三峽庫區(qū)石榴樹包滑坡近期變形特征與機(jī)理分析

楊 何，湯明高，許 強(qiáng)，龔正峰，祝 權(quán)

（1. 成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610106；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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059）

0 引言

三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程，三峽庫區(qū)歷來就是滑坡地質(zhì)災(zāi)害隱患居多的區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三峽水庫自2003年首次蓄水以來庫區(qū)發(fā)生了較大變形的滑坡有674處，其中下滑入江的有8個(gè)[1?3]。長期以來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)三峽庫區(qū)一些重要滑坡的變形破壞特征進(jìn)行了相關(guān)研究，如白水河滑坡、樹坪滑坡、臥沙溪滑坡、千將坪滑坡、八字門滑坡、涼水井滑坡、藕塘滑坡、木魚包滑坡等[4?10]。水土作用對(duì)水庫堆積層滑坡影響甚大，主要表現(xiàn)為引起滑坡土體物理力學(xué)性質(zhì)的改變與滑坡受力狀態(tài)的變化。根據(jù)水土作用的不同方式變形成因可分為降雨型、浸泡軟化型、動(dòng)水壓力型、浮托減重型、復(fù)合型五類[11?12]。

石榴樹包滑坡是黃蠟石滑坡群中的一個(gè)重要滑坡，其長期持續(xù)變形對(duì)長江航運(yùn)及人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，一直以來備受關(guān)注。1998年羅先啟等[13]采用非線性有限元方法對(duì)原石榴樹包滑坡在不同運(yùn)行工況下的位移、應(yīng)力、塑性區(qū)進(jìn)行了分析。2000年保長漢等[14]采用廣義楔形體法對(duì)原石榴樹包滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算。楊學(xué)堂等[15?16]對(duì)原石榴樹包滑坡滑體滑動(dòng)后的速度、滑距及涌浪進(jìn)行了計(jì)算。而后一些學(xué)者采用有限元法對(duì)原石榴樹包滑坡的穩(wěn)定性及變形規(guī)律進(jìn)行了分析[17?22]。2004年通過削方減載、設(shè)置排水等措施對(duì)滑坡進(jìn)行了治理。李秀珍等[23]基于滑坡治理前10多年的變形監(jiān)測資料，研究了原石榴樹包滑坡的影響因素和變形演化特征和規(guī)律。鐘少波等[24]基于滑坡治理后6年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了石榴樹包滑坡變形監(jiān)測位移特征及穩(wěn)定性。以上研究對(duì)石榴樹包滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，對(duì)滑坡變形特征分析較少，尤其對(duì)滑坡變形機(jī)制的研究幾乎很少涉及。因此，本章首先通過鉆探與物探資料分析石榴樹包滑坡滑體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，再通過近兩年的自動(dòng)GPS表面位移、地下水位變化、降雨量等監(jiān)測對(duì)該滑坡的變形特征、變形機(jī)理進(jìn)行深入探討與研究。

1 石榴樹包滑坡概況

石榴樹包滑坡位于湖北省巴東縣東瀼口鎮(zhèn)黃蠟石村，長江左（北）岸?；略夹逼缕赂呒s為500 m，斜坡傾向188°，斜坡結(jié)構(gòu)類型為逆向斜坡（圖1）。

圖1 石榴樹包滑坡遙感圖Fig.1 Remote sensing map of Shiliushubao landslide

石榴樹包滑坡后緣高程340～350 m，前緣剪出口高程50～60 m，面積約0.25 km2，平均厚度約47.2 m，體積約11.80×106m3。高程350～250 m間的地形坡角為32°～37°；高程200 m有一平臺(tái)，為前期治理削方所致，東西長150～170 m，南北寬90～110 m；高程200 m以下地形坡角為30°～45°。石榴樹包滑坡邊界特征見圖2?；伦髠?cè)邊界為一沖溝，左側(cè)邊界溝外側(cè)為一小山脊，見圖2（a）?；掠覀?cè)邊界為一沖溝，溝中樹木茂密，溝外側(cè)可見混凝土護(hù)坡，該沖溝將石榴樹包滑坡與原臺(tái)子角滑坡分割開來，見圖2（b）?；虑熬壌蟛糠直唤蜎]，出露部分為黏土夾紫紅色泥巖、泥質(zhì)砂巖與粉質(zhì)砂巖塊石，見圖2（c）?；潞缶壍貏葺^為平緩，位于公路下方，與原磨盤灣滑坡的前緣相接，相對(duì)中前緣寬度變窄，見圖2（d）。由于前期治理，滑坡表面分布有多條排水溝，3個(gè)排水平硐。

圖2 石榴樹包滑坡邊界特征Fig.2 Boundary characteristics of Shiliushubao landslide

2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)

