不同庫水位降速條件下三峽庫區(qū)動水壓力型滑坡穩(wěn)定性研究

鄧永煌, 張端淼, 龐 威, 熊 珅, 徐子一

(1.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站,湖北 宜昌 443000; 2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002)

三峽庫區(qū)自2003年蓄水以來,水庫水位周期性變化,導(dǎo)致老滑坡復(fù)活并誘發(fā)新滑坡[1-2],如千將坪滑坡[3]、樹坪滑坡[4]、白家包滑坡[5]等。許多學(xué)者都對三峽庫區(qū)動水壓力型滑坡進(jìn)行了深入的分析研究,并取得了卓越成果[6-7]。三峽水庫水位自175 m緩降至159 m之后,快速降至145 m,由于動水壓力型滑坡巖土體的滲透性能較差,滑坡體內(nèi)地下水滯后于庫水位的下降,滑坡地下水與庫水位形成正落差,產(chǎn)生指向滑體外側(cè)方向的滲透壓力,不利于滑坡的穩(wěn)定,特別是庫水位驟降的時候,可能引起庫區(qū)滑坡失穩(wěn)。三峽庫區(qū)樹坪滑坡為動水壓力型滑坡,其穩(wěn)定性主要受庫水位下降的影響[7]。為了研究動水壓力型滑坡對庫水位波動的響應(yīng),本文以樹坪滑坡為例,采用Geo-Studio軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊,研究其在不同庫水位降速下的地下水和穩(wěn)定性變化情況,為三峽庫區(qū)動水壓力型滑坡穩(wěn)定性分析、監(jiān)測預(yù)警和水庫調(diào)度提供重要指導(dǎo)意義。

1 樹坪滑坡

樹坪滑坡[8]位于三峽庫區(qū)長江南岸。滑體前緣高程約60 m,后緣高程約380～400 m,縱長約800 m,橫寬約700 m,厚度約30～70 m,體積約2 750×104m3。

圖1 樹坪滑坡平面圖Fig.1 Plane map of Shuping landslide1.第四系崩坡積物;2.第四系殘坡積物;3.三疊系中統(tǒng)巴東組地層;4.滑坡邊界;5.巖層產(chǎn)狀;6.基巖與第四系分界線;7.侏羅系地層;8.GPS監(jiān)測點(diǎn)及編號;9.裂縫及相對位移監(jiān)測;10.下降泉;11.監(jiān)測剖面及編號。

主滑區(qū)面積約35×104m2,總體積約1 575×104m3?；w物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土和碎塊石土,滑帶為堆積層與基巖接觸帶,物質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土,滑床為三疊系中統(tǒng)巴東組(T2b)紫紅色、灰綠色中厚層狀粉砂巖夾泥巖和淺灰、灰黃色中厚層狀灰?guī)r、泥灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀傾向135°～205°,傾角10°～35°,逆坡向?；鹿こ痰刭|(zhì)平面圖見圖1、剖面圖見圖2。

圖2 樹坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′剖面圖Fig.2 Ⅱ-Ⅱ′ profile of Shuping landslide1.第四系滑坡堆積體;2.三疊系中統(tǒng)巴東組;3.崩坡積碎石土;4.泥灰?guī)r;5.粉砂質(zhì)泥巖;6.巖層產(chǎn)狀;7.新增傾斜監(jiān)測鉆孔編號監(jiān)測點(diǎn)及編號。

2 計算理論與方法

2.1 滲流計算理論方程

將達(dá)西定律代入連續(xù)方程,假設(shè)水體不可壓縮,忽略土顆粒骨架的變形,并采用總水頭作為控制方程的應(yīng)變量,可得各向異性的二維 Richards 飽和非飽和滲流控制方程[9-10]。

式中:k(x,y)為不同滲透分區(qū)的滲透系數(shù);γw為水的容重;θw為體積含水量,對于飽和區(qū),體積含水量的變化量即為體應(yīng)變(Δεv)的變化量。

流體滲流場的初始條件通常是第一類邊界條件,即流場的水頭分布在t=0時滿足:

p(x,y,z)|t=0=fp(x,y,z)

它在開始時刻時對整個流場起支配作用,所以如果進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計算或試驗(yàn)時,必須先求得開始時刻穩(wěn)定流場的水頭分布作為已知初始條件,繼而進(jìn)行計算。

2.2 穩(wěn)定性計算方法

摩根斯坦—普萊斯法同時考慮應(yīng)用廣泛的力和力矩平衡。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算工況

不同的庫水位波動速率直接影響三峽庫區(qū)涉水滑坡體的穩(wěn)定性[11]。參考《三峽水庫水位日降幅對庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程影響的調(diào)查評價研究》,確定四種計算工況,見表1。

表1 計算工況Table 1 Calculation condition

3.2 計算模型

選取樹坪滑坡主滑區(qū)的Ⅱ-Ⅱ′剖面進(jìn)行建模分析,將模型剖分成8 548個單元,共計8 696個節(jié)點(diǎn),具體計算模型網(wǎng)格見圖3。

