五尺壩地區(qū)庫(kù)岸蓄水誘發(fā)型滑坡穩(wěn)定分析

李 俊，林 鋒，丁秀美，葛海龍

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

0 引言

庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者長(zhǎng)期關(guān)注的焦點(diǎn)。庫(kù)區(qū)兩岸斜坡的穩(wěn)定與水位的波動(dòng)起伏有直接關(guān)系，關(guān)系到水上航運(yùn)交通及下游地區(qū)生命財(cái)產(chǎn)安全。Z.G.Niu等[1]研究了洪水滲透條件下堤邊坡的穩(wěn)定性并模擬了泄洪時(shí)二維非穩(wěn)定滲流場(chǎng)。近年來(lái)，已有大量有關(guān)三峽庫(kù)區(qū)滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的成果發(fā)表[2-4]。劉雪梅[5]研究了三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州區(qū)地貌特征和滑坡演化過(guò)程，提出地貌演化受內(nèi)部營(yíng)力子系統(tǒng)，外動(dòng)力子系統(tǒng)及地質(zhì)體子系統(tǒng)的綜合作用。王佳佳[6]基于GIS柵格數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用信息量理論對(duì)萬(wàn)州滑坡開展了災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，建立了易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

一般認(rèn)為，水庫(kù)滑坡主要是由于水庫(kù)蓄水或運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致岸坡水動(dòng)力條件不利而演化造成的，包括庫(kù)水位的漲落以及暴雨入滲2個(gè)方面。從宏觀上來(lái)看，庫(kù)水位變動(dòng)誘發(fā)滑坡機(jī)理主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是水庫(kù)水位變動(dòng)及浸泡引起滑坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的改變；另一個(gè)是水庫(kù)水位變動(dòng)引起滑坡受力狀態(tài)的變化。降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間影響雨水入滲和徑流排泄，會(huì)改變坡體內(nèi)的力學(xué)性質(zhì)。可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬解釋降雨引發(fā)滑坡問(wèn)題，戚國(guó)慶等[7]數(shù)值模擬了降雨入滲過(guò)程中，邊坡非飽和區(qū)基質(zhì)吸力的變化，暫態(tài)飽和區(qū)的形成、發(fā)展變化及暫態(tài)水壓力的大小和分布。張培文[8]利用降雨條件下地表水入滲和產(chǎn)流藕合的計(jì)算程序，模擬了小降雨強(qiáng)度和大雨強(qiáng)度對(duì)地下水位變化的影響。由于斜坡的非穩(wěn)定滲流模型有飽和模型和非飽和模型，浸潤(rùn)面以上為非飽和，以下為飽和，滲流計(jì)算時(shí)將整個(gè)幾何區(qū)域作為滲流區(qū)域，計(jì)算方法簡(jiǎn)單。

五尺壩滑坡于2001年9月，在暴雨作用下，滑坡體位移變形。2008年汶川地震后，一級(jí)平臺(tái)和二級(jí)平臺(tái)出現(xiàn)裂縫，受蓄水影響，變形加劇。本文借鑒前人研究的成果，剔除了對(duì)該滑坡影響小的災(zāi)害因素，只考慮滑坡體自重、降雨和地下水三種營(yíng)力作用。荷載組合工況能反映滑坡受力，評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際情況。

1 滑坡區(qū)地理及地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 滑坡區(qū)地理位置

五尺壩滑坡位于重慶市萬(wàn)州區(qū)長(zhǎng)江右 岸斜坡，緊鄰新鄉(xiāng)鎮(zhèn)和武陵鎮(zhèn)（圖1）。

圖1 五尺壩滑坡地理位置示意圖Fig.1 Location of Wuchiba landslide

1.2 滑坡區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.2.1 地形地貌

滑坡屬侵蝕堆積河谷低山丘陵地貌，主滑方向?yàn)?05o，與斜坡坡向一致，坡度10～20o，滑坡邊界特征明顯，坡體平面呈橫長(zhǎng)型，坡形外凸，剖面形態(tài)呈直線形，坡頂較平緩，后緣略呈弧型，該斜坡結(jié)構(gòu)類型為順向斜坡?；虑熬壣烊腴L(zhǎng)江，剪出口位于長(zhǎng)江江岸，現(xiàn)已沒(méi)入水下。后緣可見基巖出露，左右兩側(cè)均為山脊，中部發(fā)育一縱向沖溝，沖溝穿越整個(gè)滑體。

