庫水位漲落條件下不同結(jié)構(gòu)邊坡的變形破壞機制分析
——以千將坪滑坡和樹坪滑坡為例*

汪發(fā)武 宋 琨

(①同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海 200092， 中國)(②同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092， 中國)(③三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院地質(zhì)工程系， 宜昌 443002， 中國)(④湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測站， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

水利工程運行過程中庫水位的漲落不可避免。庫水位的漲落常誘發(fā)不同形態(tài)的滑坡，如瓦伊昂(Vaiont)滑坡、Canelles滑坡、千將坪滑坡、樹坪滑坡、白水河滑坡等。同一水庫相似的水位波動條件，為何產(chǎn)生不同的滑坡變形模式？揭示其內(nèi)在機制對了解水庫岸坡的變形行為，實現(xiàn)滑坡災(zāi)害防控具有重要意義。

針對滑坡的變形行為與內(nèi)在機制，國內(nèi)外學(xué)者采用監(jiān)測、模擬分析等方法研究了庫水位波動下的庫岸滑坡的變形響應(yīng)與機制。如1963年的意大利瓦伊昂(Vaiont)滑坡在蓄水階段發(fā)生多次加速變形并最終破壞(Semenza et al.，2000)； 三峽庫區(qū)的千將坪滑坡在庫水位從92m蓄水到135m后發(fā)生整體滑動破壞(Wang et al.，2004， 2008a； 肖詩榮等， 2010)； 西班牙的Canelles水庫滑坡在2006年的庫水位快速下降至低水位過程(0.5～1.2m·d-1)中發(fā)生滑動(Pinyol et al.，2012)； 庫水位波動使三峽庫區(qū)樹坪滑坡(Wang et al.，2007， 2008b； 苑誼等， 2015； Song et al.， 2018)、白水河滑坡(盧書強等， 2014； 薛陽等， 2020)、白家包滑坡(安冬等， 2021； 尚敏等， 2021)等產(chǎn)生“臺階狀”變形，其加速變形階段主要發(fā)生在庫水位下降期； 水位波動對滑坡變形的影響主要是從前往后的過程(杜鋒等， 2018； 肖捷夫等， 2020)； 影響滑坡變形的關(guān)鍵因素是滑坡巖土體的滲透系數(shù)與庫水位波動速率(Paronuzzi et al.，2013)，兩者對穩(wěn)定性的影響為綜合效應(yīng)(宋琨等， 2011； 張夏冉等， 2017)。滑面形態(tài)會影響滑坡變形與庫水響應(yīng)規(guī)律(李松林等， 2017)。

千將坪滑坡和樹坪滑坡代表了兩種不同庫岸邊坡結(jié)構(gòu)的滑坡，在庫水位變化情況下，表現(xiàn)出了不同的變形破壞模式?；诖耍覀儤?gòu)建了兩種結(jié)構(gòu)的岸坡在水位變動過程中的力學(xué)模式的概念模型，用來解釋它們在庫水位變動條件下的動態(tài)響應(yīng)。同時，實施了室內(nèi)簡易模型試驗，來驗證所提出的概念模型。

1 千將坪巖質(zhì)滑坡的變形破壞模式

2003年6月三峽庫區(qū)從92m蓄水到135m，半個月后，在長江支流青干河(沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn))發(fā)生了千將坪大型順層巖質(zhì)滑坡(其地理位置如圖1所示)?；聫某霈F(xiàn)變形到高速滑入青干河，僅花了約1.5h。雖然事先經(jīng)過“群測群防”對滑坡的發(fā)生有所防備，但由于滑坡影響范圍和運動速度超出了預(yù)警人員的想象，導(dǎo)致24人死亡，其中11人在岸坡上被滑坡卷走， 13人在船上被滑坡引起的高達(dá)30m的涌浪所淹沒。千將坪滑坡為發(fā)生在侏羅系中-下統(tǒng)聶家山組(J1-2n)中厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾厚層長石石英砂巖互層中的順層滑坡，其全貌如圖2所示。

圖1 千將坪滑坡和樹坪滑坡位置圖

圖2 千將坪滑坡照片

作為巖質(zhì)邊坡，而且是順向坡的千將坪滑坡，可以簡化為圖3所示的二維厚板。設(shè)板的厚度為d(深度為d/cosθ)，初始水位為h0(從板的上面最低點起算)，則作用在厚板表面和底面的水壓力分別為US0和UB0。

圖3 庫水位上升前(a)后(b)作用在厚層順層邊坡巖體上的水壓力

(1)

