庫(kù)水位漲落對(duì)某庫(kù)岸堆積體滑坡穩(wěn)定性研究

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 科研基地(沌口)管理辦公室，湖北 武漢 430010；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢430070)

1 研究背景

長(zhǎng)江南岸湖北省巴東縣新城某堆積體滑坡，平面呈蝶狀向北展布，屬巨型巖土混合滑坡。歷史上，該滑坡前緣臨江一帶曾多次發(fā)生不同規(guī)模的塌岸和滑坡。近年來，滑坡區(qū)發(fā)生了多起淺表層或局部滑坡，給當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅或帶來?yè)p失。

三峽水庫(kù)蓄水以來，由于防洪需要，庫(kù)水位在175～145 m范圍內(nèi)變動(dòng)。庫(kù)水位的抬升和周期性漲落，改變了岸坡原有的水-巖作用環(huán)境與條件，成為誘發(fā)水庫(kù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素。

本文根據(jù)已有地質(zhì)勘查資料和前人相關(guān)研究成果，建立Ⅰ號(hào)崩滑堆積體滑坡的地質(zhì)概化模型，根據(jù)滑坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀對(duì)滑帶力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析論證。據(jù)此對(duì)175 m水位、175 m水位消落至145 m水位以及疊加地震等工況的滑坡穩(wěn)定性作出分析和評(píng)價(jià)。

2 滑坡基本地質(zhì)特征

Ⅰ號(hào)崩滑堆積體滑坡后緣高程在290～250 m，前緣直抵長(zhǎng)江，高程90～70 m。堆積體南北向最大長(zhǎng)度770 m，東西寬450～500 m，面積 32.50萬m2。崩滑體平均厚度為 69.40 m，一般為60～80 m，前緣薄，中上部厚，最大厚度為95.27 m，最小厚度為31.66 m。

堆積體物質(zhì)成分以塊石土為主，次為碎石夾(含)粘性土，碎石土呈透鏡體狀分布，三類土的體積比約為6∶3∶1。塊石土塊徑一般60～200 cm，部分300～500 cm，極少數(shù)大于500 cm。塊石與塊石間多夾(含)有碎石、碎石土，土石比1∶9～2∶8。塊石土累計(jì)厚度一般為40～60 m，多分布于135 m高程以上地帶。碎石夾(含)土，土石比2∶8～3∶7，碎石多呈棱角狀至次棱角狀，極少數(shù)呈次圓狀。黏性土一般為砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土。該層主要分布于135 m高程以下地帶，累計(jì)厚度35～70 m。碎石土與土石比約為6∶4～8∶2，呈透鏡體狀分布于塊石、碎石層中。碎石直徑一般為2～5 cm，少數(shù)為10～15 cm，多呈次棱角狀，接近基巖面的碎石多具弱至中風(fēng)化特征，少數(shù)強(qiáng)風(fēng)化。土體以粉質(zhì)粘土為主，呈可塑—硬塑狀態(tài)。單層厚度 0.1～1.0 m，少數(shù) 5.0～10.0 m。崩滑體物質(zhì)來源為巴東組第三段，堆積體中塊石為灰色灰?guī)r或淺灰色泥巖[1]。

3 滑坡變形特征及地下水位監(jiān)測(cè)分析

堆積體滑坡布置有5個(gè)傾斜儀監(jiān)測(cè)孔?；麦w前緣中部測(cè)孔因堆積體與基巖接觸面位移過大而使測(cè)斜管破壞，滑動(dòng)帶埋深為 63.5～64.5 m，為基巖界面，最大A向累計(jì)位移 55.54 mm?；麦w中部測(cè)孔測(cè)得滑動(dòng)帶埋深為78～79.5 m，為基巖界面，最大A向累計(jì)位移 21.63 mm。滑坡體中部?jī)蓚€(gè)測(cè)孔分別測(cè)得滑動(dòng)帶埋深為 69.5～70 m和78～79.5 m，為基巖界面，最大A向累計(jì)位移分別為40.34 mm和42.39 mm?；麦w中后緣西側(cè)測(cè)孔測(cè)得滑動(dòng)帶埋深為44～46 m，為基巖界面，最大A向累計(jì)位移59.6 mm。