在石榴樹包滑坡建立綜合觀測站，主剖面上選取適當(dāng)?shù)?個(gè)位置布置鉆孔，其中ZK1、ZK2、ZK4、ZK5等4個(gè)鉆孔為水文孔?；律习惭b的儀器主要有：GPS自動(dòng)監(jiān)測站4個(gè)（其中1個(gè)基站），地下水位監(jiān)測儀器8個(gè)分布于水文孔中，庫水位監(jiān)測點(diǎn)1個(gè)，雨量監(jiān)測站2個(gè)?，F(xiàn)場儀器安裝布置見圖3。

圖3 石榴樹包滑坡勘探及監(jiān)測儀器布置圖Fig.3 Layout of exploration and monitoring instruments for Shiliushubao landslide

2.1 鉆探結(jié)果

石榴樹包滑坡所處斜坡結(jié)構(gòu)為逆向坡，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)鉆孔資料綜合分析，滑體物質(zhì)主要為第四系崩坡積碎塊石土，原巖為三疊系巴東組的巖體，經(jīng)強(qiáng)烈滑動(dòng)破壞而成，在總體上顯示一定的成層性。表層覆蓋少量第四系松散的崩坡積土，厚1.5～2 m，見圖4（a）。淺層及后緣滑體物質(zhì)主要為三疊系巴東組第四段的紅色砂泥巖、粉砂巖破壞形成的碎石土；中層主要為三疊系巴東組第三段灰綠色、灰黃泥灰?guī)r、灰?guī)r破壞后的散裂結(jié)構(gòu)塊石土，從后到前厚度逐漸增大，見圖4（b）；下層有一層三疊系巴東組第二段紫紅色泥巖和粉砂巖破壞后形成的碎石土。

滑帶物質(zhì)為土含碎石，位于基覆界面處，厚度一般為1～2 m，碎石含量10%～30%。土主要為灰黃、灰綠色黏土和粉質(zhì)黏土。碎石以粒徑2～10 mm者居多，呈次棱角-次圓狀，并具有一定程度的定向排列，巖性主要為來自巴東組第三段的灰色、灰綠色灰?guī)r、泥灰?guī)r，見圖4（c）。

圖4 石榴樹包滑坡鉆孔巖芯Fig.4 Borehole core of Shiliushubao landslide

滑床物質(zhì)由下到上可分為三段，巴東組第一段（T2b1）為灰色、淺灰色的泥灰?guī)r、灰?guī)r，厚約30.30 m；巴東組第二段（T2b2）為紫紅色泥巖和粉砂巖，厚度為11.07～32.65 m；巴東組第三段（T2b3）為灰綠色、灰黃色的泥灰?guī)r，厚約11.96 m。滑床基巖巖層產(chǎn)狀傾向山內(nèi)，傾角20°～30°左右，見圖4（d）。巖層總體產(chǎn)狀70°∠20°。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔的工程地質(zhì)剖面見圖5。

圖5 石榴樹包滑坡工程地質(zhì)縱剖面Fig.5 Engineering geological profile of Shiliushubao landslide

2.2 物探測試結(jié)果

在三峽水庫處于高水位時(shí)期（庫水位為173 m），對(duì)石榴樹包滑坡進(jìn)行高密度電法物探工作。在滑坡體上共布設(shè)1橫1縱剖面，分別為300 m和280 m，各剖面上分別布設(shè)60個(gè)電極和56個(gè)電極，電極之間間距為5 m，布設(shè)的剖面與鉆孔剖面吻合，經(jīng)過每個(gè)鉆孔。將高密度電法結(jié)果與鉆孔巖芯進(jìn)行對(duì)比，見圖6。

由圖6可以看出：視電阻率呈塊團(tuán)狀分布，成層性較差，視電阻率范圍約0～800 Ω·m。鉆探巖性及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分界面與電阻率分界面較吻合。整體上表層的電阻率值較低，低至20～30 Ω·m，該處泥巖、粉砂巖顆粒粒徑較小，土顆粒含量較多所致，與實(shí)際情況一致。淺層電阻率值較高的僅分布在鉆孔ZK4周邊的平臺(tái)處，電阻率值達(dá)500～800 Ω·m，主要為淺灰色泥灰?guī)r夾灰?guī)r碎塊石為主。由此可分析得到石榴樹包滑坡體結(jié)構(gòu)巖性分布，電阻率值低于50 Ω·m以下的區(qū)域主要以泥巖、粉砂巖等黏土巖形成的土石混合體為主，塊狀分布；電阻率值高于200 Ω·m的區(qū)域主要以泥灰?guī)r形成的土石混合體為主，塊狀分布。50～200 Ω·m的區(qū)域主要為前兩者的混合物。

圖6 石榴樹包滑坡電法測量結(jié)果與鉆孔巖心對(duì)比Fig.6 Comparison of electrical survey results and borehole cores of Shiliushubao landslide

