庫(kù)水位變化下滑坡滲流機(jī)制與穩(wěn)定性分析

陳忠潤(rùn) 王邦林

【摘 要】我國(guó)大型滑坡發(fā)生的巖土介質(zhì)主要有巖質(zhì)滑坡、土層滑坡和松散堆積層滑坡。同時(shí)，滑坡也包含崩、滑堆積體和處于穩(wěn)定狀態(tài)的崩、滑堆積體，以及正在變形中的邊坡。大量水庫(kù)滑坡都與庫(kù)水位變化有關(guān)。本文分析了庫(kù)水位變化下滑坡滲流機(jī)制與穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】庫(kù)水位變化；下滑坡；滲流機(jī)制；穩(wěn)定性

1、庫(kù)水位變化下滑坡穩(wěn)定性分析

1.1邊界條件

根據(jù)水文地質(zhì)條件確定模型的邊界條件，假定滑體與基巖均為均質(zhì)材料，滑坡模型x向橫長(zhǎng)600m，y向縱高500m，底端施加固定約束，左右兩端施加法向約束。

（1）上下邊界：上表面為自由滲透邊界，下底面為不透水邊界。

（2）左右邊界：水位以上兩側(cè)邊界為零流量邊界，水位以下為給定水頭邊界，大小為該處位置水頭。其中，左邊界的水頭高度為初始地下水水位高度，右邊界的初始水位與實(shí)際水位之間為庫(kù)水位變水頭邊界，初始水頭145m，分析穩(wěn)態(tài)滲流作用，滲流結(jié)果作為庫(kù)水位變化過(guò)程中暫態(tài)分析的初始條件。即計(jì)算時(shí)以蓄水前坡體天然狀態(tài)為初始條件，蓄水期庫(kù)水位作為邊界條件施加在坡面上。

某斜坡體前緣為長(zhǎng)江，巖土界面傾角陡，斜坡規(guī)模為千萬(wàn)方量級(jí)，系特大型坡體，分析取典型二維G3–3剖面。計(jì)算工況為：（1）靜水位：自重+地表荷載+水庫(kù)水位（145，175m）+20年一遇暴雨；（2）動(dòng)水位：自重+地表荷載+水庫(kù)水位在145～175m范圍升降+20年一遇暴雨。

采用位移收斂準(zhǔn)則，容許限值為1×10-5m，材料分滑床和滑體，為 Mohr-Coulomb 理想彈塑性材料，二維模型網(wǎng)格劃分成四邊形和三角形單元，基巖劃分尺寸取4m，滑面處細(xì)化處理，共10107個(gè)節(jié)點(diǎn)，10015 個(gè)單元。坡體在靜水位下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在庫(kù)水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，水位由175m降至145 m時(shí)，穩(wěn)定性達(dá)到最低，為最危險(xiǎn)工況，同時(shí)也表明最危險(xiǎn)水力條件是庫(kù)水位下降，而并非庫(kù)水位上升或最高庫(kù)水位。建立庫(kù)水位由 175 m 降至145 m邊坡模型，并計(jì)算出的穩(wěn)定性，結(jié)果F=0.968，即在水庫(kù)運(yùn)營(yíng)、降雨等因素引起的庫(kù)水位升降時(shí)，邊坡可能發(fā)生滑動(dòng)，需要進(jìn)行治理。我們可以看出，地下水位線(xiàn)均隨著庫(kù)水的下降而下降，庫(kù)水滲出坡體，形成向坡體外的動(dòng)水壓力作用，滑坡體內(nèi)地下水位線(xiàn)的下降滯后于庫(kù)水位的下降，并存在內(nèi)外水頭差，地下水位線(xiàn)普遍呈現(xiàn)上凸趨勢(shì)。

2、滲流滑坡機(jī)制

2.1水位上升階段

庫(kù)水位上升時(shí)，坡體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)上升，浸潤(rùn)線(xiàn)以下飽和區(qū)域增大，浸潤(rùn)線(xiàn)以上非飽和區(qū)域減小。水分在非飽和土中受土壤吸力控制，由吸力低處向吸力高處運(yùn)動(dòng)，即水由飽和區(qū)穿過(guò)浸潤(rùn)線(xiàn)進(jìn)入非飽和區(qū)，與此同時(shí)浸潤(rùn)線(xiàn)也在不斷抬升，使非飽和土體積含水量增加，基質(zhì)吸力（即負(fù)孔隙水壓力）逐漸喪失，達(dá)到飽和時(shí)，基質(zhì)吸力為0，此時(shí)的滲透系數(shù)變?yōu)轱柡蜐B透系數(shù)?；|(zhì)吸力的分布特征導(dǎo)致了坡體由上往下強(qiáng)度的逐層弱化。水位上升對(duì)滑坡的影響具體可分為兩方面考慮：

（1）坡體內(nèi)的水位上升會(huì)滯后于庫(kù)水位，出現(xiàn)水位差，水向坡體內(nèi)入滲，產(chǎn)生沿坡內(nèi)方向的動(dòng)水滲透壓力和空隙靜水壓力，當(dāng)升至175m后，仍有施加坡體的靜水壓力作用，且前緣為下滑段，水下部分受到水的浮力作用，使下滑力減小，這些均是對(duì)滑坡穩(wěn)定的有利影響。

（2）水向堆積體內(nèi)入滲，土顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)被溶解使土體黏聚力降低，土粒間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng)使內(nèi)摩擦角減小，即水通過(guò)物理的化學(xué)的作用使土的抗剪強(qiáng)度降低了，與基巖接觸處（滑面）有效應(yīng)力減小，抗滑阻力降低，成為對(duì)滑坡的不利影響。不利因素的影響大于有利因素，所以蓄水過(guò)程中，坡體整體穩(wěn)定性是下降的。

