三峽水庫(kù)蓄水條件下樹(shù)坪滑坡穩(wěn)定性影響分析

張巷生，盧書強(qiáng)，劉 欣，梁 衛(wèi)

(1.湖北省水電工程智能視覺(jué)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002； 2.湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002；3.中科華水工程管理有限公司，河南 鄭州 450000)

樹(shù)坪滑坡是三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。自2003年6月三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水以來(lái)，滑坡一直變形不止；2010年10月當(dāng)三峽水庫(kù)水位達(dá)到175 m后，滑坡變形加劇，2012年6月變形再次加劇，最大變形速率超過(guò)15mm/d[1- 2]。由于樹(shù)坪滑坡規(guī)模巨大，對(duì)其進(jìn)行徹底根治難度極大，2013年汛期即將來(lái)臨，對(duì)滑坡實(shí)施應(yīng)急治理，主要是通過(guò)削方減載，反壓坡腳提高滑坡的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)生突發(fā)性整體變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)性，盡可能減輕滑坡造成的危害[3- 4]，2015年滑坡治理工程主體完工。

本文主要通過(guò)Geo-studio分析樹(shù)坪滑坡在一個(gè)正常水文年175～145m范圍內(nèi)波動(dòng)下的穩(wěn)定性及其滲流場(chǎng)特征，找到控制其變形的作用機(jī)制，輔以監(jiān)測(cè)措施對(duì)應(yīng)急治理工程進(jìn)行效果檢驗(yàn)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。為類似涉水滑坡在庫(kù)水位變化作用下的變形機(jī)制找到規(guī)律及相關(guān)工程治理提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

樹(shù)坪滑坡，位于三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江干流右岸，隸屬秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)樹(shù)坪村，距下游三峽大壩約45km?；娑妇徑诲e(cuò)，后緣高程約為470m，平面總面積為52×104m2，體積約為2210×104m3，滑坡體厚度分布不均勻，后緣地勢(shì)高，厚度較薄為2～3m，前緣較平坦，其中最大厚度為54m。

滑坡體上部和中下部分布多個(gè)滑坡平臺(tái)，前緣175m水位線地形較陡?；聳|側(cè)邊界有一處沖溝，沖溝上部溝形不明顯，自高程280m以下溝形逐漸清晰，切割深度5～10m。滑坡中部橫向最大寬約60m，西側(cè)邊界處的龍井溝從上到下斷面逐漸增大，切割深度2～14m。主要出露基巖為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)、上段(T2b3)、中段(T2b2)?；w物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土和碎裂巖，滑帶物質(zhì)為粉質(zhì)粘土夾雜碎石角爍，土體結(jié)構(gòu)較密實(shí)。樹(shù)坪滑坡典型1- 1'地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 樹(shù)坪滑坡典型1- 1'地質(zhì)剖面圖

2 滑坡變形特征分析

2.1 宏觀變形現(xiàn)象

自2003年6月三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水以來(lái)，滑坡連續(xù)變形：2003年6月—2004年12月，滑體東側(cè)前緣出現(xiàn)塌岸，滑坡體上部裂縫從滑體東側(cè)后部斷續(xù)向西延伸，2007年4—6月，滑坡東側(cè)后緣公路產(chǎn)生多處弧形拉裂縫，長(zhǎng)15～30m；2008年夏季受強(qiáng)降雨影響，滑坡體發(fā)現(xiàn)多處較大變形，東側(cè)邊界公路有多處沉降裂縫，后緣2003年形成的裂縫已有230m貫通，滑坡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生多處小規(guī)模坍滑，西側(cè)中下部村級(jí)公路處產(chǎn)生的坍滑，規(guī)模最大；2009年4—6月，滑坡后緣和旁邊公路裂縫處出現(xiàn)明顯下沉。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在滑體及其影響區(qū)域內(nèi)共布設(shè)有8個(gè)GPS觀測(cè)點(diǎn)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和宏觀變形現(xiàn)象，可將樹(shù)坪滑坡分為Ⅰ—Ⅲ，3個(gè)滑動(dòng)區(qū)域如圖2所示，其中Ⅰ為主滑區(qū)域。監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG89和ZG90未能正常使用，變形不明顯，目前處于蠕滑階段。截至2018年7月，樹(shù)坪滑坡ZG85、ZG86、ZG88、SP- 2、SP- 6，5個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積水平位移量顯示為4100～5200mm；Ⅱ區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG87，其累計(jì)位移值為2300mm，明顯低于主滑區(qū)Ⅰ各監(jiān)測(cè)點(diǎn)總變形量。

