三峽庫區(qū)降雨抬升地下水誘發(fā)滑坡變形特征及機(jī)理研究

易慶林 汪標(biāo) 鄧茂林 童 權(quán) 劉開心 張家旭 賴雪梅

(1.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué)), 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌443002)

滑坡是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,滑坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)面快速滑動(dòng)、推擠、拉伸、碰撞,導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性變差,嚴(yán)重威脅著人類的生產(chǎn)生活,并對(duì)環(huán)境造成了巨大破壞[1-2].三峽庫區(qū)是我國滑坡災(zāi)害高發(fā)區(qū),該地區(qū)滑坡變形破壞受自身地質(zhì)條件、外界誘發(fā)因素、人類活動(dòng)等各種影響,為減輕災(zāi)害帶來的風(fēng)險(xiǎn),須進(jìn)行滑坡監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)的相關(guān)研究工作[3-4].庫區(qū)滑坡按物質(zhì)組成劃分,主要包含堆積層土質(zhì)滑坡以及裂隙巖體滑坡.據(jù)統(tǒng)計(jì),在堆積層滑坡的失穩(wěn)中,94%以上是由降雨和地下水影響而引起的[5];裂隙巖體的滲流作用引發(fā)的工程事故也屢見不鮮,90%的裂隙巖體的失事都與地下水的活動(dòng)有關(guān)[6],地下水成為誘發(fā)滑坡失穩(wěn)破壞的重要因素.

三峽庫區(qū)地下水富水條件好,地下水長期賦存于滑坡體內(nèi),滑坡體常因地下水流動(dòng)而失穩(wěn).地下水在巖土體間流動(dòng),在巖體結(jié)構(gòu)面中形成的孔隙靜水壓力、動(dòng)水壓力改變了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)狀態(tài),使結(jié)構(gòu)面受到水的推力、揚(yáng)壓力和劈裂作用,從而使坡體的穩(wěn)定性劣化[7-8].像浮托減重型滑坡(木魚包滑坡[9]、譚家河滑坡[10]等),動(dòng)水壓力型滑坡(八字門滑坡[11]、白水河滑坡[12]、白家包滑坡[13]、樹坪滑坡[14]等),均與地下水的活動(dòng)有關(guān).劉才華等[15]研究認(rèn)為順層巖質(zhì)滑坡的穩(wěn)定性主要取決于滑動(dòng)面的物理力學(xué)性質(zhì)和地下水對(duì)滑坡巖土體的水壓力.賀可強(qiáng)等[5]認(rèn)為水誘發(fā)堆積層滑坡的位移與失穩(wěn)直接受地下水位變化量控制,且其位移規(guī)律與地下水位變化量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系.此外,由于滑坡物質(zhì)組成的多樣性以及滲透性差異,降雨及庫水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給響應(yīng)不同,使滑坡不同區(qū)域的地下水位漲落變化不同,越靠近庫岸滑坡體前緣,庫水對(duì)地下水位的影響則越強(qiáng),越靠近滑坡體中后部,降雨對(duì)地下水位的影響則越強(qiáng)[16-17].

近年來,一些學(xué)者利用Geostudio有限元數(shù)值模擬等軟件,考慮了降雨入滲坡內(nèi)抬高地下水位的影響,對(duì)滑坡在地下水滲流作用下的失穩(wěn)破壞機(jī)制進(jìn)行了研究,成果也頗為豐碩[18-20].但地下水位曲線實(shí)際演化過程卻少有提及,且地下水位漲落的各個(gè)階段對(duì)應(yīng)滑坡變形狀態(tài)的相關(guān)文獻(xiàn)較為罕見,須進(jìn)一步研究.近20年來,UDEC 離散元程序已在巖土工程、水利工程、采礦工程等多方面領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[7,21-23],被公認(rèn)為是對(duì)裂隙巖體進(jìn)行數(shù)值模擬的一種有效方法,尤其在研究裂隙巖體滲流的數(shù)值模擬方面更是獨(dú)樹一幟.鑒于此,本文利用UDEC 程序模擬降雨抬升地下水位下滑坡的位移變形,并分析其原因.

為確保三峽庫區(qū)的航道、三峽工程運(yùn)營和滑坡體上居民的生命財(cái)產(chǎn)安全,自2003年起,三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系開始實(shí)施,對(duì)250多處風(fēng)險(xiǎn)性較大的重點(diǎn)崩塌滑坡災(zāi)害體進(jìn)行了專業(yè)監(jiān)測[13,24].實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測和現(xiàn)場野外巡查為滑坡監(jiān)測預(yù)警提供了依據(jù).基于此,本文以譚家河滑坡、譚家灣滑坡為例,通過地質(zhì)勘察資料、水文氣象資料、地表位移及地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)等,研究降雨與地下水位之間的響應(yīng)關(guān)系,以及地下水位漲落的各個(gè)階段對(duì)應(yīng)滑坡體變形狀態(tài).最后建立譚家河滑坡UDEC 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)數(shù)值計(jì)算模型,模擬坡表裂隙充水抬高地下水位,分析地下水位漲落作用下滑坡體變形特征及機(jī)理.

