三峽庫區舊縣坪滑坡變形機理及穩定性

朱權威， 于維剛， 蔡建華， 吳卓林

(中鐵西南科學研究院， 成都 611713)

自2003年三峽水庫周期性蓄水以來，致使庫岸邊坡的水文地質條件發生了很大的變化，庫區進而出現了大量的老(古)滑坡復活或者出現一些新的滑坡?；碌某霈F給庫區人民的生命和財產安全帶來了極大的威脅，因此，岸坡的變形及穩定性研究在水利工程建設中具有舉足輕重的地位。

Kaczmarek等[1]通過對庫區滑坡的研究表明，大多數水庫誘發滑坡在初始階段表現出嚴重變形，在經歷多年的變形后，滑坡的變形量逐漸減小甚至停止，逐漸達到變形的自適應，魏東等[2]通過對基于三峽庫區庫水位和降雨統計分析的八字門滑坡穩定性評價的研究表明，庫水位和降雨都對滑坡的穩定性有影響，庫水位影響程度較大，庫水位變化幅度越大，滑坡的穩定性就越差。張永剛[3]通過對降雨及庫水位升降聯合作用下滑坡穩定性的研究量化得出了不同工況下各個滑坡體間穩定系數存在差異性，滑坡體離長江距離越遠，穩定系數一般越大。馮文凱等[4]對三峽庫區木魚包滑坡不同庫水升降速率變形響應離心模型試驗研究表明，滑坡的變形與庫水浮力和動水壓力有關。國內外對庫區滑坡研究多集中在理論研究方法或利用監測數據、數值模擬以及物理模擬對庫區滑坡進行定性研究[5-11]，鮮有通過實際定量分析先確定影響滑坡變形的主控因素，再利用實際降雨量、監測點的位移和庫水下降的速率相結合來分析滑坡的變形機理。

以三峽庫區舊縣坪滑坡為研究對象，在研究其長期變形規律的基礎上，基于長期的地表監測數據和數值模擬，對滑坡的影響主控因素、變形機理以及穩定性進行研究，通過對舊縣坪滑坡在庫水變動下的變形機理和響應規律的研究，以期為三峽庫區滑坡的防治提供有益的借鑒。

1 舊縣坪滑坡概況

舊縣坪滑坡位于重慶市云陽縣境內，長江左岸，距三峽大壩壩址213.4 km，前緣剪出口高程95 m，后緣高程385 m，高差約290 m，兩側以沖溝為界，滑坡后緣存在明顯的拉線槽，主滑方向144°，滑坡平面呈“金鐘”形，滑坡的縱長約1 200 m，均寬約1 200 m，總平面面積約1.44 km2，平均厚度約40 m，體積約5 700×104m3(圖1)。

圖1 舊縣坪滑坡工程地質平面圖Fig.1 Geological plan of Jiuxianping landslide project

如圖2所示，滑坡的上層滑體為松散堆積體和下部的滑體。下層滑體主要有擾動的砂泥巖互層組成，巖體前部較為破碎，中后部較為完整?；w中后部順層滑動，前部滑體切層滑動，巖層從傾斜逐漸變平緩過渡至彎曲反翹，滑帶的物質組成主要由強風化的泥巖碎裂巖和黏土層組成，泥巖碎裂巖粒徑約2 cm，磨圓度較好，黏土層呈紫紅色、棕黃色，濕度中等，塑性較強?；瑤Ш穸?.5～0.6 m?；矠橘_系遂寧組(J3s)泥巖，產狀145∠10°。

圖2 舊縣坪滑坡A—A′縱剖面圖Fig.2 A—A′ longitudinal section of Jiuxianping landslide

自三峽庫水蓄水以來，庫水常年處于波動狀態，滑坡前緣不分巖體被庫水浸泡，滑坡的滲流場和應力場發生變化，致使滑坡發生變形。2007年6月滑坡右側在暴雨過后發生滑動破壞，大量房屋和設施遭受破壞[圖1(a)、圖1(f)]，2012年調查發現滑坡前緣發生小規?？逅鶾圖1(c)]，2019年調查發現陵園內的建筑物發生變形破壞[圖1(e)]，圍墻出現較大的裂縫，長2 m，寬10～20 cm[圖1(d)]，滑坡中部公路出現斷裂錯位，裂縫長6 m，寬2～5 cm，平行錯距5 cm。

2 舊縣坪滑坡變形特征

2.1 滑坡變形響應規律

為了掌握舊縣坪滑坡的變形特征，探礦工藝所在滑坡上布置了9個地表位移監測點(圖1)，并從2004年開始監測。此外，分別從滑坡的雨量監測點獲取降雨數據和三峽庫區網站上獲取庫水變動數據。如圖3所示，各監測點的月位移變形量多數集中在5 mm左右，分布較為均勻，月變形量在10～20 mm則較集中分布在1—7月，約占總量的71.8%[圖4(a)]，變形量大于20 mm較集中分布在4—7月，約占總量的80.8%[圖4(b)]，監測點出現負位移(即坡體向自身方向反推)較集中出現在9—12月，約占總量的74.3%[圖4(c)]。以上變形特征表明，坡體發生較大變形的階段主要集中1—7月(即庫水下降時期)，特別是4—7月變形最大，坡體出現負位移主要集中在9—12月(庫水上升時期)。

