三峽庫岸堆積層滑坡二維穩(wěn)定性分析

陳 龍，王 龍，黎璽克

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059；2.甘肅鐵道綜合工程勘察院有限公司巖土公司，蘭州730000）

0 引言

堆積層滑坡是指發(fā)生在第四系及近代松散堆積層的一類滑坡，在我國滑坡中占有相當大的比例。特別在長江三峽工程建設(shè)期和建成蓄水之后，水位抬升，致使兩岸許多堆積層邊坡浸入水下，大大降低了這類邊坡的穩(wěn)定性，使得三峽庫區(qū)大量堆積層滑坡變形和復(fù)活。同時，由于防洪等需要，三峽庫區(qū)水位每年在145～175m高程之間變動，庫水位變動對滑坡體穩(wěn)定性的影響受到廣泛關(guān)注。

前人研究顯示三峽庫區(qū)滑坡的發(fā)生除了與滑坡體本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征有很大關(guān)系外，外界環(huán)境因素（庫水位變化、降雨、其他人類活動等因素），特別是三峽水庫蓄水后庫水位的變化和庫區(qū)的降雨是誘發(fā)該地區(qū)古滑坡復(fù)活和發(fā)生滑坡的主要因素。

本文針對三峽庫區(qū)的特殊工況，首先以三峽庫區(qū)白龍村滑坡為例，針對庫水位變化的不同工況對庫岸堆積層滑坡的穩(wěn)定性進行二維典型剖面滲流和穩(wěn)定性計算；然后由特殊到一般分析堆積層滑坡的坡型、堆積層滲透性這兩個因素分別對滑坡穩(wěn)定性的影響；最后總結(jié)出一些初步的規(guī)律。

1 地質(zhì)模型建立

白龍村滑坡位于重慶市云陽縣九龍鄉(xiāng)白龍村境內(nèi)，坐落于長江右岸的斜坡地帶，經(jīng)度108°37′04″緯度30°56′32″。平面形態(tài)呈簸箕形，兩側(cè)以沖溝為界，剖面形態(tài)呈凸形（圖1～2）。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡的滑面位于基巖與覆蓋層的接觸面；滑坡體前緣高程165m，后緣高程280m，高差115m。滑坡主滑方向為NW48°，滑坡垂直于長江方向約480m，沿長江方向約1 200m，滑體松散堆積層平均厚度11.1m，滑坡面積為 57.6×104m2，滑坡體積639.4×104m3。按照DZ T0218—2006《滑坡防治工程勘察規(guī)范》中由滑坡物質(zhì)和規(guī)模分類為大型堆積層滑坡。

圖1 白龍村滑坡全貌

圖2 白龍村滑坡剖面圖

滑坡表部為第四系松散堆積物，全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土夾碎塊石，現(xiàn)場采用試坑法進行滲透試驗，滲透系數(shù)為0.94×10－4m/s；滑坡的滑床巖性為侏羅系中統(tǒng)（J2s）紫紅色泥巖、砂巖互層，巖層產(chǎn)狀走向140°～150°，傾角∠5°～6°。

滑坡體內(nèi)松散堆積層中的地下水主要由自身范圍內(nèi)的大氣降雨補給，入滲后沿滑體內(nèi)部地下水位面向下運動，在滑坡下部匯入長江。常年地下水位由鉆孔情況判斷并表示（圖2）。另外滑坡前緣三峽庫區(qū)水位每年在145～175m之間周期往復(fù)，水庫水位在汛期的消落方式為從162m快速下降至145m，在極端情況下平均消落速度為2.0m/d（圖3）。影響三峽庫區(qū)白龍村滑坡穩(wěn)定性的因素主要是降雨和滑坡前緣庫水位的變化，下面一節(jié)從這兩個主要外部影響因素出發(fā)，進行二維典型剖面滲流數(shù)值模擬分析和穩(wěn)定性計算。

2 二維滲流分析和穩(wěn)定性計算

2.1 二維數(shù)值模型建立

計算模型選用白龍村滑坡野外調(diào)查的典型二維地質(zhì)剖面，建立有限元模型，該模型為雙層結(jié)構(gòu)的堆

積層滑坡模型，上層為堆積物，下層為基巖（見圖4）。

圖3 三峽庫區(qū)庫水位調(diào)度曲線圖

圖4 白龍村滑坡二維數(shù)值模擬模型

滑坡模型的材料參數(shù)和非飽和土滲透計算的相關(guān)函數(shù)曲線取自室內(nèi)試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)（見表1、圖5～8）。

