基于孔隙水壓力變化的三峽庫區(qū)鹽關(guān)滑坡破壞機(jī)制分析*

尚 敏 劉昱廷 DAVE Chan 廖 芬

(①湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué) )， 宜昌 443002，中國)(②三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 宜昌 443002，中國)(③三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院， 宜昌 443002，中國)(④阿爾伯塔大學(xué)， 阿爾伯塔 埃德蒙頓 T6G 2W3，加拿大)

0 引 言

三峽庫區(qū)自2009年蓄水達(dá)到175m以來，庫區(qū)內(nèi)隨之出現(xiàn)許多滑坡和塌岸，許多中外學(xué)者對(duì)這些地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了深入研究，但是很少有從滑坡體內(nèi)孔隙水壓力變化速率角度進(jìn)行分析研究，何健(2018)闡述了降雨導(dǎo)致水-汽二相的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響； 謝羅峰(2009)詳細(xì)分析了各種滲流條件下的影響因素及邊坡穩(wěn)定性； 潘俊義等(2018)模擬了在4種不同強(qiáng)度降雨條件下的邊坡浸水深度，并且分析了邊坡的應(yīng)力變化特征以及入滲規(guī)律的差異； 葉帥華等(2018)在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)降雨入滲會(huì)引起邊坡土體飽和度和重度的變化，因此運(yùn)用PLAXIS3D巖土有限元軟件設(shè)置降雨量隨時(shí)間變化的函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出降雨入滲條件下邊坡的穩(wěn)定性； 尚敏等(2016)對(duì)于滲流場(chǎng)變化下的孔隙水壓力導(dǎo)致地表變形的幅度進(jìn)行了研究； 匡野(2014)深入了研究降雨條件下堆積體滑坡失穩(wěn)規(guī)律。本文將以時(shí)間為線索，借助有限元仿真模擬軟件計(jì)算分析降雨條件下滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力，建立滑坡的安全系數(shù)、孔隙水壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)而說明鹽關(guān)滑坡的破壞是滑坡內(nèi)土體達(dá)到飽和后，孔隙水壓力急劇增大所導(dǎo)致。

1 滑坡工程地質(zhì)概況

發(fā)生于秭歸縣歸州鎮(zhèn)的鹽關(guān)滑坡坐落在揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、上揚(yáng)子臺(tái)坪鄂中褶斷區(qū)、黃陵斷穹西翼與秭歸向斜北東翼的過渡區(qū)內(nèi)，為一土質(zhì)滑坡，地處長(zhǎng)江一級(jí)支流香溪河的右岸，距離河口12km?；乱粠^(qū)域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)型氣候區(qū)，四季分明，雨季降雨強(qiáng)度大、雨勢(shì)猛，常暴發(fā)山洪、滑坡等災(zāi)害。鹽關(guān)滑坡地形上陡下緩，滑坡中下部為居民區(qū)，上部為耕地和柑橘林； 地貌上屬于低山區(qū)，平面形態(tài)呈喇叭形，后緣呈圈椅形，前部寬171m，后部寬120m，縱長(zhǎng)476m，平均厚度18m，滑體面積69191m2，總方量125×104m3。前緣以香溪河為界，滑坡剪出口高程低于140m； 后緣以陡峭裸露的基巖山體為界，壁坎最高可達(dá)10m，標(biāo)高約320m； 滑坡南北以兩側(cè)沖溝為界?；w從前緣至后緣呈現(xiàn)三級(jí)平臺(tái)，將滑坡縱向剖開，滑體上部連線呈折線趨勢(shì)，滑體下部連線呈弧線，從整體上看，滑體兩端薄、中部厚，且最大厚度達(dá)到24.7m； 將滑坡橫向剖開，滑體上部和下部連線均呈弧線趨勢(shì)，同樣為兩側(cè)部分較薄，向中部延伸逐漸變厚，見圖1。

圖1 工程地質(zhì)平面圖

鉆孔揭露滑體物質(zhì)組成具二元結(jié)構(gòu)特征，如圖2：滑體上部0.5～2.0m為褐紅色至灰黃色含碎石粉質(zhì)黏土，碎石粒徑一般2～8cm，成分主要為紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖及泥巖，下部為碎塊石土，成分為侏羅系中統(tǒng)聶家山組(J2n)以上地層中的紫紅色粉砂質(zhì)黏土巖、泥巖及灰黃色、灰白色砂巖等，大多處于強(qiáng)-中等風(fēng)化狀態(tài)； 滑帶土為紫紅、灰白、灰黃色含礫粉質(zhì)黏土及含礫黏土，成分以紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、灰綠色鈣質(zhì)砂巖、及石英粉細(xì)砂巖為主。滑床為基巖地層，滑體沿基巖面滑動(dòng)變形?；w的前半部分為侏羅系下統(tǒng)桐竹園組(J1t)深灰色至灰綠色泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖； 后半部分為侏羅系中統(tǒng)聶家山組(J2n)紫紅色泥質(zhì)粉砂巖夾中厚層狀灰黃色石英粉細(xì)砂巖(楊光， 2007)。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