(2)

并由此可以得到底面和表面的水壓力差ΔU0。

(3)

當(dāng)水位上升幅度為h時，作用在厚板表面和底面的水壓力分別為USt和UBt。

(4)

(5)

同樣可以得到底面和表面的水壓力差ΔUt。

(6)

比較水位上升前后作用在厚板底面與表面的水壓力差，可得到在底面的凈增水壓力ΔU。

(7)

由式(7)可知，作用在順層邊坡厚板上的凈增水壓力，即揚壓力隨著水位上升幅度h和層厚d的增大而增大。從式中還可以看到順層邊坡傾角的影響，在同種條件下， 45°傾角邊坡所受的揚壓力最小。

2 樹坪滑坡的變形模式

樹坪滑坡位于距三峽大壩47km的長江右岸?；聟^(qū)地層主要為三疊系中統(tǒng)巴東組上段(T2b3)的紫紅色厚層泥巖、粉砂巖，中段(T2b2)的淺灰色中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r，下段(T2b1)的紫紅色、灰綠色中厚層粉砂巖夾泥巖、頁巖，滑坡區(qū)巖層總體產(chǎn)狀為 165°～120°∠10°～35°，走向與岸坡總體走向近于平行，屬逆向結(jié)構(gòu)岸坡。地表主要為第四系崩坡積層?；w南北縱長約 800m，東西寬約 670m，面積約 54×104m2，厚為 10～70m，總體積約為2070×104m3(全貌如圖4)。

圖4 樹坪滑坡全貌

樹坪滑坡按照活動程度在地表的反映，可以分為一區(qū)和二區(qū)。一區(qū)活動性強，區(qū)內(nèi)房屋破壞嚴(yán)重，道路嚴(yán)重?fù)p壞； 二區(qū)活動性相對較弱。為了迅速掌握樹坪滑坡隨水位變化的特點，我們從2004年開始在一區(qū)內(nèi)設(shè)置長期觀測系統(tǒng)，一邊觀測，一邊籌集資金以增設(shè)新的觀測內(nèi)容，因此對觀測點的代號隨時間做了調(diào)整。如圖5所示，SP1-13為最早設(shè)置的伸縮計觀測點。SP1-13設(shè)置在右側(cè)邊界上，測得的結(jié)果不是滑坡主滑方向上的位移量，但可以定性地了解滑坡的活動情況。SP1-1雖然位于滑坡頭部邊界，當(dāng)時認(rèn)為在理論上該點是最理想的觀測點，但由于該處有公路通過，觀測噪音較大。圖6是在一區(qū)完成的觀測系統(tǒng)平面圖和剖面示意圖。觀測內(nèi)容包括庫水位以上伸縮計觀測(代號為SP1-M-XX)，庫水位以下伸縮計觀測(代號為SP1-N-FX)，鉆孔內(nèi)應(yīng)變儀(設(shè)置在鉆孔ZK-1內(nèi))。另外在滑坡范圍內(nèi)，還有由中國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)置的GPS觀測點和裂縫觀測點(代號D)。觀測從2004年開始逐步展開，由于對樹坪滑坡整治方案的實施，觀測在2010年逐步停止。長達(dá)5年以上的觀測取得了大量數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)質(zhì)量最好的為SP1-13(后面改為SP1-M-25)的伸縮計和鉆孔內(nèi)的應(yīng)變計。這里對這兩種觀測結(jié)果進(jìn)行分析。

圖6 樹坪滑坡一區(qū)的觀測系統(tǒng)平面圖和剖面示意圖

圖7為樹坪滑坡一區(qū)SP1-13(即SP-1-M25)觀測點2004年9月至2009年10月的伸縮計觀測結(jié)果和降雨量及庫水位的對應(yīng)關(guān)系曲線。5年內(nèi)，降雨顯示年度周期性變化，且后面3年降雨強度較大； 庫水位在2004年135～140m之間的小幅度變化轉(zhuǎn)化到2006年以后145～172m之間的漲落； 伸縮計觀測到的位移量呈臺階狀變化。僅僅從該圖上很難看出滑坡位移的主要影響因素，因為滑坡坡角處的水位變化和滑坡整體范圍內(nèi)的降雨都會對滑坡位移產(chǎn)生影響。

