三峽庫區(qū)木魚包滑坡不同庫水升降速率變形響應(yīng)離心模型試驗研究

馮文凱，易小宇，孟 睿，肖銳鏵，蘇永超，朱權(quán)威

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室 成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.四川省國土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院，四川 成都 610081；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；4.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731）

1 研究背景

長江三峽水利樞紐工程是當(dāng)今世界上建成的最大水電站，其范圍涉及湖北省和重慶市的21 個縣市，在防洪、發(fā)電和航運等方面發(fā)揮著重要作用［1］。按照三峽水庫調(diào)度安排，1—5月庫水位緩慢下降至不低于156 m，5月中下旬庫水位速度快速下降至145m，在汛期（6—9月）按145 m 汛限水位運行；根據(jù)防汛形勢，9月中下旬開始蓄水，10月底蓄水至最高蓄水位175 m，并維持最高蓄水位至12月底。

在三峽水庫水位處于175 m 時，日均發(fā)電量2.32 億kW·h；當(dāng)水位處于156 m 時，日均發(fā)電量為1.91 億kW·h，僅為正常發(fā)電量的80%［2］。因此，在滿足防洪要求的前提下，增加水庫調(diào)度的靈活度，增大水位變化速度以縮短三峽水庫水位下降時間，間接延長三峽水庫175 m 水位運行時間，將提高三峽水電站的發(fā)電量，更好地發(fā)揮三峽水庫綜合效益。然而，自三峽水庫蓄水以來，水位的周期性變動導(dǎo)致庫岸環(huán)境發(fā)生了很大變化，引起大量涉水滑坡失穩(wěn)或復(fù)活，影響庫區(qū)居民點、公路和航道水運安全［3-5］。增大庫區(qū)水位變化速率，是否對庫水涉水滑坡的穩(wěn)定性造成重大影響，需要進行嚴格的論證。

為尋求地質(zhì)災(zāi)害防治、防汛抗旱和經(jīng)濟效益的平衡，庫水升降作用下庫岸滑坡變形機理和不同升降速率變形響應(yīng)規(guī)律成為重要的研究內(nèi)容。與變形監(jiān)測［6］和數(shù)值模擬［7］等研究方法相比，離心模型試驗由于能再現(xiàn)滑坡所處應(yīng)力場，直觀真實揭示變形破壞過程，具有不可替代的優(yōu)勢［8-9］，許多學(xué)者針對庫水正常調(diào)度條件下的涉水滑坡，采用離心模型試驗對其破壞模式［10-11］、變形機理［12］和治理效果［13-14］進行了研究，取得了較好的研究成果。此外，F(xiàn)an L 等［15］采用離心模型試驗研究了庫水快速下降條件下滑坡的失穩(wěn)機理，而對于不同庫水升降速率條件下涉水滑坡變形響應(yīng)規(guī)律的研究，考慮到試驗條件的局限性，相關(guān)研究多采用數(shù)值模擬方法開展［7，16-17］。

本文以三峽庫區(qū)木魚包滑坡為研究對象，在研究其長期變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于串聯(lián)模型試驗原理，建立木魚包滑坡離心試驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計不同庫水升降速率作用下離心模型試驗，利用位移傳感器、孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器等多種監(jiān)測設(shè)備獲得試驗過程中的多個物理量實時數(shù)據(jù)?；诘乇砦灰茣r序監(jiān)測數(shù)據(jù)和離心模型試驗，分析木魚包滑坡在不同庫水升降速率作用下變形機理和響應(yīng)規(guī)律，為三峽庫區(qū)滑坡防治和庫水調(diào)度優(yōu)化提供有益借鑒。

2 木魚包滑坡概況

木魚包滑坡位于三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣境內(nèi)，長江右岸，距離三峽大壩57 km?；虑熬壖舫隹诟叱碳s100 m，后緣高程520 m，高差約420 m；兩側(cè)以溝谷為界，滑坡后緣存在平直光滑滑壁，主滑方向為20°?；缕矫嫘螒B(tài)近馬蹄形，滑體縱長1500 m，均寬約1200 m，總平面面積為1.80 km2，平均厚度約50 m，滑坡體積約為9000 萬m3（圖1）。