1 研究區(qū)域基本概況

研究區(qū)域位于三峽庫區(qū)秭歸縣,如圖1(a)所示,該地區(qū)位于鄂西褶皺山地,地勢西南高東北低,平均海拔1 000 m 以上,山峰聳立,河谷深切,相對(duì)高差一般在500～1 300 m 之間.區(qū)內(nèi)地貌主要類型有:侏羅系砂頁巖組成的侵蝕構(gòu)造類型,古、中生界灰?guī)r組成的侵蝕構(gòu)造類型,侵蝕堆積類型.區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生.圖1(b)、(c)是該地區(qū)的兩個(gè)大型滑坡:譚家河滑坡屬沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)范家坪村一組,位于長江右岸,距三峽大壩壩址56 km;譚家灣滑坡屬水田壩鄉(xiāng)上壩村,位于長江支流咤溪河右岸,距長江河口10.8 km.

圖1 滑坡位置與全貌圖

三峽工程自2003 年庫水位蓄水到135 m,2006年蓄水到156 m,2008年蓄水到175 m 以后,每年庫水位在145～175 m 間波動(dòng)變化,水位變幅近30 m.秭歸縣地處中緯度,屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),境內(nèi)山巒起伏,全年溫暖濕潤、光照充足,雨量充沛.年降雨量由南向北、從低到高,逐漸增多,一般年降雨量900～1 600 mm,降雨主要集中在4～10月,月平均降雨量150～460 mm,日降雨量達(dá)到50～120 mm 的暴雨及大暴雨均有發(fā)生.降雨量大、強(qiáng)度高是導(dǎo)致該區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的重要因素.滑坡區(qū)地下水主要由大氣降雨及庫水補(bǔ)給,地下水具有就地補(bǔ)給、排泄的特點(diǎn).

1.1 譚家河滑坡

1.1.1 滑坡形成的地質(zhì)環(huán)境

譚家河滑坡屬于特大型深層基巖滑坡,自實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以來,在滑坡后緣及東西兩側(cè)邊界處出現(xiàn)較多變形跡象,滑坡體仍持續(xù)位移變形.譚家河滑坡后緣至高程432 m 山包鞍部,前緣至江中135 m 高程,西以自然沖溝為界,東以一斷裂帶為界.滑坡體中后部地形陡峭,長約810 m,為整個(gè)滑坡驅(qū)動(dòng)塊體,為促滑段;滑坡前緣地形平緩,長350 m,為阻滑段,前緣的下游側(cè)面的巖層發(fā)生了彎曲.滑坡寬400 m,縱長1 000 m,體積約為1 600萬m3,主滑方向340°,監(jiān)測點(diǎn)布置及剖面如圖2所示.

圖2 譚家河滑坡等高線地形圖及I-I剖面圖

滑坡體由兩部分構(gòu)成,上層為碎塊石土組成的薄層松散堆積體,土為粉質(zhì)黏土,碎塊石成分為砂巖、粉質(zhì)砂巖以及泥巖等,碎塊石粒徑0.1～0.3 m 不等,土石比為5∶5～3∶7,下層為擾動(dòng)的層狀石英砂巖.中上部順層段滑床由香溪組下段薄-中厚層炭質(zhì)粉砂巖組成,下部切層段滑床由香溪組中段褐黃色中厚-厚層狀石英砂巖組成.滑帶主要由滑體受擠壓形成重粉質(zhì)亞黏土及角礫組成,據(jù)滑帶的黏土礦物分析可知,主要礦物有石英、綠泥石、伊利石,次為方解石、高嶺石、長石等,其中伊利石約占比25%,其親水性和脹縮性在層狀硅酸鹽礦物中僅次于蒙脫石,是對(duì)巖石軟弱和活化影響較大的礦物.

滑坡區(qū)地下水屬潛水,其總趨勢向長江(當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面)運(yùn)移.滑坡區(qū)地下水主要為上層松散堆積層孔隙水和下層基巖裂隙水.

1.1.2 滑坡變形特征

已有研究認(rèn)為譚家河滑坡位移變形與降雨以及庫水有關(guān)[10,25],庫水對(duì)滑坡巖土的浸泡軟化以及庫水位升降是滑坡變形的直接因素,而降雨對(duì)滑坡變形起到極大的促進(jìn)作用.譚家河滑坡為裂隙順層古滑坡,經(jīng)歷了多次復(fù)活變形-滑移潰決-自然恢復(fù)改造,滑坡體裂隙發(fā)育,巖體結(jié)構(gòu)面破碎,有利于降雨入滲補(bǔ)給抬高地下水位.本文重點(diǎn)分析滑坡體中部QSK2地下水位與GPS 自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位移量之間的響應(yīng)關(guān)系,旨在得出滑坡失穩(wěn)關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo),為三峽庫區(qū)滑坡的穩(wěn)定判斷提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障.