滑坡前緣高程120m，后緣高程255m，滑體長(zhǎng)360m，寬1500m，坡度約20o?；麦w上平臺(tái)不發(fā)育?？辈旖衣对摶麦w厚6～16m，平均厚11m，滑坡總面積54萬(wàn)m2，總體積594萬(wàn)m3?；w后緣出露基巖壁，高程在250～210m之間。中部高程210～180m之間坡面分布大片稻田和少量民房，坡面植被發(fā)育。前緣高程180m以下至江面。

1.2.2 地層巖性

研究區(qū)發(fā)育近水平地層，出露為侏羅系中統(tǒng)新田溝組（J2x）砂巖、泥質(zhì)砂巖互層及泥質(zhì)灰?guī)r；上覆較厚的第四系崩積、滑坡堆積成因的粉質(zhì)粘土夾碎塊石；滑體后緣出露基巖壁，巖性為紫紅色砂巖夾灰質(zhì)泥巖；中部高程210～180m之間巖性為粘土夾紫紅色砂巖碎塊石土。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

長(zhǎng)江水位高于滑坡前緣剪出口，屬于涉水滑坡，滑坡體內(nèi)地表水系不發(fā)育，匯集雨水通過(guò)沖溝迅速排入長(zhǎng)江?；律辖ㄓ醒咛粒行钏?。地下水類型以松散層孔隙潛水為主，主要由大氣降水補(bǔ)給，沿斜坡向下經(jīng)短途徑流，向長(zhǎng)江排泄或在坡體前緣低洼處向外滲出，排泄途徑暢通。地下水動(dòng)態(tài)主要受大氣降雨的影響，變化較大。

2 滑坡成因機(jī)制分析

五尺壩滑坡兩側(cè)寬大沖溝發(fā)育，后緣為基巖陡壁出露，有較好的發(fā)育滑坡的邊界條件?；虑熬壟R空涉江，江水常年侵蝕坡腳，削弱坡體前緣阻滑段強(qiáng)度，滑體中部發(fā)育縱向沖溝，地表水易匯集在沖溝中軟化坡體。自水庫(kù)運(yùn)行后，水位上升使坡體浸水面積增大，進(jìn)一步加劇了坡體強(qiáng)度的弱化，從滑坡變形的時(shí)間和變形現(xiàn)象上看，滑坡的發(fā)生與庫(kù)水的運(yùn)行在同一時(shí)期，滑坡變形跡象也集中在坡體前緣，中后部不明顯。所以，誘發(fā)滑坡的直接因素是庫(kù)水的周期性變化。

通過(guò)調(diào)查分析，推斷該滑坡屬于蠕滑-拉裂破壞模式，經(jīng)歷了如下三個(gè)變形破壞發(fā)展階段（圖2）。

（1）隨著長(zhǎng)江的下蝕，斜坡前緣臨空面坡體沿下伏泥巖夾層產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，向臨空方向發(fā)生蠕動(dòng)變形，潛在滑移面產(chǎn)生（圖2a）。

（2）受降雨等影響，剪應(yīng)力集中帶附近泥巖軟化、抗剪強(qiáng)度下降，后緣裂縫產(chǎn)生，地表水下滲，產(chǎn)生靜水壓力，滑體飽水加載，穩(wěn)定性急劇下降（圖2b）。

（3）滑移面孔隙水壓力增加，上覆滑體沿滑動(dòng)面產(chǎn)生滑動(dòng)變形，失穩(wěn)、解體、運(yùn)動(dòng)至坡腳停積，并在后期地質(zhì)營(yíng)力、人類活動(dòng)改造下，逐漸形成了現(xiàn)地貌特征（圖2c）。

