浮托減重效應(yīng)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)竹林灣滑坡穩(wěn)定性影響研究

吳俊峰 羅永紅 周亮亮

(1. 義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 義烏 322000； 2. 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， 成都 610059)

三峽庫(kù)區(qū)歷來(lái)自古以來(lái)滑坡眾多，自葛洲壩水庫(kù)修建蓄水以來(lái)，就發(fā)生了著名的新灘滑坡[1-2]，云陽(yáng)雞扒子滑坡[3]．據(jù)大量文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，三峽庫(kù)區(qū)滑坡發(fā)生在侏羅系紅層中的滑坡數(shù)量最多[4-6]，其總體方量也最大，這其中又以奉節(jié)縣至云陽(yáng)縣的庫(kù)岸段最為典型[7]．在三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，該段已產(chǎn)生了大量的古滑坡復(fù)活，其隨庫(kù)水位升降的復(fù)活變形響應(yīng)機(jī)制也各不相同，如比較典型的2009年5月造成較大影響的云陽(yáng)涼水井滑坡[8-9]、2007年5月秭歸臥沙溪滑坡[10-11]和2003年剛蓄水后一個(gè)月后產(chǎn)生的千將坪滑坡[12-14]等．其中有的滑坡，如樹坪滑坡主要受水位下降影響[15]，而部分滑坡滑坡受水位上升的浮托減重效應(yīng)影響，而目前對(duì)水庫(kù)滑坡機(jī)理主要集中在水位下降的滲流效應(yīng)[16]，對(duì)浮托減重效應(yīng)研究較少．

水庫(kù)蓄水過程中庫(kù)水位上升時(shí)對(duì)滑坡體的浮托減重作用使得滑坡體本身的穩(wěn)定性也呈動(dòng)態(tài)變化，若浮托減重將滑坡體整體重量減小，有可能降低下滑力，使坡體相對(duì)穩(wěn)定；若僅導(dǎo)致了抗滑段重量的降低，將進(jìn)一步加劇滑坡的變形，由此，研究浮托減重效應(yīng)對(duì)滑坡的影響對(duì)于評(píng)價(jià)庫(kù)水位升降時(shí)滑坡的穩(wěn)定性具有重要意義．為進(jìn)一步深入研究浮托減重型滑坡復(fù)活變形機(jī)制及其與庫(kù)水位和降雨等影響因素之間的相互關(guān)系，本文選取了典型的奉節(jié)縣竹林灣滑坡，通過分析竹林灣滑坡的變形演化過程及其與降雨、庫(kù)水位變動(dòng)等因素的耦合關(guān)系，得到滑坡變形的關(guān)鍵誘發(fā)因素，同時(shí)為定量化研究水位上升對(duì)滑坡的穩(wěn)定性影響效應(yīng)，借助數(shù)值模擬計(jì)算滑坡體內(nèi)的滲流特征和穩(wěn)定性變化，得到滑坡穩(wěn)定性與水位上升高度和水位上升速率的關(guān)系，為水庫(kù)的運(yùn)行管理提供一定參考性．

1 地質(zhì)環(huán)境概況

竹林灣滑坡地處長(zhǎng)江三峽的奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)的長(zhǎng)江南側(cè)庫(kù)岸，滑坡的地理位置如圖1(a)所示．滑坡所在區(qū)域，即奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)的降雨具有如下特征：冬季降雨稀少，在每年夏季(4～9月)特別是汛期降雨豐富，多年的平均降雨量約為1 100 mm，年最大降雨量1 352 mm[17]．這一段河谷呈不對(duì)稱“V”字形，右岸順向岸坡較左岸逆向岸坡寬緩，滑坡也更為發(fā)育，總體上屬中低山切割侵蝕地貌．在地貌上，奉節(jié)縣為三峽庫(kù)區(qū)的分界，該地區(qū)斷層褶皺發(fā)育，地層從三疊系到侏羅系再到第四系均大量出露，其中三疊系的巴東組與侏羅系紅層由于其含泥巖、泥灰?guī)r及粘土巖等易泥化的軟弱夾層，因此滑坡發(fā)育密集，屬于典型的滑坡易發(fā)地層，竹林灣滑坡即發(fā)育于侏羅系沙溪廟組中，其滑坡全貌如圖1(b)所示．