圖1 木魚包滑坡工程地質(zhì)剖面圖

如圖2所示，滑坡上層滑體為碎石土組成的第四系堆積物，下層滑體為擾動破壞的層狀石英砂巖，巖體中后部較完整，前緣破碎?；w中后部順層滑動，前部滑體切層滑動，巖層從傾斜逐漸變平緩過渡至彎曲反翹?；瑤檐浫醯拿合档貙樱院诨疑圪|(zhì)粘土和碎石角礫土為主，厚度為0.1～0.3 m?；矠橘_系香溪組厚層石英砂巖，巖層產(chǎn)狀25°∠27°。

自三峽水庫蓄水以來，水位常年處于波動狀態(tài)，滑坡前緣部分被庫水浸泡，滑坡滲流場和應(yīng)力場發(fā)生變化，致使滑坡發(fā)生變形。2007年對木魚包滑坡進行調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，前緣左側(cè)公路路基開裂下沉，裂縫長約80 m，寬20 cm，下錯10 cm（圖1（a））；在滑坡前部出現(xiàn)小規(guī)模坍塌（圖1（b）），滑坡右側(cè)出現(xiàn)滑塌拉線槽（圖1（d））。2014年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡中部公路出現(xiàn)兩條裂縫，長約20 m，寬1～5 cm（圖1（c））。2018年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡后緣出現(xiàn)多條拉張裂縫，長約3～10 m，寬5～12 cm（圖1（e）和圖1（f））。

3 木魚包滑坡變形特征

3.1 滑坡變形響應(yīng)特征為掌握木魚包滑坡的變形特征，三峽大學(xué)在木魚包滑坡設(shè)置了12 個地表位移監(jiān)測點（圖1），并從2006年10月開始監(jiān)測。此外，分別從滑坡附近的雨量站和三峽庫區(qū)網(wǎng)站獲得降雨量和庫水位數(shù)據(jù)。如圖3所示，在165 m 水位以下時木魚包滑坡月累計位移基本處于30 mm 以下；165 m 水位以上木魚包滑坡變形事件頻數(shù)增加，大量出現(xiàn)月累計位移量大于30 mm 滑坡變形事件。大于50 mm 滑坡變形事件主要處于172 m～175 m～165 m 的高水位及其下降初期。此外，木魚包滑坡月位移量在30 mm 以上的變形，絕大多數(shù)都是發(fā)生在月降雨40 mm 以下的高水位時期；而月降雨量大于90 mm 時，滑坡的月累計位移量普遍小于30 mm。以上變形特征表明，庫水升降是導(dǎo)致木魚包滑坡產(chǎn)生變形的主要原因，在高庫水位及水位下降初期位移量顯著增大，而降雨對滑坡變形影響有限。

圖3 木魚包滑坡不同月降雨量和庫水位條件下月累計變形量（2008年4月—2018年4月）

圖4 反映了在不同庫水高程和水位變幅條件下的木魚包滑坡監(jiān)測點月累計位移量。庫水位從145 m上升至172 m，庫水月上升高度普遍處于3～9 m，個別時段超過9 m，木魚包滑坡監(jiān)測點月累計位移普遍小于30 mm；庫水位從172 m上升至175 m，庫水月上升高度達到15～18 m時，滑坡產(chǎn)生大于50 mm的月累計位移量。庫水位從175 m 下降至172 m，庫水月下降高度處于0～3 m，滑坡產(chǎn)生大量30 mm以上（部分達到50 mm 以上）月累計位移量。庫水位從172 m 下降至165 m，庫水下降速率有所提升，會造成大于30 mm 的月累計位移量，但其月累計位移量不超過50 mm。庫水位從165 m 下降至145 m時，庫水下降速率得以進一步提升，但其月累計位移量基本處于30 mm 以下。以上分析表明，木魚包滑坡變形響應(yīng)與庫水升降速率和水位高程相關(guān)；165～175 m 水位時，較高的庫水上升速率才能造成月累計位移量大于30 mm 的滑坡變形事件，而較低的庫水下降速率則能造成大量月累計位移量大于30 mm 的滑坡變形事件。145～165 m 水位時，滑坡對庫水升降速率的變形響應(yīng)降低，滑坡月累計位移量基本處于30 mm 以下。

