庫水位周期性變化對簸箕石滑坡的影響評價

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

庫水位周期性變化對簸箕石滑坡的影響評價

李影

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

庫區(qū)水位變化對于控制庫岸斜坡的穩(wěn)定性具有十分重要的作用，以簸箕石滑坡為研究對象，分析庫水位周期性變化對坡體變形的影響。簸箕石滑坡常年受到周期性水位調(diào)節(jié)的影響，水位的波動比水面平穩(wěn)時對坡體前緣所造成的侵蝕更嚴(yán)重，坡體的變形也更加復(fù)雜化?；隰せ聦嵉匮膊?，利用FLAC3D軟件進(jìn)行滲流-力學(xué)耦合計算，分析了庫水位漲落過程中，滑坡體的剪應(yīng)變及滑動位移規(guī)律。結(jié)果表明：蓄水之后水位變化對剪應(yīng)變增量的影響不明顯，但剪應(yīng)變增量集中程度較蓄水之前有所增強；蓄水之后，滑坡的滑動位移隨著水位的下降而增大，而水位上升過程中，位移值雖然較下降之后的值有所減小，但上升到一定水位高度之后，滑動位移繼續(xù)增加。該研究成果對于簸箕石滑坡及此類滑坡災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報具有重要的現(xiàn)實意義。

簸箕石滑坡；庫水位變化；FLAC3D軟件；滑坡變形；剪應(yīng)變增量

1 研究背景

庫岸斜坡對氣候變化和地球動力演變做出的響應(yīng)非常強烈，這種響應(yīng)具有一定的規(guī)模，很大程度上取決于區(qū)域地質(zhì)背景和地貌演化過程之間的相互作用關(guān)系。

河谷地區(qū)斜坡的運動具有多樣性，滑坡的誘發(fā)因素將一定程度上受控于滑坡形狀、規(guī)模及其它滑坡幾何參數(shù)[1]。這些參數(shù)也將由各種類型的控制因素決定，例如地形[2-3]，地層巖性[4]，構(gòu)造[5]，巖石或土的力學(xué)特性[6-7]。三峽庫區(qū)的水位隨著每年洪水強度的不同在高程145～175 m之間變化，庫水位的波動及強降雨會降低斜坡穩(wěn)定性。根據(jù)三峽庫區(qū)文獻(xiàn)資料顯示:庫區(qū)滑坡的一個重要誘發(fā)因素為崩塌;水庫蓄水之后，水位變化又成為另一個主導(dǎo)因素[8]。斜坡上受到三峽庫區(qū)水位漲落影響的坡段也常常成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點。王新剛等[9]研究了庫水位驟變產(chǎn)生的靜水壓力和動水壓力對滑坡-抗滑樁體系的影響，認(rèn)為庫水位驟降產(chǎn)生的動水壓力相比于庫水位驟升產(chǎn)生的靜水壓力對滑坡-抗滑樁作用體系的減弱作用更大;趙代鵬等[10]利用物理模擬及數(shù)值手段，分析了涉水浮托減重型滑坡的穩(wěn)定性影響機制，得出庫水位上升階段，滑坡阻滑力隨之不斷減小，庫水位下降階段，滑坡抗滑力隨之增大的結(jié)論。

目前對于三峽庫區(qū)滑坡的評價均以理論研究為基礎(chǔ)[11]，然后結(jié)合相關(guān)物理或數(shù)值試驗開展庫水位調(diào)度下滑坡的穩(wěn)定性分析。簸箕石滑坡是眾多庫岸滑坡中的一個，其坡體整體比較穩(wěn)定。利用FLAC3D有限差分軟件，分析庫水位周期性變化對坡體變形的影響，作為該滑坡評價的依據(jù)。

2 簸箕石滑坡工程地質(zhì)背景

簸箕石滑坡位于長江左岸岸坡，屬長江水域范圍，境內(nèi)庫區(qū)水位變化在高程156～182 m之間。沿江殘存有不對稱的Ⅰ—Ⅴ級階地堆積。河谷縱比降大，洪枯水位變幅大，受季節(jié)影響明顯。坡面傾向246°，傾向長江，整體較為平緩。沿滑坡體滑行方向，兩側(cè)為寬緩淺溝，中部稍上凸起，坡頂高程在400～500 m之間，坡腳高程大約160 m，高差300 m有余。境內(nèi)出露地層均為沉積巖類，主要為寒武系-侏羅系，巖性為一套海相—淺海相碳酸鹽、碎屑巖和內(nèi)陸湖相碎屑巖。

