滑體內地下水位會有所升高。因此，在遇上暴雨的條件下庫水位的下降將對滑坡穩定性造成無法控制的影響。

3.5 滑坡穩定性計算評價

在SEEP/W模塊計算所得到的滲流場分布的基礎上，用Morgenstern-Prince法對上孝仁村滑坡的地質主剖面圖Ⅰ-Ⅰ′進行穩定性計算，得到非汛期水位降落條件下兩種工況組合的上孝仁滑坡的穩定性系數表(表3)，并根據穩定性系數表繪制出兩種工況組合情況下的穩定系數變化曲線如圖9所示。

表3 兩種工況下穩定性系數表

根據表3可知當庫水位以v=0.6 m/d下降時，穩定性系數從剛開始的1.098減小到1.0709左右。庫水位以v=1.2 m/d下降時，穩定性系數從剛開始的1.098減小到1.0652左右。由圖9中的穩定性系數的變化可知，當庫水位以v=0.6 m/d、0.8 m/d、1 m/d、1.2 m/d的下降速率從159 m的蓄水位下降至145 m蓄水位時，上孝仁村滑坡穩定系數會隨著庫水位的下降而減小，滑坡穩定性系數下降到最小時正是庫水位下降到145 m的時候。而滑坡穩定性也會受到下降速率的影響，不同的下降速率影響也不相同。當庫水位下降速率增大時，滑坡穩定性系數會因為動水壓力的作用減小幅度而增大，滑坡穩定性系數曲線也會越陡。

對比圖9a可知圖b中是在庫水位從175 m下降至145 m的情況上疊加了50年一遇3日暴雨條件，其穩定性系數會小于不疊加降雨的穩定性系數，降雨對安全系數的影響一直持續到計算時段的最后一天，說明降雨對滑坡的影響是長期的，且有一定的滯后效應。50年一遇3日暴雨會使穩定性系數有一定幅度的下降，但其影響較小，且庫水位下降速率大的情況下再疊加上降雨條件，穩定性系數受到的影響也會增大。在克服降雨條件的同時，穩定性系數的下降幅度會隨著下降速率的增加而升高。

(a)159 m下降至145 m工況

3.6 滑坡變形機理分析

由上述穩定性計算評價可知，降雨和庫水位升降是影響上孝仁村滑坡變形的兩個主要因素。當降雨滲入滑坡體后，會導致滑坡體內土壤的孔隙氣壓力與孔隙水壓之間的壓力差值降低，增大滑體重量并產生滲透力，降低滑坡穩定性。當庫水位下降時，因滑坡內土體的滲透性較差，滑坡體內地下水排出的速度遠跟不上庫水位下降的速度，這會導致滑坡體內地下水位高于庫水位，而水位的高度差越大，所產生的水壓就越大，因此水庫蓄水水位下降之后滑坡體內動水壓力作用明顯增大，從而影響滑坡的穩定性。

4 結論

以三峽庫區上孝仁村滑坡為依托，通過有限元模型，對庫水位下降速率和降雨聯合作用下的滲流場進行計算分析，并對滑坡的穩定性和變形機理進一步探討，得到以下結論：

1)上孝仁村滑坡的穩定性系數會隨著庫水位下降速率的增大而減小。

2)上孝仁村滑坡變形主要由庫水位下降及降雨引起，按照水庫滑坡分類，屬于動水壓力+降雨型。現階段上孝仁村滑坡仍處于基本穩定的狀態，預計庫水位下降速率增加到1.2 m/d條件時滑坡的變形將進一步增大。

3)通過數值模擬軟件GEO-Studio對上孝仁村滑坡的主剖面Ⅰ-Ⅰ′進行穩定性計算分析，可知滑坡處于基本穩定的狀態是在日降幅0.6 m的條件下。在增大日降幅到1.2 m時，滑坡的穩定系數為1.0652，此時滑坡體仍處于基本穩定的狀態。對比日降幅0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m的穩定性系數可知，庫水位在日降幅從0.6 m增大到1.2 m這個階段時對滑坡的穩定性影響較小。