圖4 木魚包滑坡不同庫水位月累計變化量和庫水位條件下月累計變形量（2008年4月—2018年4月）

3.2 滑坡年度位移特征如圖5所示，為12 處位移監(jiān)測點的年度位移曲線。2007年木魚包滑坡的年位移量最大；2008 和2009年的年位移量達160～170 mm 左右；2011年和2012年在150 mm 左右；2010年、2014年、2015年和2017年監(jiān)測點年位移量在100～150 mm 之間；2016年最低，年位移量在75 mm 以下。水庫初次蓄水對滑坡的變形和穩(wěn)定性影響大，雖然受庫水位調(diào)度及降雨的影響，年位移量存在一定波動，但在既定調(diào)度規(guī)則庫水升降循環(huán)背景下，由于多期水位變動促使滑坡逐步產(chǎn)生應(yīng)力釋放，亦或由于滑坡變形后自身應(yīng)力調(diào)整而益于其穩(wěn)定性恢復(fù)，促使滑坡的變形量整體呈現(xiàn)逐年減小趨勢，而對現(xiàn)有庫水調(diào)度模式的變形響應(yīng)減弱。

圖5 木魚包滑坡監(jiān)測點年度累計位移曲線

4 庫水升降離心模型試驗

4.1 試驗?zāi)Ｐ碗x心機模型試驗采用成都理工大學(xué)TLJ-500 土工離心試驗機。根據(jù)串聯(lián)模型原則［18］將圖2所示剖面簡化得到離心機試驗?zāi)Ｐ停▓D6），兩次換算中，m 取值為10.7，n（即離心加速度）取值為130g。試驗?zāi)Ｐ突膊捎么u石和混凝土填筑；滑帶采用黏土和石英砂配置，比例為8∶2，含水率為7.5%，厚度依據(jù)原型厚度的不同在3～6 mm 之間；巖質(zhì)滑體采用重晶石粉、細石英砂、石膏、水泥和水按照36∶108∶5∶45∶30 比例制備相似材料，并按滑坡原型節(jié)理裂隙的發(fā)育情況切割，間隙使用相似材料粘結(jié)。覆蓋層采用黏土和石英砂按照5∶5 配置，根據(jù)滑坡原型覆蓋層厚度按比例涂抹在模型表層。試驗?zāi)Ｐ椭谱魍瓿珊?，將其靜置固結(jié)，以備試驗。此外，在模型的制作過程中同步埋設(shè)土壓傳感器、孔隙水壓力傳感器和位移傳感器，并采用高速攝像機記錄試驗過程。

圖6 試驗?zāi)Ｐ图皞鞲衅鞑荚O(shè)點位

4.2 試驗方案通過設(shè)定多次不同速率庫水升降循環(huán)，研究滑坡在庫水變動過程中的動態(tài)響應(yīng)特征。其試驗加載方案如圖7所示，可將試驗過程劃分為3個階段，第一階段為離心力加載階段（0～2600 s），離心加速度逐步上升至130g，庫水位逐步上升至20.7 cm（145 m）；第二階段為庫水升降試驗階段（2600～6000 s），該階段離心加速度維持在130g，庫區(qū)水位在20.7 cm（145 m）～23.0 cm（175 m）之間進行不同庫水升降速率的模型試驗，可分為庫水慢升快降試驗（Test1）、庫水快速升降試驗（Test2）和庫水驟升驟降試驗（Test3）三次試驗。第三階段為離心力卸載階段（6000～6900 s），離心加速度和水位逐漸降低，試驗結(jié)束。

圖7 離心模型試驗加速度和庫水加載方案

4.3 試驗結(jié)果分析在離心力加載階段，滑坡模型以固結(jié)沉降變形為主。在庫水升降試驗階段試驗?zāi)Ｐ颓熬壋霈F(xiàn)掏蝕塌落等跡象，中部輕微隆起，過渡段被擠密，但試驗?zāi)Ｐ臀匆姶笠?guī)模的破壞變形整體表現(xiàn)為推移式變形（圖8）。