表1 滑坡材料參數(shù)取值

2.2 模型計算工況

由于受氣象水文等自然條件的影響，降雨、庫水位的變化以及地震成為云陽白龍村滑坡的主要誘發(fā)因素。按照三峽庫區(qū)工程要求，計算時分別考慮：工況一：天然狀態(tài)滑體自重＋庫水位上升到175m；工況二：天然狀態(tài)滑體自重＋庫水位175m降到145m；工況三：天然狀態(tài)滑體自重＋暴雨＋庫水位175m降到145m；工況四：天然狀態(tài)滑體自重＋庫水位145m升到175m；工況五：天然狀態(tài)滑體自重＋暴雨＋庫水位145m升到175m。根據(jù)三峽水庫運行調(diào)度情況，水位下降時降速為每天2m。按此計算，庫水位從155m上升到175m，需要10d，在此基礎(chǔ)上再設(shè)置10d的延長期以待達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，滲流計算時間一共20d；當庫水位從175m降到145m，需要15d，設(shè)置10d的延長期以待達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，滲流計算時間一共25d；當庫水位從145m升到175m，需要15d，再設(shè)置10d的延長期以待達到穩(wěn)定滲流狀態(tài)，滲流計算時間一共25d。

圖5 堆積物體積含水率

降雨條件通過降雨強度來表示。根據(jù)氣象資料和有關(guān)文獻，本次分析選取降雨強度為160mm/d，經(jīng)單位換算后為0.16m/d，降雨時間3d。模型不考慮滑坡堆積層材料抗剪強度在降雨后折減的影響。

圖6 堆積物滲透性

圖7 基巖體積含水率

圖8 基巖滲透性

2.3 滲流分析及穩(wěn)定性計算

滑坡穩(wěn)定性計算時，先根據(jù)地下水水位線、滑坡前緣庫水位的變化作為初始條件和邊界條件（圖2）運用非飽和土理論進行坡體滲流計算。

圖9 155～175m水位（10d）

圖10 保持175m水位（10d）

圖11 175～145m水位（15d）

圖12 145～175m水位（15d）

圖13 155～175m水位（10d）

進行滲流計算時，坡體外庫水位上升過程中和剛剛到達175m水位的不長的一段時間內(nèi)，坡體水位線出現(xiàn)內(nèi)凹型（圖9、圖12、圖13、圖16），即坡體內(nèi)的地下水位不是與坡體外的庫水位同步上升，而是滯后上升，其原因是由于庫水位上升初期，滑體處于非飽和狀態(tài)，此時滑體的滲透性低于庫水位升高或降低的速度（2m/d），庫水位變化比坡體內(nèi)部快，所以在坡體前緣庫水位補給地下水形成內(nèi)凹型；當庫水位停留在175m一段時間后，坡體前緣和后部的水頭差保持不變，水力梯度是一個定值，最終坡體前緣地下水位線緩慢與庫水位保持一致，坡體內(nèi)地下水保持動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)（圖10、圖14）。

圖14 保持175m水位（10d）

圖15 175（頭3天暴雨）～145m水位（15d）

圖16 145（頭3天暴雨）～175m水位（15d）

將上述工況一（圖9～12），工況二（圖13～16）的滲流分析過程得到的水位線導(dǎo)入穩(wěn)定性分析模塊用摩根斯坦普賴斯法進行滑坡穩(wěn)定性計算，得出2種工況的穩(wěn)定性系數(shù)如圖17所示。

圖17 工況一、工況二條件下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

從圖17可以看出：（1）在天然水位155m升到175m過程中穩(wěn)定性先降后升，在159m水位左右時穩(wěn)定性降到最低之后上升；庫水位從175m降到145m過程中滑坡穩(wěn)定性下降，在庫水位降至145m時穩(wěn)定性最差。（2）降雨對滑坡穩(wěn)定性的影響較大，在庫水位下降時降雨使滑坡的穩(wěn)定性顯著降低。庫水位從175m下降到145m時穩(wěn)定性系數(shù)為1.072，而有降雨時從175m降到145m穩(wěn)定性系數(shù)為1.062。

3 結(jié)語

本文在前人研究的基礎(chǔ)上進行了滲流和穩(wěn)定性計算，最后總結(jié)出以下一些初步的規(guī)律。

（1）進行滲流計算時，隨著庫水位的變化，滑體內(nèi)的滲流分為2個狀態(tài)：瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。庫水位變化初期，由于外界條件發(fā)生變化，坡體內(nèi)地下水位不斷發(fā)生變化并且有滯后現(xiàn)象，這一階段是滲流的瞬態(tài)分析。當庫水位保持穩(wěn)定一段時間之后，坡體前后水頭差不變，地下水位保持動態(tài)平衡狀態(tài)，這一階段是滲流的穩(wěn)態(tài)分析。

（2）白龍村滑坡在庫水位上升期間存在一個穩(wěn)定性較低的水位（159m左右），但之后穩(wěn)定性升高。在庫水位下降期間，穩(wěn)定性降低。

（3）降雨對白龍村滑坡穩(wěn)定性的影響較大，在不考慮降雨使得滑坡強度參數(shù)減小的情況下，降雨使滑坡的穩(wěn)定性顯著降低。

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