2 滑坡變形破壞特征

2017年10月26日上午，應(yīng)急組人員發(fā)現(xiàn)該滑坡上有小規(guī)模的局部變形，位于滑坡右側(cè)邊界處的排水溝已經(jīng)垮塌，擋墻開裂； 次日，滑坡已經(jīng)發(fā)生了顯著的整體性變形，根據(jù)滑坡后緣已經(jīng)形成的貫通弧形拉裂縫、邊界處較為明顯的剪切裂縫和滑坡前緣的鼓脹裂縫，應(yīng)急組人員判定滑坡已處于臨滑階段。而后于27日早間5時(shí)，變形開始加劇，圖3a為在后緣發(fā)現(xiàn)貫通性弧形拉張裂縫，長(zhǎng)約120m，寬度張開0.2～0.5m，同時(shí)也伴隨著前緣的下座，約2～5m。17時(shí)再次進(jìn)行巡查時(shí)，裂縫的下座高度已經(jīng)增加至6～10m，與此同時(shí)，沿滑坡兩側(cè)沖溝展布的剪切裂縫也已形成，位于沖溝內(nèi)排水溝已全部垮塌，且右側(cè)邊界處的附屬房屋倒塌如圖3b所示。30日上午7時(shí)，滑坡體發(fā)生整體性的滑移變形，已經(jīng)處于完全破壞的狀態(tài)(尚敏等， 2019)。

圖3 后緣張拉裂縫(a)與右側(cè)邊界房屋倒塌(b)

3 滑坡破壞影響因素分析

3.1 降 雨

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，滑坡所在區(qū)域多年平均降雨量1245mm，平均降雨日數(shù)134d； 雨季(5～9月)平均降雨天數(shù)68d，占全年降雨總天數(shù)的50.75%，降雨量則占年總降雨量69%～77%，日最大降雨量162.9mm(1982年7月20日)，小時(shí)最大降雨量54.8mm(1987年8月6日)。然而，與往年不同的是，自從2017年9月末開始至10月一整月，秭歸縣歸州鎮(zhèn)遭遇了連續(xù)降雨， 10月份的總降雨量達(dá)到了罕見的327.1mm，長(zhǎng)期持續(xù)降雨可導(dǎo)致滑坡內(nèi)部土體逐步趨于飽和，孔隙水壓力不斷增大，滑坡飽水后下滑力增大，不利于滑坡穩(wěn)定(代貞偉等， 2016； 張夏冉等， 2017； 李寧等， 2018； 文海家等， 2018)。

3.2 庫水位

自2009年三峽庫區(qū)達(dá)到175m蓄水后，每年10月到次年1月，三峽庫區(qū)水位都保持高水位運(yùn)行。這正是一些大型滑坡發(fā)生的原因。在歷年庫水位高位運(yùn)行時(shí)，與其同期的降雨累積量都較低，所以沒有造成鹽關(guān)滑坡的破壞。而在2017年10月，在庫水位高位運(yùn)行的情況下，累計(jì)降雨量也達(dá)到了歷史新高，在庫水高位運(yùn)行的情況下，長(zhǎng)期連續(xù)的降雨滲入坡體而不能得到有效的排泄，致使滑坡體內(nèi)孔隙水壓力持續(xù)上升，最終導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)(Stark et al.，2017; Li et al.，2010)。

在圖4中，降雨和庫水位進(jìn)行綜合比對(duì)分析后發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期持續(xù)降雨和庫水位高位運(yùn)行條件中，單一條件作用影響下的鹽關(guān)滑坡均未發(fā)生變形破壞，故鹽關(guān)滑坡的破壞是長(zhǎng)期持續(xù)降雨和庫水位高位運(yùn)行共同作用的結(jié)果(Xia et al.，2013； Zhao et al.，2017； 周家文， 2019)。

圖4 2006～2017年月降雨量、三峽庫區(qū)庫水位圖

4 孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性

大氣降雨和庫水位的升降常常誘發(fā)邊坡失穩(wěn)而發(fā)生滑坡，而滑坡發(fā)生變形破壞的重要原因是邊坡內(nèi)部土體孔隙水壓力發(fā)生改變。不同的滑坡，由于其物質(zhì)組成成分不同，坡體的滲透系數(shù)不同，內(nèi)部孔隙水壓力變化趨勢(shì)也不盡相同，通過研究近年來發(fā)生的一些滑坡，根據(jù)有效應(yīng)力原理，以滑坡體內(nèi)孔隙水壓力變化速率大小為基準(zhǔn)，可以把滑坡失穩(wěn)劃分為3種類型如圖5所示。