圖8 離心模型試驗后滑坡的變形跡象

試驗期間的垂直位移監(jiān)測曲線如圖9（a）（b）所示，傳感器DPS2 因故障沒有正常工作。整體而言，位于滑坡后部（DPS1）位移大于滑坡前部（DPS3）的位移。在離心加速度加載階段，滑坡土體在自重作用下固結(jié)，滑體被壓密。首次庫水升降（Test1）過程中DPS1 和DPS3 的變形速率先增大后減小，并在水位最高時達到最大值。在第二次庫水升降（Test2）過程中，庫水位由23.0 cm（175 m）下降初期，DPS1 和DPS3 的變形速率達到最大，隨著水位下降變形速率減小，整體滯后于水位變動。第三次庫水升降（Test3）過程中，DPS1 和DPS3 的變形速率幾乎與庫水位呈負相關(guān)，并在庫水下降階段變形速率有明顯提升。試驗表明，首次蓄水對滑坡變形具有顯著影響，在后期庫水升降過程中，滑坡整體變形速率整體呈現(xiàn)減小的趨勢；在庫水升降提速后，滑坡在庫水上升時段變形減弱，而在庫水位下降時段變形加強。

試驗期間，EPS2 土壓傳感器未測得有效數(shù)據(jù)，EPS3 土壓傳感器損壞，土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)和孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9（c）（d）所示。由于PPT1 位于模型后部，水位波動對該孔隙水壓力傳感器無明顯影響。在離心加速度加載階段，因水位未上升至滑面高度，各傳感器孔隙水壓力無明顯變化；在水位上升至175 m 時，PPT2 和PPT3 孔隙水壓力發(fā)生突變后因水位下降而降低。在庫水位升降試驗階段，PPT3 因處于滑體前部，對庫水位升降的響應(yīng)較快，基本與庫水位保持同步變化；位于滑坡中部的PPT2 孔隙水壓力值因位置原因表現(xiàn)出滯后性。在離心力卸載階段，前緣水位迅速下降，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力逐漸消散，各孔隙水壓力傳感器值逐漸減小。在離心加速度加載階段，滑坡模型固結(jié)壓密，導(dǎo)致EPS1 土壓力值增高，并在庫水位首次升高至175 m 時有所上升，但數(shù)值相對較小。在位于試驗?zāi)Ｐ颓安繀^(qū)域的EPS4 受庫水變動影響土壓力曲線變動較大，表現(xiàn)出與庫水變動明顯的相關(guān)性。

圖9 離心模型試驗庫水位、加速度與位移、孔隙水壓力及土壓力監(jiān)測曲線

EPS4 和DPS3 均布置在涉水滑體前部，基于有效應(yīng)力原理獲得位移與應(yīng)力關(guān)系圖如圖10所示。在庫水上升過程中，庫水進入坡體引起滑體內(nèi)的土壓力和孔隙水壓力增大，庫水的浮托作用使滑坡土體有效應(yīng)力降低，尤其在庫水位維持在較高水平時，有效應(yīng)力處于最低值；在庫水下降的過程中，隨著庫水滲出滑坡體外，測點處孔隙水壓力減小，使得其有效應(yīng)力逐漸恢復(fù)。庫水上升的浮托作用會降低涉水滑體的阻滑作用，有助于滑坡變形；庫水下降后涉水滑體的阻滑力得以恢復(fù)，滑坡變形減緩。隨庫水升降速率的提升，孔隙水壓力的變動稍微滯后于庫水位，導(dǎo)致有效應(yīng)力在高水位運行和高庫水位下降初期均處于較低水平，滑坡變形速率最大時段由高庫水位轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘焖幌陆党跗?。庫水升降速率的提升后，在庫水位下降初期，坡體內(nèi)外存在一定水頭差，庫水對滑坡的浮托作用仍較為明顯，疊加同期產(chǎn)生向坡外的動水壓力促使滑坡在此時段的變形速率提升。

