基于Midas-GTS的三峽庫區(qū)金雞嶺滑坡成因機制與穩(wěn)定性分析

譚銀龍，許萬忠，曹家菊，羅 丹，王本棟，譙立家，周 誼

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.重慶市地勘局 208 水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 400700）

隨著三峽庫區(qū)移民遷建工程的實施，移民城市與集鎮(zhèn)建設(shè)和路橋工程施工形成大量人工高邊坡。據(jù)統(tǒng)計，移民遷建區(qū)已形成的高陡邊坡多達(dá)3 000余處，受地質(zhì)條件影響，90%的邊坡安全性達(dá)不到規(guī)范要求，對移民工程造成嚴(yán)重威脅[1]。在人類工程活動和強降雨的條件下，產(chǎn)生了新滑坡，如譚家灣滑坡[2]、武隆滑坡[3]，同時也誘發(fā)了古滑坡的復(fù)活，典型的有塔坪H1 滑坡[4]、白水河滑坡[5]。

滑坡一直是工程界和地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的熱點和難點，如金沙江色拉滑坡[6]、舟曲牙豁口滑坡[7]、金沙江沃達(dá)滑坡[8]等均受到廣泛關(guān)注。以滑坡勘察監(jiān)測為基礎(chǔ)開展滑坡監(jiān)測能有效減少滑坡災(zāi)害損失，為滑坡災(zāi)害防治提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。徐強等[9]根據(jù)變形——時間監(jiān)測曲線從時間角度判斷三峽庫區(qū)秭歸縣白水河滑坡所處的演化階段；Zhang等[10]利用滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了三峽庫區(qū)馬家溝滑坡的運動趨勢；陶志剛等[11]整合牛頓力監(jiān)測數(shù)據(jù)和降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對雅安寶興縣滑坡過程與力學(xué)演化進行分析；張海燕等[12]分析三峽庫區(qū)秭歸譚家灣滑坡位移和降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到滑坡各位移監(jiān)測點變形與降雨間的相關(guān)性；周越等[13]利用地球物理方法查明張榆線崇禮隧道出口段滑坡的地質(zhì)構(gòu)造及滑面等特征，建立了滑坡體地質(zhì)模型。

數(shù)值模擬是研究滑坡的重要方法之一，滑坡的成因機制、引發(fā)的次生災(zāi)害以及治理防治都可以通過數(shù)值模擬進行研究分析。許超等[14]使用有限元分析軟件Midas-GTS運用強度折減法對模型進行計算，分析采動滑坡的形成過程；黃剛等[15]采用Midas-GTS對四川通江縣袁家山滑坡在暴雨工況下的穩(wěn)定性進行了分析；Wang 等[16]利用Midas-GTS模擬某隧道洞口段邊坡應(yīng)力應(yīng)變破壞對隧道的影響；呂文斌等[17]利用Midas-GTS有限元數(shù)值模擬方法，研究了西寧市張家灣滑坡的形成機理、發(fā)展過程和剪出口位置，定量評價了該滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)；譚銀龍等[18]利用Midas-GTS模擬降雨條件下大理海東新城開發(fā)某地段的邊坡應(yīng)力場和滲流場的變化，采用數(shù)值方法計算出降雨入滲后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)?；卤O(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬方法都是滑坡災(zāi)害防治研究中的重要手段，僅用其中一種方法來評價滑坡的變形演化特征與穩(wěn)定性變化規(guī)律，往往會導(dǎo)致分析不夠全面，所以本文采用兩者結(jié)合、相互驗證的方法，全面地評價滑坡的成因機制、發(fā)展趨勢，并提出較為準(zhǔn)確的防治措施。這也將是當(dāng)前一段時間滑坡災(zāi)害防治研究的熱點問題。