堆積體區(qū)域布置GPS衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)9個(gè)， 4個(gè)位于滑坡體前部， 4個(gè)位于中部，1個(gè)位于后部，測(cè)得最大累計(jì)位移量為164 mm?；麦w布設(shè)有3個(gè)地下水位長(zhǎng)觀孔。后緣孔水位變化與長(zhǎng)江水位無直接聯(lián)系，與降雨量有一定關(guān)系。在連續(xù)降雨及持續(xù)干旱期時(shí)，孔內(nèi)水位表現(xiàn)為漸升或緩降，滯后期較長(zhǎng)。中部孔地下水主要接受江水及后緣滑坡孔隙裂隙水的補(bǔ)給，地下水位略高于長(zhǎng)江水位，水位上漲略有滯后。前緣孔內(nèi)地下水接受江水的側(cè)向補(bǔ)給，孔內(nèi)水位與長(zhǎng)江水位變化基本同步。

4 滑帶力學(xué)參數(shù)論證

在分析滑坡變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取典型剖面建立滑坡的地質(zhì)概化模型，根據(jù)滑坡的穩(wěn)定現(xiàn)狀采用極限平衡法對(duì)滑帶力學(xué)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，通過對(duì)滑帶力學(xué)參數(shù)的不同組合，研究不同參數(shù)取值情況下滑坡的安全系數(shù)，并對(duì)其參數(shù)的合理取值予以論證。

采用極限平衡法對(duì)Ⅰ號(hào)崩滑堆積體基巖面力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了15組參數(shù)敏感性分析，φ，c值分別在19°～21°和25～29 kPa之間變動(dòng)，不同工況下滑坡安全系數(shù)相應(yīng)在0.998～1.119之間變化。當(dāng)φ，c值分別取為20°和26 kPa時(shí)，不同工況下Ⅰ號(hào)崩滑堆積體安全系數(shù)在1.048～1.056之間，接近臨界狀態(tài)，與Ⅰ號(hào)崩滑堆積體目前的穩(wěn)定現(xiàn)狀較為符合，故下面的分析中，按此參數(shù)對(duì)Ⅰ號(hào)崩滑堆積體基巖面進(jìn)行計(jì)算分析。

5 滑坡穩(wěn)定性研究

5.1 計(jì)算模型及參數(shù)取值

采用有限差分法、有限元法和極限平衡法，研究對(duì)庫(kù)水漲落對(duì)堆積體滑坡的穩(wěn)定性的影響。其中，有限差分法采用美國(guó)Itasca咨詢公司開發(fā)的FLAC2D程序，有限元法采用加拿大多倫多大學(xué)開發(fā)的Phase2程序，極限平衡法采用M-P法。

邊坡整體安全系數(shù)的數(shù)值計(jì)算采用強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)法，以變形開始不收斂時(shí)的安全系數(shù)為邊坡安全系數(shù)[2-5]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到邊坡各類巖層材料的物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算模型中所涉及的邊坡各類巖層材料參數(shù)采用值見表1，計(jì)算模型見圖1?；麦w內(nèi)的地下水滲流場(chǎng)極其復(fù)雜，采用數(shù)值模擬很難與實(shí)際相符，進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析時(shí)依據(jù)實(shí)測(cè)地下水位資料進(jìn)行分析，不同水位條件下滑坡地下水位線見圖2。

表1 邊坡物理力學(xué)參數(shù)采用值

圖1 Ⅰ號(hào)崩滑堆積體滑坡數(shù)值計(jì)算模型

圖2 Ⅰ號(hào)崩滑堆積體滑坡地下水位線示意

5.2 計(jì)算工況

根據(jù)三峽水庫(kù)不同的蓄水運(yùn)行工況，考慮了如下工況： ①工況1，135 m水位； ②工況2，156 m水位(滑坡前緣長(zhǎng)江水位為154 m)； ③工況3，175 m水位；④工況4，175 m水位快速降落至145 m水位；⑤工況5，175 m水位快速降落至145 m水位，疊加地震工況(按Ⅶ度地震烈度，水平峰值加速度為0.1g)。

5.3 堆積體滑坡穩(wěn)定性分析

對(duì)應(yīng)于各計(jì)算工況滑坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖4～5為滑坡極限破壞時(shí)的剪應(yīng)變率等色區(qū)圖；圖6～7為滑坡極限狀態(tài)下的位移矢量圖。

圖3 不同計(jì)算方法滑坡安全系數(shù)對(duì)比

圖4 滑坡極限破壞時(shí)的剪應(yīng)變率(有限元法)