圖1 竹林灣滑坡地貌圖

竹林灣滑坡右側(cè)以沖溝為界，左側(cè)以小規(guī)模山梁為界，前緣高程約150 m，后緣高程約為242 m，平面上整體形態(tài)呈矩形．滑坡區(qū)分布有少量緩坡平臺(tái)，滑坡整體平均坡度約為10～15°，滑坡分布面積約4.6萬(wàn)m2，平均滑動(dòng)深度約為7 m，在前緣及后緣較薄些，體積約為32萬(wàn)m3，屬中型土質(zhì)滑坡，其典型剖面圖如圖2所示．滑坡體由松散碎塊石組成，底部基巖為中厚-厚層狀紫紅色泥質(zhì)砂巖，產(chǎn)狀為350°∠20°，滑坡沿基巖與覆蓋層之間的軟弱界面產(chǎn)生變形．

圖2 竹林灣滑坡典型剖面圖(A-A′)

2 滑坡變形演化過程

2.1 宏觀變形特征

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和訪問，在2003年蓄水以前，人類工程活動(dòng)以農(nóng)耕為主，對(duì)滑坡影響較小，未發(fā)生明顯變形．2006年9月后，中部民房出現(xiàn)變形．2007年7月居民院壩出現(xiàn)拉裂變形，長(zhǎng)4.5 m,寬0.2～0.4 cm．2008年的7～9月期間發(fā)生過強(qiáng)降雨，滑坡上民房出現(xiàn)變形，但變形較小，僅幾條細(xì)小裂紋，后變形停止，10月后三峽水庫(kù)開始175m試驗(yàn)性蓄水，滑坡中部民房出現(xiàn)持續(xù)變形，可見民房水泥地面開裂、出現(xiàn)多條裂縫并與滑坡主滑方向近垂直，裂縫寬0.8～3 cm，延伸長(zhǎng)約5～10 m，部分房屋出現(xiàn)擠壓裂縫形成危房，地面開裂和墻體錯(cuò)開(如圖3所示)，滑坡中后部的耕植地也發(fā)生明顯下挫和張拉裂縫，前緣北側(cè)有局部塌岸現(xiàn)象．

圖3 滑坡中部民房墻體開裂(2008年10月)

2.2 變形監(jiān)測(cè)及演化趨勢(shì)

在三峽庫(kù)區(qū)滑坡防治規(guī)劃二期專業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃中，對(duì)竹林灣滑坡自2005年起實(shí)施了地表位移GPS專業(yè)監(jiān)測(cè)，滑坡主要自2007年開始發(fā)生變形，其變形監(jiān)測(cè)累積位移曲線如圖4所示．

圖4 竹林灣滑坡GPS專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移

在三峽水庫(kù)蓄水前滑坡變形較小，特別是從2008年9月開始FJ070、FJ075、FJ078開始發(fā)生位移增加，但直到10月份，位移量都不大，均在2 cm以內(nèi)，到了11月份時(shí)，該4處監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿主滑方向水平向位移大幅度增加，均達(dá)到了30 cm的大位移變形，其中FJ075位移量最大，高達(dá)約0.5 m，在隨后的12月份中，這種變形趨勢(shì)仍然持續(xù)發(fā)展，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量仍然在20 cm以上，仍然以FJ075位移量最大，這種變形趨勢(shì)和跡象與上述地表宏觀監(jiān)測(cè)也非常吻合．

