三峽庫區(qū)舊縣坪滑坡變形機理及穩(wěn)定性

朱權(quán)威， 于維剛， 蔡建華， 吳卓林

(中鐵西南科學(xué)研究院， 成都 611713)

自2003年三峽水庫周期性蓄水以來，致使庫岸邊坡的水文地質(zhì)條件發(fā)生了很大的變化，庫區(qū)進(jìn)而出現(xiàn)了大量的老(古)滑坡復(fù)活或者出現(xiàn)一些新的滑坡。滑坡的出現(xiàn)給庫區(qū)人民的生命和財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅，因此，岸坡的變形及穩(wěn)定性研究在水利工程建設(shè)中具有舉足輕重的地位。

Kaczmarek等[1]通過對庫區(qū)滑坡的研究表明，大多數(shù)水庫誘發(fā)滑坡在初始階段表現(xiàn)出嚴(yán)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(dá)到變形的自適應(yīng)，魏東等[2]通過對基于三峽庫區(qū)庫水位和降雨統(tǒng)計分析的八字門滑坡穩(wěn)定性評價的研究表明，庫水位和降雨都對滑坡的穩(wěn)定性有影響，庫水位影響程度較大，庫水位變化幅度越大，滑坡的穩(wěn)定性就越差。張永剛[3]通過對降雨及庫水位升降聯(lián)合作用下滑坡穩(wěn)定性的研究量化得出了不同工況下各個滑坡體間穩(wěn)定系數(shù)存在差異性，滑坡體離長江距離越遠(yuǎn)，穩(wěn)定系數(shù)一般越大。馮文凱等[4]對三峽庫區(qū)木魚包滑坡不同庫水升降速率變形響應(yīng)離心模型試驗研究表明，滑坡的變形與庫水浮力和動水壓力有關(guān)。國內(nèi)外對庫區(qū)滑坡研究多集中在理論研究方法或利用監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬以及物理模擬對庫區(qū)滑坡進(jìn)行定性研究[5-11]，鮮有通過實際定量分析先確定影響滑坡變形的主控因素，再利用實際降雨量、監(jiān)測點的位移和庫水下降的速率相結(jié)合來分析滑坡的變形機理。

以三峽庫區(qū)舊縣坪滑坡為研究對象，在研究其長期變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，基于長期的地表監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，對滑坡的影響主控因素、變形機理以及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過對舊縣坪滑坡在庫水變動下的變形機理和響應(yīng)規(guī)律的研究，以期為三峽庫區(qū)滑坡的防治提供有益的借鑒。

1 舊縣坪滑坡概況

舊縣坪滑坡位于重慶市云陽縣境內(nèi)，長江左岸，距三峽大壩壩址213.4 km，前緣剪出口高程95 m，后緣高程385 m，高差約290 m，兩側(cè)以沖溝為界，滑坡后緣存在明顯的拉線槽，主滑方向144°，滑坡平面呈“金鐘”形，滑坡的縱長約1 200 m，均寬約1 200 m，總平面面積約1.44 km2，平均厚度約40 m，體積約5 700×104m3(圖1)。

圖1 舊縣坪滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Geological plan of Jiuxianping landslide project

如圖2所示，滑坡的上層滑體為松散堆積體和下部的滑體。下層滑體主要有擾動的砂泥巖互層組成，巖體前部較為破碎，中后部較為完整。滑體中后部順層滑動，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，滑帶的物質(zhì)組成主要由強風(fēng)化的泥巖碎裂巖和黏土層組成，泥巖碎裂巖粒徑約2 cm，磨圓度較好，黏土層呈紫紅色、棕黃色，濕度中等，塑性較強?；瑤Ш穸?.5～0.6 m?；矠橘_系遂寧組(J3s)泥巖，產(chǎn)狀145∠10°。