圖7 樹坪滑坡一區(qū)SP1-13(即SP-1-M25)觀測點的伸縮計觀測結(jié)果和降雨量及庫水位的對應(yīng)關(guān)系

圖8是對圖7中變形量和庫水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的結(jié)果。將變形量轉(zhuǎn)換成滑坡變形速率，將庫水位轉(zhuǎn)換成水位下降速率，可以看到在2006～2008年間有很明顯的對應(yīng)關(guān)系：滑坡運動速率與庫水位下降速率之間呈正相關(guān)關(guān)系。換言之，樹坪滑坡的位移主要受庫水位下降速度的影響； 在水位上升過程中，樹坪滑坡基本沒有變形。從圖8中還可以看到另外一個現(xiàn)象，就是滑坡變形速率的曲線比庫水位下降速率的曲線要滯后約88天。這是什么原因造成的呢？分析一下鉆孔應(yīng)變計的觀測結(jié)果，就會找到答案。

圖8 樹坪滑坡一區(qū)SP-1-M25觀測點變形速率與水位下降速率的對比關(guān)系

圖9a是設(shè)置在鉆孔ZK-1處的孔內(nèi)應(yīng)變計觀測結(jié)果?？變?nèi)應(yīng)變從深度14.5m處開始，按2m間隔測到60.5m。測量結(jié)果以孔底即60.5m處為基準(zhǔn)進(jìn)行累積計算得出。從結(jié)果中可以看出，在34.5m深度處出現(xiàn)明顯應(yīng)變集中帶，可以判斷為該處的滑帶。圖9b為根據(jù)觀測結(jié)果計算出的深度34.5m處的應(yīng)變速率。其最大值發(fā)生在2009年6月，并與同一時期出現(xiàn)的最大庫水位下降速率的峰值完全對應(yīng)，說明了庫水位下降對滑坡運動的直接影響。

圖9 樹坪滑坡一區(qū)ZK-1處孔內(nèi)應(yīng)變計觀測結(jié)果

SP1-13處的88天滯后是什么原因造成的呢？SP1-13位于ZK-1側(cè)后方200余米處，可能由于位移的傳遞需要時間，同時也說明了樹坪滑坡的運動是從滑坡體腳部向頭部擴展，表明了庫水位下降在樹坪滑坡復(fù)活及發(fā)展過程中的主導(dǎo)作用。其主要原因是滑坡滲透性較差，水位下降時滑坡內(nèi)部地下水位線滯后于庫水位，滑坡穩(wěn)定性下降(向玲等， 2014； Song et al.， 2018)。

對于樹坪滑坡這種具有松散結(jié)構(gòu)的老滑坡體，在庫水位漲落條件下的變形模式可以通過如圖10所示的概念圖進(jìn)行解釋。如果老滑坡體在水庫蓄水前安全儲備不高(圖10a)，那么在蓄水水位迅速抬升后(圖10b)，庫水可能迅速進(jìn)入滑坡體內(nèi)，對滑坡體產(chǎn)生大于滑坡表面水壓力的揚壓力，從而導(dǎo)致老滑坡復(fù)活或坡體變形失穩(wěn)； 一段時間之后，當(dāng)庫水完全滲透到滑坡體內(nèi)并使滑坡體內(nèi)的地下水位與庫水位齊平時(圖10c)，坡體的穩(wěn)定性又會恢復(fù)到蓄水前的狀態(tài)，這時坡體變形會呈現(xiàn)停止?fàn)顟B(tài)； 當(dāng)庫水位下降時，如果下降速度較快，坡體內(nèi)的地下水來不及排出，則會在坡體內(nèi)以超孔隙水壓力的形式殘留，并降低滑動帶的抗剪強度，使坡體穩(wěn)定性降低，進(jìn)而發(fā)生坡體變形或滑動現(xiàn)象。

圖10 樹坪滑坡體在庫水位漲落過程中所受水壓力(b)以及坡體內(nèi)地下水分布(c， d)概念圖

3 模型試驗?zāi)M驗證

針對千將坪滑坡和樹坪滑坡在庫水位漲落條件下所表現(xiàn)出的不同變形破壞模式，在室內(nèi)實施了兩組簡易物理模擬實驗(Shugiura， 2011)，以驗證以上提出的概念模型。

圖11是以順層邊坡為原型的模型實驗裝置。在一個長1200mm，寬600mm，高600mm的水槽內(nèi)，先用8號硅砂(平均粒徑0.0656mm，不均勻系數(shù)3.17，曲率系數(shù)1.33，土粒比重2.68)堆成一個30°的邊坡(為了節(jié)省材料和工時，在遠(yuǎn)離坡面處使用了一些磚塊)，在平整坡面之后，在坡面上順坡放置不同厚度(分別為18mm和54mm)的板材以觀察板材厚度的影響。在板材中央，放置重塊以平衡浮力。然后將重塊連接到伸縮計上以觀測其變形量。在水槽底部放置水壓計，記錄水槽內(nèi)的水位變化。

