庫水波動與降雨作用下石榴樹包滑坡穩(wěn)定性分析

楊建英，柯傳芳，吳潤澤，付貴權(quán)，周霞

（1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作指揮部，宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 湖北省防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，宜昌 443002；3.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，武漢 434020）

石榴樹包滑坡是長江三峽河段中大型滑坡之一黃臘石滑坡群的一個主要組成部分，滑坡穩(wěn)定性較差［1]。據(jù)變形監(jiān)測資料分析，石榴樹包滑坡仍存在不同程度的變形，尤其是滑坡后緣變形較為明顯［2]?；乱坏┌l(fā)生滑動，將危及長江航運，并對巴東縣城及附近長江沿岸居民有較大的威脅［3]，是三峽庫區(qū)滑坡防治的重點和研究關(guān)注的滑坡之一。1990年5月建成了黃臘石滑坡監(jiān)測網(wǎng)并投入使用，根據(jù)監(jiān)測資料，石榴樹包滑坡多年以來變形持續(xù)發(fā)展，但各地段變形發(fā)展不盡一致，變形速率存在塊段之間的差異性［4]。滑坡穩(wěn)定性變化與地下水非穩(wěn)定滲流分析表明，無論是在三峽水庫蓄水前還是蓄水后的極端降雨條件下石榴樹包滑坡都是不安全的，且滑坡穩(wěn)定性對降雨和排泄區(qū)水位的響應(yīng)具有滯后性［5]。滑坡監(jiān)測變量（地下水位、水平位移和垂直位移）對庫水位變化的敏感程度具有明顯的分區(qū)特征，滑坡體中前部淺層土體水平位移在庫水蓄水和驟降過程中表現(xiàn)得很敏感［6]。石榴樹包滑坡監(jiān)測和研究表明，庫水和降雨是滑坡穩(wěn)定性主要影響因素，因此研究庫水波動和降雨對滑坡穩(wěn)定性影響具有重要意義。

本文通過滲流計算理論和穩(wěn)定性計算方法，在GEO－SLOPE有限元計算軟件輔助下，研究庫水波動和降雨作用對石榴樹包滑坡穩(wěn)定性的影響，在庫水位驟降、降雨以及降雨與庫水驟降同時作用條件下的滲流狀態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

1 石榴樹包滑坡概述

石榴樹包滑坡位于長江西陵峽與巫峽之間，湖北省巴東縣城下游1.5 k m的長江北岸，下距三峽壩址66 k m，是黃臘石滑坡群的重要組成部分，滑坡規(guī)模為（700～800）×104m3。石榴樹包后緣高程為330～350 m，前緣高程為68～80 m，地面坡度為40°～45°；在高程200～250 m為滑坡平臺，地形坡度15°～20°；在高程100 m以下被洪水沖刷，多成42°～45°以上的地形陡坡；滑床后緣向前緣坡度逐漸變緩，后緣達(dá)45°～48°以上，前緣為1°～10°，近于反翹。在江邊探槽可見，屬典型的圓弧型滑坡［3]。石榴樹包滑坡處長江底部高程為20～25 m，長江水位為66.0 m時，江面寬約350 m?；孪路貙訛槿B系巴東組，滑體物質(zhì)成分主要為淺綠色泥灰?guī)r和紫紅色泥巖，滑坡體結(jié)構(gòu)為散裂及碎裂結(jié)構(gòu)。工程地質(zhì)平面圖及地質(zhì)剖面圖如圖1、圖2所示?；瑤劣勺霞t色粘土夾細(xì)小的角礫組成，滑帶土厚度為1.5～6.15 m。

1983年7月久雨后，湖北省水文地質(zhì)大隊、水利部長江水利委員會先后在黃臘石滑坡上、中部觀察到27條不同規(guī)模的地表裂縫，1984年又出現(xiàn)一些新的裂縫，裂縫的平面布局同堆積體的后緣相似，大致呈弧形，表明該滑坡在經(jīng)歷強降雨過程后出現(xiàn)復(fù)活跡象［7]?；聦購?fù)活性蠕滑期漸進(jìn)推移式水庫、降雨型深層巖質(zhì)切層類滑坡，滑坡體在三峽水庫蓄水前處于自然狀態(tài)，在水庫蓄水后出現(xiàn)過較大的變形。

