基于滑體滲透性與庫水變動的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律研究

宋 琨，晏鄂川, ，朱大鵬，趙慶遠

（1. 中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，武漢 430074；2. 教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災害研究中心，武漢 430074）

1 引 言

在許多發(fā)展中國家滑坡災害導致的人員傷亡和經(jīng)濟損失可達到國民生產(chǎn)總值（GNP）的 1%～2%[1]。United Nation University在2006年公布的研究成果表明，亞洲在20世紀遭受220次災難性滑坡災害——是目前世界上最嚴重的地區(qū)[2]。我國也是世界上滑坡災害最嚴重的國家之一[3]。

自三峽工程興建以來，國內(nèi)外學者對三峽庫區(qū)的滑坡災害開展了大量、持續(xù)的研究工作，尤其是庫水波動對庫區(qū)滑坡穩(wěn)定性的影響。如廖紅建等[4]探討了庫水下降期間滑坡體穩(wěn)定性隨水位下降速度的變化情況；劉新喜等[5－6]研究了三峽水庫水位不同下降速度和降雨條件下紅石包滑坡的穩(wěn)定性變化；章廣成[7]通過 ANSYS模擬研究了三峽水位變化對趙樹嶺滑坡穩(wěn)定性的影響；鄭穎人等[8]，宋琨等[9]通過解析方法，探討了滑坡中浸潤線的變化規(guī)律；Zhang等[10]通過模型試驗和數(shù)值試驗研究了庫水位下降時層狀斜坡中的地下水變化特征和斜坡應力場和位移場特征；Deng等[11]通過布置于泄灘古滑坡體的自動水文監(jiān)測系統(tǒng)，研究了在三峽水庫蓄水條件下滑坡體中地下水的變化特征；Wang等[12]通過研究三峽庫區(qū)樹坪滑坡（Shuping landslide）2004年8月至2007年7月的監(jiān)測資料得到水位下降對滑坡的變形影響最大。

目前，對三峽庫區(qū)滑坡在庫水影響下的穩(wěn)定性變化研究，主要針對某一滑坡采用數(shù)值模擬、模型試驗和監(jiān)測等手段研究地下水變化特征和庫水變化（尤其是庫水位下降）對滑坡穩(wěn)定性和變形的影響。而對滑坡因滲透性的不同而導致其穩(wěn)定性對庫水影響不同的研究較少。如何評價具有不同滲透性的滑坡在庫水位變動情況下的穩(wěn)定性狀況，揭示二者之間的變化規(guī)律。這對三峽工程的正常運營以及庫區(qū)滑坡監(jiān)測預警工程具有指導意義。

本文以三峽庫區(qū)黃荊樹滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)為模型，在得出4種不同滲透特征滑坡在8種庫水位變化方案下（下降、上升各4種）滲流場的基礎上，以庫水影響系數(shù)α和穩(wěn)定性變化率為評價指標，研究不同影響系數(shù)下的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。

2 黃荊樹滑坡基本特征

黃荊樹滑坡位于三峽庫區(qū)秭歸縣水田壩鄉(xiāng)吒溪河右岸，為一堆積層老滑坡。平面呈扇形，后部圈椅形態(tài)明顯，滑距約80 m左右?；w高程為139～215 m，面積為8×104m2，體積為67×104m3，主滑方向為NE65°。

滑體物質(zhì)（Qdel）主要由粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土、塊石組成，為二元結(jié)構(gòu)，底部為含卵礫粉質(zhì)黏土、砂土，厚4～19 m。滑帶土由含礫粉質(zhì)黏土組成，偶含碎石，厚度一般為0.2～1 m，表現(xiàn)為中～弱透水性特征。滑床巖性主要為崩坡積層（Qcol+dl），局部為階地相沖洪積地層（Qpl+al），含礫粉質(zhì)黏土、砂土、卵石層，厚度7.00～16.44 m，透水性較好。最下部為基巖（J3p），由粉砂質(zhì)泥巖、長石石英砂巖組成，一般埋深17.00～30.43 m，透水性差。該滑坡的滑動面形態(tài)較平緩。其典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 黃荊樹滑坡典型工程地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of Huangjingshu landslide

除地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性以及地形外，滑坡區(qū)的水文地質(zhì)條件是影響該滑坡穩(wěn)定性的重要因素。區(qū)內(nèi)的地下水與庫水位存在密切的水利聯(lián)系，因此，庫水位的波動將影響該滑坡的穩(wěn)定性狀況。