本文分析監(jiān)測為時(shí)段2017年1月1日-12月31日內(nèi)數(shù)據(jù),因傳感器故障,圖3 部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失.ZGX288、ZGX289、ZGX290累積位移分別為172.5、183.3、101.7 mm,可見前2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位移量相對(duì)較高且基本保持同步,其中ZGX289 位移變形最為劇烈,前緣ZGX290位移量相對(duì)較低,說明滑坡發(fā)生了推移式蠕動(dòng)變形.1月1日-5月10日,期間降雨強(qiáng)度較弱,QSK2地下水位相對(duì)較低,庫水位由172.2 m緩慢下降至158.9 m,ZGX289日均位移速率較小,為0.3 mm/d,可見滑坡體在庫水的浸泡軟化以及庫水位緩慢消落作用下變形較弱.5月10日-6月10日,庫水位由158.9 m 快速消落至145.4 m,期間庫水位下降速率大、降雨強(qiáng)度高、QSK2 地下水位較高,ZGX289變形速率明顯提升.8月29日-9月26日,蓄水期庫水位上漲期間,QSK2 地下水位較低,ZGX289無明顯位移變形,此時(shí)庫水位上漲不足以誘發(fā)滑坡變形.9月27日單日降雨量達(dá)到43.4 mm 后,QSK2地下水位逐漸上漲至245.5 m,ZGX289 變形速率明顯提升,說明了庫水位上漲誘發(fā)滑坡變形需要強(qiáng)降雨的補(bǔ)償作用,且QSK2地下水位越高,滑坡變形往往越劇烈.

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位移-QSK2地下水位-庫水位-日降雨變化關(guān)系圖

本文分析降雨及地下水位漲落下滑坡變形規(guī)律.由圖3可知,降雨入滲坡內(nèi),QSK2地下水位出現(xiàn)了4次漲落過程,將4次地下水位漲落周期劃分為A、B、C、D 變 形 時(shí) 段.在A 時(shí) 段 內(nèi),5 月11 日 降 雨 量 為53.2 mm,該強(qiáng)降雨入滲2 d,QSK2地下水位抬升達(dá)到243.5 m 后,ZGX289變形趨勢明顯增強(qiáng);當(dāng)降雨強(qiáng)度減弱,地下水位下降至241.5 m 后,ZGX289變形趨勢明顯減弱.對(duì)此,根據(jù)ZGX289變形速率拐點(diǎn),將A 時(shí)段內(nèi)QSK2 地下水位變化過程精細(xì)劃分為:①235.9 m→243.5 m;②243.5 m→244.2 m(峰值);③244.2 m→241.5 m;④241.5 m→241.2 m.①②③④過程中ZGX289 位移速率分別為0.38、0.80、0.94、0.08 mm/d,可見ZGX289 變形主要發(fā)生在②③過程中.這一滑坡變形特征與B、C、D 時(shí)段內(nèi)變形特征基本一致,即QSK2 地下水位抬高到一定范圍后,ZGX289位移速率較高,滑坡體變形明顯增強(qiáng),地下水位下降到一定范圍后,ZGX289位移速率較低,滑坡體變形明顯減弱.

1.2 譚家灣滑坡

1.2.1 滑坡形成的地質(zhì)環(huán)境

譚家灣滑坡屬于降雨型牽引式土質(zhì)滑坡,滑坡體為一典型圈椅狀凹槽地形,順向坡,坐西朝東向咤溪河展布.滑坡體后緣位于基巖陡壁坡腳,高程370 m,前緣直抵咤溪河,高程為160 m,南北兩側(cè)均以沖溝為界,總體坡度27°.滑體東西向長度450 m,南北向?qū)挾?50 m,平均厚度約為20 m,總體積3.15×106m3,主滑方向68°,監(jiān)測點(diǎn)布置及剖面圖如圖4所示.

圖4 譚家灣滑坡等高線地形圖及2-2’剖面圖

滑坡滑體物質(zhì)主要為含碎石粉質(zhì)黏土,土石比為6∶4～9∶1,碎石粒徑為0.2～2 cm.滑面為土體與基巖接觸面,巖性以碎石土為主.滑床為底部基巖即侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)厚層石英砂巖和紫紅色泥質(zhì)粉砂巖互層,巖層產(chǎn)狀30°∠12°.滑帶為含礫粉質(zhì)黏土,土石比為9∶1,礫石成分為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰黃色石英砂巖等.