3.3 計算參數(shù)

3.3.1非飽和土滲透性參數(shù)

滑體和滑帶參數(shù)是通過現(xiàn)場試坑滲水實(shí)驗(yàn)及采樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析得到,見圖4和圖5;滑床參數(shù)是結(jié)合工程類比分析得到,見圖6。

圖3 樹坪滑坡計算模型網(wǎng)格圖Fig.3 Grid map of computing model of Shuping landslide

3.3.2力學(xué)參數(shù)

綜合分析地質(zhì)環(huán)境、物質(zhì)組成、水文條件以及物理實(shí)驗(yàn)和反演分析成果,并類比相似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),綜合確定滑坡巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)建議值,見表2。

3.4 計算結(jié)果

結(jié)合勘查資料,確定滑坡在三峽水庫水位159 m的地下水位線,并計算得到初始穩(wěn)定性系數(shù)為1.049,處于欠穩(wěn)定,如圖7。

圖4 滑體滲透性函數(shù)和土水特征曲線Fig.4 Penetration function curve of sliding body and soil water characteristic curve

圖5 滑帶滲透性函數(shù)和土水特征曲線Fig.5 Sliding belt penetration function curve and soil water characteristic curve

圖6 滑床滲透性函數(shù)和土水特征曲線Fig.6 Sliding bed penetration function curve and soil water characteristic curve

表2 滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)表Table 2 Table of mechanical parameters of landslide rock-soil body

位置天然飽和天然飽和容重γ/(kN·m-3)內(nèi)聚力c/kPa摩擦角φ/(°)內(nèi)聚力c/kPa摩擦角φ/(°)滲透系數(shù)/(m·d-1)滑體19.615.816.121.712.018.50.5滑帶19.715.913.518.7 11.6 15.4 0.005滑床26.025.83 380461.0×10-20

圖7 初始穩(wěn)定性系數(shù)Fig.7 Initial stability coefficient

根據(jù)初始條件,分別計算四種工況的水位線和穩(wěn)定系數(shù),見圖8-圖11。

3.5 結(jié)果分析

(1) 滑坡在工況一壩前水位以0.6 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.013;滑坡在工況二壩前水位以0.8 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩(wěn)定系數(shù)為1.004;滑坡在工況三壩前水位以1.0 m/d不變速率從159 m降至145 m情況下,滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.996;滑坡在工況四壩前水位以1.0 m/d降速從159 m降至155 m,以1.2 m/d降速從155 m降至149 m和以1.0 m/d降速從149 m降至145 m,滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.992。

(2) 滑體內(nèi)地下水位線均隨著庫水的下降而下降,滑體滲透系數(shù)為0.5 m/d,均小于庫水平均降速,地下水位線的下降滯后于庫水位的下降,地下水位線呈現(xiàn)明顯的上凸趨勢,在滑坡體內(nèi)外形成較高的水頭差,形成向滑體外的動水壓力作用。同時下降速率增大,地下水位上凸明顯。

圖8 工況一地下水位線及穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.8 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 1

圖9 工況二地下水位線及穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.9 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 2

圖10 工況三地下水位線及穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.10 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 3

圖11 工況四地下水位線及穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律Fig.11 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 4

(3) 滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)隨著庫水位的下降不斷減小。在水頭差作用影響下滑坡體內(nèi)形成較大的動水壓力,增大滑坡下滑力,對滑坡穩(wěn)定性不利。同時,不同庫水位降速對滑坡穩(wěn)定性影響也不相同,庫水位降速越大,水頭差越高,滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越小。

(4) 滑坡隨著庫水位的下降,穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢;隨著庫水位降速越快,穩(wěn)定性系數(shù)降速也越快,且穩(wěn)定性越小?；略趲焖灰?.8 m/d速率從159 m降至145 m的情況下,穩(wěn)定系數(shù)為1.004,滑坡處于欠穩(wěn)定,接近于臨界狀態(tài)。庫水位降速超過0.8 m/d,穩(wěn)定系數(shù)從1.004逐漸減小,滑坡由欠穩(wěn)定逐漸發(fā)展為不穩(wěn)定;庫水位降速低于0.8 m/d,穩(wěn)定系數(shù)從1.004逐漸增大,滑坡由欠穩(wěn)定逐漸發(fā)展為基本穩(wěn)定。因此,分析認(rèn)為,庫水位降速對樹坪滑坡影響十分明顯,樹坪滑坡的臨界庫水位降速為0.8 m/d。

4 結(jié)語

樹坪滑坡屬于典型的動水壓力型滑坡,原因主要在于滑體物質(zhì)中含有大量的粉質(zhì)粘土,呈弱透水性,滑體滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于庫水位降速,地下水來不及及時排出,滯后于水庫水位下降,滑坡受到了坡體內(nèi)地下水向外的滲透動水壓力作用,不利于滑坡的穩(wěn)定。