三峽庫區(qū)提升庫水位下降速率條件下溝邊上滑坡穩(wěn)定性評價

陳 歡

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心，四川 成都 611734)

最近7年，三峽庫區(qū)對非汛期庫水位下降速率(0.6 m/d)的嚴格控制，預防了近千處涉水庫岸滑坡大規(guī)模下滑入江，但控制消落期庫水位下降速率在某種程度上卻限制了防洪和蓄水發(fā)電效益的發(fā)揮。庫岸涉水滑坡經過多年小變形，內部應力有了一定調整，因而在不同程度上增加了對提高庫水位下降速率的承受能力。因此，開展三峽水庫水位日降幅對庫區(qū)地質災害防治工程影響的調查評價研究，分析論證在非汛期增加庫水位下降速率的可行性，從而進一步明確或調整三峽水庫消落期庫水位下降控制速率，具有重大現(xiàn)實意義和科學價值。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)屬亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，多年平均降雨量1059.4 mm，年最大降雨量1351.6 mm，降雨多集中在4-9月，占年平均降雨量的55%。

研究工作區(qū)段接近三峽峽谷區(qū)的河谷-岸坡地帶(圖1)，由于朱衣河、梅溪河與長江共同作用的結果，本區(qū)地貌呈現(xiàn)為：河谷相對開闊，河曲、階地與漫灘均十分發(fā)育，岸坡具明顯層狀地貌特征。區(qū)內最高海撥高程1867.2 m，最低為長江，高程為135 m左右(過去118.70 m)，相對高差1748.5 m。

圖1 研究區(qū)三維地形圖

奉節(jié)縣境內及其鄰區(qū)出露基巖均為沉積巖層，地層分布包含志留系至侏羅系及第四系。齊岳山以東以古生界及中下三疊系為主，局部有上三疊統(tǒng)及侏羅系分布；東北邊緣出露有小片二疊系，其余均為侏羅系紅層覆蓋。

奉節(jié)縣構造區(qū)域屬川鄂湘黔隆褶帶之北西緣和四川沉降褶皺帶之川東褶皺帶的一部分，本區(qū)構造形式以褶皺變形為主，斷裂較少。

2 溝邊上滑坡特征及穩(wěn)定性地質分析

2.1 溝邊上滑坡產出地斜坡特征及規(guī)模

滑坡位于奉節(jié)縣安坪鎮(zhèn)新鋪村，如圖2、圖3所示。斜坡坡向350°，坡高138 m，坡長360 m，坡體呈箕型，剖面呈折線狀。坡度約23°。為一順向坡。上覆滑坡堆積物，包括碎塊石及部分含碎石粉質粘土，面積2萬 m2，滑體厚度約為20 m，體積約為41萬 m3，屬中型土質滑坡。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖，薄至中厚層狀，滑坡區(qū)內未見基巖出露，通過對附近采石場揭露基巖露頭調查，巖層產狀330°∠28°，沿基覆界面滑動?；庐a出斜坡位于故陵向斜次級褶皺：方斗山—黃連峽背斜北西翼，區(qū)內斷層不發(fā)育。

圖2 滑坡全貌

圖3 滑坡左邊界基巖出露

2.2 滑坡的動力條件及成因機制

依據(jù)調查結果，溝邊上滑坡為人類工程型滑坡，受人為改造影響較大。該滑坡中后部較平緩，前緣滑面較陡，受到長江的長期沖刷，出現(xiàn)了古滑坡體整體滑移，前緣部分有鼓脹彎曲隆起，受降雨作用入滲滑坡體的影響，滑坡產生次級滑體；滑坡的近期變形主要表現(xiàn)為滑坡前緣的變形滑移。形成機制概括為：基于特定的地質條件，滑坡前緣受江水長期沖刷掏蝕，加之人類工程活動的破壞影響，使得滑坡前緣段抗滑阻力減小，又受到降雨作用和地表水滲入滑坡的影響，孔隙水壓力升高，次級滑面逐漸貫通，最終導致滑坡前緣坡體出現(xiàn)蠕滑，誘發(fā)滑坡前緣失穩(wěn)。

3 滑坡的滲流分析

在增大庫水位下降速率的情況下，采用基于非飽和理論的數(shù)值分析方法基于Geo-studio商業(yè)軟件的SEEP/W模塊，建立概化的抽象模型進行滲流分析和穩(wěn)定性評價。