金雞嶺滑坡位于重慶市巫山縣新區(qū)江東組團龍水村金雞嶺，為新生突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害點，淺表還分布后梆滑坡、潘家?guī)X滑坡。本文以該滑坡為例，在現(xiàn)有豐富的現(xiàn)場勘察資料以及真實可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用高性能有限元軟件Midas-GTS，進行有限元建模和數(shù)值模擬，通過比較實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，綜合分析金雞嶺滑坡的成因機制，為判定治理措施提供科學(xué)可靠的依據(jù)，同時為類似滑坡的分析研究提供參考。

1 地質(zhì)背景和滑坡發(fā)育特征

1.1 滑坡區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于重慶市巫山縣新區(qū)江東組團龍水村，屬構(gòu)造剝蝕低山地貌。滑坡區(qū)整體呈階狀地形，其坡度在25°～30°之間。研究區(qū)位于巫山向斜核部，淺表巖層內(nèi)部受次級皺褶控制。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘探揭示，滑坡區(qū)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)崩坡堆積層（ Q hcol+dl），基巖為中三疊統(tǒng)巴東組（T2b）泥巖、泥灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀變化較大。

研究區(qū)降雨豐沛，多年平均降雨量1 049 mm，最大日降雨量約300 mm（2014-08-31），降雨主要分布在5——9月。通過現(xiàn)場調(diào)查，滑坡區(qū)后部存在5條沖溝（1#——5#），沖溝終年有水，且 2#——5#沖溝最終在龍洞溝匯流，目前龍洞溝下部已被回填。人類工程活動包括公路邊坡、房屋邊坡以及人工堆填方。公路邊坡位于滑坡區(qū)前緣，房屋邊坡主要位于黑梁子小區(qū)及中醫(yī)院?；聟^(qū)內(nèi)堆填工程集中于擬建龍江中學(xué)及龍江小學(xué)區(qū)域，主要是回填工程及碎石堆積場。

1.2 滑坡發(fā)生情況

2018年“6·18暴雨”后金雞嶺滑坡發(fā)生初始明顯變形，2018年7月22日，出現(xiàn)明顯加劇。2018年7月22日，對金雞嶺滑坡進行了現(xiàn)場勘察[19]，根據(jù)滑坡變形和地貌特征，判斷該滑坡包括深層整體滑動和次級滑移。金雞嶺滑坡整體屬于深層滑動，其上淺表分布的潘家?guī)X滑坡及后梆滑坡屬于次級滑移，此外還包括黑梁子安置房8#樓邊坡變形區(qū)、12#樓邊坡變形區(qū)、龍水路2標(biāo)段外側(cè)變形區(qū)，詳見圖1。根據(jù)鉆探結(jié)果，得到1-1’典型剖面，如圖2所示。

圖1 金雞嶺滑坡區(qū)全貌圖Fig.1 Full view of the Jinjiling landslide area

2 物探解譯與變形監(jiān)測

滑坡區(qū)布置了鉆孔、物探、探槽、深部位移及水平位移專業(yè)監(jiān)測手段，具體布置見圖3。

圖3 研究區(qū)各監(jiān)測技術(shù)手段平面圖Fig.3 Plan view of the various monitoring technical instruments in the study area

2.1 物探

物探采用高密度電阻率法層析成像，滑坡區(qū)共布置等高密度物探剖面5條（WT1——WT5），層析成像剖面1條（WT6），以WT5剖面為例對物探結(jié)果（圖4）進行說明。WT5剖面電性分層特征明顯，淺部為低阻層，電阻率約5～30 Ω·m，推斷為含水土層或強風(fēng)化層，其厚度約2～20 m，電阻率變化較大；該剖面存在1個較明顯的低阻異常體，推斷為破碎含水巖體。結(jié)合鉆孔，推斷解譯滑動面位于泥巖與泥灰?guī)r分界處。