圖1 石榴樹包滑坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plan for Shiliushubao Landslide

圖2 石榴樹包滑坡剖面圖Fig.2 Section of Shiliushubao Landslide

2 計算分析理論與方法

2.1 滲流計算理論方程［7－9]

鑒于石榴樹包滑坡滑體土主要為淺綠色泥灰?guī)r和紫紅色泥巖，滑坡體結(jié)構(gòu)為散裂及碎裂結(jié)構(gòu)，大部分為無粘性土，水在滑體土中的流動滿足達(dá)西定律；滑帶土由紫紅色粘土夾細(xì)小的角礫組成，水在滑帶土中的流動基本滿足達(dá)西定律。因此，采用符合達(dá)西滲流定律的滲流計算理論進(jìn)行石榴樹包滑坡在庫水位變化和降雨條件下的地下水滲流計算，該滲流計算理論概要敘述如下：

假定水在非飽和土中仍然服從達(dá)西定律，根據(jù)水流連續(xù)性條件及假定孔隙氣壓力不隨時間變化，不考慮不同流體流動同土結(jié)構(gòu)平衡條件之間的相互作用條件下（即不考慮孔隙水與孔隙氣的流動對土體結(jié)構(gòu)的變形的影響），通過飽和與非飽和區(qū)的地下水非穩(wěn)定滲流控制方程為：

當(dāng)水頭H不隨時間變化時，可得到地下水穩(wěn)態(tài)流控制方程：

式中，H為水頭，為孔隙水壓力水頭與位置水頭之和，即H＝h＋y，h為壓力水頭（飽和區(qū)為正，非飽和區(qū)為負(fù)），y為位置水頭。在飽和區(qū)滲透系數(shù)為飽和值，與h無關(guān)，在非飽和區(qū)是壓力水頭h的函數(shù)；kx、ky分別為x與y方向滲透系數(shù)；Q為微元體邊界流量；mw為體積含水量變化系數(shù)，其值為土水特征曲線的斜率；γw為水的容重。

2.2 穩(wěn)定性計算分析方法［10]

Morgenstern－Price（M－P）法是目前工程中進(jìn)行極限平衡計算假定最少、計算最為準(zhǔn)確的方法之一，因此本論文涉及到降雨引起滑坡穩(wěn)定系數(shù)的計算使用該方法進(jìn)行。下面對該方法做簡要介紹。

Morgenstern－Price法在一般條分法的基礎(chǔ)上，不但考慮了法向力與切向力的平衡，而且還考慮了每一土條力矩的平衡。每一土條受力情況如圖3所示。對各條底部中點取矩，并令Δx→0，得到靜力平衡微分方程：

圖3 摩根斯頓－普賴斯法受力圖Fig.3 Force chart by Morgenstern－Price Method

式中，X為作用在土條垂直面的剪應(yīng)力；y為滑裂面的縱座標(biāo)值。

在求解過程中對各土條幾何物理參數(shù)進(jìn)行線性化，并假定側(cè)向力函數(shù)為：

考慮E（a）＝E（b）＝0，可得：

從坡頂?shù)谝粋€界面E0＝0開始，從上到下，逐條求出法向條間力Ei，對最后一土條須滿足條件：

式中，E為作用在土條垂直面的法向有效壓力；F為沿著土條垂直面的穩(wěn)定系數(shù)。

可由方程（6）、（7）求出唯一λ和F值。

3 數(shù)值計算模型

3.1 網(wǎng)格模型

利用GEO－SLOPE軟件對圖1的主縱剖面采用四邊形單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格的剖分，節(jié)點數(shù)為17 769個，單元數(shù)為17 991個，網(wǎng)格圖見圖4。

