淺議地下水對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的影響

李 漪 樊 煉

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040)

1 地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響因素

地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響主要包括以下方面：

1)地下水對(duì)滑坡的力學(xué)作用，即孔隙水壓力作用?？紫端畨毫κ窍鄬?duì)于土顆粒骨架和骨架內(nèi)填充的水、氣等三相等組成的整體而言的，其物理意義是土體內(nèi)孔隙水所承受的力，若以土顆粒骨架為作用對(duì)象，則孔隙水壓力等效于浮托力和滲透力。上述兩種分析對(duì)象的等效性已有學(xué)者證明[4]。

2)地下水對(duì)滑坡涉水部分的滑帶土的物理化學(xué)作用導(dǎo)致其強(qiáng)度減低，土體的抗剪強(qiáng)度與含水量大小關(guān)系密切，相關(guān)文獻(xiàn)[5]表明含水量對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土抗剪強(qiáng)度的影響較大，主要表現(xiàn)為隨著含水量的增加，碎石土的抗剪強(qiáng)度有較大幅度的降低，而且在塑限附近最為敏感，飽和土樣的抗剪強(qiáng)度僅為干土樣抗剪強(qiáng)度的2/3左右。而針對(duì)滑帶土的研究表明，含水量增大時(shí)，滑帶土內(nèi)摩擦角變化不大，而粘聚力的降低較為明顯[6]。

2 地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

如果以滑體土顆粒骨架為研究對(duì)象，則地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用可分為三種因素：地下水對(duì)滑帶土的物理化學(xué)作用使其強(qiáng)度減低、地下水對(duì)滑體的滲透力、地下水對(duì)滑體的浮托力作用。三種作用中地下水使滑帶土強(qiáng)度減低不利于滑坡穩(wěn)定。如忽略滲透力垂直于滑帶方向的分力對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，地下水對(duì)滑坡產(chǎn)生的滲透力對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響要視滲透力的方向而定。當(dāng)滑坡地下水浸潤(rùn)線傾向坡外時(shí)，滲透力指向坡外，不利于滑坡的穩(wěn)定；相反，當(dāng)滑坡地下水浸潤(rùn)線傾向坡內(nèi)時(shí)，滲透力指向坡內(nèi)，有利于滑坡的穩(wěn)定。地下水對(duì)滑體的浮托力作用相當(dāng)于減輕了滑體的重力，這種作用對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響可能不利于滑坡穩(wěn)定，也可能利于滑坡穩(wěn)定。為研究地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律，可對(duì)三種因素分別加以研究，以不受地下水影響時(shí)的碎石土滑坡穩(wěn)定系數(shù)為基準(zhǔn)，分別考慮碎石土滑坡地下水浸潤(rùn)線變化時(shí)地下水對(duì)滑帶土的物理化學(xué)作用、地下水對(duì)滑體產(chǎn)生的滲透力、地下水對(duì)滑體的浮托力三種因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 考慮地下水作用的碎石土滑坡穩(wěn)定性計(jì)算方法

為定量分析地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的三種因素的作用規(guī)律，本文采用條分法計(jì)算碎石土滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。計(jì)算中以滑體土顆粒骨架為研究對(duì)象，將地下水對(duì)土體的作用力分為浮托力和滲透力兩種因素，不考慮條塊間的作用力，并假定在一個(gè)條塊內(nèi)滲透力方向平行于浸潤(rùn)線方向?；聴l塊受力如圖1所示。

不考慮滑體條塊間作用力時(shí)，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)FS可用下式計(jì)算：

其中，φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角；Ci為第i條塊的內(nèi)聚力；土體重力Mi和浮托力Fi可合并為土體的有效重力Wi=(Mi-Fi)，地下水浸潤(rùn)線以下采用浮重度，地下水浸潤(rùn)線以上采用天然重度。上式變?yōu)椋?/p>