圖2 五尺壩斜坡變形破壞發(fā)展階段Fig.2 Evolving stage of deformation and failure in Wuchiba slope

3 滑坡滲流及穩(wěn)定性分析

3.1 剖面及參數(shù)選取

五尺壩滑坡前期勘查布置有四條縱剖面，從滑坡左側(cè)的Ⅰ—Ⅰ′剖面至右側(cè)Ⅳ—Ⅳ′剖面（圖3）。根據(jù)前期鉆探資料和水文資料，確定滑帶的位置和地下水位情況，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅱ—Ⅱ′剖面和Ⅲ—Ⅲ′剖面出現(xiàn)變形，中段、北東段未見明顯變形跡象，因此選取這兩個(gè)剖面進(jìn)行分析。計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 五尺壩滑坡滲流、穩(wěn)定分析參數(shù)取值匯總

3.2 方案設(shè)計(jì)

計(jì)算采用Geostudio2007軟件中的SEEP/W模塊進(jìn)行滲流場(chǎng)模擬，計(jì)算根據(jù)勘察時(shí)期的地下水位155m作為初始水位建立穩(wěn)態(tài)工況，以它為初始狀態(tài)依次建立滲流工況。先進(jìn)行庫(kù)水位上升過(guò)程的模擬計(jì)算，然后再以上升后的穩(wěn)定水位作為初始水位進(jìn)行庫(kù)水位下降過(guò)程的模擬計(jì)算，庫(kù)水位每上升或下降到一個(gè)高度，將保持這一水位繼續(xù)計(jì)算十天內(nèi)的穩(wěn)定系數(shù)。滲流計(jì)算時(shí)，模型左右兩側(cè)采用定水頭邊界。模型剖分后有853個(gè)節(jié)點(diǎn)，1572個(gè)單元。

本文研究認(rèn)為滑體自重、庫(kù)水位升降、降雨是該滑坡失穩(wěn)的主要原因，綜合各種影響因素，計(jì)算工況如表2所示。

表2 穩(wěn)定性計(jì)算工況及荷載組合

圖3 五尺壩滑坡監(jiān)測(cè)工程平面布置Fig.3 Plane layout of monitoring project in Wuchiba landslide

考慮水庫(kù)蓄水對(duì)滑坡地下水的影響，地下水位線以上的堆積體采用天然重度進(jìn)行計(jì)算，以下的采用飽和重度，庫(kù)水位以下的堆積體采用浮重度進(jìn)行計(jì)算。水位升降速率為2m/d，當(dāng)庫(kù)水位從155m升到175m時(shí)，需要10天，在此基礎(chǔ)上再設(shè)置10天的從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的滲流期，則滲流計(jì)算共20天。從175m降至145m需要15天，加上10天穩(wěn)定滲流期則為25天；同理145m升至175m加上10天穩(wěn)定滲流期則為25天。于是前三個(gè)工況總天數(shù)共計(jì)70天。根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)情況，選取降雨強(qiáng)度為220mm/d，降雨分兩次，即水位下降至165m和再次從145m上升時(shí)開始降雨，兩次降雨歷時(shí)均為3天。