圖10 DPS1 和DPS3 監(jiān)測點位移與應(yīng)力關(guān)系曲線

庫水慢升快降試驗（Test1）過程中，庫水升降速率較慢，庫水進出坡體時滑體內(nèi)的土壓力和孔隙水壓力基本同步變化，庫水在高庫水位時的浮托作用使滑坡土體有效應(yīng)力明顯降低，變形速率達到最大值；Test2 和Test3 中的庫水快速升降促使孔隙水壓力的變動稍微滯后于庫水位，故有效應(yīng)力在高庫水位下降初期均處于更低水平，滑坡變形速率最大時段由高庫水位轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘焖幌陆党跗凇?/p>

5 滑坡變形機理與變形趨勢

5.1 木魚包滑坡變形機理如圖11所示，由于木魚包滑坡中后部巖層傾角與坡角相近，在重力作用下，順層段滑體沿滑帶向下擠壓變形，構(gòu)成了滑坡的主要促滑段?；虑熬墡r層從中傾逐漸變平緩再過渡至彎曲反翹，相對平緩的滑動面坡度和較大的滑體厚度，在自重作用下趨于穩(wěn)定構(gòu)成了滑坡的主要抗滑段。因此，在靠椅形岸坡形態(tài)的控制作用和重力、庫水等因素的驅(qū)動作用下，促滑段不斷擠壓抗滑段滑坡向臨空面發(fā)生推移式蠕滑變形。

圖11 木魚包滑坡地質(zhì)力學(xué)模型

作用在斜坡單元上的水動力作用可以等效表示為滲流力（Fs）和浮力（Fb）。滲流力（Fs）表示水流通過空隙的摩擦阻力，與水力梯度成正比，并作用于水流方向，滲流力（Fs）對邊坡穩(wěn)定性的影響稱為動水壓力效應(yīng)［19］；浮力（Fb）則可改變滑體的有效重量，從而增加或減小滑坡的下滑力，對滑坡穩(wěn)定性的影響稱之為浮托減重效應(yīng)［20］。

庫水位上升階段，庫水浮力的增長滯后于動水壓力，有利于滑坡穩(wěn)定而減緩滑動變形，庫水位上升初期保持著較低形變速率。此后，庫水入滲導(dǎo)致地下水位進一步抬升，坡體內(nèi)外水頭差的減小，涉水滑體內(nèi)動水壓力和浮力此消彼長，前部滑體阻滑力隨庫水位升高明顯下降，滑坡變形速率逐漸提升，在位于最高水位時到達形變速率最大。當(dāng)庫水位在高水位輕微下降，致使滑體前部自重減輕而削弱其抗滑力，同期的動水壓力轉(zhuǎn)向坡外。在此疊加作用下，中后部滑體推擠前部滑坡出現(xiàn)加速變形，滑坡在此時段內(nèi)位移明顯增長。當(dāng)庫水位逐漸緩降至145 m，庫水浮力隨庫水位降低而減小，向坡外的滲流力亦隨滑坡內(nèi)外的水頭差減小而降低，滑坡在此期間穩(wěn)定性逐漸恢復(fù)。

5.2 木魚包滑坡變形趨勢從世界范圍來看，大多數(shù)水庫誘發(fā)滑坡在初始階段表現(xiàn)出嚴重變形，在經(jīng)歷多年的變形后，滑坡的變形量逐漸減小甚至停止，逐漸達到變形的自適應(yīng)［21-24］。李永康［2］對三峽庫區(qū)滑坡變形數(shù)量與復(fù)活滑坡頻率之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析（圖12），在試驗性蓄水的前三年（2003—2005年）三峽庫區(qū)復(fù)活滑坡的頻率達到了頂峰；然后在庫水周期性的升降作用下，復(fù)活滑坡的頻率呈下降趨勢。許多學(xué)者［23-24］指出，三峽水庫受庫水升降復(fù)活的滑坡，其變形主要集中在蓄水初期，蓄水后期活動頻率和變形程度逐漸降低。