圖2 舊縣坪滑坡A—A′縱剖面圖Fig.2 A—A′ longitudinal section of Jiuxianping landslide

自三峽庫水蓄水以來，庫水常年處于波動狀態(tài)，滑坡前緣不分巖體被庫水浸泡，滑坡的滲流場和應(yīng)力場發(fā)生變化，致使滑坡發(fā)生變形。2007年6月滑坡右側(cè)在暴雨過后發(fā)生滑動破壞，大量房屋和設(shè)施遭受破壞[圖1(a)、圖1(f)]，2012年調(diào)查發(fā)現(xiàn)滑坡前緣發(fā)生小規(guī)?？逅鶾圖1(c)]，2019年調(diào)查發(fā)現(xiàn)陵園內(nèi)的建筑物發(fā)生變形破壞[圖1(e)]，圍墻出現(xiàn)較大的裂縫，長2 m，寬10～20 cm[圖1(d)]，滑坡中部公路出現(xiàn)斷裂錯位，裂縫長6 m，寬2～5 cm，平行錯距5 cm。

2 舊縣坪滑坡變形特征

2.1 滑坡變形響應(yīng)規(guī)律

為了掌握舊縣坪滑坡的變形特征，探礦工藝所在滑坡上布置了9個地表位移監(jiān)測點(圖1)，并從2004年開始監(jiān)測。此外，分別從滑坡的雨量監(jiān)測點獲取降雨數(shù)據(jù)和三峽庫區(qū)網(wǎng)站上獲取庫水變動數(shù)據(jù)。如圖3所示，各監(jiān)測點的月位移變形量多數(shù)集中在5 mm左右，分布較為均勻，月變形量在10～20 mm則較集中分布在1—7月，約占總量的71.8%[圖4(a)]，變形量大于20 mm較集中分布在4—7月，約占總量的80.8%[圖4(b)]，監(jiān)測點出現(xiàn)負(fù)位移(即坡體向自身方向反推)較集中出現(xiàn)在9—12月，約占總量的74.3%[圖4(c)]。以上變形特征表明，坡體發(fā)生較大變形的階段主要集中1—7月(即庫水下降時期)，特別是4—7月變形最大，坡體出現(xiàn)負(fù)位移主要集中在9—12月(庫水上升時期)。

圖3 舊縣坪滑坡不同月份下的累計變形量Fig.3 Cumulative deformation of Jiuxianping landslide in different months

圖4 不同月份段累計位移關(guān)系圖Fig.4 Cumulative displacement relationship diagram in different months

2.2 滑坡變形因素特征

由圖2可知幾乎在每年4—7月監(jiān)測點的位移就會發(fā)生“跳變”，而4—7月既是庫水下降階段，也是三峽庫區(qū)的雨季(5—9月)，因此部分學(xué)者認(rèn)為是庫水位下降時滑坡變形的主控因素，一部分學(xué)者認(rèn)為降雨是滑坡變形的主控因素[10-11]。

在庫水調(diào)度中，庫水下降階段的后半段(4—6月)的下降的平均速率明顯要大于前半段(1—3月)的平均下降速率，因此，選取庫水下降前后段的平均下降速率和雨季降雨量與坡體位移的關(guān)系來研究坡體變形的主控因素。截取手動監(jiān)測點2009—2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同階段庫水下降速率和雨季降雨和YY073～YY079(YY071和YY072損壞)的在相應(yīng)階段的位移來分析，庫水下降速率和降雨對滑坡的影響，庫水不同階段下降速率與位移關(guān)系圖5所示，雨季降雨與位移關(guān)系圖6所示。

圖5 庫水不同階段下降速率與位移關(guān)系Fig.5 The relationship between the descent rate and displacement of the reservoir water at different stages

2009-03表示2009年1—3月，2009/6表示2009年4—6月；位移是相應(yīng)1—3月、4—6月的累計位移，庫水下降速率則表示相應(yīng)1—3月、4—6月的平均下降速率圖6 雨季降雨與位移關(guān)系圖Fig.6 The relationship between rainfall and displacement in the rainy season

圖5顯示，庫水下降速率的大小與位移的變化量呈極大的正相關(guān)。4—6月的庫水下降速率大于1—3月的下降速率，同時，4—6月各監(jiān)測點的位移量要遠(yuǎn)大于1—3月份的位移量，因此，庫水下降對滑坡的變形是顯著的，下降速率越大，影響越明顯。