其中，第i條塊的滲透力Ri可用下式計(jì)算：

Ri=Si水下×γw×sinβi。

其中，Si水下為第i條塊浸潤(rùn)線以下面積;γw為水的重度;βi為滑坡地下水浸潤(rùn)線的傾角，傾向坡外時(shí)為正，傾向坡內(nèi)時(shí)為負(fù)。

本文選取三峽庫(kù)區(qū)塘角村1號(hào)滑坡作為穩(wěn)定性分析的研究對(duì)象。選擇自2011年1月7日0點(diǎn)開(kāi)始的40 d,70 d和127 d時(shí)作為分析工況，穩(wěn)定性計(jì)算中選用監(jiān)測(cè)頻率為1 h一次的監(jiān)測(cè)地下水浸潤(rùn)線進(jìn)行分析。計(jì)算模型如圖2所示，為避免不同工況下因條塊劃分方法引起的穩(wěn)定性分析上的差別，劃分條塊時(shí)將滑帶轉(zhuǎn)折點(diǎn)、各工況下浸潤(rùn)線轉(zhuǎn)折點(diǎn)及浸潤(rùn)線與滑帶交點(diǎn)都作為條塊劃分的節(jié)點(diǎn)。

計(jì)算中，采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性分析物理力學(xué)參數(shù)

2.2 滲透力對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡而言，大部分滑坡后緣地下水位高于庫(kù)水位，因此滑坡地下水浸潤(rùn)線一般傾向坡外，僅在庫(kù)水位快速上升時(shí)，庫(kù)水波動(dòng)的局部范圍可能存在地下水浸潤(rùn)線傾向坡內(nèi)的情況。因此，一般而言，滲透力是指向坡外的，不利于滑坡穩(wěn)定。然而，滲透力在提供下滑力分力的同時(shí)，也加大了作用于滑帶上的垂直力，從而增大了抗滑力。由滲透力引起的抗滑力和下滑力可分別用下列式子計(jì)算：

Ri抗Si水下×γw×sinβisin(βi-αi)tanφi；

Ri下=Rix=Si水下×γw×sinβicos(βi-αi)。

因此，滲透力對(duì)滑坡的作用力可用Riz表示：

Riz=Si水下×γw×sinβi[cos(βi-αi)-sin(βi-αi)tanφi]。

對(duì)一般情況，有βi-αi<45°，且φi<45°，因此Riz一般大于0，即滲透力不利于滑坡穩(wěn)定，這和上面的分析是相符合的。

表2為基于地下水浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)信息的塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在三種工況下，滲透力使得滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了0.18,0.22,0.26。三種工況下，第127天時(shí)，滲透力作用最為明顯，這是因?yàn)殡S著庫(kù)水位的下降，地下水浸潤(rùn)線傾角越來(lái)越大，從而使其沿下滑方向的分力越來(lái)越大。

表2 滲透力對(duì)塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性的影響

可以發(fā)現(xiàn)，滲透力對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要決定于浸潤(rùn)線的高程及其傾角的大小，當(dāng)浸潤(rùn)線傾角一定時(shí)，浸潤(rùn)線位置越高，滑體水下面積越大，產(chǎn)生的滲透力越大。為分析滲透力對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響的大小程度隨滑坡地下水浸潤(rùn)線傾角的關(guān)系，對(duì)上式求關(guān)于βi的微分，為簡(jiǎn)化分析，假定Riz與滑動(dòng)面傾角αi、滑坡內(nèi)摩擦角φi無(wú)關(guān)。有：

令上式=0，有:

所以有：

2.3 浮托力對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

表3為浮托力對(duì)塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，浮托力的作用較小，且在40 d時(shí)，浮托力利于滑坡穩(wěn)定，在127 d時(shí)浮托力不利于滑坡穩(wěn)定。