圖2 樹(shù)坪滑坡工程地質(zhì)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布)平面圖

圖3為樹(shù)坪滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移曲線，截取了2007—2018年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖中表明在2013年實(shí)施應(yīng)急治理設(shè)計(jì)方案之前(藍(lán)色虛線方框?yàn)?013年)，滑坡的變形具有同步性，呈現(xiàn)出階躍型變形演化特征[5]。從監(jiān)測(cè)曲線知道，大概在每年的5—10月監(jiān)測(cè)位移曲線會(huì)陡然上升，其中5、6月份位移變化最為突出，11月至次年3月，變形趨于平穩(wěn)。在2007、2009、2011及2012年，滑坡位移劇增現(xiàn)象最為明顯。2013年實(shí)施應(yīng)急治理設(shè)計(jì)方案，(主要是通過(guò)削方減載，反壓坡腳)，2015年滑坡治理工程主體完工。2015年以后(圖紅色虛線方框是2015年時(shí)間段)滑坡3個(gè)區(qū)域8個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移趨向一條直線，表明滑坡基本穩(wěn)定了。同時(shí)，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移與庫(kù)水位升降曲線表現(xiàn)出：滑坡的變形與庫(kù)水位下降呈明顯相關(guān)性，即在庫(kù)水位下降期間，位移呈階躍式上升，這表明庫(kù)水位下降對(duì)滑坡變形有顯著影響。

圖3 為樹(shù)坪滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移曲線

3 滑坡滲流場(chǎng)和穩(wěn)定性分析數(shù)值模擬理論方法

3.1 飽和-非飽和滲流基本理論

水分在巖土中的滲流運(yùn)動(dòng)，既服從達(dá)西定律，又滿足質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，將達(dá)西定律和連續(xù)方程相結(jié)合，可推導(dǎo)出水在巖土體滲流的變化規(guī)律——即二維飽和—非飽和滲流控制方程[6]

(1)

初始條件：

H(x，y，0)=H0(x，y，0)

(2)

流量邊界條件：

(3)

水頭邊界條件：

H|Γ1=H(x，y，t)

(4)

式中，H—水頭；kx，ky—x，y方向上的滲透系數(shù)。g—重力加速度；mw—比水容重；ρw—水的密度；t—時(shí)間；θ—體積含水量；Γ1、Γ2—某個(gè)對(duì)應(yīng)時(shí)刻積分的自變量時(shí)間t的值。

結(jié)合初始條件和邊界條件，運(yùn)用二維飽和—非飽和滲流控制方程，在SEEP/W可求得解。

3.2 滑坡穩(wěn)定性分析基本理論

在本例中，采用Morgenstern-price極限平衡法分析了滑坡在庫(kù)水位變化下的穩(wěn)定性。該方法在充分考慮條間力的相互作用下，先假定相鄰兩土條的法向力和切向力之間存在的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)給出的邊界條件，通過(guò)迭代求出解，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，但是造成的誤差很小。

土條法向力En需滿足:

En(Fs，λ)=0

(5)

土條力矩Mn需滿足:

(6)

式中，y=Ax+B，λ、A、B為任意常數(shù)，x—切向力，En—法向力。

先假定一個(gè)合理范圍內(nèi)的λ及Fs值，通過(guò)積分計(jì)算得到En及Mn，如果其中有一個(gè)值不為0，則繼續(xù)修正λ及Fs的取值，直到都為零，最終求得邊坡的安全系數(shù)Fs。

3.3 Geo-Studio有限元模擬分析軟件

SEEP/W是Geo-Studio軟件中的一個(gè)分析模塊，是處理地下水滲流和超孔隙水壓力消散問(wèn)題的軟件，大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明其可靠性較高，廣泛應(yīng)用于在巖土地質(zhì)工程方面，對(duì)于分析基坑開(kāi)挖、邊坡穩(wěn)定性分析、大壩滲流等類別的工程穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)滲流場(chǎng)有著很好的效果。