圖1 簸箕石滑坡遙感圖Fig.1 Remotely-sensed image of Bojishi landslide mass

簸箕石滑坡平面形態(tài)為箕形，長條狀(見圖1)。坡體后緣右側(cè)為陡巖，向長江方向逐漸放緩，至江面處坡度與滑坡體相當(dāng)；左側(cè)以沖溝為界；后緣基巖出露，以巖土接觸面為界；前緣伸入長江。坡體上界面平整，坡度較緩，僅于中部偏右側(cè)發(fā)育一淺溝?；麦w前緣剪出口高程135 m，后緣275 m，高差140 m。坡體長約700 m，寬約500 m，平均厚度約14 m，滑坡面積35萬m2，體積490萬m3?；路轿唤?50°，坡度11°?；麦w主要由第四系全新統(tǒng)殘坡積黏性土夾碎塊石土組成，滑體物質(zhì)為粉質(zhì)黏土夾碎塊石，滑坡滑床為沙溪廟組(J2s)砂質(zhì)泥巖，滑床在剖面上顯示為階梯狀，剖面圖見圖2。

圖2 簸箕石滑坡主滑斷面地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile showing the main sliding section of Bojishi landslide

該滑坡的控滑結(jié)構(gòu)面為巖土接觸界面，接觸面上往往形成一層厚度不大但純度較高的黏土層，地下水沿此帶匯集，形成軟弱黏土帶，滑坡沿此帶滑動。

3 滑坡變形特征分析

3.1 變形破壞跡象

據(jù)調(diào)查，1995年，滑坡中下部左側(cè)的山脊靠滑坡方向出現(xiàn)拉張裂縫，發(fā)育方位角135°，寬0.3～0.4 m，斷續(xù)出現(xiàn)，長達(dá)200 m多?，F(xiàn)在還能在滑坡左側(cè)山脊部位基巖(泥巖)中見到該拉張裂縫(長約1.5 m，寬0.3～0.4 m，可見深度2～3 m)。之后滑體上每年均有變形，表現(xiàn)為梯田沿滑動方向的下滑變形和院壩開裂及民房開裂。2008年11月份庫區(qū)175 m試驗性蓄水，滑坡前緣有局部變形；至2008年12月份沒有新的變化。通過裂縫寬度、泉水、井水渾濁情況等比較，并無較大的變化，未發(fā)現(xiàn)異常的地質(zhì)現(xiàn)象，從宏觀巡查看，滑坡基本穩(wěn)定。

3.2 變形影響因素

斜坡的變形不僅受到時間和空間條件的制約，還與斜坡的幾何條件及不同材料的強度參數(shù)密切相關(guān)。例如:較高的斜坡梯度和一定的高程差(>140 m)增大了重力能;庫區(qū)水位的上升和下降過程中，坡體的地下水水位、孔隙水壓力的變化會受到坡體巖性和地形地貌的制約;由于水動力引起了滲流和侵蝕作用，導(dǎo)致斜坡的穩(wěn)定性問題變得更加復(fù)雜化，滲流會因減少潛在滑動面的約束力或增加滑面上的滑動力來影響岸坡的穩(wěn)定性。由于簸箕石滑坡是土質(zhì)滑坡，坡腳的侵蝕和基質(zhì)吸力的喪失會降低坡體內(nèi)的約束力，而增大土體重度和孔隙水壓力則會導(dǎo)致滑動力增加。

3.3 變形趨勢預(yù)測

由于河流周期性水位波動產(chǎn)生的側(cè)蝕作用，斜坡梯度將變高，再加上雨水滲入坡體，高塑性黏土?xí)l(fā)生漸進(jìn)性蠕動變形?；麦w上公路和民房切坡會導(dǎo)致局部坡體松動甚至垮塌，從而改變坡體自重應(yīng)力分布。由于滑坡前緣滑面經(jīng)常位于庫水位以下且處于飽和狀態(tài)，水庫蓄水至高水位和下降至低水位期間，坡體中尤其是滑面附近滑體中的動水壓力將發(fā)生較大變化，無論是水位上升過程中庫水進(jìn)入滑坡體中還是水位下降過程中庫水滲出滑坡體外，都會導(dǎo)致滑坡阻滑力小于天然狀態(tài)下的值，顯然滑坡穩(wěn)定性將受到影響。

圖3 簸箕石滑坡計算模型Fig.3 Calculation model of Bojishi landslide

4 庫水位升降斜坡數(shù)值模擬

4.1 計算模型

通過地質(zhì)原型的概化，采用有限差分軟件FLAC3D程序建立三維數(shù)值模型，詳見圖3。

選用FLAC3D的滲流-力學(xué)耦合分析模塊評價庫水位升降作用下的滑坡變形及穩(wěn)定性狀況。順江方向(x軸方向)寬600 m，垂直長江方向(y軸方向)寬700 m，前緣高程約105 m，后緣高程取至380 m，模型底板高程為50 m。模型離散化后，共劃分出24 502個單元，27 372個節(jié)點。該程序自帶的本構(gòu)方程能更真實地描述實際地質(zhì)體的動態(tài)行為。模型中的材料參數(shù)主要依據(jù)試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗數(shù)據(jù)予以擬定，詳見表1和表2。

