三峽庫區(qū)某古滑坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

王浩宇 于永強

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.昆山市水利設(shè)計院有限公司 昆山 215300)

三峽庫區(qū)內(nèi)存在古滑坡數(shù)量達(dá)到4 000多處，由于受庫水位漲落和降雨的影響，部分古滑坡存在復(fù)活滑動的風(fēng)險[1]，如千將坪滑坡[2]、安樂寺滑坡[3-4]等。諸多學(xué)者采用不同的理論和方法對庫區(qū)古滑坡進(jìn)行了研究和分析。

采用數(shù)值模擬方法，胡致遠(yuǎn)等[5]發(fā)現(xiàn)受庫水波動影響，藕塘古滑坡主要發(fā)生淺層滑坡，而其深層滑坡主要是受降雨長期作用的影響；基于工程地質(zhì)力學(xué)和地貌學(xué)的理論，代貞偉等[6]研究了庫區(qū)古滑坡滑動變形的主控因素和變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)古滑坡具有分區(qū)破壞的特點；周云濤等[7]提出超孔隙水壓力是誘發(fā)古滑坡復(fù)活的重要因素，進(jìn)而提出了考慮超孔隙水壓力的大型古滑坡安全系數(shù)計算公式。

上述研究已對庫區(qū)古滑坡的穩(wěn)定性研究做了許多工作，但對古滑坡產(chǎn)生深層和淺層2種滑動的分析仍然較少。本文以三峽庫區(qū)某古滑坡為研究對象，采用數(shù)值模擬手段研究此古滑坡可能產(chǎn)生深層和淺層滑動的多種工況，進(jìn)一步分析其穩(wěn)定性。

1 滑坡概況及計算剖面選取

所研究古滑坡位于三峽庫區(qū)，其滑坡體上覆較厚土層。在三峽水庫蓄水之后，受到庫水位升降及降雨作用的影響，此古滑坡出現(xiàn)再次復(fù)活的跡象。該滑坡主要由H1、H2 2個滑坡體組成，其中H1滑坡上有一較大村鎮(zhèn)為曲尺場鎮(zhèn)，有大量居民居住，因而分析其滑坡的穩(wěn)定性顯得尤為重要，進(jìn)而H1滑坡為此古滑坡防治和監(jiān)測的重點對象。

H1滑坡平面見圖1，沙灣溜滑體和果園場滑坡2個次級滑體位于H1滑坡前緣。

圖1 滑坡H1滑坡平面圖

取H1滑坡的III號剖面作為本文數(shù)值模擬的研究對象，其剖面圖見圖2。

圖2 滑坡III號剖面

由圖2可見，H1滑坡坡面后緩前陡，后緣較緩部位坐落有曲池場鎮(zhèn)，且該部分暫時未見顯著變形，前緣較陡部位為果園場滑坡，正處于相對較緩慢變形狀態(tài)。通過現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)可得，H1滑坡體主要由粉質(zhì)黏土組成，其內(nèi)夾砂巖碎裂巖體和碎塊石?？煞譃?層：最下層為碎裂巖，前部較薄，其厚度為1.0～7.1 m，其中后部的厚度可達(dá)15～58 m；中間層與最上層分別為碎塊石土及粉質(zhì)黏土夾碎塊石，其厚度為3.4～15.2 m，厚度從前緣往后緣呈減小趨勢。碎裂巖之下為T3xj砂巖，為該滑坡的滑床基巖。該滑坡存在深層和淺層2個滑帶：深層滑帶位于基巖與碎裂巖的交界面(見圖2中①)，淺層滑帶是果園場滑坡的滑動面，其位于碎裂巖與碎塊石土交界面(見圖2中②)，2個滑帶形狀均為后陡前緩，且H1老滑坡剪出口與果園場滑坡重合。三峽水庫庫水位的波動范圍為175～145 m，庫水位變動帶正好包含了H1滑坡剪出口所在位置，圖2中虛線為滑體內(nèi)的勘測地下水位，其對應(yīng)的庫水位為168.7 m。

如圖2所示，共有4個監(jiān)測點設(shè)置于剖面III上，其中平面位移較大的21號監(jiān)測點設(shè)置于滑坡前緣靠近剪出口位置；43號監(jiān)測點位于民房附近，22號監(jiān)測點位于抗滑樁之上?，F(xiàn)場調(diào)查顯示：民房內(nèi)出現(xiàn)多處開裂，且在43號監(jiān)測點后方地面發(fā)現(xiàn)斷續(xù)裂縫，推測其為果園場滑坡后緣。位于曲尺場鎮(zhèn)后方的23號監(jiān)測點基本沒有發(fā)生位移。

2 滑坡穩(wěn)定性計算

基于上述H1滑坡III號剖面的典型代表性，通過軟件Geo-slope的slope/w模塊對其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究滑坡的穩(wěn)定性。首先根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和實測地形進(jìn)行建模，然后賦予相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)于各地層。參數(shù)取值見表1。