3.1 模型及參數(shù)選擇

滑坡發(fā)育特征平面圖如圖4所示，根據(jù)滑坡基本特征和變形破壞模式，選取具有代表性的A-A′縱斷面(見圖5)作為計算斷面。平面二維模型包含兩種材料，黃色部分為碎塊石堆積體，綠色部分為基巖。對材料部分進行網(wǎng)格劃分，材料交接部分網(wǎng)格由密過度到稀，見圖6。

在滑(邊)坡穩(wěn)定性計算和工程設計中，滑體及滑帶土的粘聚力(c)和內摩擦角(φ)的取值較為關鍵。若前期無詳細勘查的滑坡，由于缺少鉆探以及巖土采樣室內試驗，因此具體參數(shù)依據(jù)工程地質類比法以及參數(shù)反演法確定。若有詳細勘查的滑坡，前人的巖土試驗成果和取值方法作為參數(shù)取值的重要參考。

圖4 滑坡發(fā)育特征平面圖

圖5 溝邊上滑坡A-A′縱剖面圖

圖6 二維滲流場模型建立圖

3.1.1 巖土物理力學參數(shù)取值

根據(jù)已收集到的勘察報告巖土力學參數(shù)值，綜合統(tǒng)計平均值確定巖土體物理力學參數(shù)(見表1)。

表1 溝邊上滑坡土體物理力學參數(shù)

3.1.2 滲流參數(shù)取值

滑帶土體的滲透系數(shù)k參考由現(xiàn)場滲透試驗(標準雙環(huán)入滲和試坑法入滲，見表2)測得，并參考三峽庫區(qū)已有的滑坡土體滲透參數(shù)研究的成果(見表3)進行綜合取值。滲流分析除了飽和滲透系數(shù)，還涉及土水特征曲線與非飽和滲透系數(shù)，還涉及土水特征曲線與非飽和滲透系數(shù)，本文中采用Geo-studio SEEP/W模塊提供的經驗曲線和飽和狀態(tài)參數(shù)來確定。

表2 現(xiàn)場滲透試驗成果統(tǒng)計

表3 三峽庫區(qū)滑坡體滲透系數(shù)統(tǒng)計表 m/d

3.2 滑坡地下水滲流分析

依據(jù)三峽庫區(qū)以往的文獻及報告，降雨是誘發(fā)庫區(qū)滑坡產生的主要因素。隨著三峽工程建設逐漸推進，三峽庫區(qū)的分期蓄水以及工程竣工后水庫進入正常運行，水庫的水位變化成為誘發(fā)庫岸滑坡滑動的又一個主要因素。為模擬三峽庫區(qū)庫水變動條件下，滑坡的滲流、變形及穩(wěn)定性情況，以下對庫區(qū)庫水位變動的工況條件進行概述。

依據(jù)圖7三峽庫區(qū)庫水實際運行情況，可知現(xiàn)階段三峽庫水位在175 m至145 m至175 m之間。參考圖8庫區(qū)現(xiàn)階段年實際運行情況，我們可設置以下計算工況和荷載組合，對庫水位升降作用下的溝邊上滑坡的滲流、變形進行模擬，并評價該滑坡的穩(wěn)定性。涉水滑坡的荷載組合主要涉及水庫運行工況和暴雨工況的組合，此次選取了4種工況進行研究。將水庫汛前水位下降速率自原來的0.6 m/d加大至0.8～1.2 m/d進行計算，非汛期50年一遇3日暴雨按照《技術要求》降雨強度值的計算方法，結合查閱《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(1984版)，奉節(jié)縣非汛期50年一遇3日暴雨按180 mm計算，平均為60mm/d。由于該滑坡前緣145m已被江水淹沒，因此156 m水位為蓄水的最低水位線。

圖7 三峽庫區(qū)庫水實際運行情況

圖8 三峽庫區(qū)庫水現(xiàn)階段年實際運行情況

工況一：自重+地表荷載+庫水位從175 m降至156 m(庫水位159 m至156 m 下降速度0.6 m/d)，水位線情況見圖9，滲流場特征見圖10。

工況二：自重+地表荷載+庫水位從175 m降至156 m(庫水位159 m至156 m下降速度0.6 m/d)+降雨60 mm/d(持續(xù)3 d)，滲流場特征見圖11。