3 不同滲透性滑坡滲流場特征

庫水位變化速度不同、不同滲透性滑坡的滲流場特征不同，則穩(wěn)定性狀態(tài)變化亦不同。

在此以黃荊樹滑坡地質(zhì)模型為原型，在滑體由同一均質(zhì)土層組成的假設條件下，建立如圖2所示的概化計算模型，研究不同滲透特征滑坡在不同庫水變化速度下的滲流場特征。

圖2 概化計算模型圖Fig.2 Generalized calculating model

結(jié)合三峽庫區(qū)堆積層滑坡滑體飽和滲透系數(shù)多在 10-3～1 m/d量級變化的統(tǒng)計特征和水位調(diào)度方案，采用如表1所示的試驗方案，研究庫水位變化下不同滲透性滑坡的滲流場特征。其中，滑體飽和滲透系數(shù)在10-3～10 m/d區(qū)間內(nèi)類比砂、砂質(zhì)土、粉土和粉質(zhì)黏土等，水位變化速度分別為±0.5、±1.0、±1.5 m/d 和±2.0 m/d。

試驗方案中所采用的土體非飽和特征參數(shù)——土-水特征曲線和滲透函數(shù)曲線主要根據(jù)加拿大Saskatchewan大學的研究成果[13]。

表1 數(shù)值試驗方案Table 1 Numerical test scheme

模型的水力初始條件分別為145 m水位（庫水上升時）和175 m水位（庫水下降時）時的穩(wěn)定滲流場。水力邊界借用黃荊樹滑坡邊界條件，即滑坡地表175 m高程下為動水頭邊界（水頭隨庫水位以不同速度在145～175 m間變化），其余為流量Q =0邊界。

根據(jù)非飽和滲流原理，利用加拿大 GEOSLOPE公司開發(fā)的Geostudio2004的SEEP/W模塊得到不同滲透性滑坡的滲流場。

圖3為庫水位上升速度為0.5 m/d時滲透系數(shù)K =0.021 6 m/d的滑坡的滲流場。為清楚顯示，圖中只繪出了部分時刻的浸潤線。圖中滑坡浸潤線隨庫水位上升，出現(xiàn)明顯的“彎曲”，即坡體中地下水相對庫水位存在明顯滯后效應，僅在坡面附近局部范圍內(nèi)存在“同步現(xiàn)象”。

圖3 K =0.021 6 m/d時滲流場（v =0.5 m/d）Fig.3 The seepage field of K =0.021 6 m/d, v =0.5 m/d

圖4為庫水位下降速度為0.5 m/d時不同滲透性滑坡在庫水位下降至145 m時滲流場特征。從圖中可以看出，滲透系數(shù)越大，浸潤線越低（砂明顯大于粉質(zhì)黏土），坡體中的地下水越容易排出。

4 滑坡穩(wěn)定性響應變化

在庫水位變化時，滑坡穩(wěn)定性如何變化和穩(wěn)定性系數(shù)變化多少是工程人員最關心的，也是對工程最有意義的。

圖4 水位降至145 m時不同滑體滲流場（v =0.5 m/d）Fig.4 The seepage fields of the water level lowering to 145 m (v =0.5 m/d)

4.1 穩(wěn)定性計算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，并結(jié)合參數(shù)反演，確定該滑坡的計算參數(shù)如表2所示。

表2 滑坡穩(wěn)定性計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of landslide stability

4.2 評價指標

為研究不同滲透性滑坡隨庫水位的響應變化規(guī)律，提出庫水影響系數(shù)（庫水變化速度與滲透系數(shù)的數(shù)值之比）評價庫水對滑坡穩(wěn)定性的影響。

庫水影響系數(shù)α定義為

式中：α為無量綱系數(shù)；v為庫水位變化速度（m/d），上升為正，下降為負；K為滑體滲透系數(shù)（m/d）。穩(wěn)定性變化率β為

式中：Fs0為初始水位下的滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)，分別為下降過程的175 m水位下整體穩(wěn)定性系數(shù)和上升過程的145 m水位下的整體穩(wěn)定性系數(shù)。穩(wěn)定性計算采用 Morgenstern-Price法；ΔFs為穩(wěn)定性系數(shù)變化值， Δ Fs= Fsi- Fs0，穩(wěn)定性提高為正，降低為負；Fsi為庫水位變化至某一時刻的滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)。

