三峽庫區(qū)水庫塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響分析

郭 振 王 剛 王世梅

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧 錦州 121000)

三峽庫區(qū)水庫塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響分析

郭 振1王 剛2王世梅1*

(1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.遼寧工程勘察設(shè)計(jì)院，遼寧 錦州 121000)

介紹了三峽庫區(qū)三種塌岸位置分布情形，并運(yùn)用岸坡結(jié)構(gòu)法預(yù)測(cè)了滑坡塌岸范圍，最后通過Slope/w軟件，計(jì)算分析了三個(gè)典型滑坡塌岸前、后的穩(wěn)定性，定量評(píng)價(jià)了三種典型塌岸位置分布對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

三峽水庫，塌岸，滑坡，穩(wěn)定性

0 引言

根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析，三峽庫區(qū)現(xiàn)已查證涉水滑坡達(dá)2 000余處[1]。庫水周期性升降，庫岸自然條件發(fā)生顯著變化，造成侵蝕基準(zhǔn)面和地下水位的抬高[2]。各類松散堆積體和軟巖組成的庫岸，在受到庫水浸泡軟化、風(fēng)浪沖擊侵蝕和干濕循環(huán)的長(zhǎng)期作用下，岸坡消落帶普遍呈現(xiàn)不同程度的塌岸現(xiàn)象，可能誘發(fā)滑坡失穩(wěn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)三峽庫區(qū)滑坡受降雨和庫水作用做了大量研究[3,4]，缺少塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響研究，并且在滑坡地質(zhì)評(píng)價(jià)中往往忽略塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，在滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析中亦沒有考慮塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。為此，針對(duì)三峽庫區(qū)典型涉水滑坡進(jìn)行塌岸調(diào)查和分析，在此基礎(chǔ)上將塌岸范圍與滑坡下滑段及阻滑段的相對(duì)位置進(jìn)行分類；針對(duì)不同塌岸位置，分析和討論塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響；利用Slope/w軟件對(duì)三個(gè)典型滑坡塌岸前、后的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算和分析，定量評(píng)價(jià)了三種典型塌岸位置分布對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。研究成果對(duì)正確評(píng)價(jià)三峽水庫塌岸對(duì)滑坡長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響具有較好的借鑒意義。

1 三峽庫區(qū)滑坡塌岸發(fā)育分布特征

由三峽庫區(qū)滑坡發(fā)育階段及演化模式[5,6]分析可知：滑坡滑體分為阻滑段和下滑段兩部分，滑坡滑面后緣傾角較陡而前緣傾角平緩甚至反傾，滑動(dòng)力主要來源于滑坡后緣，而抗滑力主要依靠滑坡前緣。

通過野外地質(zhì)調(diào)查，三峽庫區(qū)塌岸與滑坡阻滑段及下滑段的相對(duì)位置關(guān)系有3類：塌岸范圍位于滑坡阻滑段，如圖1所示；塌岸范圍位于阻滑段和下滑段之間，如圖2所示；塌岸范圍位于滑坡下滑段，如圖3所示。

2 塌岸位置對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響分析

為了便于研究塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，在極限平衡法[7,8]

基礎(chǔ)上對(duì)滑體做以下簡(jiǎn)化和假定：1)將滑體分為條塊ABD和條塊CBD，由計(jì)算可知：點(diǎn)D是下滑段和阻滑段交界，即滑動(dòng)面的傾角為內(nèi)摩擦角φ；2)假定滑體粘聚力和內(nèi)摩擦角為定值?；w進(jìn)行受力分析如圖4所示。

由圖4可知：作用在滑體上的抗滑力Ti和下滑力Ri分別為：

Ti=Nitanφ+cli；

Ri=Wisinθi。

故滑體穩(wěn)定性系數(shù)：

其中，W1，W2分別為塊體CBD和ABD的重量;θ1，θ2分別為下滑段滑面傾角和阻滑段滑面傾角；φ為滑體的內(nèi)摩擦角；c為滑體粘聚力。

通過計(jì)算Fs，F(xiàn)s1可知：Fs

通過計(jì)算Fs，F(xiàn)s2可知：Fs>Fs2，即塌岸在滑坡阻滑段時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)增大。

3)當(dāng)塌岸范圍涉及滑坡下滑段和阻滑段時(shí)，根據(jù)1)和2)可知，若塌岸位于下滑段使得滑坡穩(wěn)定性增加值小于塌岸位于阻滑段使得滑坡穩(wěn)定性減小值，滑坡整體穩(wěn)定性增加；若塌岸位于下滑段使得滑坡穩(wěn)定性增加值大于塌岸位于阻滑段使得滑坡穩(wěn)定性減小值，滑坡整體穩(wěn)定性減小；若塌岸位于下滑段使得滑坡穩(wěn)定性增加值等于塌岸位于阻滑段使得滑坡穩(wěn)定性減小值，滑坡整體穩(wěn)定性不變。