Geo-Studio數(shù)值分析軟件共有8個(gè)分析模塊，在邊坡分析中我們常選取中的SEEP/W、SLOPE、SIGMA三個(gè)模塊。首先通過(guò)SEEP/W模塊，對(duì)地下水工況進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析，得到滲流場(chǎng)分布，利用計(jì)算所得結(jié)果，在考慮滑坡體自重以及前緣庫(kù)水對(duì)滑坡壓力的前提下，利用SLOPE/W模塊和SIGMA模塊進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和應(yīng)力分析，其中穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算采用Morgenstern-Price極限平衡法。

4 庫(kù)水位升降下滑坡穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)樹(shù)坪滑坡的地質(zhì)剖面圖，分為治理前和治理后，建立相應(yīng)的計(jì)算模型，并在ZG85處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)滑坡位移變化情況。治理前計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5432，網(wǎng)格數(shù)目為5332和監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，如圖4(a)所示，治理后計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目為5713，網(wǎng)格數(shù)目為5671，監(jiān)測(cè)點(diǎn)B和C，如圖4(b)所示。

圖4 樹(shù)坪滑坡計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

選取滑體和滑床連接處一定厚度的區(qū)域作為滑帶(治理之后計(jì)算模型無(wú)滑帶)。計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)勘察資料以及前人已有的研究成果和經(jīng)驗(yàn)類比綜合確定[6- 8]，具體數(shù)值見(jiàn)表1，滑坡滑體的土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線如圖5所示。

表1 樹(shù)坪滑坡計(jì)算參數(shù)

圖5 滑體土土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線

4.3 庫(kù)水位升降下數(shù)值模擬結(jié)果

4.3.1模擬工況

初始水位條件設(shè)置為175m，三峽庫(kù)水位在145～175m之間變動(dòng)，庫(kù)水位變化曲線如圖6所示。把斜坡面上經(jīng)歷水位變化區(qū)域節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為變水頭邊界，底面設(shè)置為零流量邊界，左側(cè)設(shè)置固定水頭邊界。通過(guò)Geo-studio數(shù)值模擬軟件，模擬三峽庫(kù)水位在正常升降情況下岸坡變水頭邊界經(jīng)歷一次最高水位和最水位的情形。

三峽庫(kù)區(qū)正常蓄水后，庫(kù)水位保持在145m～175m 水位間漲落，本文按照庫(kù)水實(shí)際調(diào)度情況分別選取了治理前和治理后兩個(gè)時(shí)間段的庫(kù)水位變化情況，即2011.7—2012.7(共計(jì)365天)和2015.7—2016.7(共365 天)，具體庫(kù)水調(diào)度如圖6所示。

圖6 庫(kù)水位調(diào)度情況

4.3.2庫(kù)水位變化下滲流場(chǎng)分析

依據(jù)監(jiān)測(cè)資料，可知庫(kù)水位在下降時(shí)間段，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移會(huì)出現(xiàn)陡坎式上升，如圖3所示。因此滲流場(chǎng)分析時(shí)，主要考慮庫(kù)水位下降時(shí)間段，由勘察資料設(shè)置后緣水頭，對(duì)175m穩(wěn)定水位進(jìn)行滲流模擬計(jì)算，得孔隙水壓力分布，利用該結(jié)果作為初始孔隙水壓力條件，對(duì)庫(kù)水位從175下降到145下滑坡坡體內(nèi)滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬得到庫(kù)水位175～145m地下水位線，如圖7所示，并通過(guò)SIGMA模塊得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向累計(jì)位移，如圖8所示。從圖7中我們可以看出庫(kù)水位下降到145m時(shí)，滑坡體水位線滯后于庫(kù)水位，明顯高于145m水位，產(chǎn)生對(duì)滑坡體穩(wěn)定性不利的動(dòng)水壓力，并且水位線有向外凸的趨勢(shì)。

圖7 庫(kù)水位175～145m地下水位線

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)X方向累計(jì)位移

從圖8中看出在滑坡治理前175m水位線以上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處，直線斜率大，增長(zhǎng)快、X方向累計(jì)位移達(dá)到600mm，與GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)這一年的累計(jì)位移500mm接近。而在滑坡治理后的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處X方向斜率相對(duì)較小，累計(jì)位移只有100mm左右，同時(shí)在治理后145m水位線坡腳凸起處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)C位移在120mm，通過(guò)以上模擬結(jié)果結(jié)合樹(shù)坪滑坡的地形地貌，分析認(rèn)為樹(shù)坪滑坡在治理之前，整體坡面直線形，滑面前緣涉水土方面積大。治理后，改善了前緣坡腳角度，有效減小了涉水土方面積，從而從根本上加強(qiáng)了前緣抗阻滑能力，減緩了因庫(kù)水位下降、滯后在滑坡體內(nèi)而形成的動(dòng)水圧力的影響。