表1 天然巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters ofnatural rock and soil mass

表2 飽水巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters ofsaturated rock and soil mass

4.2 計算方案

該滑坡應(yīng)力場已經(jīng)歷了較為充分的調(diào)整和較長的壓密固結(jié)過程。本次計算依據(jù)長江水位變動歷史，首先對三峽大壩未蓄水前滑坡的天然狀態(tài)(約80 m水位)進(jìn)行模擬，完成試驗性蓄水至175 m水位，其后，將經(jīng)歷3次庫水位變動：175 m→145 m→156 m→175 m，以此為基礎(chǔ)對不同工況下的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。其間，天然水位狀態(tài)，模型參數(shù)均賦予天然巖土體參數(shù)；從最高水位(175 m)開始變化過程中，滑帶和基巖的物理力學(xué)參數(shù)均取飽和值，而滑體則賦予天然值。

4.3 結(jié)果分析

在天然情況下進(jìn)行模擬計算的目的，不僅是為了計算天然情況下的滑坡穩(wěn)定性，更重要的是為了檢驗所建立的計算模型、參數(shù)取值是否合理，以便準(zhǔn)確地預(yù)測評價蓄水條件下的滑坡狀況。庫水位對滑坡穩(wěn)定性的影響主要取決于滑坡地下水綜合作用，包括庫水升降時產(chǎn)生的滲透力、滑坡體飽水造成的懸浮減重和滑面長期浸泡導(dǎo)致的力學(xué)強度弱化。坡體后緣地下水位埋深大，巖土體含水率較低。前緣地下水位埋深淺，滑坡涉水部分飽和，庫水產(chǎn)生的揚壓力可以平衡部分坡體重力。為了模擬滑坡前緣水位波動，認(rèn)為斜坡中存在一條近于水平的水位[12]。依據(jù)地質(zhì)證據(jù)，忽略黏土基巖中的水力梯度，即忽略滲流。此外，飽和條件下的高稠度黏土處于水位線的上下，當(dāng)被河水淹沒時，此前忽略的滲流正位于目前水位線位置處的黏土中，當(dāng)蓄滿水達(dá)到洪水位峰值(175 m)時，孔隙水壓力分布見圖4，由于水土密度差產(chǎn)生的浮力作用，會導(dǎo)致滑坡體坡腳有效抗滑重力減小，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡穩(wěn)定性降低。

圖4 坡體孔隙水壓力分布(175 m)Fig.4 Pore water pressure distribution when reservoir water level rises to 175 m

從圖5和圖6可知，天然工況下，簸箕石滑坡體剪應(yīng)變增量主要集中在滑體中部，從基覆界面向上逐漸增加，尚未沿著基覆界面形成剪應(yīng)變增量集中剪切帶，y方向(滑動方向)位移高值區(qū)和剪應(yīng)變增量高值區(qū)位于180～225 m高程之間，最大位移2.74 cm左右，最大剪應(yīng)變增量約為0.01。水位從175 m下降，庫水從滑坡體滲出，降至145 m時，滑坡體剪應(yīng)變增量高值區(qū)仍主要集中在180～225 m高程范圍內(nèi)，與天然工況相比，集中程度稍增加，y方向最大位移增至3 cm左右，位于滑坡中部高程200～225 m范圍內(nèi)。庫水位升至156 m時，最大剪應(yīng)變增量較145 m水位時的最大值減小了約1.6×10-5，主要集中在坡體前緣庫水變幅范圍附近，y方向最大位移約2.9 cm，較上一水位的最大位移值略有減小，位于滑坡前緣左側(cè)，高程200 m范圍。升至175 m時，滑坡體最大剪應(yīng)變增量也相繼增加，達(dá)到0.010 833，較156 m水位的值變化了3.2×10-5，高值區(qū)主要集中在坡中部180～230 m高程范圍內(nèi)，y方向最大位移達(dá)到3.0 cm左右且高于145 m水位的最大位移值，高程在180～225 m范圍內(nèi)。

圖5 庫水位升降滑坡剪應(yīng)變增量云圖Fig.5 Shear strain increment of Bojishi landslide in the presence of reservoir water level fluctuation

圖6 庫水位升降滑坡y方向位移云圖Fig.6 Displacement of Bojishi landslide in y direction in the presence of reservoir water level fluctuation