圖4 WT5剖面物探綜合成果圖Fig.4 Combined physical results from the WT5 profile

2.2 水平位移監(jiān)測

本次研究共布置水平位移監(jiān)測點36個，共形成5條監(jiān)測剖面，本文以C-C’和E-E’剖面為例，累計水平位移曲線見圖5。

圖5 C-C’和E-E’剖面監(jiān)測累計水平位移曲線圖Fig.5 Cumulative horizontal displacement profiles monitored in profiles C-C’ and E-E’

由圖5（a）可知，2018年 7月 9日——2018年 10月17日，黑梁子小區(qū)監(jiān)測點JC23累計位移量為6.20～35.40 mm，位移速率0.80～4.42 mm/d，變形速率逐漸趨緩，可見黑梁子小區(qū)后側(cè)邊坡變形屬于局部強變形。由圖5（b）可知，后梆滑坡后緣監(jiān)測點JC35，累計位移量為1.84 mm，位移速率0.01 mm/d，JC33、JC34監(jiān)測點8月11日建點后累計位移量為24.20～41.00 mm，位移速率0.21～0.62 mm/d。潘家?guī)X滑坡監(jiān)測點JC20——JC22，累計位移值分別為 184.80，197.00，145.50 mm，位移速率0.54～3.89 mm/d。監(jiān)測期間滑坡區(qū)未經(jīng)歷持續(xù)暴雨，降雨后滑坡加速變形現(xiàn)象不明顯，只有監(jiān)測點JC33、JC34出現(xiàn)明顯變形加速，與強降雨時間節(jié)點相契合。

2.3 深部位移監(jiān)測

深部位移監(jiān)測點SWY2曲線為“D”型曲線，見圖6（a）。在34.0 m深度處形成了明顯的滑動面，滑面以上相對位移為14.0 ～17.5 mm。結(jié)合鉆孔ZK34資料顯示，35.4 m深度處為T2b1泥灰?guī)r與T2b2泥巖交界處，交界面附近分布有兩層軟弱夾層，巖心中未見明顯滑帶跡象，推測該處滑帶位于35.4 m。

圖6 SWY2、SWY3監(jiān)測點深部位移監(jiān)測曲線圖Fig.6 Deep displacement monitoring curves at monitoring points SWY2 and SWY3

深部位移監(jiān)測點SWY3曲線為“R”型曲線，見圖6（b）。曲線顯示在滑坡前部已形成明顯的滑動面，且位移相對較大，而下部相對較小，滑面以上相對位移為12.7～20.8 mm。表明金雞嶺滑坡在監(jiān)測期內(nèi)以淺層滑移為主，在地面以下8.0 m處形成較明顯的滑動面，結(jié)合該處地質(zhì)結(jié)構(gòu)來看，為淺表層土體在發(fā)生滑移，而深部目前未見明顯的滑動面。

結(jié)合相應(yīng)鉆孔、物探結(jié)果綜合分析，金雞嶺滑坡前緣發(fā)育于T2b1泥灰?guī)r和T2b2泥巖分界線，后部主要沿巖土界面發(fā)育，滑帶逐步形成，滑面埋深25.3～43.5 m；淺表層滑帶初步貫通，滑面埋深8.0～30.1 m。從空間分布看，縱向上，總體呈折線分布，橫向上，滑面形態(tài)呈兩側(cè)薄、中間厚的形態(tài)。從滑帶厚度看，碎石磨圓度較好及塑性較好的滑動帶，厚度多為0.1～0.8 m；少量棱角狀的滑動帶，厚度為0.8～3.5 m。

3 數(shù)值模擬計算與分析

3.1 數(shù)值模型的建立

選取1-1’剖面作為典型剖面，進行有限單元數(shù)值計算。在現(xiàn)狀地貌的條件下，考慮地下水滲流場、位移場，評價未治理滑坡的穩(wěn)定性。采用強度折減法[20]計算穩(wěn)定性系數(shù)，采用VG模型[21]作為土水特征曲線，采用莫爾-庫侖作為巖土體的本構(gòu)模型。相關(guān)計算參數(shù)均參照滑坡巖土力學(xué)性質(zhì)試驗，見表1。