1.2.2 滑坡變形特征

自2006年實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測以來,譚家灣滑坡一直持續(xù)位移變形,尤其是2015年以來,滑坡體變形趨勢逐漸增大.譚家灣滑坡區(qū)地表形態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造及巖性等因素決定了滑坡的形成和發(fā)育,強(qiáng)降雨和持續(xù)性降雨作用激勵(lì)了滑坡的變形[26-28].該滑坡區(qū)地下水富水條件好,地下水賦存在坡體內(nèi),導(dǎo)致巖土體浸泡軟化,加劇了滑坡的位移變形.本文對(duì)滑坡體中后部S1地下水位與GPS自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

本文分析監(jiān)測時(shí)段為2020年4月24日-12月31日內(nèi)數(shù)據(jù),如圖5所示.

圖5 監(jiān)測點(diǎn)位移-QSK2地下水位-日降雨變化關(guān)系圖

G3、G6、G7、G11 累 計(jì) 位 移 分 別 高 達(dá)685.1、1 082.5、2 861.9、4 508.2 mm,其中G11位移變形最為劇烈.由圖5可知,該4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的5次“階躍”位移變形基本同步發(fā)生,且5次“階躍”變形與S1地下水位的5次漲落具有顯著相關(guān)性.對(duì)此,將5次地下水位漲落周期劃分為A、B、C、D、E變形時(shí)段.在A 時(shí)段內(nèi),降雨入滲坡內(nèi),S1地下水位抬高到285.3 m 后,G11變形趨勢明顯增強(qiáng);當(dāng)水位下降至287.9 m 后,G11變形趨勢明顯減弱.根據(jù)G11 變形速率拐點(diǎn),將S1地下水位變化過程精細(xì)劃分為:①266.1 m→285.3 m;②285.3 m→296.9 m(峰值);③296.9 m(峰值)→287.9 m;④287.9 m→286.4 m.①②③④過程中G11位移速率分別為2.1、101.6、44.8、7.0 mm/d,說明G11位移變形主要集中在②③過程中.這一滑坡變形特征與B、C、D、E 時(shí)段變形特征基本一致.經(jīng)過譚家河滑坡、譚家灣滑坡變形特征的分析,充分印證了各變形時(shí)段內(nèi),地下水位上漲及下降各階段中,滑坡變形劇烈程度不一.

據(jù)監(jiān)測資料顯示,G11在A、B、D 時(shí)段內(nèi)變形量較高于C、E 時(shí)段,這與地下水位抬升高度有關(guān),A、B、D 時(shí)段內(nèi)S1 地下水位峰值均達(dá)到296 m 以上,C、E時(shí)段內(nèi)S1 水位峰值相對(duì)較低,分別為276.7、293.8 m.此外,A 時(shí)段內(nèi)S1高水位(296.9 m)運(yùn)行時(shí)間較長(15 d),G11“階躍”變形時(shí)間跨度較長,不利于滑坡體穩(wěn)定.

1.3 降雨與地下水位變化關(guān)系

本文統(tǒng)計(jì)各時(shí)段內(nèi)QSK2、S1地下水位與降雨量變化信息見表1～2,可見①、②地下水位上漲期間日均降雨量較③、④地下水位下降期間高.

表1 QSK2地下水位與降雨量信息統(tǒng)計(jì)

由表1可知,①期間,日均降雨量均達(dá)到5 mm以上,使得QSK2地下水位由下降階段轉(zhuǎn)換為上漲階段;③期間,日均降雨量均在2 mm 以下,QSK2地下水位由上漲階段轉(zhuǎn)換為下降階段.由表2可知,①期間,日均降雨量均達(dá)到6 mm 以上,使得S1地下水位由下降階段轉(zhuǎn)換為上漲階段;③期間內(nèi)日均降雨量均在6 mm 以下,S1地下水位由上漲階段轉(zhuǎn)換為下降階段.綜上所述,降雨強(qiáng)度的增減與地下水位漲落具有較強(qiáng)相關(guān)性.

表2 S1地下水位與降雨量信息統(tǒng)計(jì)

同時(shí),A 時(shí)段內(nèi),②期間日均降雨量為0 mm 時(shí),QSK2地下水位持續(xù)上漲,地下水位由243.5 m→244.2 m,且②期間內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)ZGX289變形速率提升,滑坡變形較為劇烈.上述說明地下水位抬升是滯后于降雨過程的,且滑坡的變形往往發(fā)生在降雨期間甚至降雨若干天之后.

由表2可知,C、E時(shí)段內(nèi),②S1地下水位上漲期間,日均降雨量相對(duì)較低,為0、2.1 mm,使S1地下水位峰值相對(duì)較低,分別為276.7、293.8 m.A、B、D 時(shí)段內(nèi),②期間內(nèi)日均降雨量較高,分別為11.5、8.9、6.6 mm,使S1地下水位峰值相對(duì)較高,分別為296.9、296.8、296.4 m.這說明地下水位上漲過程中,降雨強(qiáng)度越高,地下水位峰值往往越高.A 時(shí)段內(nèi),③期間,日均降雨量均較高,為5.8 mm,持續(xù)強(qiáng)降雨入滲補(bǔ)給滑坡體內(nèi),使S1地下水高水位運(yùn)行時(shí)間(15 d)較長(見圖5);B、C、D、E 時(shí)段內(nèi),③期間日均降雨量(≤1 mm)均較低,使S1 地下水高水位運(yùn)行時(shí)間較短.這說明地下水位上漲至峰值后,持續(xù)強(qiáng)降雨會(huì)使地下水高水位運(yùn)行時(shí)間變長,且滑坡“階躍”位移變形時(shí)間跨度也變長.