總之，水位升降過程中，剪應(yīng)變增量基本未發(fā)生變化，尚未沿著基覆界面形成剪應(yīng)變增量集中剪切帶，而y方向最大位移值較天然狀態(tài)增加了約0.4 cm。由于簸箕石滑坡地層巖性主要為黏性土夾碎塊石土，滲透性能弱，水位下降時，地下水不能及時排出，地下水水位滯后于庫水位下降。無論升與降，坡體的剪應(yīng)變增量集中程度均較天然工況時有所增強。水位下降，y方向位移增大，對坡體穩(wěn)定性不利；水位上升過程中，位移值雖然較下降之后的值有所減小，但上升到一定水位高度之后，滑動位移繼續(xù)增加。

5 災(zāi)害評價

有人類定居的庫岸區(qū)，斜坡的位移對水庫水位的變動非常敏感，也增加了人類對水位波動的關(guān)注程度。庫岸斜坡的動力條件通常受到復(fù)雜的構(gòu)造耦合過程的影響，例如區(qū)域抬升。多年來，人類工程活動造成的河水平面升降儼然成為一種常態(tài)。庫區(qū)農(nóng)業(yè)開發(fā)和道路建設(shè)不僅在很大程度上改變最初的地形地貌，并且還會產(chǎn)生許多的堆積擾動土，由于土壤裸露、缺少植被覆蓋，這些人工地形已經(jīng)導(dǎo)致大量水土流失。

三峽大壩蓄水導(dǎo)致庫區(qū)水位波動，斜坡基巖區(qū)塊體運動盛行，比如沿斷層和基巖節(jié)理發(fā)生的崩塌、順層滑坡。旱季，水位周期性漲落會引入額外的動水壓力和靜水壓力，而在雨季，則引入額外孔隙水壓力。由于水位波動導(dǎo)致的這些力以及巖石力學(xué)性質(zhì)的改變已經(jīng)誘發(fā)了許多斜坡和塊體運動。雖然研究結(jié)果已經(jīng)證實，庫水位與簸箕石滑坡坡體前緣變形有一定相關(guān)性，對整體穩(wěn)定性影響不大，但仍應(yīng)該對受三峽庫區(qū)影響的周邊地貌過程做出早期識別，追蹤斜坡的發(fā)展趨勢。

6 結(jié) 論

(1) 結(jié)合簸箕石滑坡變形跡象和調(diào)查資料，建立滲流-力學(xué)耦合理論的三維模型，分析了水位升降作用下滑坡變形及穩(wěn)定性狀況。

(2) 簸箕石滑坡變形與庫水位波動有一定相關(guān)性，但影響程度及范圍較小，剪應(yīng)變增量主要集中于坡中部180～230 m高程范圍內(nèi)，且蓄水之后無論水位如何變化，剪應(yīng)變增量變化不明顯，剪應(yīng)變增量集中程度較蓄水之前有所增強。

(3) 庫水位變動之后，垂直于河道方向的滑坡滑動位移即y方向位移值與天然狀態(tài)相比，出現(xiàn)了增大的趨勢，并且，蓄水之后，水位下降，滑動位移增大；水位上升過程中，位移值雖然較下降之后的值有所減小，但上升到一定水位高度之后，滑動位移繼續(xù)增加。這一動態(tài)變形特征，對于簸箕石滑坡及此類滑坡災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報具有重要的現(xiàn)實意義。

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(編輯：王 慰)

Assessment of the Influence of Cyclical Water Level Variationon Bojishi Landslide

LI Ying
(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College, Chongqing 402160,China)

Variation of reservoir water level plays a crucial role in triggering and controlling the stability problem of reservoir bank slope. In the present research, the influence of cyclic variation of reservoir water level on a slope deformation is analyzed. Located in the Three Gorges Reservoir area, Bojishi landslide is affected by cyclical water level variation. Compared with smooth water surface, water level fluctuation is much more erosive to the toe of the landslide and leads to more complex slope deformation. According to field investigation result, the shear strain and sliding displacement of the landslide mass during reservoir water level fluctuation are analyzed by coupled hydro-mechanical module FLAC3Dsoftware. Results reveal that water level variation has no obvious influence on shear strain increment, but leads to more concentrated strain increment than that before impoundment. Moreover, after impoundment, the sliding displacement, which increases with the drawdown of water level and alleviates with the rising of water level, will keep increasing when water level reaches a certain value.

Bojishi landslide；water level variation；FLAC3Dsoftware；landslide deformation；shear strain increment

2015-12-05;

：2015-12-28

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研資助項目(K201410)

李 影(1982-)，女，重慶榮昌人，講師，主要研究方向為水利工程、大壩檢測技術(shù)，(電話)13648363446(電子信箱)411127047@qq.com。

10.11988/ckyyb.20151025

2017,34(9):132-136

P642.2

：A

：1001-5485(2017)09-0132-05