通過對圖6分析可知：雨季降雨量的大小與位移量相關(guān)性較小，存在一定的影響。 2012年的雨季的降雨量同比2009—2011年的雨季降雨量要小，而2012年各監(jiān)測點的位移同比2009—2011年的位移普遍要大。雨季降雨量大的年份各監(jiān)測點的位移要普遍大于雨季降雨量小的年份，例如2009—2012年的降雨量要大于2013—2016年的雨季降雨量，同時2009—2012年各監(jiān)測點的位移普遍大于2013—2016年的位移。因此，降雨對該滑坡變形有一定的影響。

坡體的變形受庫水和降雨的共同影響，但起主要作用的是庫水位下降，降雨對坡體的變形有一定的影響，因此，庫水下降是坡體變形的主要因素，降雨是次要因素，起助推作用。

2.3 滑坡年度位移特征

選取A—A′剖面上的YY074、YY075和YY076的年位移進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。2012年坡體位移最大；2005—2006年年位移均在30 mm以下，2007年和2009年年位移在90～115 mm，2008年和2010—2011年以及2013—2016年的年位移在30～70 mm。年位移的變化表明，水庫初次蓄水對滑坡的變形和穩(wěn)定性影響較大，目前在庫水波動和降雨的影響下，監(jiān)測點的年位移量并不具有明顯的規(guī)律性，表明滑坡目前仍然處于應(yīng)力調(diào)整的階段。

圖7 YY074～YY076監(jiān)測點年累計位移曲線Fig.7 Annual cumulative displacement curve of YY074～YY076 monitoring points

3 滑坡變形機理分析

由于舊縣坪滑坡后部巖層傾角和坡腳相近，在重力的作用下，順層段在滑體沿滑面向下擠壓變形，構(gòu)成了滑坡的主要下滑段?；虑安康膸r層傾角逐步變平緩再過渡到反翹，相對平緩的滑動面和滑體，在自重的作用下構(gòu)成了滑坡的主要阻滑段。因此，在圈椅狀形態(tài)的控制作用和重力、庫水等的作用下，下滑段不斷擠壓阻滑段向臨空面不斷發(fā)生推移式蠕滑變形。

作用在斜坡單元上的水動力作用可等效表示為滲流力(Fs)和浮力(Fb)。滲流力表示水流通過空隙的摩擦力與水力梯度呈正比，并作用于水流方向，滲流力對邊坡穩(wěn)定性的影響稱之為動水壓力效應(yīng)[12]，浮力可以改變滑體的有效重度，從而增加或減小滑坡的下滑力，并對滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響稱之為付托減重效應(yīng)[13]。

如圖8(a)所示，庫水上升階段，坡體地下水位滯后于庫水位，因此，庫水浮力的增長滯后于動水壓力，有利于滑坡的穩(wěn)定而減緩滑坡滑動。此后，庫水的逐步入滲導(dǎo)致地下水位進(jìn)一步抬升，坡體內(nèi)外水頭差的減小，涉水滑坡內(nèi)的浮托力和動水壓力此消彼長，由于阻滑段基本一直處于庫水位以下，庫水的上升時浮托力主要作用在下滑段上，有利于滑坡的穩(wěn)定而減緩滑坡滑動。如圖8(b)所示，庫水下降時，滑坡前部阻滑段自重減輕而削弱其阻滑力，同期的動水壓力轉(zhuǎn)向坡外，在此雙重作用下，滑坡中后部滑體推擠前部滑體出現(xiàn)加速變形。當(dāng)庫水逐步降至145 m，庫水的浮托力隨庫水的下降而減小，指向坡外的動水壓力也隨著坡體內(nèi)外水頭差的減小而降低，滑坡在此期間逐步恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 庫水升降滲流力和浮力作用示意圖Fig.8 Schematic diagram of seepage force and buoyancy effect during the up and down stage of reservoir water

4 滑坡穩(wěn)定性分析

4.1 滑坡穩(wěn)定性計算

選取該滑坡的主坡面A—A′剖面為計算坡面，分別建立滲流計算模型和穩(wěn)定性計算模型，運用傳遞系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性計算。自2006年三峽水庫進(jìn)行145 m→175 m→145 m周期性運營以來，庫水位以每年30 m的漲幅周期性變化，故擬定以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從145 m升至175 m，以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從175 m降至145 m在進(jìn)行滑坡穩(wěn)定計算之前，先運用SEEP/W程序計算其浸潤線，然后將各工況下的浸潤線導(dǎo)入SLOPE/W程序中計算其穩(wěn)定性。滲透模型和穩(wěn)定性計算模型如圖9和圖10所示。本次計算的滲透系數(shù)和力學(xué)參數(shù)根據(jù)以往的勘察資料以及現(xiàn)場勘查取樣室內(nèi)的試驗綜合取值，具體參數(shù)見表1。