4.3 穩(wěn)定性響應變化

圖5為庫水位在175～145 m間變化時，穩(wěn)定性變化率隨滲透系數(shù)的變化曲線。

從圖5(a)可以看出，（1）庫水位下降至145 m時，4條曲線的總體趨勢是上升，即隨滑體滲透系數(shù)增大，滑坡的穩(wěn)定性變化率增加；（2）庫水位下降速度較大（ v= 2.0 m/d ）時，曲線基本水平，即不同滲透性的該類型滑坡的穩(wěn)定性變化不明顯；（3）庫水下降速度較?。?.5 ≤ v≤ 1.5 m/d ）時，滑體滲透性不同，穩(wěn)定性對庫水的響應不同：滲透系數(shù)K＜ 1.0 m/d時，穩(wěn)定性變化率小于30%，且曲線的變化不明顯，不同滲透性滑坡的穩(wěn)定性相對變化率最大為 8.12%，即對弱透水性滑坡，滲透系數(shù)的改變對滑坡穩(wěn)定性的影響不明顯；滲透系數(shù)K＞ 1.0 m/d 時，穩(wěn)定性變化率較大，即對強透水性滑坡，滲透系數(shù)越大對滑坡穩(wěn)定性影響越明顯。

圖5 滑體滲透性對穩(wěn)定性的影響Fig.5 Influence of permeability on the stability

從圖 5(b)可以看出，①庫水位上升速度較?。?v≤ 1.0 m/d ）時，隨滑體滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先增大后減小，且?guī)焖蛔兓俣仍叫。€波動越明顯，滲透系數(shù)對滑坡穩(wěn)定性的影響越強烈；②庫水位上升速度 v＞ 1.0 m/d 時，曲線分成斜率不同的 3段： K＜ 0.021 6 m/d 的陡降段、0.021 6 ≤ K≤ 0.506 m/d 的 平 穩(wěn) 變 化 段 和K＞0.506 m/d的陡降段。即隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先減小再穩(wěn)定再減小，且減小速率較大。

三峽水庫水位由175 m下降至145 m時，不同影響系數(shù)下，滑坡穩(wěn)定性變化率曲線如圖6所示。

圖6 庫水位下降時滑坡穩(wěn)定性變化曲線Fig.6 Curves of stability change with the water descend

從圖6可以看出，①隨庫水位下降曲線的整體趨勢上升，僅少量曲線在降至145m水位時出現(xiàn)向下彎曲。說明對該種地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的滑坡，隨庫水位下降，不同滲透性的滑坡的穩(wěn)定性提高，其原因主要在于地下水的靜水壓力作用；②變化曲線明顯分成3簇（組）。影響系數(shù) α=-0 .107、α =-0.215和 α=-0 .322的3條曲線為A組，α =- 0.429的曲線為組B，其余曲線為組C組。A組曲線顯示：隨庫水位下降，滑坡穩(wěn)定性變化率β變化較大，最大分別為48.36%、41.67%和 37.61%，不同曲線的差別也較明顯；B組曲線近似呈一直線，表明當α=-0 .429時，β近似呈線性增加，其斜率約為0.85；C組曲線之間差別不明顯，在水位為153～149 m間曲線出現(xiàn)拐點，β值最大，隨水位下降，β值減??；③影響系數(shù)α在-0.107～-0.322之間，隨α減小β減小，即影響系數(shù)減小，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增加率減小。

圖7為庫水位由145 m上升至175 m時，不同影響系數(shù)下，滑坡穩(wěn)定性變化率曲線。從圖中可以看出，①庫水位上升，曲線下降，說明庫水位上升，不同滲透性的該類滑坡穩(wěn)定性降低，主要是地下水對滑坡前部的浮托減重，降低阻滑段的抗滑力。庫水上升前15 m（水位至160 m），所有滑坡穩(wěn)定性變化率β大于-10%。②變化曲線分成2簇（組），圖中最上面兩條為 1組（ α= 576.923和α=769.231），其余為另 1組。影響系數(shù)576.923≤α≤ 769.231時，曲線基本水平，175 m水位時的穩(wěn)定性變化率β最小為-5.7%，即此時庫水位上升對該類滑坡的穩(wěn)定性降低較少；當0.107≤α≤ 384.615時，曲線間差別不明顯，且影響系數(shù)α與穩(wěn)定性變化率β的相關性不明顯。