圖3 舊縣坪滑坡不同月份下的累計變形量Fig.3 Cumulative deformation of Jiuxianping landslide in different months

圖4 不同月份段累計位移關系圖Fig.4 Cumulative displacement relationship diagram in different months

2.2 滑坡變形因素特征

由圖2可知幾乎在每年4—7月監測點的位移就會發生“跳變”，而4—7月既是庫水下降階段，也是三峽庫區的雨季(5—9月)，因此部分學者認為是庫水位下降時滑坡變形的主控因素，一部分學者認為降雨是滑坡變形的主控因素[10-11]。

在庫水調度中，庫水下降階段的后半段(4—6月)的下降的平均速率明顯要大于前半段(1—3月)的平均下降速率，因此，選取庫水下降前后段的平均下降速率和雨季降雨量與坡體位移的關系來研究坡體變形的主控因素。截取手動監測點2009—2016年的數據進行分析，不同階段庫水下降速率和雨季降雨和YY073～YY079(YY071和YY072損壞)的在相應階段的位移來分析，庫水下降速率和降雨對滑坡的影響，庫水不同階段下降速率與位移關系圖5所示，雨季降雨與位移關系圖6所示。

圖5 庫水不同階段下降速率與位移關系Fig.5 The relationship between the descent rate and displacement of the reservoir water at different stages

2009-03表示2009年1—3月，2009/6表示2009年4—6月；位移是相應1—3月、4—6月的累計位移，庫水下降速率則表示相應1—3月、4—6月的平均下降速率圖6 雨季降雨與位移關系圖Fig.6 The relationship between rainfall and displacement in the rainy season

圖5顯示，庫水下降速率的大小與位移的變化量呈極大的正相關。4—6月的庫水下降速率大于1—3月的下降速率，同時，4—6月各監測點的位移量要遠大于1—3月份的位移量，因此，庫水下降對滑坡的變形是顯著的，下降速率越大，影響越明顯。

通過對圖6分析可知：雨季降雨量的大小與位移量相關性較小，存在一定的影響。 2012年的雨季的降雨量同比2009—2011年的雨季降雨量要小，而2012年各監測點的位移同比2009—2011年的位移普遍要大。雨季降雨量大的年份各監測點的位移要普遍大于雨季降雨量小的年份，例如2009—2012年的降雨量要大于2013—2016年的雨季降雨量，同時2009—2012年各監測點的位移普遍大于2013—2016年的位移。因此，降雨對該滑坡變形有一定的影響。

坡體的變形受庫水和降雨的共同影響，但起主要作用的是庫水位下降，降雨對坡體的變形有一定的影響，因此，庫水下降是坡體變形的主要因素，降雨是次要因素，起助推作用。

2.3 滑坡年度位移特征

選取A—A′剖面上的YY074、YY075和YY076的年位移進行分析，結果如圖7所示。2012年坡體位移最大；2005—2006年年位移均在30 mm以下，2007年和2009年年位移在90～115 mm，2008年和2010—2011年以及2013—2016年的年位移在30～70 mm。年位移的變化表明，水庫初次蓄水對滑坡的變形和穩定性影響較大，目前在庫水波動和降雨的影響下，監測點的年位移量并不具有明顯的規律性，表明滑坡目前仍然處于應力調整的階段。

圖7 YY074～YY076監測點年累計位移曲線Fig.7 Annual cumulative displacement curve of YY074～YY076 monitoring points

3 滑坡變形機理分析

由于舊縣坪滑坡后部巖層傾角和坡腳相近，在重力的作用下，順層段在滑體沿滑面向下擠壓變形，構成了滑坡的主要下滑段?；虑安康膸r層傾角逐步變平緩再過渡到反翹，相對平緩的滑動面和滑體，在自重的作用下構成了滑坡的主要阻滑段。因此，在圈椅狀形態的控制作用和重力、庫水等的作用下，下滑段不斷擠壓阻滑段向臨空面不斷發生推移式蠕滑變形。

作用在斜坡單元上的水動力作用可等效表示為滲流力(Fs)和浮力(Fb)。滲流力表示水流通過空隙的摩擦力與水力梯度呈正比，并作用于水流方向，滲流力對邊坡穩定性的影響稱之為動水壓力效應[12]，浮力可以改變滑體的有效重度，從而增加或減小滑坡的下滑力，并對滑坡穩定性產生影響稱之為付托減重效應[13]。