2.2水位下降階段

庫(kù)水從最高峰消落時(shí)，由于土體的持水性，使浸潤(rùn)線(xiàn)的下降滯后于庫(kù)水位，造成孔隙水壓力的梯度變化較大，坡體內(nèi)具有較高的孔隙水壓（超孔隙水壓力）且不能及時(shí)消散，形成非穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)，對(duì)周?chē)馏w骨架產(chǎn)生向臨空面及向下的滲流動(dòng)水壓力（動(dòng)態(tài)擴(kuò)張力），同時(shí)由水頭差產(chǎn)生的靜水壓力相當(dāng)于對(duì)前緣施加了一個(gè)推力。運(yùn)動(dòng)著的地下水“拖拽”土體或土粒向滲流方向前進(jìn)，并軟化土體，此時(shí)滲透力占主導(dǎo)，大于浮力作用，且在飽和區(qū)、非飽和區(qū)均存在滲流，隨后滑體孔隙水壓力逐漸消散，土體由飽和變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)，浸潤(rùn)面下降達(dá)到穩(wěn)定，形成穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)。在坡表，除了降雨可能產(chǎn)生徑流沖刷土體外，庫(kù)水下降產(chǎn)生黏滯力向下?tīng)恳龓?dòng)坡面土體，對(duì)前緣坡體進(jìn)行侵蝕、浸泡、掏空，反復(fù)循環(huán)作用下，逐漸促進(jìn)前緣蠕滑、溶蝕、解體。

2.3滑坡機(jī)制

天然的坡體會(huì)在形成過(guò)程中由于整體的卸荷回彈變形，在坡頂形成拉張應(yīng)力區(qū)，出現(xiàn)風(fēng)化裂隙、溶蝕裂隙，某坡體為堆積層滑坡體，土石混合體松散堆積于基巖面之上，壓實(shí)度低、孔隙比大、孔隙分布多、透水性強(qiáng)、易變形，下覆基巖為灰?guī)r、泥灰?guī)r，為弱透水層，同時(shí)，庫(kù)區(qū)受大氣降水補(bǔ)給引起水位的改變。降雨入滲弱化了巖土體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度參數(shù)c，增大了土體體積含水率和坡體重度，以及水在坡體內(nèi)運(yùn)移產(chǎn)生的滲流力（動(dòng)水壓力作用）和黏土侵蝕軟化引起的膨脹，均使下滑力增大；上層滯水及地下水向下滲流匯聚為滑體下基巖承壓含水層，在基巖與堆積層間形成層狀含水體或統(tǒng)一的潛水面，潤(rùn)滑軟化坡體且產(chǎn)生浮托作用，通過(guò)土骨架起作用的有效應(yīng)力減小了，摩阻力變小，導(dǎo)致抗滑力減??；地下水與雨水?dāng)D入張性裂隙，使水壓力增大形成高壓水流，促進(jìn)裂隙張大，相當(dāng)于對(duì)前面堆積層土體施加一個(gè)推力，同時(shí)裂縫受到較大的側(cè)向壓力，拉裂向坡內(nèi)擴(kuò)展或產(chǎn)生新裂隙繼續(xù)發(fā)育，結(jié)構(gòu)面及節(jié)理裂隙處的巖土體泥化膨脹，并在軟弱處產(chǎn)生一個(gè)剪應(yīng)力使破壞面逐漸貫通，進(jìn)一步加劇堆積體的變形和位移；中部坡體承受上部坡體的變形擠壓作用而逐漸積累應(yīng)力和應(yīng)變能，對(duì)上部坡體的阻擋作用也越來(lái)越弱，同時(shí)推動(dòng)下部坡體，產(chǎn)生擠壓變形，發(fā)生累進(jìn)性破壞；堆積體本身是一種亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的土體，具有沿基巖面滑移的潛勢(shì)，其潛在滑移面會(huì)通過(guò)處于地下水位線(xiàn)以上的具有負(fù)孔隙水壓力的非飽和土，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)即沿軟弱面滑出，發(fā)生滑坡。

3、結(jié)論

（1）水對(duì)邊坡產(chǎn)生機(jī)械的、物理的、化學(xué)的相互作用，使土體性質(zhì)劣化，與土體間發(fā)生的相互作用，也不斷改變雙方的力學(xué)形態(tài)和特性，因此必須考慮水土相互作用。水在坡體中起到了頂托、楔裂、促動(dòng)的作用，坡頂張拉裂隙積水對(duì)維持坡體穩(wěn)定不利，裂隙發(fā)育，是主要構(gòu)造作用因素；結(jié)構(gòu)面破壞，是變形的主要影響因素；破壞結(jié)構(gòu)面累進(jìn)貫通形成滑移面是滑坡的直接因素。

（2）基巖穩(wěn)固，整體穩(wěn)定性的核心在于上覆堆積層坡體，滑坡的作用影響因素為動(dòng)水壓力，庫(kù)水作用下存在一個(gè)最危險(xiǎn)水力條件即從175m降至145m，前緣存在庫(kù)水循環(huán)漲落的侵蝕掏空，中緣淺部可能存在二級(jí)滑面，沿中緣出露口部分剪出，中后緣為控制滑坡整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

（3）揭示了孔隙水壓力差的不斷變化直至減弱消散以及浸潤(rùn)線(xiàn)滯后庫(kù)水的時(shí)間效應(yīng)，水分在坡體內(nèi)運(yùn)移滲流與土體變形相互影響作用的空間效應(yīng)，詳細(xì)闡釋了庫(kù)水作用下的滲流滑坡內(nèi)在作用機(jī)制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李紀(jì)偉，汪華斌，張玲.非飽和土應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合一維解析求解與參數(shù)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41（4）：57–61.