根據(jù)鉆孔資料，結(jié)合物探剖面，對(duì)石榴樹包滑坡體縱剖面物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分層，如圖7所示。

圖7 石榴樹包滑坡體縱剖面物質(zhì)結(jié)構(gòu)分層Fig.7 Material structure stratification of longitudinal section of Shiliushubao landslide body

3 滑坡變形特征

3.1 歷史變形特征

該滑坡為古滑坡，最早有記錄的復(fù)活變形出現(xiàn)在1980年煤礦導(dǎo)洞施工，而后多次降雨以及人類工程活動(dòng)出現(xiàn)較大變形。為此在2003年4月—2004年2月對(duì)石榴樹包滑坡進(jìn)行了工程治理，治理工程措施主要包含削方壓腳、地下排水、地表排水。目前，前期治理工程部分失效，坡體上排水溝損壞堵塞，排水平硐內(nèi)部垮塌。根據(jù)相關(guān)資料，石榴樹包滑坡在治理后布置了3條監(jiān)測剖面，現(xiàn)大部分儀器不能工作[24]。根據(jù)原監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，2004年—2009年期間滑坡變形較明顯，前緣變形最大達(dá)到1.4 m，變形總體呈階梯狀持續(xù)變形，變形時(shí)間主要在每年5—8月。

3.2 近期變形特征

石榴樹包滑坡3個(gè)GPS表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)、降雨量、庫水位隨時(shí)間的變化曲線見圖8。

圖8 石榴樹包滑坡GPS監(jiān)測累計(jì)位移量-雨量-庫水位變化曲線Fig.8 Variation curve of cumulative displacement of GPS monitoring and rainfall and reservoir water level of Shiliushubao landslide

由圖8可以看出，在庫水位下降及低水位運(yùn)行期間，表面位移增加較大，在庫水位升高及高水位運(yùn)行期間，表面位移也在增加但增加較少?？梢?，石榴樹包滑坡表現(xiàn)出動(dòng)水壓力型滑坡的特征，與收集的前期監(jiān)測數(shù)據(jù)在變形時(shí)間上表現(xiàn)一致。在庫水位較低時(shí)期，降雨會(huì)使滑坡各部分的位移都有小幅增大。GPS3位移量大于GPS2位移量大于GPS1位移量，可見滑坡變形主要發(fā)生在中部與后部，前緣變形較小。前緣變形較小這可能是由于前緣滲透性大，水力梯度較小的原因；中后部變形大可能是中后部滲透性小，水力梯度相對(duì)較大的原因?？傮w上，滑坡累計(jì)變形量最大未超過8 cm，位移隨時(shí)間增加緩慢，可見石榴樹包滑坡目前處于蠕動(dòng)變形階段。

4 滑坡變形機(jī)理分析

4.1 變形影響因素

石榴樹包滑坡前緣直抵長江，為變形提供了良好的地形臨空條件。滑坡下伏基巖為三疊系巴東組的紫紅色、淺灰色泥巖、粉砂巖、泥灰?guī)r的易滑巖組；滑坡體也為易滑巖組形成的土石混合體，因此本身物質(zhì)易于受雨水的影響而發(fā)生軟化泥化?；麦w前緣坡腳為長江，江水對(duì)滑體前緣岸坡不斷的沖刷、掏蝕，造成滑坡前緣坍塌，抗滑力減小。庫水位下降過程中，由于中后部滲透性不良導(dǎo)致滑體內(nèi)地下水位下降滯后于庫水位，由此產(chǎn)生的較大動(dòng)水壓力使滑坡的整體穩(wěn)定性減小?；麦w結(jié)構(gòu)較松散，滲透性相對(duì)較大，地表水易于匯集和下滲，每逢暴雨從滑坡后緣匯集來的地表水排泄于滑坡體上，使得堆積體飽水、抗剪強(qiáng)度降低，誘發(fā)淺表層變形。松散堆積物與下伏基巖接觸面形成潛在滑動(dòng)面，因坡體滲透性大，降雨也易下滲到滑動(dòng)帶，一方面滑動(dòng)面長期處于地下水位之下，使滑動(dòng)帶（面）強(qiáng)度弱化；另一方面也使局部水力梯度急劇增大，誘發(fā)整體變形。

4.2 地下水的影響

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知滑坡變形主要發(fā)生在庫水位下降階段及低水位運(yùn)行期，結(jié)合滑坡地質(zhì)形態(tài)，石榴樹包滑坡屬于動(dòng)水壓力型滑坡，可見地下水對(duì)滑坡變形有較大影響。

（1）地下水位監(jiān)測結(jié)果

石榴樹包滑坡布設(shè)的4個(gè)地下水位監(jiān)測孔于2018年4月27日開始獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，截至2019年10月30日，經(jīng)歷兩次庫水位升降過程，地下水位隨庫水位、降雨變化曲線如下圖9所示。