圖7 庫水位上升時滑坡穩(wěn)定性變化曲線Fig.7 Curves of stability change with the water level raise

5 結(jié) 論

（1）庫水位下降速度較大時，不同滲透性的該類型滑坡的穩(wěn)定性變化不明顯；下降速度較小時，滑體滲透性不同，穩(wěn)定性對庫水的響應亦不同：對弱透水性滑坡，滲透系數(shù)的改變對滑坡穩(wěn)定性的影響不明顯；對強透水性滑坡，滲透系數(shù)越大，對滑坡穩(wěn)定性影響越明顯。

（2）庫水位上升速度較小時，隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先增大后減小，且?guī)焖蛔兓俣仍叫?，滲透系數(shù)對穩(wěn)定性的影響越強烈；庫水位上升速度 v＞ 1.0 m/d 時，隨滲透系數(shù)增大，滑坡穩(wěn)定性變化率先減少再穩(wěn)定再減少。

（3）庫水位下降時，影響系數(shù)α在-0.107～-0.322間時，穩(wěn)定性變化率β最大，且隨α減小滑坡穩(wěn)定性增加率β減??；α在-0.644～-769.231間時，隨α減小，穩(wěn)定性增加率變化不明顯。庫水位上升時，在前15 m（水位至160 m）穩(wěn)定性變化率β大于-10%；當α在576.923～769.231間時，庫水位上升對該類滑坡的穩(wěn)定性降低較少；當α在0.107～384.615間時，影響系數(shù)α與穩(wěn)定性變化率β的相關性不明顯。

[1]SCHUSTER R L, HIGHLAND L M. Socioeconomic and environmental impacts of landslides in the Western Hemisphere[J]. USGS Open-File Report, 2001, 1: 276.

[2]OFDA/CRED. International disaster database[M].Belgium: Catholic University of Leuven, 2006.

[3]王思敬, 黃鼎成. 中國工程地質(zhì)世紀成就[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 2004.

[4]廖紅建, 盛謙, 高石夯, 等. 庫水位下降對滑坡體穩(wěn)定性的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, (19): 56－60.LIAO Hong-jian, SHENG Qian, GAO Shi-hang, et al.Influence of drawdown of reservoir water level on landslide stability[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, (19): 56－60.

[5]劉新喜, 夏元友, 張顯書, 等. 庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(8): 1439－1444.LIU Xin-xi, XIA Yuan-you, ZHANG Xian-shu, et al.Effects of drawdown of reservoir water level on landslide stability[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(8): 1439－1444.

[6]劉新喜. 庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響及工程應用研究[D]. 武漢: 中國地質(zhì)大學, 2003.

[7]章廣成. 水位變化對滑坡穩(wěn)定性的影響研究[D]. 武漢:中國地質(zhì)大學, 2005.

[8]鄭穎人, 時衛(wèi)民, 孔位學. 庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J]. 巖石力學與工程學報, 2004,23(18): 3203－3210.ZHENG Ying-ren, SHI Wei-min, KONG Wei-xue.Calculation of seepage forces and phreatic surface under drawdown conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(18): 3203－3210.

[9]宋琨, 劉鎮(zhèn), 王磊, 等. 庫水降與紅層岸坡穩(wěn)定性變化響應關系研究[J]. 巖土力學, 2006, 27(增刊2): 306－310.SONG Kun, LIU Zhen, WANG Lei, et al. The response research of decline of the Three Gorges Reservoir water level on the change of red beds bankslope stability[J].Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(Supp. 2): 306－310.

[10]ZHANG Jun-feng, LI Zheng-guo, QI Tao. Mechanism analysis of landslide of a layered slope induced by drawdown of water level[J]. Science in China Series E-Engineering & Materials Science, 2005, 48(Supp. 1):136－145.

[11]DENG Jian-hui, WEI Jin-bing, MIN Hong, et al.Response of an old landslide to reservoir filling: A case history[J]. Science in China Series E-Engineering &Materials Science, 2005, 48(Supp. 1): 27－32.

[12]WANG Fa-wu, ZHANG Ye-ming, HUO Zhi-tao, et al.Movement of the Shuping landslide in the first four years after the initial impoundment of the Three Gorges Dam Reservoir, China[J]. Landslides, 2008, 5(3): 321－329.

[13]JOHN KRAHN. Seepage modeling with SEEP/W (1st edition)[M]. Canada: [s. n.], 2004.