3 三種塌岸位置典型滑坡塌岸范圍預(yù)測(cè)

為了定量研究三種塌岸位置對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，首先針對(duì)三種塌岸位置選取典型滑坡，并進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。本節(jié)介紹山區(qū)河道型塌岸預(yù)測(cè)方法——岸坡結(jié)構(gòu)法，并應(yīng)用該方法對(duì)三峽庫區(qū)白家包滑坡、八字門滑坡及蓮花陀2號(hào)滑坡進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)。

3.1 塌岸預(yù)測(cè)方法

水庫塌岸預(yù)測(cè)理論起源于前蘇聯(lián)-卡丘金法和佐洛塔廖夫法[9-13]，在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者許強(qiáng)針對(duì)山區(qū)河道型水庫邊岸提出了岸坡結(jié)構(gòu)法。具體步驟[14]為：1)以死水位A為起點(diǎn)，以不同物質(zhì)的水下堆積坡角η1，…，ηn為傾角依次作線，與設(shè)計(jì)低水位線相交于點(diǎn)B結(jié)束；2)以B點(diǎn)為起點(diǎn)，以不同物質(zhì)的沖磨蝕坡角α1，…，αn依次作線，與設(shè)計(jì)高水位線相交于點(diǎn)C結(jié)束；3)C點(diǎn)為起點(diǎn)，以不同物質(zhì)的水上穩(wěn)定坡角β1，…，βn為傾角依次作線，與岸坡地形線相交于點(diǎn)D結(jié)束。則由依次連接A，L，B，M，C，N，E成折線為塌岸預(yù)測(cè)線，見圖5。

3.2 典型滑坡塌岸范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)三種塌岸位置分別選取與之對(duì)應(yīng)的滑坡：1)塌岸位于滑坡下滑段選取蓮花陀2號(hào)滑坡；2)塌岸位于滑坡阻滑段選取白家包滑坡；3)塌岸位于滑坡下滑段與阻滑段之間選取八字門滑坡。根據(jù)白家包滑坡、八字門滑坡及蓮花陀2號(hào)滑坡地質(zhì)主剖面圖，采用岸坡結(jié)構(gòu)法進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)，其中塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)由野外調(diào)查統(tǒng)計(jì)并參考有關(guān)研究[15]得出香溪河庫岸段塌岸后的穩(wěn)定坡角如表1所示，白家包滑坡、八字門滑坡及蓮花陀2號(hào)滑坡塌岸預(yù)測(cè)圖見圖6～圖8。

表1 香溪河庫岸段塌岸后穩(wěn)定坡角 (°)

4 三種塌岸位置典型滑坡穩(wěn)定性受塌岸影響評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算方法及參數(shù)

1)計(jì)算方法。

本文采用巖土工程有限元分析軟件Geo-Studio中的Slope/w模塊進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，其計(jì)算原理為極限平衡法，包括Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等，其中Morgenstern-Price法可對(duì)任意曲線形狀的滑裂面進(jìn)行分析，既滿足力平衡又滿足力矩平衡條，是國(guó)際公認(rèn)的最嚴(yán)密的邊坡穩(wěn)定性分析方法[16]，這里采用Morgenstern-Price法進(jìn)行典型滑坡的穩(wěn)定性計(jì)算。

2)計(jì)算參數(shù)。

選取白家包滑坡、八字門滑坡及蓮花陀2號(hào)滑坡塌岸前后地質(zhì)剖面圖建立相應(yīng)的計(jì)算模型，見圖6～圖8。

根據(jù)《白家包滑坡地質(zhì)勘查報(bào)告》《八字門滑坡地質(zhì)勘查報(bào)告》《蓮花陀2號(hào)滑坡分析報(bào)告》及三峽庫區(qū)滑坡滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律[17]綜合確定，見表2～表4。

表2 白家包滑坡體計(jì)算參數(shù)表

表3 八字門滑坡體計(jì)算參數(shù)表

表4 蓮花陀2號(hào)滑坡體計(jì)算參數(shù)表

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

三個(gè)典型滑坡塌岸前后的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果列于表5。由表5分析可知，白家包滑坡塌岸前穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，塌岸后穩(wěn)定性系數(shù)為0.985 1，滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，塌岸前后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低了5%，表明塌岸位于滑坡阻滑段時(shí)，塌岸會(huì)使滑坡穩(wěn)定性降低，對(duì)滑坡穩(wěn)定性不利。蓮花陀2號(hào)滑坡塌岸前穩(wěn)定性系數(shù)為1.086，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，塌岸后穩(wěn)定性系數(shù)為1.112，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，塌岸前后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增加了2.4%，表明塌岸位于滑坡下滑段時(shí)，塌岸會(huì)使滑坡穩(wěn)定性增大，對(duì)滑坡穩(wěn)定性有利。八字門滑坡塌岸前穩(wěn)定性系數(shù)為1.026，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，塌岸后穩(wěn)定性系數(shù)為1.031，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，塌岸前后滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增加了0.5%，表明塌岸位于滑坡下滑段和阻滑段時(shí)，塌岸位于下滑段使得滑坡穩(wěn)定性增加值小于塌岸位于阻滑段使得滑坡穩(wěn)定性減小值，滑坡整體穩(wěn)定性增加。