直到2009年3月以后，滑坡變形逐漸減弱，月位移量逐漸降到2 cm以內(nèi)，但仍有局部區(qū)域持續(xù)變形，如FJ075監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形一直持續(xù)到7月份．在此以后，有幾個(gè)變形嚴(yán)重的時(shí)間段，分別為2009年10月到次年的1月份，2010年的10月到次年的3月份等．到2013年以后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)已趨緩，多數(shù)點(diǎn)在±15 mm位移內(nèi)波動(dòng)，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生顯著的位移變形．可以發(fā)現(xiàn)，滑坡變形較大的時(shí)間段分布具有一定的規(guī)律性，即在年底到次年年初這個(gè)階段，滑坡變形位移較大的，但此階段的降雨量并不大，因此初步可判斷這種周期性的變形與庫(kù)水位運(yùn)行具有一定的聯(lián)動(dòng)特征，且具有一定滯后效應(yīng)．2008年～2012年，水平位移均有較大幅度的增漲，累積位移均達(dá)到約3m，其中FJ075累積位移量最大達(dá)到5 m，可見竹林灣滑坡處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)．

3 浮托減重效應(yīng)對(duì)滑坡變形的影響

影響滑坡的形成和變形的因素有很多，其主要可分為自身內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境條件因素和外部誘發(fā)因素[18-19]．竹林灣滑坡在自身地質(zhì)條件方面，為滑坡的變形發(fā)展提供了良好的條件，滑坡前緣受長(zhǎng)江側(cè)蝕、侵蝕、磨蝕等作用，臨空條件較好，有利于滑坡變形，其次滑坡發(fā)育于侏羅系砂泥巖互層的地層中，而其中泥巖含量又較高，該泥巖呈紫紅色，具有遇水極易發(fā)生膨脹和崩解等特性，因此在降雨和庫(kù)水位作用下，水進(jìn)入到坡體泥巖層中，不斷發(fā)生干濕循環(huán)的物理化學(xué)過程，泥巖發(fā)生泥化和軟化，滑坡發(fā)生變形，這也是該庫(kù)岸段滑坡發(fā)育較多的主要原因．

滑坡變形誘發(fā)因素分析通常是將誘發(fā)因素變化與變形演化過程進(jìn)行耦合分析，而誘發(fā)因素主要為外界環(huán)境因素，如降雨、地震、人類工程活動(dòng)等．為分析竹林灣滑坡變形的誘發(fā)機(jī)制，疊加其變形位移隨庫(kù)水位升降以及降雨等因素隨時(shí)間的變形演化過程如圖5所示．

圖5 竹林灣滑坡累積與影響因素隨時(shí)間演化過程

從前文分析和圖中可知，滑坡發(fā)生幾次較大的位移均處于庫(kù)水位上升以及高水位運(yùn)行階段，如滑坡位移量最大的2008年11月與12月，而這正是三峽水庫(kù)首次進(jìn)行175 m試驗(yàn)性蓄水，也是庫(kù)水位歷史上首次上升至175 m，恰恰這一時(shí)期降雨量很少，因此充分證明了滑坡復(fù)活變形的主要誘因是庫(kù)水位上升．

與此相似的變形過程發(fā)生在2009年10月到次年1月，庫(kù)水位再次上升至175 m，滑坡再次發(fā)生較大變形，且隨庫(kù)水位上升的滯后時(shí)間不到一月，對(duì)此因素較為敏感，表明了該滑坡位移變形與庫(kù)水位上升之間具有十分顯著的相關(guān)性．值得注意的是在2007年與2009年5～7月汛期階段，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)也持續(xù)性的發(fā)生了小幅度位移，表明持續(xù)的強(qiáng)降雨對(duì)滑坡也有一定影響，但值得注意的是，并不是歷次降雨都有變形產(chǎn)生，只有在累積降雨量足夠大時(shí)滑坡才有一點(diǎn)變形，通過滑坡位移與降雨的相關(guān)性分析可知，當(dāng)月降雨量達(dá)到150～200 mm時(shí)，滑坡會(huì)出現(xiàn)小幅度位移增加，該情況出現(xiàn)于某些年份的6～9月汛期，而該階段水庫(kù)處于低水位或庫(kù)水下降階段，因此滑坡變形量很小，由此可得降雨對(duì)滑坡變形影響強(qiáng)度較弱，而庫(kù)水位上升是滑坡變形的最為關(guān)鍵的誘發(fā)因素．