表1 巖土體的物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the rock and soil

根據(jù)不同影響因素的組合，進行3種工況下金雞嶺滑坡的穩(wěn)定性分析：工況1，現(xiàn)狀情況；工況2，排干地下水情況；工況3，耦合暴雨情況。在建立滑坡分析建模時，把握“既能保證精度，又能充分消除邊界效應(yīng)的影響”的原則，綜合考慮模型的計算速度和精度要求，設(shè)置滑坡坡面尺寸控制為1 m，網(wǎng)格劃分尺寸為3 m。在模擬暴雨工況時，采用曲面流量（150 mm/d）定義暴雨條件；另外，由于邊坡的飽水能力有限，定義了滲流面來模擬雨水沿坡表的徑流。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

各工況的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7（a）——（f）可知，工況1和工況2時金雞嶺滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別為1.126，1.264，整體均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，最大位移分別為51.04，21.35 mm，位移累計量分別為332.16，85.16 mm；工況3時金雞嶺滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.047，整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，最大位移為75.35 mm，位移累計量489.56 mm。綜上，在強降雨作用下，金雞嶺滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象。

圖7 1-1’剖面各工況云圖Fig.7 Cloud diagram of each working condition in the 1-1’ profile

由圖7（g）（i）可以看出，考慮地下水時，由于金雞嶺滑坡地下水位較高，整體的孔隙水壓力值和總水頭值都較高，十分不利于坡體穩(wěn)定性，金雞嶺滑坡容易沿著第四系崩坡積土層發(fā)生失穩(wěn)變形破壞；推測金雞嶺滑坡會穿過第四系崩坡積土層，沿著T2b2中的泥化夾層與T2b1之間的巖層界面發(fā)生滑動?？紤]地下水與暴雨時耦合時，由圖7（h）（j）明顯看到滲流加強，地下水位線上升，金雞嶺滑坡坡體內(nèi)部整體滲流加劇，總水頭和孔隙水壓力增加，向下的滲透力增高，同時由于降雨含水量增加，坡體重度增加，極大削弱其抗剪強度，十分不利于坡體的穩(wěn)定性。

排干地下水工況（工況2）下，含水率大大降低，金雞嶺滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.264，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，與工況1、3對比，排干地下水大大降低了坡體的孔隙水壓力和水頭，對坡體穩(wěn)定性提高十分有效。

通過已有的現(xiàn)場踏勘、探槽、鉆孔、水平位移與深部位移監(jiān)測、數(shù)值模擬等綜合分析得出：金雞嶺滑坡分為整體深層滑動以及其上分布的潘家?guī)X滑坡及后梆滑坡的次級滑移。受金雞嶺滑坡整體牽引，導(dǎo)致原后梆滑坡變形加劇，其變形速率與滑坡整體基本一致；潘家?guī)X滑坡屬土質(zhì)滑坡，受滑坡整體滑移影響，土體裂縫呈圈椅狀發(fā)生變形，次級滑移特征較為明顯。金雞嶺滑坡地下水位淺，受地下水長期浸泡，滑體、滑帶抗剪強度降低，滑動面漸趨貫通，在暴雨條件有可能產(chǎn)生整體失穩(wěn)滑移。

4 成因機制及其治理措施

結(jié)合鉆探、物探、相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬，綜合分析金雞嶺滑坡成因機制，推測滑坡的形成和發(fā)展受外部誘發(fā)因素與內(nèi)部決定條件共同控制。