庫(kù)水下降是樹(shù)坪滑坡變形的主要誘發(fā)因素，且?guī)焖儎?dòng)范圍主要作用在滑坡促滑段，庫(kù)水變動(dòng)主要產(chǎn)生滲透壓力效應(yīng)，從機(jī)理上分類，其屬于滲透壓力型滑坡，最不利工況應(yīng)為庫(kù)水下降以及低水位運(yùn)行。

4.3.3庫(kù)水位變化穩(wěn)定分析

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)水位調(diào)度情況分別各自選取了治理之前和治理之后的一個(gè)水文年水位調(diào)度情況，如圖6所示。通過(guò)SLOPE/W模塊，得到了樹(shù)坪滑坡在庫(kù)水位作用下穩(wěn)定系數(shù)的變化情況，如圖9所示。

由圖9分析可得，樹(shù)坪滑坡的穩(wěn)定性隨著庫(kù)水位上升而增大、庫(kù)水位下降而降低，穩(wěn)定性系數(shù)一直在0.95～1.06之間波動(dòng)，也就是從庫(kù)水位上升階段的基本穩(wěn)定狀態(tài)變化為庫(kù)水位下降末尾階段的欠穩(wěn)定狀態(tài)，治理后滑坡穩(wěn)定系數(shù)整體提高，且受庫(kù)水位變化影響減小，整體穩(wěn)定系數(shù)曲線在很小的范圍內(nèi)上下波動(dòng)。

當(dāng)庫(kù)水位從175m水位開(kāi)始下降時(shí)，庫(kù)水位在173～175m左右徘徊，滑坡體穩(wěn)定系數(shù)基本呈現(xiàn)一條直線變化狀態(tài)。庫(kù)水位大幅下降的時(shí)候，滑坡體內(nèi)產(chǎn)生向外的滲透力，穩(wěn)定系數(shù)開(kāi)始下降，受到滑體滲透性系數(shù)的影響，穩(wěn)定性系數(shù)下降滯后。當(dāng)庫(kù)水位下降到145m，即145m水位波動(dòng)階段，滑坡體由于滲透系數(shù)的影響，滯留在滑體內(nèi)的水有足夠時(shí)間排出，最終滑體水位線與庫(kù)水位基本持平，這種不利于滑坡穩(wěn)定性的滲透力消失，滑坡開(kāi)始受浮托力的作用，穩(wěn)定性系數(shù)小幅上升，伴隨庫(kù)水位變化在小范圍內(nèi)變化。相反，當(dāng)庫(kù)水位從低水位145m開(kāi)始上升時(shí)，坡體產(chǎn)生向內(nèi)的滲流力，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)上升，直到175m水位，此時(shí)庫(kù)水位變化趨于平緩，穩(wěn)定系數(shù)亦開(kāi)始小幅下降，由此變化規(guī)律，得出庫(kù)水位變動(dòng)條件影響下，樹(shù)坪滑坡表現(xiàn)出典型的動(dòng)水壓力型滑坡特征。

5 結(jié)論

(1)樹(shù)坪滑坡前緣臨空涉水，易受到江水的浸泡軟化和沖蝕，降低了前緣抗阻滑能力。在庫(kù)水位下降時(shí)間段，坡內(nèi)水位線總是滯后于庫(kù)水位線，產(chǎn)生動(dòng)水壓力是造成樹(shù)坪滑坡失穩(wěn)的主要原因。

圖9 樹(shù)滑坡治理前后穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比

(2)樹(shù)坪滑坡的穩(wěn)定隨著庫(kù)水位的升降周期性變化，在其采用削坡壓腳的方式后，減少了滑坡體，中上部土方量從而有效地緩解了庫(kù)水位下降產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，增加了坡腳抗滑能力，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量變小，整體穩(wěn)定性明顯得到提高，穩(wěn)定性系數(shù)在很小的范圍類波動(dòng)，受庫(kù)水位變化影響變小。