表5 滑坡塌岸前后穩(wěn)定性變化

5 結(jié)語

1)塌岸在滑坡上的位置分布三種情況：塌岸位于滑坡阻滑段，塌岸位于滑坡下滑段，塌岸位于滑坡阻滑段和下滑段之間。塌岸范圍位于滑坡阻滑段時(shí)，塌岸使滑坡穩(wěn)定性降低；塌岸范圍位于滑坡下滑段時(shí)，塌岸使滑坡穩(wěn)定性增大；塌岸范圍位于滑坡下滑段和阻滑段之間時(shí)，塌岸對(duì)滑坡穩(wěn)定性要具體分析。

2)白家包滑坡塌岸發(fā)生在滑坡阻滑段，八字門滑坡塌岸涉及滑坡阻滑段和下滑段，蓮花陀2號(hào)滑坡塌岸發(fā)生在滑坡下滑段。

3)通過塌岸預(yù)測(cè)及數(shù)值模擬計(jì)算，白家包滑坡前緣塌岸會(huì)使滑坡整體穩(wěn)定性降低了5%，對(duì)滑坡穩(wěn)定性不利；八字門滑坡塌岸會(huì)使滑坡整體穩(wěn)定性增加0.5%，對(duì)滑坡穩(wěn)定性有利；蓮花陀2號(hào)滑坡塌岸會(huì)使滑坡整體穩(wěn)定性增加2.4%，對(duì)滑坡穩(wěn)定性有利。

[1] 劉傳正.長(zhǎng)江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因與評(píng)價(jià)研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

[2] 張卓遠(yuǎn),王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[3] 梁學(xué)戰(zhàn).三峽庫區(qū)水位升降作用下岸坡破壞機(jī)制研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013.

[4] 秦洪斌.三峽庫區(qū)庫水與降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理及復(fù)活判據(jù)研究[D].宜昌:三峽大學(xué),2011.

[5] 黃潤(rùn)秋,許 強(qiáng).中國(guó)典型災(zāi)難性滑坡[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[6] 賀可強(qiáng),陽吉寶,王思敬.堆積層滑坡位移力學(xué)理論及其應(yīng)用——三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡例析[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[7] 鄒廣電,魏汝龍.土坡穩(wěn)定分析普遍極限平衡法數(shù)值解的理論及方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006(2):363-370.

[8] 鄭 宏,李春光,李焯芬,等.求解安全系數(shù)的有限元法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002(5):626-628.

[9] 王躍敏,唐敬華,凌建明.水庫坍岸預(yù)測(cè)方法研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000(5):569-571.

[10] 張文春,陳劍平,張 麗.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三峽庫區(qū)豐都縣水庫塌岸預(yù)測(cè)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2010(2):378-382.

[11] 闕金聲.三峽工程涪陵區(qū)水庫塌岸非線性預(yù)測(cè)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

[12] 吳 新,邵華澤.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的水庫塌岸預(yù)測(cè)研究[J].吉林水利，2015(6):5-7.

[13] 彭仕雄.水庫塌岸預(yù)測(cè)的現(xiàn)狀及沖堆平衡法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014(11):2332-2340.

[14] 許 強(qiáng),劉天翔,湯明高,等.三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測(cè)新方法——岸坡結(jié)構(gòu)法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(3):110-115.

[15] 湯明高,許 強(qiáng),黃潤(rùn)秋,等.三峽庫區(qū)塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)及其影響因素研究[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(5):460-464.

[16] 朱大勇,李焯芬,黃茂松,等.對(duì)3種著名邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法的改進(jìn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(2):183-194.

[17] 李遠(yuǎn)耀,殷坤龍,柴 波,等.三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，2008(5):1419-1424.

Analysis of landslide stability of the Three Gorges Reservoir bank collapse

Guo Zhen1Wang Gang2Wang Shimei1*

(1.CollegeofCivilEngineering&Architecture，ChinaThreeGorgesUniv.，Yichang443002，China； 2.InstituteofEngineeringInvestigation&DesignofLiaoningProvince，Jinzhou121000，China)

According to the distribution of the three bank collapse position, predict the scale of bank collapse by using bank structure method. Then, the Slope/w module of Geo-Studio numerical simulation method is used to calculate the stability of the typical landslide to quantitatively evaluate the impact of bank collapse on landslide stability.

Three Gorges Reservoir, bank collapse, landslide, stability

1009-6825(2017)03-0044-03

2016-11-14

郭 振(1990- )，男，在讀碩士

王世梅(1965- )，女，博士生導(dǎo)師，教授

P642.21

A