外部誘發(fā)因素主要為降雨和人類工程活動。根據(jù)走訪調(diào)查、位移監(jiān)測及對暴雨工況的數(shù)值模擬，該滑坡區(qū)的變形加劇與強降雨密切相關(guān)。坡體變形開始于2018年“6·18”大暴雨，強降雨使巖土體吸水飽和，坡體重量增加，下滑力增大；此外，降雨也使滑坡的巖土體發(fā)生軟化和泥化現(xiàn)象，物理力學(xué)性質(zhì)顯著降低，抗滑力下降，滑坡穩(wěn)定性降低?；虑安柯访骈_挖，形成較高臨空面，為滑坡的滑移剪出提供條件，也是金雞嶺滑坡失穩(wěn)變形的關(guān)鍵因素。由于多條沖溝在龍洞溝被回填，不僅形成后緣堆載，也導(dǎo)致地表水排泄通道受阻，地表水向地下水轉(zhuǎn)換致使金雞嶺滑坡伴有地下水位上升，最終加劇了滑坡的整體失穩(wěn)變形。

內(nèi)部決定條件包括金雞嶺滑坡獨有的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性，為滑坡的形成和發(fā)展提供了物源和場地條件，從根本上決定了滑坡的規(guī)模和形態(tài)。在地形地貌上，滑坡區(qū)為圈椅狀地形，多條沖溝匯集，地形條件為地表水及地下水向滑坡區(qū)內(nèi)匯集創(chuàng)造了條件。在地質(zhì)構(gòu)造上，金雞嶺滑坡區(qū)發(fā)育向斜構(gòu)造，由于構(gòu)造擠壓，滑坡區(qū)內(nèi)巖體極其破碎，易于雨水及地下水入滲、匯集。在地層巖性上，滑坡區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)松散，淺表主要為碎塊石土，結(jié)構(gòu)松散，滲透性好，大氣降雨和地表水入滲快；下部基巖為T2b2泥巖，受構(gòu)造擠壓，巖體節(jié)理、劈理、裂隙極其發(fā)育[22?23]，利于地下水的運移及賦存；泥巖含有多層軟弱夾層，力學(xué)性質(zhì)差，易于產(chǎn)生多期次不同深度的滑移。泥巖下伏T2b1泥灰?guī)r相對完整，但其上部多呈全風(fēng)化狀，含多層泥化夾層，形成相對隔水面，使得上部T2b2地層的地下水位較高。

目前，已對金雞嶺滑坡進行的治理措施包括：在龍水路設(shè)置排水平硐入洞口，在黑梁子安置房外側(cè)、龍水中學(xué)、龍水小學(xué)區(qū)域進行削方減載。黑梁子區(qū)域在潘家?guī)X滑坡中前部、中醫(yī)院后部龍水路2標(biāo)段外側(cè)變形區(qū)布置抗滑樁支擋。治理后，金雞嶺滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論與建議

（1）金雞嶺滑坡圈椅狀的地形、多條沖溝匯集地形地貌、地層巖性結(jié)構(gòu)松散、局部向斜地質(zhì)構(gòu)造是滑坡形成的物源和場地條件，“6·18”大暴雨和人類工程活動是滑坡形成的外在誘發(fā)因素，工程建設(shè)形成的高陡臨空面，破壞了滑坡本身的自穩(wěn)狀態(tài)，使坡體穩(wěn)定性進一步降低，耦合暴雨條件是金雞嶺滑坡失穩(wěn)破壞的觸發(fā)因素。

（2）金雞嶺滑坡在現(xiàn)狀工況下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在排干地下水工況下整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，并可能發(fā)生失穩(wěn)破壞；金雞嶺滑坡屬于推移式滑移和淺表土質(zhì)次級滑移變形，變形破壞從局部到整體，由淺表到深層的發(fā)展趨勢；數(shù)值模擬結(jié)果進一步驗證已進行的相關(guān)排水治理措施是可靠有效的。

建議密切關(guān)注“治水”措施，尤其是地下水位埋深淺和地表水豐富的滑坡，應(yīng)該加強地表排水，防止地表水入滲。加強對滑坡后期持續(xù)性監(jiān)測，視情況及時調(diào)整措施。在有多個潛在剪出口和滑移面時，建議采用有限元強度折減法進行分析。