圖5 孔隙水壓力導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)模式

曲線Ⅰ表示孔隙水壓力首先快速增長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)速率逐漸減慢的過程，此類滑坡常由于土體有效應(yīng)力在短期內(nèi)急劇降低而呈現(xiàn)出將要破壞的跡象，通?？梢员蝗藗兲崆邦A(yù)測(cè)； 曲線Ⅱ表示滑坡體內(nèi)部孔隙水壓力基本成勻速增大，有效應(yīng)力逐漸降低，此類滑坡變形往往表現(xiàn)為緩慢移動(dòng)，地表位移變形呈現(xiàn)規(guī)律性增加，可以被人們監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)； 曲線Ⅲ說明滑坡體內(nèi)的孔隙水壓力起初緩慢增加，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，孔隙水壓力急速增大導(dǎo)致有效應(yīng)力迅速降低并導(dǎo)致滑坡破壞，此類滑坡破壞前通常沒有明顯的變形特征，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變形破壞。土體的滲透性是決定孔隙水壓力變化速率的主要因素。黏性土通常黏聚力較大，在水的濕化作用下，滲透速率較慢，但是隨著水順著孔隙流入滑坡體內(nèi)部，黏土顆粒間的孔隙水壓力增大，孔隙水壓力增大也減小了土的黏聚力，抗剪強(qiáng)度迅速下降。對(duì)于鹽關(guān)滑坡而言，破壞時(shí)期庫水位已經(jīng)上升至175m的蓄水位，加上10月份較往年更充沛的降雨量，使得水漸漸滲透滑體黏土層，使土體飽和，在持續(xù)的降雨入滲和高庫水位的情況下，滑坡表層和內(nèi)部都不能有效地進(jìn)行排水，水流滲透到滑床基巖，由于基巖的滲透系數(shù)很小，水不能繼續(xù)入滲，使得孔隙水壓力驟然增大，順滑帶造成滑坡整體失穩(wěn)，通過詳細(xì)分析比對(duì)鹽關(guān)滑坡的變形滑動(dòng)過程，鹽關(guān)滑坡符合曲線Ⅲ的破壞過程特征。

5 滑坡變形分析計(jì)算模型

5.1 計(jì)算模型的建立

本文應(yīng)用Geo-studio仿真軟件，以時(shí)間為線索，對(duì)鹽關(guān)滑坡進(jìn)行地下水滲流模擬和變形分析，首先利用子程序SEEP/W，對(duì)滑坡破壞過程中的降雨和庫水條件進(jìn)行模擬，得出滑坡內(nèi)部滲流場(chǎng)的孔隙水壓力變化情況，并把所得到的孔隙水壓力值輸入到Slope/W中計(jì)算出滑坡破壞時(shí)的安全系數(shù)(Zeng et al.，2016； Chen etal.，2017； 李同錄等， 2018)。本文基于Van Genuchten模型提出的非飽和土強(qiáng)度理論中的滲流場(chǎng)計(jì)算，根據(jù)Van Genuchten經(jīng)驗(yàn)擬合公式擬合得出非飽和介質(zhì)中水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并綜合考慮鹽關(guān)滑坡的工程地質(zhì)特征，選擇1-1′作為計(jì)算剖面，建立數(shù)值模型。該模型由3416個(gè)節(jié)點(diǎn)， 3306個(gè)網(wǎng)格構(gòu)成，見圖6。在計(jì)算過程中所采用的物理力學(xué)參數(shù)均是以對(duì)鹽關(guān)滑坡的土樣和巖樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)所得的結(jié)果為依據(jù)，各巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

圖6 滲流分析網(wǎng)格劃分

5.2 計(jì)算工況

降雨是各種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素，降雨入滲到滑坡體內(nèi)會(huì)迅速增加土體間的孔隙水壓力。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，鹽關(guān)滑坡破壞發(fā)生在2017年10月27日至30日期間，并且此次長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)性降雨從9月28日就已經(jīng)開始，因此選取實(shí)際條件作為工況，將9月28日至10月30日期間的33d的降雨量作為降雨邊界條件，選取9月28日至10月30日期間的33d所對(duì)應(yīng)的庫水位作為庫水位邊界條件。荷載組合選取自重和地表荷載，并選用滑坡前緣滑帶附近位置采用雙向流進(jìn)行孔隙水壓力值的計(jì)算如圖7a所示。