2 地下水位曲線演化特征

滑坡不同區(qū)域地下水位及水位變化具有一定差異性,這跟滑坡體物質(zhì)組成的多樣性、滲透性差異有關(guān).滑坡區(qū)初始地下水位以及包氣帶前期含水量不同,使包氣帶對(duì)降雨的調(diào)節(jié)能力不同[29-30],從而影響降雨入滲,抬升地下水位.受降雨作用影響顯著的滑坡,在滑坡位移變形歷程中,當(dāng)坡體中后部地下水位無逐年增長或呈減弱趨勢,地下水的補(bǔ)給量與排泄量處于均衡狀態(tài)時(shí),地下水位隨著環(huán)境影響因素的變化,可以是以月為周期的漲落變化(見圖3、5).據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)可知,在一個(gè)水文年內(nèi),地下水位存在多次周期漲落過程.在一次地下水位漲落期間,當(dāng)降雨抬高地下水位到一定范圍后,監(jiān)測點(diǎn)位移速率提升,滑坡體變形明顯增強(qiáng);當(dāng)降雨強(qiáng)度減弱,地下水位下降到一定范圍后,監(jiān)測點(diǎn)位移速率降低,滑坡體變形明顯減弱.可見地下水位上漲及下降各階段中,滑坡變形劇烈程度不一.

對(duì)此,根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)變形速率拐點(diǎn),將各時(shí)段內(nèi)地下水位變化過程精細(xì)劃分為:起始水位→上漲臨界值L1→峰值水位→下降臨界值L2→結(jié)束水位,如圖6所示,其中圖6(a)、(b)兩者的區(qū)別在于,地下水在高水位(峰值)運(yùn)行的時(shí)間跨度不一.

圖6 地下水位曲線演化特征

3 水力作用下譚家河滑坡數(shù)值模擬

3.1 UDEC數(shù)值模擬方案

滑坡體在變形過程中,多種誘發(fā)因素(庫水、降雨、地下水等)均會(huì)影響滑坡的位移變形.本文以譚家河滑坡為研究對(duì)象,僅考慮降雨-庫水-地下水水力作用對(duì)滑坡變形的影響,不考慮滑帶土及滑體物質(zhì)浸泡軟化等因素,建立UDEC離散元數(shù)值模擬計(jì)算模型,旨在研究降雨入滲抬高地下水位條件下滑坡的變形響應(yīng)特征.通過數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證第1.1.2節(jié)滑坡實(shí)際監(jiān)測成果,并分析降雨及地下水漲落條件下滑坡變形機(jī)理.

3.1.1 數(shù)值模型及基本參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖2,建立譚家河滑坡二維UDEC離散元模型,如圖7所示,模型長1223.8 m,高453.3 m,2個(gè)滑坡巖體節(jié)理產(chǎn)狀分別取10°∠25°,10°∠5°,并設(shè)置次級(jí)正交節(jié)理,坡內(nèi)巖層向節(jié)理間距8 m,正交次級(jí)節(jié)理間距為12 m.建立3個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn):滑坡前緣D1,滑坡中部D2,滑坡后緣D3.監(jiān)測水平位移x方向、垂直位移y方向.

圖7 譚家河滑坡二維概化計(jì)算模型

在坡中部順層滑帶部位設(shè)置P孔隙水壓監(jiān)測點(diǎn).滑坡巖體選用Mohr-Coulomb模型,節(jié)理采用摩爾-庫侖面接觸滑動(dòng)模型.巖體和節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[7],結(jié)合地質(zhì)勘察資料和工程類比[21-23]取得,詳見表3～4.滑體中巖塊設(shè)置為剛性體,滑體中類基巖碎裂塊體不透水,接觸單元定義為彈塑性體.滑床上邊界(隔水層)為不可滲透邊界.約束模型左、右邊界的水平位移,約束模型底邊界的豎直位移,上邊界為自由邊界.邊界.采用的庫水位及降雨調(diào)節(jié)方案如圖8所示.

表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

圖8 數(shù)值模擬降雨及庫水位漲落情況

3.2 滑坡體滲流特征分析

由圖9可知,在計(jì)算時(shí)步0～2 200步內(nèi),庫水位從172.2→162.3 m,期間無降雨作用,滑坡體中前部區(qū)域地下水沿著節(jié)理裂隙面和層面由高往低處滲流,坡內(nèi)地下水位逐漸下降,坡體孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸減小.