圖12 三峽庫區(qū)蓄水試驗水位波動與滑坡復(fù)活頻率的相關(guān)性

已有研究表明，經(jīng)歷過大變形后的滑帶土，在后來的穩(wěn)定過程中沿滑面相互粘結(jié)、嵌合，形成與新環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，滑帶土的抗剪強度會有一定的恢復(fù)階段，有助于減緩滑坡變形［25］。離心模型試驗過程中，也表現(xiàn)出在明顯的豎向固結(jié)和壓實過程，導(dǎo)致土體密實度增加，抗滑能力增強，持續(xù)滑動變得困難。此外，在庫水反復(fù)循環(huán)升降過程中，部分細粒顆粒物質(zhì)被帶走使得滲流通道進一步暢通，坡體滲透系數(shù)增強［26］，滑坡體內(nèi)地下水位對庫水位的響應(yīng)逐漸加快，使得動水壓力效應(yīng)得以減弱。如圖5所示，木魚包滑坡的年累積位移量正在逐年減小。在離心機模擬試驗過程中，多次庫水升降循環(huán)中滑坡位移速率也表現(xiàn)漸次降低的特征。受多年庫水升降作用影響，木魚包滑坡的變形響應(yīng)表現(xiàn)出自調(diào)節(jié)自適應(yīng)性，變形響應(yīng)逐漸減弱，產(chǎn)生大規(guī)?；瑒拥目赡苄暂^小。因此，加強三峽庫水涉水滑坡自調(diào)節(jié)自適應(yīng)變形響應(yīng)規(guī)律和機理的認識，對于科學(xué)靈活調(diào)節(jié)庫水升降速率，發(fā)揮三峽庫區(qū)綜合效應(yīng)具有重要現(xiàn)實意義。

6 結(jié)論

針對三峽庫區(qū)木魚包滑坡，利用長達12年GNSS 位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了其在庫水升降作用下變形規(guī)律，進行了不同庫水升降速率下的離心模型試驗。綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）木魚包滑坡滑面中后部傾角為20°～26°，長約1100 m，起到對整個滑坡的驅(qū)動作用，為阻滑段；前部長280～300 m，近水平甚至部分地方反傾，對坡體起到了較明顯的阻滑作用，為阻滑段。在重力和庫水等因素作用下，促滑段不斷擠壓抗滑段滑坡向臨空面發(fā)生推移式蠕滑變形。

（2）木魚包滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，滑坡變形主要受庫水位高程和升降速率影響，降雨對滑坡的變形影響有限。165～175 m 水位時，較高的庫水上升速率才能造成月累計位移量大于30 mm 的滑坡變形事件，而較低的庫水下降速率則能造成大量月累計位移量大于30 mm 的滑坡變形事件。145～165 m 水位時，滑坡對庫水升降速率的變形響應(yīng)降低，滑坡月累計變形量基本處于30 mm 以下。

（3）木魚包滑坡離心機模型試驗表明，庫水升降過程中滑坡的變形與庫水浮力、動水壓力有關(guān)。庫水升降速率較小時，坡體內(nèi)部的水位與庫水位變動基本同步，坡體內(nèi)外水頭差很小，庫水浮托力控制滑坡的變形。在庫水升降速率提升后，坡體內(nèi)部的水位變動出現(xiàn)滯后，坡體內(nèi)外水頭差增大導(dǎo)致動水壓力增強，促使滑坡在庫水抬升階段的變形減弱，而在庫水下降階段的變形得到加強。

（4）綜合分析表明，木魚包滑坡的變形響應(yīng)表現(xiàn)出自調(diào)節(jié)自適應(yīng)性，首次蓄水對滑坡穩(wěn)定性影響最為顯著，后續(xù)的周期性庫水升降過程中，滑坡對庫水變動響應(yīng)的敏感性有所減弱。加強庫區(qū)涉水滑坡自調(diào)節(jié)自適應(yīng)變形響應(yīng)規(guī)律和機理的認識，以便科學(xué)靈活調(diào)節(jié)庫水升降速率，進而提水庫綜合效益具有重要現(xiàn)實意義。