3.2 邊界條件

滑坡在降雨和水庫水位變化條件下滲流的邊界條件描述如下：

（1）水頭邊界：該斜坡前緣被庫水浸沒部分為水頭邊界。

圖4 石榴樹包滑坡有限元網(wǎng)格模型圖Fig.4 Finite element mesh model of Shiliushubao Landslide

（2）入滲邊界：斜坡表面處取降雨引起入滲的流量邊界，當(dāng)降雨強度大于坡面巖土體的入滲速度時，取巖土體的入滲速度值作為邊界流量值；當(dāng)降雨強度小于坡面巖土體的入滲速度時，取降雨強度值作為邊界流量值，取降雨強度計算。

（3）兩側(cè)和底部滲流邊界：模型底面和兩側(cè)為自由滲流邊界，在此由于基巖的滲透性很小，可認(rèn)為是不透水邊界。各邊界條件的表達(dá)見圖5。

圖5 石榴樹包滑坡滲流邊界條件示意圖Fig.5 Seepage boundary conditions of Shiliushubao Landslide

3.3 邊坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)對石榴樹包滑坡研究的試驗成果和反分析結(jié)論，獲得本文計算滑體巖土體及基巖的土－水特征曲線及滲透函數(shù)曲線（圖6，圖7）［11]，土－水特征曲線表示為含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，滲透函數(shù)曲線為滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系?；聨r土體的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖6 滑體土－水特征曲線及滲透函數(shù)曲線Fig.6 Soil－water curve and permeability function curve

圖7 滑帶土－水特征曲線及滲透函數(shù)曲線Fig.7 Soil－water curve and permeability function curve

表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3.4 計算工況

根據(jù)參考文獻(xiàn)［12]中關(guān)于滑坡分類方法理論可知，石榴樹包滑坡屬于動水壓力型滑坡。庫水位在145～175 m范圍內(nèi)變動，且位于該滑坡的下滑段；該滑坡阻滑段均在145 m高程以下，具體見圖8（點A為促滑段和阻滑段的分界點）。該滑坡整體穩(wěn)定性主要受庫水位下降工況的影響，因此本文選取庫水位下降速度為1.2 m／d（實際庫水下降調(diào)度速度）及接近石榴樹包滑體滲透系數(shù)的降雨輕度90 mm／d作為數(shù)值模擬的庫水位變化和降雨工況條件。為了比較庫水位變化、降雨及二者共同作用對石榴樹包滑坡穩(wěn)定性的影響，本文設(shè)計了3種計算工況：降雨條件下、庫水位驟降條件下、降雨與庫水位驟降共同作用條件下（表2）。

圖8 動水壓力類型滑坡示意圖Fig.8 Landslides of dynamic water pressure type

表2 不同工況條件Table 2 Differentworking conditions

4 計算結(jié)果及分析

4.1 工況一計算結(jié)果和分析

在庫水位高度為145 m的情況下，選取接近于地表土體滲透系數(shù)大小的降雨強度（90 mm／d）作為計算所用降雨強度值，分別對該滑坡在1 d、3 d、5 d等降雨歷時下的地下水位變化情況及邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計算。通過計算獲得邊坡在不同工況條件下的地下水位線（圖9）、可能滑動面的范圍（圖10）和穩(wěn)定系數(shù)（表3）。

圖9 不同降雨歷時條件下邊坡地下水位線Fig.9 Slope under ground water levels under different rainfall conditions

圖10 不同降雨歷時條件下邊坡的最危險的滑動面范圍Fig.10 Range of the most dangerous sliding surfaces under different rainfall conditions

表3 不同降雨歷時情況下的穩(wěn)定系數(shù)Table 3 Stability coefficients under different rainfall conditions

不同降雨歷時條件下的地下水線的溢出點均為庫水位為145 m的位置（圖8中的A點），但地下水位線的分布不同，降雨歷時越長，地下水線位置愈高，反之，則愈低（圖8）。穩(wěn)定性計算表明，隨著降雨歷時的延長，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在降低，當(dāng)降雨歷時為25 d的工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.141，均小于1 d、3 d、5 d和7 d的穩(wěn)定系數(shù)（參見表2），主要是因為地下水位隨著降雨歷時的增加不斷上升而使得滲透壓力也隨之增大所致。