表1 Geo-slope模型計算參數(shù)

模型中庫水位取2009年10月15日所測高程168.7 m，地下水位取實測值?？紤]庫水位變化在坡腳消落帶的水壓力作用。

在一般工況條件下，采用Geo-slope軟件的M-P法對該剖面進(jìn)行滑動面自動搜索，結(jié)果見圖3，該圖為軟件計算自動搜索得出的3種安全系數(shù)小于1.2的滑動工況：其中圖3a)的安全系數(shù)為1.074，其為最危險潛在滑動面，滑動面后緣位于淺層滑帶附近，滑動面剪出口位于基巖與滑體的界面位置，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。此狀況下，滑動面與勘測資料中果園場滑坡的數(shù)據(jù)及形態(tài)基本吻合。圖3b)顯示的滑坡的安全系數(shù)為1.124，同樣處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。沿圖3c)中搜索的潛在滑動面滑動時，滑坡的安全系數(shù)為1.198，地下水位面附近為此滑動面剪出口，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 Geo-slope自動搜索滑動面情況

人工指定滑動面位置的情況見圖4，該滑面沿著碎塊石土與碎裂巖的交界面。其中圖4a)計算所得的邊坡安全系數(shù)為1.103，對應(yīng)的是坡體完全沿淺層滑帶下滑時的情況；圖4b)計算所得邊坡的安全系數(shù)為1.057，顯然坡體處于更不利的狀態(tài)。此結(jié)果說明在人工指定滑面后，自后緣張裂面開始可自動搜索出最危險的潛在滑動面。

圖4 人工指定滑動面情況

綜上所述，可知碎裂巖與碎塊石土的交界面為H1滑坡的最危險潛在滑動面，其為淺層滑帶，同時也是果園場滑坡的滑動面。由于該滑面安全系數(shù)為1.057，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡可能沿此滑面發(fā)生滑動，因而應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施，并加強對滑坡位移的監(jiān)測。除此之外，當(dāng)該滑面安全系數(shù)為1.198時(圖3b))，雖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但鑒于曲尺場鎮(zhèn)位于此時滑坡的后緣位置，直接影響該鎮(zhèn)居民的財產(chǎn)及生命安全，故也應(yīng)實施相應(yīng)的監(jiān)測措施。

3 滑坡FLAC3D數(shù)值模擬分析

該滑坡的整體變形情況采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析研究，其模型見圖5。根據(jù)地下水位、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與實際地形建立III號剖面邊坡模型，賦予各地層相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)取值見表2。模型底面沿Z方向約束位移，兩側(cè)面沿Y方向約束位移，后緣沿X方向約束位移，為模型前緣水位以下部分所受庫水壓力，在此部分施加水平方向應(yīng)力邊界條件。

圖5 FLAC3D數(shù)值模型

表2 FLAC3D模型計算參數(shù)

設(shè)置最大不平衡力比后，采用solve命令對模型進(jìn)行計算，較短時間內(nèi)即收斂，說明該邊坡并未滑動，仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。為獲得邊坡的安全系數(shù)，采用強度折減法對其進(jìn)行計算，得到此邊坡的安全系數(shù)為1.15，因而其略微高于Geo-slope求解的最小安全系數(shù)值，但其穩(wěn)定性相對較低。

滑坡體內(nèi)的剪應(yīng)變增量見圖6(邊坡穩(wěn)定工況時的計算結(jié)果)，該圖顯示坡體內(nèi)存在2條剪應(yīng)變變形帶。其中深層和中部滑帶與深層變形帶前緣位置一致，后緣位置與Geo-slope中搜索得到的深層滑動帶后緣位置基本一致；淺層變形帶正好處于淺層滑帶位置，且后緣剪應(yīng)變相較于前緣稍小。以上均說明此邊坡可能正沿著深層和淺層2個滑動帶發(fā)生變形。

圖6 剪應(yīng)變增量云圖

為研究邊坡發(fā)生滑動時的變形特征，采用強度折減法將模型材料的強度參數(shù)進(jìn)行連續(xù)折減，直到邊坡失穩(wěn)，發(fā)生滑動。邊坡失穩(wěn)時的總位移見圖7。由圖7可見，邊坡的前緣位置發(fā)生了主要的變形特征，位移較大；粉質(zhì)黏土與碎塊石土內(nèi)發(fā)生了位移的突變部分。說明該滑坡為牽引式破壞，滑動主要發(fā)生于果園場滑坡坡體之內(nèi)，此坡體位于滑坡前緣的碎塊石土層之中。除此之外，曲尺場鎮(zhèn)前緣部分處于滑坡變形影響范圍之內(nèi)，滑坡發(fā)生滑動時，曲尺場鎮(zhèn)前端可能發(fā)生一定的變形。

圖7 總位移云圖

圖8為滑坡變形時的水平向位移，其趨勢與總位移云圖大致相同，坡體的水平位移于滑坡前緣的表層部分最大，水平向位移的變化規(guī)律和分布與監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，向坡體前緣呈遞增趨勢。