圖9 石榴樹包滑坡地下水位變化曲線Fig.9 Variation curve of groundwater level in Shiliushubao landslide

由圖9可知，ZK1、ZK2、ZK4孔地下水位的的變化曲線與庫水位變化趨勢一致，變化幅度是隨著離庫水越遠(yuǎn)變化越小，而ZK5孔地下水位的變化曲線與庫水位變化曲線無相似之處，說明ZK5孔地下水位變化與庫水位無關(guān)，庫水位的變化的影響范圍在ZK4與ZK5孔之間。降雨對(duì)ZK2與ZK5孔的地下水位影響較大，對(duì)ZK1與ZK4孔的地下水位影響甚小?；麦w地下水位對(duì)降雨的響應(yīng)在庫水位下降及低水位期間明顯，在庫水位上升及高水位運(yùn)行期間響應(yīng)不明顯，響應(yīng)雨量閾值約為40 mm。

①第一次升降過程（2018年4月27日—2018年10月14日）

ZK1孔水位升降最大29.84 m，ZK2水位升降最大27.73 m，ZK4孔水位升降最大8.91 m，ZK5孔里面水位升降最大14.08 m。

②第二次升降過程（2019年4月27日—2019年10月14日）

ZK1孔水位升降最大30.09 m，ZK2水位升降最大28.58 m，ZK4孔水位升降最大9.69 m，ZK5孔里面水位升降最大7.12 m。

（2）水力梯度變化特征

兩個(gè)庫水位升降過程的水力梯度隨庫水位及時(shí)間的變化曲線見圖10，水力梯度變化特征見表1。

表1 水力梯度變化特征Table 1 Variation characteristics of hydraulic gradient

由圖10可見，前三條水力梯度線存在突變，是受降雨影響所致。為便于觀察，將受降雨影響小的ZK4與ZK1之間的水力梯度作于圖中?？梢娝臈l曲線表現(xiàn)出相同的趨勢，隨著庫水位的下降，水力梯度逐步增大，在低水位水力梯度逐漸減??；當(dāng)庫水位上升時(shí)，水力梯度快速減小，高水位時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖10 石榴樹包滑坡水力梯度變化曲線Fig.10 Variation curve of hydraulic gradient of Shiliushubao landslide

由表1可知，在剔除降雨影響下，水力梯度i2?1低水位與高水位基本無變化，水力梯度i4?2低水位時(shí)約是高水位的4倍，水力梯度i5?4低水位時(shí)約是高水位的15倍。當(dāng)考慮降雨影響時(shí)，降雨時(shí)的水力梯度i2?1約是高水位的74倍；水力梯度i4?2卻在減小，甚至小于高水位的水力梯度；水力梯度i5?4約是高水位的35倍。

綜上，在不考慮降雨條件下，在兩次循環(huán)的下降及低水位過程中，水力梯度i4?2與水力梯度i5?4都較大，水力梯度i2?1較小。在考慮降雨條件下，水力梯度i2?1增大較多，i4?2減小，i5?4增大。說明，滑坡中后部滲透壓力較大，前緣在降雨后滲透壓力會(huì)大幅增大?；麦w中后部水位比較高，主要受后方山體地下水供給，可見滑坡滑動(dòng)面大部分都長期處于地下水位以下。

5 結(jié)論

（1）石榴樹包滑坡滑坡體物質(zhì)具有一定成層性，團(tuán)塊狀分布，電阻率值低于50 Ω·m以下的區(qū)域主要以泥巖、粉砂巖等黏土巖形成的土石混合體為主，電阻率值高于200 Ω·m的區(qū)域主要以泥灰?guī)r形成的土石混合體為主。

（2）降雨是石榴樹包滑坡復(fù)活的主要原因，庫水位升降與降雨聯(lián)合作用使石榴樹包滑坡持續(xù)變形。庫水位下降及低水位運(yùn)行過程中的變形大于庫水位上升及高水位運(yùn)行過程中的變形。前緣變形較小主要是由于前緣滲透性大，水力梯度較小的原因；中后部變形大主要是由于中后部滲透性小，水力梯度相對(duì)較大的原因。

（3）庫水位變化主要影響滑坡前緣和中部地下水變化，前緣地下水基本與庫水位同步；滑坡后部地下水與庫水位基本無關(guān)，主要受降雨影響。在不考慮降雨影響下，低水位時(shí)水力梯度是高水位時(shí)的4～15倍，考慮降雨影響時(shí)水力梯度是高水位時(shí)的35～74倍，降雨影響較大。

（4）石榴樹包滑坡一直處于蠕變階段，受庫水位周期性升降與降雨的影響，其變形將繼續(xù)發(fā)展，還需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測。