4.2 工況二計算結(jié)果及分析

對該滑坡進(jìn)行初始庫水位為175 m、驟降速度為1.2 m／d，歷經(jīng)1 d、3 d、5 d、7 d、25 d庫水驟降情況下的地下水位和穩(wěn)定性計算分析。通過計算，獲得該滑坡在該工況條件下的地下水位線（圖11）、可能滑動面的范圍（圖12）和穩(wěn)定系數(shù)（表4）。

圖11 不同庫水驟降歷時條件下邊坡地下水位線Fig.11 Under ground water levels with differentwater level fluctuations

12 不同庫水驟降歷時條件下邊坡的最危險的滑動面范圍Fig.12 Range of the most dangerous sliding surfaces with differentwater level fluctuations

表4 不同庫水驟降歷時情況下的穩(wěn)定系數(shù)Table 4 Stability coefficients with different reservoir water dips

滑坡在初始庫水位為175 m、驟降速度為1.2 m／d的條件下，歷經(jīng)不同庫水驟降情況下的地下水位線的分布是不同的，隨著驟降歷時的延長地下水位線呈下降趨勢，驟降至第25 d的時候地下水位線的高程最低（圖11），這主要是由于庫水驟降致使地下水位排出坡體外所致。隨著降雨歷時的延長，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在降低，庫水驟降歷時為25 d的工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.224，均小于庫水驟降歷時1 d、3 d、5 d、7 d和25 d（表4）的情況，這主要是由于滑體內(nèi)動水壓力隨庫水位下降而增大所致。

4.3 工況三計算結(jié)果及分析

對該滑坡進(jìn)行初始庫水位為175 m、驟降速度為1.2 m／d，以降雨強度90 mm／d歷經(jīng)1 d、3 d、5 d、7 d、25 d降雨情況下的地下水位和穩(wěn)定性計算分析。通過計算，獲得邊坡在不同工況條件下的地下水位線（圖13）、可能滑動面的范圍（圖14）和穩(wěn)定系數(shù)（表5）。

圖13 不同降雨和庫水驟降歷時條件下滑坡的地下水位線Fig.13 Underground water levels under different conditions of rainfall and water level fluctuation

圖14 不同降雨和庫水驟降歷時條件下滑坡的最危險的滑動面范圍Fig.14 Range of the most dangerous sliding surfaces under different conditions of rainfall and water level

表5 不同降雨和庫水驟降歷時下滑坡的穩(wěn)定系數(shù)Table 5 Stability factors with different rainfalls and reservoir water dips

在不同降雨歷時和不同庫水驟降歷時條件下，滑坡的地下水位線分布是不同的，隨著降雨歷時和庫水驟降歷時的延長，地下水位線呈下降趨勢，第25天時地下水位線的高程最低（參見圖13），這主要是由于庫水驟降引起的地下水位降低幅度比降雨引起地下水位上升幅度大所致。隨著降雨和庫水驟降歷時的延長，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在降低，降雨和庫水驟降歷時為25 d的工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.131（參見表5），且大于降雨單獨作用工況的穩(wěn)定系數(shù)1.131（參見表3）；這主要是由于庫水驟降和降雨共同作用下滑體內(nèi)動水壓力增大所致。

5 小結(jié)

通過對石榴樹包滑坡在90 mm／d的降雨、三峽水庫水位以1.2 m／d的速度驟降、90 mm／d的降雨及三峽水庫水位以1.2 m／d的速度驟降共同作用下的3種工況下的地下水位分布和穩(wěn)定性計算及分析結(jié)果表明：滑坡在庫水位驟降及庫水位驟降和降雨共同作用下的穩(wěn)定系數(shù)減小速度較快。由此可以說明降雨工況及降雨和庫水驟降共同作用的工況對石榴樹包滑坡穩(wěn)定均為不利工況。

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