工況三：自重+地表荷載+庫水位從175 m降至156 m(庫水位159 m至156 m下降速度1.0 m/d)，滲流場特征見圖12。

工況四：自重+地表荷載+庫水位從175 m降至156 m(庫水位159 m至156 m下降速度1.0 m/d)+降雨60 mm/d(持續(xù)3 d),滲流場特征見圖13。

計算分析結果表明該滑坡在庫水位下降和降雨條件下的滲流場符合一般滲流規(guī)律，且具有如下特征：

(1)基巖透水率低，滑坡體的滲透系數(shù)較大，因此滲流場變化出現(xiàn)在滑坡體內。

(a)175 m穩(wěn)態(tài)地下水位圖(b)庫水位175 m至156 m過程地下水位線(0.6 m/d)

圖9工況一地下水位線情況

(a)庫水位175 m(b)庫水位156 m

圖10工況一滲流場特征

(2)根據(jù)滲流場分析可見水位升降主要影響滑坡前緣，隨著水位上升過程，水由坡體外向內滲入，坡體內水位上升存在一定的滯后性，因此滲流場曲線呈現(xiàn)坡外向坡內凹的趨勢；反之降水位時亦然。

(3)降雨對滑坡體內地下水位有顯著影響。在汛期庫水位下降+降雨工況條件下，降雨使滑坡體后部地下水位升高，加大了水力梯度和滲流力。

(a)庫水位175 m(b)庫水位156 m

圖11工況二滲流場特征

(a)庫水位175 m(b)庫水位156 m

圖12工況三滲流場特征

(a)庫水位175 m(b)庫水位156 m

圖13工況四滲流場特征

3.3 滑坡穩(wěn)定性計算評價

SLOPE/W軟件采用了等效置換方法來計算邊坡穩(wěn)定分析，即坡體外側水位以下土體采用浮容重，滑面上的孔隙壓力采用超靜孔壓，忽略坡外的靜水壓力，計算結果見圖14。

根據(jù)規(guī)范，將滑坡穩(wěn)定性劃分為4級：穩(wěn)定系數(shù)FS>1.10為穩(wěn)定，1.10≥FS>1.05基本穩(wěn)定，1.05≥FS>1.0為欠穩(wěn)定FS≤1.0為不穩(wěn)定。

從上述分析結果可以得出：

(1)庫水升降對溝邊上滑坡穩(wěn)定性會產生一定的影響。庫水位從175 m水位線下降至159 m水位過程中，滑坡穩(wěn)定性整體表現(xiàn)為逐漸下降然后逐漸上升，從159 m水位開始，庫水位在不同工況的下降速度下變化，滑坡穩(wěn)定性由前面的上升變?yōu)橄陆?，在庫水位保?56 m水位一段時間內，穩(wěn)定性系數(shù)有所上升，最后趨于穩(wěn)定值。

(2)降雨對滑坡穩(wěn)定性影響較大。從以上計算分析可知，水位下降過程中，伴隨降雨作用，滑坡穩(wěn)定性出現(xiàn)降低，但是降低的幅度有限。受地質地形條件的影響，可能出現(xiàn)的情況是降雨越強、穩(wěn)定性不一定會馬上下降，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)下降，較降雨時間會有滯后效應。

(3)在159 m后采用不同的庫水降速，庫水下降速度增大對滑坡穩(wěn)定性影響有提高。

(4)根據(jù)分析結果，在水庫按正常設計工況蓄水運行期間，溝邊上滑坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)，調查可知前緣局部受庫水影響較大，前緣可能產生一定變形，會對滑坡中部產生進一步影響，存在一定危險性。預測當庫水位下降速率超過1.2 m/d，且出現(xiàn)p=120 mm/d以上暴雨時，溝邊上滑坡整體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14不同工況條件下各種分析方法的穩(wěn)定性系數(shù)

4 綜合評價

結合地質分析、穩(wěn)定性計算結果得出以下結論。

(1)溝邊上滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)在庫水位下降過程中，庫水位下降速率越快，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降低越明顯。

(3)基于Geo-studio軟件的SEEP/W模塊模擬了庫水位降幅增加條件下的滲流場及變化過程，可見相對現(xiàn)今庫水位變幅，降幅增加后，水力梯度有一定提升，幅度較小。并通過SLOPE/W模塊采用M-P法計算可知，降幅提高后對滑坡穩(wěn)定性影響甚微，這與地面宏觀調查結果相吻合。