圖9 不同時(shí)步下滑坡體孔隙水壓力及地下水滲流方向

3.1.2 數(shù)值模擬工況

本文UDEC離散元模型考慮了降雨-庫水-地下水位漲落過程中的水-力相互作用,地下水位表面以下節(jié)理裂隙均受到孔隙水壓力的作用.滑坡僅在重力作用下達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)后進(jìn)行工況模擬,水力邊界條件設(shè)置步驟如下:

1)考慮降雨作用.在滑坡前緣高程145 m 以上滑坡表面施加恒定孔隙水壓力邊界.在2017年汛期(5-6月)以及蓄水期(9-10月),集中降雨的作用加劇了譚家河滑坡變形,對(duì)此,本文模擬該期間的集中降雨對(duì)滑坡變形的影響.

2)指定滑坡區(qū)初始地下水位的表面.采用2017年1月1日QSK1、QSK2地下水位實(shí)測數(shù)據(jù)(180.9、238.6 m)及前緣臨空面處庫水位(172.2 m)為初始地下水位,通過三點(diǎn)地下水位實(shí)際值之間執(zhí)行線性差值進(jìn)而設(shè)置地下水位面.

3)考慮庫水作用.庫水位變化值取2017年實(shí)際監(jiān)測值,在滑坡前緣坡表施加庫水邊界條件,數(shù)值模擬前緣水力邊界條件設(shè)置為動(dòng)態(tài)變化的孔隙水壓力

在計(jì)算時(shí)步2 200～3 300步內(nèi),庫水位從162.3→146.1 m,同時(shí),隨著汛期的到來,庫區(qū)降雨強(qiáng)度明顯增大,降雨在坡表裂隙入滲補(bǔ)給坡內(nèi)包氣帶,新的降雨推動(dòng)包氣帶其下較老的降雨,從而持續(xù)滲透補(bǔ)給潛水,由于滑帶局部隔水以及滑床隔水層的影響,地下水在中后部順層滑帶附近匯聚,該區(qū)域地下水位快速上漲,使得坡體孔隙水壓力明顯增加.在計(jì)算時(shí)步4 400～5 500 步內(nèi),正值蓄水期,庫水位從146.5→172.5 m,同時(shí),降雨會(huì)持續(xù)抬升滑坡中后部區(qū)域地下水位,使得坡體孔隙水壓力明顯增加.在計(jì)算時(shí)步5 500～6 600步內(nèi),庫水保持175 m 高水位運(yùn)行,其間無降雨作用,中后部地下水位逐漸降低,坡體孔隙水壓力逐漸減小.

3.3 滑坡位移變形特征分析

3.3.1 滑坡體變形響應(yīng)

滑坡體在初始平衡后,其累積位移已達(dá)到374 mm,由圖10 可知,在計(jì)算時(shí)步2 200、3 300、5 500、6600步時(shí),滑坡體累積位移分別為374、393.4、510.9、571.4 mm.可見,在計(jì)算時(shí)步0～2 200步,庫水位從172.2→162.3 m,滑坡體無明顯位移變形.

圖10 不同時(shí)步下滑坡體位移云圖及局部塊體運(yùn)動(dòng)速度方向

在計(jì)算時(shí)步2 200～3 300步,庫水位從162.3→146.1 m,其間降雨強(qiáng)度增大,滑坡體位移變形增長19.4 mm,說明庫水位快速消落及集中降雨會(huì)加劇滑坡體變形.在計(jì)算時(shí)步4 400～5 500 步,庫水位從146.5→172.5 m,在庫水及集中降雨作用下滑坡位移變形增長42.4 mm.這說明庫水位漲落期間,集中降雨均加劇滑坡變形.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是降雨有效地抬升坡體中后部地下水位,地下水位抬高增大了滑坡體促滑段下滑力,并極大地劣化滑坡體穩(wěn)定性,這會(huì)破壞滑坡體原本的平衡狀態(tài),促使滑坡體在該階段發(fā)生劇烈變形.

3.3.2 坡表位移規(guī)律

坡表布置監(jiān)測點(diǎn)D1、D2、D3的水平及垂直位移曲線如圖11～12所示.

圖11 坡表監(jiān)測點(diǎn)水平位移

圖12 坡表監(jiān)測點(diǎn)垂直位移

在2次集中降雨及庫水位波動(dòng)作用下,D1、D2、D3在水平及垂直方向上發(fā)生了2次“階躍”位移變形.D1、D2、D3水平位移分別為74.4、194.5、122.6 mm,垂直位移分別為33、-72.1-105.1 mm.可見,水平方向上坡體變形D2＞D3＞D1,坡體中后部水平位移較高于坡體前緣;垂直方向坡體變形D3＞D2＞D1,說明坡體中后部沉降變形更為顯著.除此之外,前緣D1垂直位移為正值33 mm,這正是中后部巖體在水平方向擠壓前緣巖體,使前緣淺表巖體在垂直方向有了回升變形.