由此可見，滑坡變形位移與庫(kù)水位上升，特別是升至歷史最高水位時(shí)緊密相關(guān)，滑坡對(duì)其變形響應(yīng)十分敏感．在庫(kù)水位上升階段，庫(kù)水淹沒滑坡坡腳，滑坡坡腳受到庫(kù)水產(chǎn)生的向上的浮托力作用，減小了坡腳壓力，即降低滑坡的坡腳抗滑力，導(dǎo)致下滑力大于抗滑力而穩(wěn)定性降低產(chǎn)生變形，同時(shí)由于坡腳正應(yīng)力的降低，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體之間的抗剪能力降低，這也導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降．而當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，由于浮托力及時(shí)消散，抗滑段的正應(yīng)力增大，使得滑坡穩(wěn)定性逐漸提高，因此變形較?。诮涤昶陂g，由于坡體表面排水不暢，形成積水，直接浸泡表層土層，使得土體自重增加，增大下滑力；加之坡體表部的巖土體結(jié)構(gòu)松散，存在較多孔隙，為雨水提供了優(yōu)勢(shì)滲流通道，當(dāng)水下滲順坡向長(zhǎng)江排泄時(shí)，形成了具有一定水力梯度的動(dòng)水壓力和靜水壓力，而下滲到達(dá)已經(jīng)存在的滑帶處時(shí)，滑帶土遇水軟化，抗剪強(qiáng)度急劇降低，改變巖土體的受力情況．

4 穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

4.1 滑坡模型與工況

本次滑坡穩(wěn)定性計(jì)基于極限平衡理論，采用M-P極限平衡法[20]，運(yùn)用GEO-Studio軟件進(jìn)行滲流與穩(wěn)定性的計(jì)算分析，根據(jù)滑坡變形演化特征選取典型剖面作為計(jì)算斷面，建立相關(guān)數(shù)值計(jì)算模型如圖6所示，滲流分析計(jì)算是采用有限元方法，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化．具體計(jì)算參數(shù)依據(jù)工程地質(zhì)類比法以及參數(shù)反演法確定，見表1．

圖6 竹林灣滑坡計(jì)算地質(zhì)模型

表1 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值

基于上文對(duì)滑坡復(fù)活變形機(jī)理的認(rèn)識(shí)，在設(shè)置庫(kù)區(qū)涉水滑坡的計(jì)算工況時(shí)，主要考慮水庫(kù)水位的變動(dòng)和降雨的組合．本次數(shù)值模擬計(jì)算考慮非汛期在庫(kù)水位設(shè)計(jì)上漲幅度的滑坡穩(wěn)定性的計(jì)算，將水庫(kù)在汛期末，即8月中旬水位上漲至10月底的水位上升速率定位0.4～2 m/d，分為145～159 m與159～175 m兩個(gè)階段，奉節(jié)縣非汛期50年一遇3日暴雨按180 mm計(jì)算，平均為60 mm/d，具體計(jì)算工況以及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表2．

表2 竹林灣滑坡工況組合及其穩(wěn)定性系數(shù)值

4.2 滲流分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采用Geo-Studio中SEEP/W模塊對(duì)建立的穩(wěn)定性計(jì)算模型首先進(jìn)行滲流分析，在各工況下模擬水庫(kù)水位上升的全過程，以工況2-5為例，60 mm/d的降雨量從155 m(35 d)庫(kù)水位開始降雨3 d，其庫(kù)水位上升過程的地下水位線及其滲流特征如圖7所示，計(jì)算結(jié)果表明滑坡體前緣是受水位升降的主要部位，當(dāng)水位上升時(shí)，由于滑坡體滲透系數(shù)低于水位的上升速率，滑坡體內(nèi)部形成了向內(nèi)凹的飽和滲流場(chǎng)，但由于坡體滲透性良好，內(nèi)凹的差異不是很顯著，當(dāng)經(jīng)過一段的滯后時(shí)間后內(nèi)凹逐漸變得平穩(wěn)．