表3 浮托力對(duì)塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性的影響

地下水對(duì)碎石土滑坡的浮托力相當(dāng)于減小了浸潤(rùn)線以下部分滑體的重度，即減小了浸潤(rùn)線以下部分滑體在整個(gè)滑體中的“權(quán)重”。因此，當(dāng)浸潤(rùn)線以下部分滑體相對(duì)于整個(gè)滑體起“牽引”作用時(shí)，浮托力將有利于整個(gè)滑坡的穩(wěn)定；當(dāng)浸潤(rùn)線以下部分滑體相對(duì)于整個(gè)滑體起“阻滑”作用時(shí)，浮托力將不利于整個(gè)滑坡的穩(wěn)定。三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)大部分碎石土滑坡主要是滑坡前緣受庫(kù)水位波動(dòng)的影響，其地下水浸潤(rùn)線變幅較大。滑坡前緣滑體在整個(gè)滑坡的形成演化中起到“阻滑”作用時(shí)，通常稱(chēng)其為“推移式滑坡”；滑坡前緣滑體在整個(gè)滑坡的形成演化中起“牽引”作用時(shí)，通常稱(chēng)其為“牽引式滑坡”。因此，地下水對(duì)碎石土滑坡的浮托力有利于“牽引式滑坡”的穩(wěn)定，而不利于“推移式滑坡”的穩(wěn)定。總體而言，浮托力對(duì)塘角村1號(hào)滑坡的影響較小。

2.4 地下水導(dǎo)致滑帶土強(qiáng)度降低對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

表4為塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果，地下水導(dǎo)致滑帶土強(qiáng)度減低使得塘角村1號(hào)滑坡的穩(wěn)定系數(shù)降低了0.12～0.16不等。

表4 滑帶土強(qiáng)度減低對(duì)塘角村1號(hào)滑坡穩(wěn)定性的影響

地下水導(dǎo)致滑帶土強(qiáng)度減低對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要受滑帶土特征、浸潤(rùn)線變化特征和滑面傾角大小等影響。當(dāng)滑帶土對(duì)地下水作用敏感、浸潤(rùn)線變化幅度大時(shí)，地下水的作用會(huì)更大?；鎯A角也會(huì)影響地下水導(dǎo)致滑帶土強(qiáng)度減低對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用大小，當(dāng)滑面傾角較大時(shí)，一定的地下水浸潤(rùn)線變幅下，浸潤(rùn)線波動(dòng)范圍內(nèi)的滑帶較少，從而影響較小；當(dāng)滑面傾角較小時(shí)，一定的地下水浸潤(rùn)線變幅下，浸潤(rùn)線波動(dòng)范圍內(nèi)的滑帶較多，從而影響較大。

3 結(jié)語(yǔ)

如果以滑體土顆粒骨架為研究對(duì)象，則地下水對(duì)滑坡穩(wěn)定性的作用可分為三種因素：地下水對(duì)滑帶土的物理化學(xué)作用使其強(qiáng)度減低、地下水對(duì)滑體的滲透力、地下水對(duì)滑體的浮托力作用。

若忽略滲透力垂直于滑帶方向的分力對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響，當(dāng)滑坡地下水浸潤(rùn)線傾向坡外時(shí)，不利于滑坡的穩(wěn)定；相反，當(dāng)滑坡地下水浸潤(rùn)線傾向坡內(nèi)時(shí)，有利于滑坡的穩(wěn)定。滲透力對(duì)三峽庫(kù)區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要取決于浸潤(rùn)線的高程及其傾角的大小，當(dāng)浸潤(rùn)線傾角一定時(shí)，浸潤(rùn)線位置越高，滑體水下面積越大，產(chǎn)生的滲透力越大。當(dāng)浸潤(rùn)線傾角βi>0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))時(shí)，隨著βi的增大，滲透力產(chǎn)生的滑體下滑趨勢(shì)不斷減小；當(dāng)βi<0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))時(shí)，隨著βi的增大，滲透力產(chǎn)生的滑滑體下滑趨勢(shì)不斷增大。

地下水對(duì)滑體的浮托力有利于“牽引式滑坡”的穩(wěn)定，而不利于“推移式滑坡”的穩(wěn)定。