3.3 穩(wěn)定性分析

數(shù)值模擬庫(kù)水位工況組合旨在獲得滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在外界因素影響下的變化趨勢(shì)。在只考慮自重的天然斜坡，坡體內(nèi)的孔隙水壓力為負(fù)，負(fù)的孔隙水壓力可理解成基質(zhì)吸力，它能產(chǎn)生增大斜坡穩(wěn)定性的表觀粘聚力[9]，引起坡體內(nèi)塊石土抗剪強(qiáng)度的增加。對(duì)于完全處于飽和狀態(tài)的斜坡土體，基質(zhì)吸力的消減會(huì)極大地減小斜坡的穩(wěn)定性，從而可能引發(fā)坡體失穩(wěn)破壞。由圖4和圖5可以看出，庫(kù)水位經(jīng)歷了兩次上升和一次下降過(guò)程，且穩(wěn)定系數(shù)的增減與庫(kù)水位的升降呈現(xiàn)一致性變化規(guī)律。降雨明顯降低了穩(wěn)定系數(shù)，其中，Ⅱ-Ⅱ′剖面受降雨影響穩(wěn)定系數(shù)平均降低了0.05，Ⅲ-Ⅲ′剖面平均降低了0.06?？偟膩?lái)說(shuō)，Ⅲ-Ⅲ′剖面受降雨影響程度要大于Ⅱ-Ⅱ′剖面?；路€(wěn)定特征具體分析如下：

圖4 剖面Ⅱ-Ⅱ′穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.4 Change of stability coefficient versus time for profile Ⅱ-Ⅱ′

圖5 剖面Ⅲ-Ⅲ′穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of stability coefficient versus time for profile Ⅲ-Ⅲ′

（1）后緣基巖水位穩(wěn)定和無(wú)降雨的條件下，蓄水從145m至175m過(guò)程中，其位移、土壓力和孔隙水壓力的變化主要受庫(kù)水位控制?；略诠r一至工況三情況下，Ⅱ-Ⅱ′剖面的穩(wěn)定系數(shù)介于1.143～1.287之間，Ⅲ-Ⅲ′剖面的穩(wěn)定系數(shù)介于1.097～1.198，兩個(gè)剖面均處于穩(wěn)定狀態(tài)，只是Ⅲ-Ⅲ′剖面的穩(wěn)定性略差一些。庫(kù)水位的上升，滑坡前緣不斷被庫(kù)水浸沒(méi)，水面下的前緣部分相當(dāng)于受到了指向坡體的靜水壓力；此外，地下水從庫(kù)岸滲入斜坡，地下水位的上升滯后于庫(kù)水位的上升，所以穩(wěn)定系數(shù)增大。庫(kù)水位急劇降落，斜坡內(nèi)容易產(chǎn)生超孔隙水壓力，再加上斜坡趾部的坍塌，易引起斜坡大面積移動(dòng)，降低穩(wěn)定系數(shù)。

（2）工況四從第5天開始連續(xù)降雨3天后，穩(wěn)定系數(shù)呈下降趨勢(shì)，兩個(gè)剖面降雨后的穩(wěn)定系數(shù)變化范圍分別為1.074～1.228和1.051～1.157，最后都趨于定值，且都沒(méi)有低于安全系數(shù)1.05。由于滑坡后緣臨近石質(zhì)陡坡，降雨在后緣聚水，抬升基巖裂隙水水位，降雨與庫(kù)水的耦合效應(yīng)表現(xiàn)在滑體內(nèi)地下水水位的變動(dòng)，即飽水面積比變化。若浸潤(rùn)線愈陡則動(dòng)水壓力愈大，基巖水位抬升后與庫(kù)水連同，將對(duì)具有相對(duì)隔水地板滑坡產(chǎn)生承壓作用。這一系列的變動(dòng)和起伏都會(huì)給滑坡的穩(wěn)定性造成不良影響。

（3）工況五第1天連續(xù)降雨3天后，穩(wěn)定系數(shù)也下降了，但當(dāng)水位回升到155m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)又開始增加，兩個(gè)剖面最終都分別趨于一個(gè)定值，且這個(gè)最終值以Ⅱ-Ⅱ′剖面居較大?，F(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果顯示，滑體自重+暴雨+庫(kù)水位175m降到145m時(shí)，滑坡變形最大，位移具有明顯的分區(qū)特征，主要分布滑坡后緣和一級(jí)平臺(tái)、二級(jí)平臺(tái)之間，出現(xiàn)在滑坡前緣坡肩處。短期內(nèi)的集中降雨，可以在較短時(shí)間內(nèi)，使坡體內(nèi)的地下水位迅速抬升，孔隙水壓力迅速增加，坡體抗剪強(qiáng)度降低，從而使滑坡的穩(wěn)定性條件迅速惡化。另一方面，降雨滲入使土體產(chǎn)生物理化學(xué)效應(yīng)，軟化滑面，不利于滑坡的穩(wěn)定。