圖5 滑坡極限破壞時(shí)的剪應(yīng)變率(有限差分法)

圖6 滑坡極限狀態(tài)位移矢量(蓄水工況)

圖7 滑坡極限狀態(tài)位移矢量(水位驟降工況)

當(dāng)水位從135 m抬升到175 m時(shí)，兩種數(shù)值方法計(jì)算的結(jié)果均顯示,Ⅰ號(hào)崩滑堆積體安全系數(shù)有所增加，其中有限元結(jié)果安全系數(shù)由1.03增加到1.10，有限差分法的結(jié)果安全系數(shù)由1.02增加到1.05。兩種方法結(jié)果較為接近,且均反映出Ⅰ號(hào)崩滑堆積體安全系數(shù)隨水位上升而有所增加這一規(guī)律。

考慮水位從175 m快速降落至145 m時(shí)，有限元和有限差分法得到的安全系數(shù)分別由1.10降到0.99，1.05降到1.03，安全系數(shù)降低幅度在2%～10%；疊加地震作用后，安全系數(shù)則降為 0.89和 0.95，安全系數(shù)降低幅度在8%～10%之間。計(jì)算結(jié)果表明，隨著庫(kù)水位的抬升，Ⅰ號(hào)崩滑堆積體安全系數(shù)有所增加；在庫(kù)水位從175 m降落至145 m水位時(shí)，安全系數(shù)有所減??；此時(shí)若疊加地震等因素，安全系數(shù)將進(jìn)一步降低。

從多種方案計(jì)算的最大剪應(yīng)變率等色區(qū)可以看出，滑坡的最大剪應(yīng)變率等色區(qū)均發(fā)生在滑帶部位，并貫穿整條滑帶。從滑坡極限狀態(tài)的位移矢量圖可以看出，滑坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)滑帶及其上部滑體部位的巖土體產(chǎn)生了很大的變形，整體位移趨勢(shì)向下并朝坡外, 滑移方向基本上平行于滑面，在滑帶與下部基巖部位出現(xiàn)明顯的不連續(xù)特征。

水庫(kù)蓄水至135，156 m和175 m時(shí)，滑體前緣坡體受水的浮托力作用，有整體朝上的位移趨勢(shì)，同時(shí)還有朝坡外變形的趨勢(shì)?；w向上的位移一般為 2.0～3.0 cm，水平朝坡外的位移分量在2.0～3.5 cm之間。隨水位抬升，滑體向上位移有增大的趨勢(shì)。

175 m水位快速降落至145 m水位時(shí)，坡前145 m以下坡體有朝坡外的位移趨勢(shì)，水平向位移量值約 0.4～1.0 cm；145 m以上的坡體變形趨勢(shì)向下略朝坡外，鉛直向位移量值一般為 0.3～1.8 cm。疊加地震荷載后邊坡變形基本以平行滑面指向坡外為主，由于該工況下邊坡安全系數(shù)已經(jīng)小于1，計(jì)算得出的位移場(chǎng)僅代表滑坡的位移趨勢(shì)，其具體數(shù)值意義不大，故不再敘述。

6 結(jié) 論

Ⅰ號(hào)崩滑堆積體是一個(gè)以基巖順層滑移為主的巨型滑坡。監(jiān)測(cè)成果表明，三峽水庫(kù)蓄水是導(dǎo)致滑坡深部變形啟動(dòng)及發(fā)展的主要原因。

鑒于滑帶物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)參數(shù)具有高度的非均勻性、空間變異性，其力學(xué)參數(shù)取值采用反演分析方法獲得。采用剛體極限平衡法、有限元、有限差分法3種不同計(jì)算方法得到的滑坡安全系數(shù)值均較為接近，起到了相互驗(yàn)證的作用，也反映出一些規(guī)律性的結(jié)論。

Ⅰ號(hào)崩滑堆積體在水位從135 m抬升到175 m過程中，安全系數(shù)有所增加，不同方法計(jì)算結(jié)果均反映出這一規(guī)律。水位從175 m快速降落至145 m時(shí)，安全系數(shù)有所降低，降幅在2%～10%之間；疊加地震作用后，安全系數(shù)進(jìn)一步降低，降幅在8%～10%之間，此時(shí)滑坡安全系數(shù)已經(jīng)小于1，邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，建議要采取有效的工程治理措施。

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