圖8 X方向位移云圖

圖9、圖10為滑坡變形時的Z方向(豎直向)位移及Z方向位移突變部位示意圖，其位移主要集中于滑坡中部陡緩交接部位與中前部坡體凸起部位，見圖10中圓圈所示?；轮胁控Q直位移集中部位正好位于民房下方，由此可以解釋此處房屋出現(xiàn)多處的開裂及地基下沉等現(xiàn)象。監(jiān)測資料顯示JC22的豎直位移略大于JC43，而JC22的水平位移略小于JC43，這與數(shù)值分析所得現(xiàn)象有所出入，猜測可能的原因為其受抗滑樁的影響作用(監(jiān)測點JC22處于抗滑樁之上)。

圖9 Z方向位移云圖

圖10 Z方向位移突變部位示意圖

邊坡產(chǎn)生明顯位移時的剪應(yīng)變率見圖11。當(dāng)坡體產(chǎn)生較大位移時，淺層滑動帶位置主要集中呈現(xiàn)有剪應(yīng)變區(qū)。隨著滑坡體淺層滑帶發(fā)展一直延伸至果園場滑坡的后緣，為坡體的主要塑性區(qū)，而其發(fā)生貫通后，邊坡即達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)。

圖11 剪應(yīng)變率云圖

綜上所述，滑坡存在深層和淺層2個滑動帶，滑坡的變形、破壞都將沿著這2個滑帶發(fā)生。當(dāng)變形不斷發(fā)展，或滑坡體強度發(fā)生損傷劣化后，該滑坡的塑性區(qū)將首先沿著淺層滑帶發(fā)展并最終貫通失穩(wěn)?；禄瑒訒r總位移與橫向位移均為前緣較大并向后緣逐漸遞減，而垂直位移則主要集中于滑坡中部陡緩交接部位及中前部坡體凸起部位。

4 結(jié)語

本文通過Geo-slope軟件自動計算指定滑動面，并采用M-P算法進(jìn)行安全系數(shù)的計算；結(jié)合FLAC3D軟件，采用強度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性計算，根據(jù)兩者計算結(jié)果相互對比，驗證了計算結(jié)果的可靠性。根據(jù)2009年10月份庫水位168.7 m，以及H1邊坡實測地下水位，在不疊加降雨條件下，對此滑坡III號剖面進(jìn)行變形數(shù)值模擬和穩(wěn)定性計算研究，所得結(jié)論如下。

1) H1邊坡的最小安全系數(shù)為1.057，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。最危險潛在滑面與淺層滑帶位置一致，其剪出口位于滑體與基巖接觸面，后緣位于碎塊石土與碎裂巖界面附近，與實際觀測到的宏觀斷續(xù)裂縫位置接近。

2) 除最危險滑面外，另一條較危險滑面也值得注意，該滑面位于碎裂巖層內(nèi)，其剪出口位于地下水位面附近，而后緣延伸至曲尺場鎮(zhèn)的前緣部分，若邊坡沿此滑面下滑會影響到曲尺場鎮(zhèn)的安全。邊坡此時處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，其對應(yīng)的安全系數(shù)為1.198。

3) 滑坡體內(nèi)存在2條剪應(yīng)變變形帶，其位置分別位于淺層滑帶與深層滑帶附近，與搜索得到的最危險潛在滑面及后緣伸入曲尺場鎮(zhèn)的潛在滑面位置大致重合。邊坡的變形極有可能正沿著這2個滑動帶發(fā)生。

4) 通過對強度參數(shù)進(jìn)行折減，使滑坡發(fā)生滑動，發(fā)現(xiàn)滑坡的水平位移于滑體前部最大，向后緣逐漸減??；而豎向位移的最大值主要集中在滑坡的前部凸起部位與中部陡緩交接部位，而滑坡中部豎向位移集中部位正好位于民房下方，由此可以解釋此處房屋出現(xiàn)的多處開裂及地基下沉等現(xiàn)象。

5) 由于曲尺場鎮(zhèn)前緣部位處于深部變形帶附近，且當(dāng)滑坡沿淺層滑面發(fā)生滑動時，該區(qū)域也位于變形影響區(qū)范圍內(nèi)。所以在果園場淺層滑坡發(fā)生滑動后，曲尺場鎮(zhèn)的前緣部分有可能會出現(xiàn)較大變形甚至失穩(wěn)。

6) 監(jiān)測建議。對果園場滑坡的變形進(jìn)行重點監(jiān)測，尤其是該滑坡前緣部位的水平位移及居民住宅附近的豎向位移；監(jiān)測措施和工作主要應(yīng)該針對于滑坡后緣斷續(xù)裂縫的發(fā)展情況；加強對曲尺場鎮(zhèn)前緣部分的變形監(jiān)測，若該區(qū)域出現(xiàn)位移突變，應(yīng)及時采取預(yù)警措施；建議開展至少1個剖面(3個孔)的深部變形監(jiān)測。