如圖8(a)所示，庫水上升階段，坡體地下水位滯后于庫水位，因此，庫水浮力的增長滯后于動水壓力，有利于滑坡的穩定而減緩滑坡滑動。此后，庫水的逐步入滲導致地下水位進一步抬升，坡體內外水頭差的減小，涉水滑坡內的浮托力和動水壓力此消彼長，由于阻滑段基本一直處于庫水位以下，庫水的上升時浮托力主要作用在下滑段上，有利于滑坡的穩定而減緩滑坡滑動。如圖8(b)所示，庫水下降時，滑坡前部阻滑段自重減輕而削弱其阻滑力，同期的動水壓力轉向坡外，在此雙重作用下，滑坡中后部滑體推擠前部滑體出現加速變形。當庫水逐步降至145 m，庫水的浮托力隨庫水的下降而減小，指向坡外的動水壓力也隨著坡體內外水頭差的減小而降低，滑坡在此期間逐步恢復穩定。

圖8 庫水升降滲流力和浮力作用示意圖Fig.8 Schematic diagram of seepage force and buoyancy effect during the up and down stage of reservoir water

4 滑坡穩定性分析

4.1 滑坡穩定性計算

選取該滑坡的主坡面A—A′剖面為計算坡面，分別建立滲流計算模型和穩定性計算模型，運用傳遞系數法進行穩定性計算。自2006年三峽水庫進行145 m→175 m→145 m周期性運營以來，庫水位以每年30 m的漲幅周期性變化，故擬定以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從145 m升至175 m，以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從175 m降至145 m在進行滑坡穩定計算之前，先運用SEEP/W程序計算其浸潤線，然后將各工況下的浸潤線導入SLOPE/W程序中計算其穩定性。滲透模型和穩定性計算模型如圖9和圖10所示。本次計算的滲透系數和力學參數根據以往的勘察資料以及現場勘查取樣室內的試驗綜合取值，具體參數見表1。

圖9 滲透模型Fig.9 Penetration model

圖10 穩定性計算模型Fig.10 Stability calculation model

表1 舊縣坪滑坡物理力學參數

4.2 滑坡穩定性評價

圖11為庫水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從145 m水位升至175 m時滲流場的變化圖，地下水位線呈下凹形，圖12為穩定系數關系圖。由圖12可以看出，在庫水上升過程中穩定性系數逐步增加，庫水上升速率越快，穩定性系數增大就越明顯，這是由于庫水上升時庫水上升速率大于地下水上升速率，此時，庫水向地下水進行補給，形成指向坡體內部的動水壓力，在反推坡體，使滑坡的下滑力較小，滑坡的穩定性上升，在1.2 m/d時穩定性系數達到最大1.33。

圖11 庫水上升時滲流場的變化Fig.11 Changes in seepage field when the reservoir water rises

圖12 庫水上升滑坡穩定性關系Fig.12 Stability relationship of reservoir water rising landslide

圖13庫水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從175 m水位降至145 m時滲流場的變化圖，地下水位線呈上凸形，圖14為穩定系數關系圖。由圖14可以看出，滑坡穩定性系數隨庫水的下降而降低，庫水下降速率越快，穩定性系數降低就越明顯，這是由于庫水下降過程中庫水下降的速率大于地下水位降低的速率，此時就會產生指向坡外的動水壓力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的穩定性下降，在1.2 m/d時穩定性系數降至最小1.05。

圖13 庫水下降時滲流場的變化Fig.13 Changes in seepage field when reservoir water drops

圖14 庫水下降滑坡穩定性關系Fig.14 Stability relationship of landslide in reservoir water rise

5 結論

針對三峽庫區舊縣坪滑坡，利用相關的監測數據，分析了滑坡在庫水升降作用下的變形規律率，并利用數值模擬進行了穩定性分析。

(1)舊縣坪滑坡后部巖層傾角和坡腳相近，對滑坡具有驅動作用。滑坡前部平緩以及反翹的巖體，對滑坡具有明顯的阻滑作用，為滑坡的主要阻滑段。因此，在重力和庫水等的作用下，下滑段不斷擠壓阻滑段向臨空面不斷發生推移式蠕滑變形。

(2)舊縣坪滑坡監測數據顯示，庫水下降時滑坡變形的主要因素，降雨的影響有限，起助推作用?；伦冃屋^大的月份主要集中在1—7月庫水下降及其影響階段，變形最大的時期在4—7月庫水下降速率較大及其滲流時期，9—12月庫水上升和高水位階段，變形位移較小，甚至出現反推坡體的負位移。

(3)數值模擬表明，庫水上升時庫水上升速率大于滑坡地下水上升速率，此時，庫水向地下水進行補給，形成指向坡體內部的動水壓力，在反推坡體，使滑坡的下滑力減小，滑坡的穩定性上升，庫水上升速率越快，穩定性系數增大就越明顯，穩定性系數最高為1.33；庫水下降過程中庫水下降的速率大于地下水位降低的速率，此時就會產生指向坡外的動水壓力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的穩定性下降，庫水下降速率越快，穩定性系數降低就越明顯，穩定性系數最低為1.05。

(4)綜合分析表明，首次蓄水對滑坡的影響是顯著的，舊縣坪滑坡仍處于蓄水后的應力調整階段，目前處于基本穩定狀態，在持續降雨或增大庫水下降速率的情況下，滑坡變形將進一步加劇。