圖9 滲透模型Fig.9 Penetration model

圖10 穩(wěn)定性計算模型Fig.10 Stability calculation model

表1 舊縣坪滑坡物理力學(xué)參數(shù)

4.2 滑坡穩(wěn)定性評價

圖11為庫水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從145 m水位升至175 m時滲流場的變化圖，地下水位線呈下凹形，圖12為穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖。由圖12可以看出，在庫水上升過程中穩(wěn)定性系數(shù)逐步增加，庫水上升速率越快，穩(wěn)定性系數(shù)增大就越明顯，這是由于庫水上升時庫水上升速率大于地下水上升速率，此時，庫水向地下水進(jìn)行補給，形成指向坡體內(nèi)部的動水壓力，在反推坡體，使滑坡的下滑力較小，滑坡的穩(wěn)定性上升，在1.2 m/d時穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到最大1.33。

圖11 庫水上升時滲流場的變化Fig.11 Changes in seepage field when the reservoir water rises

圖12 庫水上升滑坡穩(wěn)定性關(guān)系Fig.12 Stability relationship of reservoir water rising landslide

圖13庫水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率從175 m水位降至145 m時滲流場的變化圖，地下水位線呈上凸形，圖14為穩(wěn)定系數(shù)關(guān)系圖。由圖14可以看出，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)隨庫水的下降而降低，庫水下降速率越快，穩(wěn)定性系數(shù)降低就越明顯，這是由于庫水下降過程中庫水下降的速率大于地下水位降低的速率，此時就會產(chǎn)生指向坡外的動水壓力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的穩(wěn)定性下降，在1.2 m/d時穩(wěn)定性系數(shù)降至最小1.05。

圖13 庫水下降時滲流場的變化Fig.13 Changes in seepage field when reservoir water drops

圖14 庫水下降滑坡穩(wěn)定性關(guān)系Fig.14 Stability relationship of landslide in reservoir water rise

5 結(jié)論

針對三峽庫區(qū)舊縣坪滑坡，利用相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了滑坡在庫水升降作用下的變形規(guī)律率，并利用數(shù)值模擬進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

(1)舊縣坪滑坡后部巖層傾角和坡腳相近，對滑坡具有驅(qū)動作用?；虑安科骄徱约胺绰N的巖體，對滑坡具有明顯的阻滑作用，為滑坡的主要阻滑段。因此，在重力和庫水等的作用下，下滑段不斷擠壓阻滑段向臨空面不斷發(fā)生推移式蠕滑變形。

(2)舊縣坪滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，庫水下降時滑坡變形的主要因素，降雨的影響有限，起助推作用?；伦冃屋^大的月份主要集中在1—7月庫水下降及其影響階段，變形最大的時期在4—7月庫水下降速率較大及其滲流時期，9—12月庫水上升和高水位階段，變形位移較小，甚至出現(xiàn)反推坡體的負(fù)位移。

(3)數(shù)值模擬表明，庫水上升時庫水上升速率大于滑坡地下水上升速率，此時，庫水向地下水進(jìn)行補給，形成指向坡體內(nèi)部的動水壓力，在反推坡體，使滑坡的下滑力減小，滑坡的穩(wěn)定性上升，庫水上升速率越快，穩(wěn)定性系數(shù)增大就越明顯，穩(wěn)定性系數(shù)最高為1.33；庫水下降過程中庫水下降的速率大于地下水位降低的速率，此時就會產(chǎn)生指向坡外的動水壓力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的穩(wěn)定性下降，庫水下降速率越快，穩(wěn)定性系數(shù)降低就越明顯，穩(wěn)定性系數(shù)最低為1.05。

(4)綜合分析表明，首次蓄水對滑坡的影響是顯著的，舊縣坪滑坡仍處于蓄水后的應(yīng)力調(diào)整階段，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在持續(xù)降雨或增大庫水下降速率的情況下，滑坡變形將進(jìn)一步加劇。