圖11 模擬順層邊坡在水位上升過程中如何變形破壞的簡易試驗裝置

圖12為模擬順層邊坡在水位上升過程中邊坡運動速度與水位之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)使用層厚18mm的板材時(配重3kgf)，運動速度在水位上升過程中有些增大的趨向，但表現(xiàn)并不很明顯。當(dāng)使用層厚54mm的板材(配重5kgf)后，運動速度在水位上升到0.2m以后，運動速率隨之上升。在水位達(dá)到0.25m并保持穩(wěn)定時，運動速度也保持了一段時間，隨后運動速率回落到0，邊坡運動趨于停止。

圖12 不同層厚順層邊坡在水位上升過程中的變形速率

圖13為模擬松散結(jié)構(gòu)邊坡在水位漲落條件下的實驗裝置。先使用8號硅砂制成40°的邊坡，然后對水槽進(jìn)行注水或排水。在坡體內(nèi)部放置一個直徑約30mm的塑料球用來監(jiān)測坡體位移。塑料球的兩端分別用絲線連接在伸縮計和平衡砝碼上，以保證塑料球能隨著坡體一起運動。注意塑料球的運動只能沿著絲線的方向運動，并不能準(zhǔn)確測得圓弧滑動式的二維位移量，但其結(jié)果足以用于定性分析。

圖13 模擬松散結(jié)構(gòu)邊坡在水位漲落過程中如何變形破壞的簡易試驗裝置

圖14為坡角40°時的松散結(jié)構(gòu)邊坡實驗結(jié)果。對應(yīng)著700s和2100s附近的兩次水位下降速度低谷值，邊坡運動速率顯示了良好的峰值對應(yīng)，而且沒有時間滯后現(xiàn)象發(fā)生。

圖14 松散結(jié)構(gòu)邊坡在水位漲落過程中變形速率與水位變動速率之間的對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論與展望

庫水位的漲落如何影響水庫庫岸邊坡穩(wěn)定性一直是水庫安全運營必須解決的重要課題，了解不同結(jié)構(gòu)邊坡在庫水位漲落變化條件下的變形破環(huán)模式，對于有效防控庫區(qū)滑坡災(zāi)害，在保障庫區(qū)航運安全，保障庫區(qū)人民生命安全有著重要意義。本文在對千將坪滑坡和樹坪滑坡進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和長期變形觀測的基礎(chǔ)上，抽象出不同結(jié)構(gòu)邊坡在庫水位漲落條件下變形破壞模式，并通過室內(nèi)簡易物理模擬進(jìn)行了驗證，得到了以下結(jié)論。

(1)順層結(jié)構(gòu)邊坡在庫水位上升時，由于巖層底面所受揚壓力增大，穩(wěn)定系數(shù)降低。失穩(wěn)后，滑坡體運動速率與水位上升高度成正相關(guān)關(guān)系。

(2)松散結(jié)構(gòu)邊坡在水位漲落過程中呈現(xiàn)不同的變形破壞特征。初期水位上升將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，對應(yīng)活躍的坡體變形； 之后隨著庫水位完全滲入坡體，邊坡穩(wěn)定性得到恢復(fù)，變形進(jìn)入休眠期； 在庫水位下降時，由于坡體物質(zhì)滲流的滯后，坡體變形可能再度發(fā)生，且運動速率與庫水位下降速率成正相關(guān)關(guān)系。

以上結(jié)論是針對兩個滑坡案例進(jìn)行研究后得到的結(jié)果。水庫庫岸邊坡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還可能存在其他結(jié)構(gòu)類型，對此有必要開展有針對性的研究。另外，以上結(jié)果還停留在定性結(jié)論水平，為了更有效地進(jìn)行庫區(qū)滑坡災(zāi)害防治和管控，有必要將以上定性結(jié)論向定量化方向發(fā)展。

致 謝島根大學(xué)地球科學(xué)系畢業(yè)生杉浦貴美惠協(xié)助完成了室內(nèi)模型試驗； 在千將坪滑坡和樹坪滑坡現(xiàn)場調(diào)查和長期監(jiān)測工作中，三峽大學(xué)張業(yè)明教授、黃波林研究員和中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心霍志濤研究員等給予了大力幫助。在此表示感謝。