將數(shù)值模擬結(jié)果與2017年GPS 全自動(dòng)監(jiān)測成果進(jìn)行對(duì)比分析.2017年1-4月,監(jiān)測點(diǎn)位移呈低速-穩(wěn)定增長(見圖3),這是受自身地質(zhì)條件、庫水浸泡軟化等綜合作用影響,本數(shù)值模擬暫未考慮這些因素.在計(jì)算時(shí)步0～2200步,滑坡無明顯位移變形(見圖11).2017 年5-8 月、9-12 月 期 間,ZGX290、ZGX289、ZGX288在水平方向上發(fā)生了2 次“階躍”位移變形,累積位移分別為101.7、183.3、172.5 mm,坡體變形ZGX289＞ZGX288＞ZGX290,說明坡體中后部巖土體變形更為顯著.上述GPS監(jiān)測成果與本文數(shù)值模擬結(jié)果相比具有良好的一致性,印證了本文數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性.

3.3.3 孔隙水壓力與坡體變形響應(yīng)

滑坡體中部監(jiān)測點(diǎn)D2位移與節(jié)理裂隙內(nèi)P 點(diǎn)孔隙水壓力的響應(yīng)關(guān)系,如圖13所示.

圖13 監(jiān)測點(diǎn)位移-孔隙水壓力變化關(guān)系圖

在計(jì)算時(shí)步2 200～4 400、4 400～6 600內(nèi),D2的2次“階躍”位移變形基本同步發(fā)生,且D2該2次“階躍”變形與P 孔隙水壓力的2次增減具有顯著相關(guān)性.而孔隙水壓力的增減往往能反映此區(qū)域地下水位漲落情況,說明了監(jiān)測點(diǎn)變形與地下水位的漲落具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性.

在計(jì)算時(shí)步2 200～4 400步間,滑坡中部地下水位上漲至241 m 附近(詳見圖14),此時(shí)計(jì)算時(shí)步2 900步,P孔隙水壓力增加至Ⅰ點(diǎn)0.34 MPa,D2開始發(fā)生“階躍”位移變形,滑坡體變形趨勢明顯增強(qiáng);當(dāng)滑坡中部地下水位上漲至246 m 附近,此時(shí)計(jì)算時(shí)步3 300步,P 孔隙水壓力達(dá)到峰值0.44 MPa;在無降雨作用期間,地下水位下降至241 m 附近,此時(shí)計(jì)算時(shí)步3 700步,P孔隙水壓力由峰值0.44 MPa減小至Ⅱ點(diǎn)0.42 MPa,D2“階躍”位移變形結(jié)束.

圖14 不同時(shí)步下滑坡體中部區(qū)域地下水滲流方向圖

在計(jì)算時(shí)步4 400～6 600 步,地下水位上漲至241 m 附近,此時(shí)計(jì)算時(shí)步5 000步,P孔隙水壓力增加至Ⅲ點(diǎn)0.35 MPa,D2開始發(fā)生“階躍”位移變形,滑坡體變形趨勢再次增強(qiáng);當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵?41 m附近,此時(shí)計(jì)算時(shí)步6200 步,P 孔隙水壓力由峰值0.48 MPa減小至Ⅳ點(diǎn)0.40 MPa,D2“階躍”位移變形結(jié)束.

綜上所述,當(dāng)節(jié)理裂隙內(nèi)P點(diǎn)孔隙水壓力逐漸增加至0.35 MPa附近后,D2變形速率顯著提升,滑坡體發(fā)生“階躍”位移變形,此階段水力導(dǎo)致坡體變形作用顯著發(fā)揮;當(dāng)P孔隙水壓力逐漸減少至0.40 MPa附近后,滑坡變形趨勢明顯減弱,此階段水力作用不足以激勵(lì)坡體持續(xù)位移變形,滑坡體穩(wěn)定性逐漸提高.滑坡變形與坡體中部地下水位漲落具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,本文數(shù)值模擬結(jié)果與第1.1.2節(jié)實(shí)際監(jiān)測成果具有較高的一致性.

3.4 滑坡變形機(jī)理分析

1)集中降雨對(duì)滑坡體變形起到極大的促進(jìn)作用

譚家河滑坡體中后部長約810 m,為整個(gè)滑坡驅(qū)動(dòng)塊體,滑坡前緣長約350 m,為阻滑塊體.滑坡坡體主要為類基巖的碎裂塊體,節(jié)理裂隙發(fā)育,滲透性較好,降雨易入滲坡內(nèi),會(huì)增加滑坡體的重量,即增大滑坡體下滑力.同時(shí),雨水會(huì)弱化、潤滑滑體物質(zhì),這將明顯降低滑體物質(zhì)的抗剪強(qiáng)度,甚至完全劣化其物理力學(xué)參數(shù).尤為重要的是,雨水會(huì)浸泡軟化坡體中后部順層面發(fā)育的由重粉質(zhì)亞黏土及角礫組成的滑帶,這會(huì)造成滑坡由淺表變形發(fā)展成深部變形,最終使得滑坡體發(fā)生整體滑移變形現(xiàn)象.