圖7 孔隙水壓力分布計(jì)算模型圖

5.3 計(jì)算結(jié)果及失穩(wěn)機(jī)制分析

利用SEEP/W模塊進(jìn)行滑坡瞬態(tài)滲流計(jì)算(Yang et al.， 2019； Conte et al.， 2011)，得到從開始降雨至滑坡破壞期間內(nèi)的孔隙水壓力分布變化，圖7a為連續(xù)降雨持續(xù)5d的孔隙水壓力分布，此時(shí)滑坡前緣土體正在逐漸飽和，孔隙水壓力持續(xù)上升； 圖7b為降雨27d的孔隙水壓力分布，可以看出此時(shí)滑體幾乎處于飽和狀態(tài)，滑坡從此刻開始出現(xiàn)滑動(dòng)變形，孔隙水壓力到達(dá)臨界值。從圖8中的孔隙水壓力-時(shí)間曲線圖可以看出，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力在初始階段呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，降雨入滲使土體逐漸飽和，在14d至27d時(shí)間段內(nèi)增速較快，在第27d時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)滑坡體內(nèi)孔隙水壓力達(dá)到臨界狀態(tài)，滑坡開始滑動(dòng)變形。將SEEP/W得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Slope/W模塊內(nèi)得到此段時(shí)間內(nèi)滑坡整體的安全系數(shù)-時(shí)間曲線(圖9)，曲線顯示在時(shí)間到達(dá)連續(xù)降雨的第27d時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降到0.95以下，滑坡開始滑動(dòng)變形。

圖8 孔隙水壓力-時(shí)間曲線

圖9 安全系數(shù)-時(shí)間曲線

隨著長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的持續(xù)降雨，雨水逐漸滲入滑坡體內(nèi)，土體間孔隙水壓力值呈上升趨勢(shì)，滑體的飽水重度逐步增大，第27d時(shí)，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力值達(dá)到最大并且逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)滑帶達(dá)到飽水軟化狀態(tài)，阻滑能力大大降低，并且?guī)焖槐３指呶贿\(yùn)行，坡腳被浸潤(rùn)，庫水對(duì)坡腳具有向上的浮托力，滑坡前緣首先變形，滑坡整體開始出現(xiàn)各種臨滑跡象。到達(dá)第30d時(shí)，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力依然較大，達(dá)到極限平衡狀態(tài)，滑坡整體開始沿滑動(dòng)面下滑，導(dǎo)致滑坡完全破壞。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)降雨數(shù)據(jù)和庫水位調(diào)度資料，在歷年高庫水位和連續(xù)降雨的單一因素影響下，鹽關(guān)滑坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)； 在鹽關(guān)滑坡破壞期間，庫水位從167.19mm上升到173.64mm， 33d內(nèi)的降雨量達(dá)到327.1mm。因此，定性分析認(rèn)為鹽關(guān)滑坡的破壞是庫水高位運(yùn)行和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨共同作用的結(jié)果。

(2)根據(jù)有效應(yīng)力原理，依據(jù)長(zhǎng)期持續(xù)降雨條件下滑坡體內(nèi)孔隙水壓力值的變化速率情況可推斷出鹽關(guān)滑坡的破壞過程基本符合折線形滑坡的破壞形式，即由于滑體和滑帶均有一定的透水性，前期在降雨和庫水的持續(xù)作用下，水逐漸下滲進(jìn)入滑體，坡體內(nèi)孔隙水壓力經(jīng)歷了一個(gè)緩慢增大的過程，當(dāng)水逐步入滲穿過滑帶至透水性較小的滑床后，入滲受阻，孔隙水壓力呈現(xiàn)迅速增大的過程，滑坡便會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞。

(3)根據(jù)Geo-Studio仿真模擬軟件計(jì)算出的鹽關(guān)滑坡體內(nèi)滑帶位置孔隙水壓力值說明，在降雨初期的前13d內(nèi)，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力值增長(zhǎng)較緩慢，在14d至27d期間，孔隙水壓力急劇上升至140kPa，同時(shí)滑坡的安全系數(shù)也從1.18迅速下降到0.98，孔隙水壓力達(dá)到臨界值，導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)破壞。

(4)鹽關(guān)滑坡孔隙水壓力增速起初緩慢，最后迅速加快，導(dǎo)致滑坡短時(shí)間內(nèi)失穩(wěn)破壞，故根據(jù)鹽關(guān)滑坡孔隙水壓力值的速率變化趨勢(shì)判斷，鹽關(guān)滑坡為圖5所示的Ⅲ型滑坡失穩(wěn)模式。