圖7 工況組合2-5中(A)145 m穩(wěn)態(tài)地下水位線與(B)175 m滲流場(chǎng)特征

繪制出不同工況下庫(kù)水位下降期間全過程穩(wěn)定性變化曲線如圖8所示，庫(kù)水位從145 m上升至175 m過程，在庫(kù)水向內(nèi)滲流，浮托減重效應(yīng)影響范圍逐漸擴(kuò)大，滑坡穩(wěn)定系數(shù)隨著庫(kù)水的上升而不斷減小，庫(kù)水上升到175 m時(shí)滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降到最低值．此外，水位上漲越快，滑坡的穩(wěn)定性下降就越快，穩(wěn)定性變化曲線的斜率越大，反之亦然．從總體數(shù)據(jù)上可以看出，庫(kù)水位上升對(duì)滑坡穩(wěn)定性起到了明顯降低效果，特別是在水位上升至175 m時(shí)，浮托減重效應(yīng)達(dá)到峰值區(qū)，穩(wěn)定性系數(shù)也達(dá)到最小值，呈潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，庫(kù)水位在水位上升期間應(yīng)該適當(dāng)控制水位上升速率，以免對(duì)此類受浮托減重效應(yīng)影響的滑坡產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致變形增加．

圖8 工況組合1(A)與組合2(B)中穩(wěn)定性系數(shù)變化

對(duì)比工況組合1和組合2發(fā)現(xiàn)，在疊加降雨后，其穩(wěn)定性狀態(tài)出現(xiàn)下降，但降低幅度不大，表明降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較?。瑯佣集B加降雨的情況下，庫(kù)水位上升速率越大，穩(wěn)定性下降越明顯，表明庫(kù)水位上升速率對(duì)穩(wěn)定系數(shù)影響更為敏感．庫(kù)水位上升速率越大疊加不同強(qiáng)度降雨，滑坡穩(wěn)定系數(shù)越小且有滯后下降趨勢(shì)，庫(kù)水位以2.5 m/d上升且疊加降雨為最危險(xiǎn)工況．

5 結(jié) 論

1)奉節(jié)安坪庫(kù)岸段為三峽庫(kù)區(qū)中十分典型的滑坡發(fā)育密集帶，其特殊的地質(zhì)環(huán)境為滑坡發(fā)育提供了良好條件，其中泥巖含量較高的砂泥巖互層的地層巖性為滑坡發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其次前緣受長(zhǎng)江侵蝕形成的有利的臨空面、邊界溝谷發(fā)育等微地貌提供了地形條件．

2)滑坡變形位移與三峽水庫(kù)蓄水之間有著顯著的相關(guān)性，滑坡首次大變形即發(fā)生于水庫(kù)首次蓄水至歷史最高水位175 m，在其后的3個(gè)蓄水周期中，滑坡每次大的位移變形均發(fā)生于每年11月至次年1月這一庫(kù)水位上升及高水位運(yùn)行階段，其變形隨庫(kù)水位變化表現(xiàn)出了明顯的周期性和間歇性．而在其他時(shí)間段滑坡位移量較小，因此造成滑坡累積位移曲線具有一定的階躍型特征．竹林灣滑坡的變形演化過程表明其主要受水位上升影響，浮托減重效應(yīng)是造成滑坡變形的最為關(guān)鍵誘發(fā)因素，其為典型的浮托減重型滑坡．

3)借助于數(shù)值模擬，得到不同水位及不同水位上升速率條件下滑坡體內(nèi)的滲流特征和穩(wěn)定性變化．在水位上升至175 m時(shí)滑坡穩(wěn)定性最小，水位為145 m時(shí)滑坡穩(wěn)定性最大．總體上看在各個(gè)工況條件下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，其暫時(shí)不會(huì)整體失穩(wěn)下滑，但由于其在歷次受庫(kù)水位上升的浮托減重效應(yīng)影響，在庫(kù)水位上升階段穩(wěn)定性總體趨勢(shì)逐漸下降，在降雨條件下下降幅度更為明顯，因此在水位快速上升且疊加降雨的情況下，需引起重視并加強(qiáng)滑坡變形監(jiān)測(cè)工作，這也為三峽庫(kù)區(qū)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度提供了一定參考和依據(jù)．