3.4 最不利工況組合分析

考慮到五尺壩滑坡地質(zhì)條件，結(jié)合以上數(shù)值模擬分析，認(rèn)為觸發(fā)五尺壩滑坡的降雨強(qiáng)度在220mm/d以上。該區(qū)歷史統(tǒng)計(jì)的一次降雨過(guò)程累積降雨量從未超過(guò)660mm，因此單一降雨因素觸發(fā)五尺壩滑坡失穩(wěn)的可能性較小。為了評(píng)價(jià)極端條件下滑坡的穩(wěn)定情況，計(jì)算中設(shè)定降雨強(qiáng)度達(dá)到特大暴雨級(jí)別250mm/d，水位升降降速率為3m/d，降雨歷時(shí)62天，其它方案設(shè)計(jì)同工況四和工況五。

圖6 最不利工況下穩(wěn)定系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of stability coefficient versus time under the worst condition

圖6顯示兩個(gè)剖面的穩(wěn)定系數(shù)與庫(kù)水位變化趨勢(shì)相同。可以看出，當(dāng)庫(kù)水位降落速率突然增大至3m/d時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)在很短時(shí)間內(nèi)急劇減小。Ⅱ-Ⅱ′剖面當(dāng)庫(kù)水位降落至145m時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)減至1.054，接近臨界安全系數(shù)1.05；而Ⅲ-Ⅲ′剖面的穩(wěn)定系數(shù)在水位還沒(méi)降落至最低時(shí)，已經(jīng)低于了臨界值，且水位回升到175m時(shí)才到達(dá)警戒值以上。庫(kù)水位升降速率的加快對(duì)滑體內(nèi)超孔隙水壓力有很大影響?；w內(nèi)超孔隙水壓力消散的時(shí)間決定了穩(wěn)定系數(shù)的大小，時(shí)間越長(zhǎng)，則最低水位時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)與計(jì)算初期的穩(wěn)定系數(shù)之差值越大。

所以可以認(rèn)為在極端條件下，五尺壩斜坡存在失穩(wěn)的危險(xiǎn)。應(yīng)加強(qiáng)庫(kù)水位變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和滑坡位移監(jiān)測(cè)，并做好地面的排水措施。

4 結(jié)論

（1）五尺壩滑坡地貌類型為侵蝕堆積河谷低山丘陵地貌，所處地層局部上覆較厚的第四系崩積、滑坡堆積成因的粉質(zhì)粘土夾碎塊石，由于庫(kù)水的浸泡和運(yùn)動(dòng)，使滑坡體前緣處于周期性的干濕變換環(huán)境，土體中的土顆粒或膠結(jié)物質(zhì)被帶走，使土體的力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。

（2）五尺壩滑坡為蠕滑-拉裂破壞模式，后緣基巖陡壁，前緣臨空涉江，在水的營(yíng)力和后期人類改造下形成了現(xiàn)今地貌。

（3）瞬態(tài)滲流分析了兩個(gè)剖面在水位升降和降雨條件下滑坡的穩(wěn)定性，這兩種影響因素都會(huì)降低此滑坡的穩(wěn)定性，兩種因素共同作用更會(huì)加劇穩(wěn)定系數(shù)的喪失，但對(duì)整體穩(wěn)定性影響不大。降雨與庫(kù)水位升降導(dǎo)致的滑體內(nèi)孔隙水壓力的增減決定了穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢(shì)。

（4）為了應(yīng)對(duì)極端條件滑坡災(zāi)害，評(píng)價(jià)了人為設(shè)定的工況組合引起的滑坡失穩(wěn)條件，并提出了預(yù)防措施。

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