2)庫水作用是滑坡體變形的直接原因

庫水位緩慢消落期間,滑坡變形受庫水的浸泡軟化以及庫水位消落使地下水滲流滯后產(chǎn)生的動(dòng)水壓力影響.庫水位快速消落期間,庫水位與前緣地下水位形成較高水位差,產(chǎn)生指向坡體外側(cè)的滲透動(dòng)水壓力,從而誘發(fā)坡體變形.蓄水期庫水位上升期間,庫水入滲滑坡前緣,產(chǎn)生指向坡內(nèi)滲透壓力.同時(shí),前緣的地下水位抬升使得地下水體積增大,當(dāng)滑坡體浮托力的增加速率小于指向坡內(nèi)滲透壓力的增加速率,這將抑制坡體的變形.

3)地下水水力作用會(huì)激勵(lì)滑坡體變形

滑坡區(qū)域地下水屬潛水,其總趨勢向長江(當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面)運(yùn)移.地下水在節(jié)理裂隙中從高向低處滲流過程中,產(chǎn)生滲透動(dòng)水與靜水壓力效應(yīng),這將增強(qiáng)順層促滑段滑移方向的下滑力,并削弱滑坡體抗滑力.本文數(shù)值模擬坡體中部地下水位從上漲臨界值241 m→峰值水位246 m→下降臨界值241 m 過程中,滑坡體發(fā)生“階躍”位移變形.滑坡呈現(xiàn)出這一變形特征的主要原因是由于雨季的到來,降雨強(qiáng)度明顯增加,集中降雨會(huì)明顯抬高滑坡體中后部地下水位,使得坡體孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸增大,孔隙水壓力影響范圍也逐漸擴(kuò)大.當(dāng)?shù)叵滤簧蠞q到一定范圍后,節(jié)理裂隙內(nèi)孔隙水壓力逐漸增加(節(jié)理內(nèi)的有效正應(yīng)力降低[8])以至于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí),會(huì)誘發(fā)滑坡體位移變形.當(dāng)降雨強(qiáng)度明顯減弱后,滑坡體中后部地下水位開始逐漸降低,由于地下水向下滲流遭遇巖體阻滯,坡內(nèi)滯留水分不斷向前緣坡腳滲流使得滑坡體持續(xù)發(fā)生位移變形.當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ǚ秶?孔隙水壓力、水力梯度、總水頭逐漸減少,水力作用不足以激勵(lì)坡體持續(xù)位移變形,滑坡體穩(wěn)定性逐漸提高.

4 結(jié) 論

1)降雨入滲補(bǔ)給滑坡體內(nèi),會(huì)影響地下水位漲落變化,而地下水位漲落又與滑坡變形具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性,把地下水位作為滑坡變形破壞的關(guān)鍵預(yù)警判據(jù)是可靠的.本文分析地下水位漲落下譚家河滑坡、譚家灣滑坡的變形特征,可知QSK2、S1地下水位分別抬高到臨界范圍(241.7～245、275.3～296.3 m)時(shí),滑坡體發(fā)生劇烈位移變形,當(dāng)?shù)叵滤环謩e下降至臨界范圍(240.7～243.1、271.5～295.4 m)時(shí),滑坡變形趨勢明顯減弱.同時(shí),建立譚家河滑坡UDEC 離散元數(shù)值模擬計(jì)算模型,模擬結(jié)果顯示,坡體中部地下水位從上漲臨界值241 m→峰值水位246 m→下降臨界值241 m 過程中,滑坡發(fā)生“階躍”位移變形,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測成果較吻合.

2)持續(xù)強(qiáng)降雨會(huì)明顯抬高地下水位.QSK2、S1地下水位下降期間,日均降雨量分別達(dá)到5、6 mm 以上,有利于地下水位抬升,使地下水位由下降階段轉(zhuǎn)換成上漲階段.QSK2、S1地下水位上漲期間,當(dāng)日均降雨量分別在2、6 mm 以下,降雨對(duì)地下水位影響較弱,地下水位由上漲階段轉(zhuǎn)換成下降階段.

3)對(duì)于譚家灣滑坡,S1地下水位上漲期間,日均降雨量越高(＞6 mm),地下水位峰值往往越高(＞296 m),滑坡體位移變形通常越劇烈;S1地下水位到達(dá)峰值后,日均降雨量越高(＞5 mm),地下水高水位(296 m 左右)運(yùn)行時(shí)間往往越長,滑坡“階躍”變形時(shí)間跨度通常隨之增加,這不利于滑坡體的穩(wěn)定.