庫水位降落與降雨耦合作用下雞腦殼包滑坡變形分析

江俊杰，劉東澤，盧應發(fā)

（1. 湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北 武漢 430068； 2. 中冶武勘工程技術有限公司，湖北 武漢 430080）

0 引 言

自2003年三峽水庫開始周期性蓄水以來，由于庫區(qū)的地質條件被極大地改變，三峽庫區(qū)沿岸產(chǎn)生大量涉水滑坡［1］，這些滑坡一旦發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)，將對人民的生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅［2］。

由于滑坡變形是一個復雜、作用機理不明確的過程，因此諸多學者對滑坡的變形情況與穩(wěn)定性影響因素進行了研究，如唐軍峰等［3］利用SEEP/W 軟件對庫水位升降和降雨進行模擬，并計算不同條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，以此來研究不同庫水位波動速率及降雨強度作用下滑坡體的滲流特征和穩(wěn)定性變化規(guī)律；曾剛等［4］采用Geo-studio 軟件得到滑坡的安全系數(shù)變化規(guī)律。分析了在庫水位變動和最危險庫水位變動疊加降雨兩種工況下滑坡的穩(wěn)定性。謝林沖等［5］在滑坡的地表位移監(jiān)測數(shù)據(jù)、庫水位變動及降雨資料的基礎上分析了滑坡的時空演化過程，并通過耦合分析確定了庫水位下降和降雨是滑坡變形的關鍵因素。王樂等［6］根據(jù)非飽和滲流原理利用有限元軟件對不同降雨類型聯(lián)合庫水位驟降情況下的滑坡穩(wěn)定性進行分析。雷德鑫等［7］采用蒙特卡羅隨機抽樣法，分析了滑坡在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性，同時分析了滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)對滑體物理力學參數(shù)的敏感性。胡致遠等［8］通過建立滑坡多滑帶地質模型，來研究庫水位聯(lián)合降雨作用下滑坡的變形和穩(wěn)定性。張夏冉等［9］采用極限平衡的定量計算與破壞概率的定性分析，分析了不同庫水降速及不同降雨條件下的滑坡穩(wěn)定性。肖先煊等［10］通過建立滑坡的地質力學模型，來分析滑坡體在降雨及庫水位升降作用下滑體內(nèi)水壓力、土壓力的變化規(guī)律及穩(wěn)定性。

諸多研究表明庫水位波動和降雨是三峽庫區(qū)滑坡發(fā)生變形的主要誘因［11］。為分析庫水位降落聯(lián)合降雨耦合作用下的滑坡破壞機理，本研究以雞腦殼包滑坡為例，通過建立二維、三維庫水位聯(lián)合降雨的耦合數(shù)值分析模型，分析滑坡在不同環(huán)境下的變形演變規(guī)律，同時建立滑坡變形破壞的數(shù)值預測模型，預測最危險情況下雞腦殼包滑坡的變形特征，再采用Morgenstern-Prince 法計算不同庫水位降速率、不同降雨強度及降雨歷時組成的降雨過程對應的穩(wěn)定系數(shù)，為三峽庫區(qū)水位變化及降雨條件下沿岸滑坡的監(jiān)測防治提供參考。

1 數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

雞腦殼包滑坡位于巫山縣曲尺鄉(xiāng)柑園村，長江干流長江左岸，滑坡前緣涉水，距三峽大壩141.30 km，滑坡體處于巫山縣向斜南冀，附近無大的斷層，裂隙不發(fā)育。

雞腦殼包滑坡體長600 m，寬500 m，后緣高程355 m，滑坡前緣直抵長江河邊，剪出口位于135 m 處，在庫區(qū)蓄水水位以下，滑坡全貌如圖1所示。整個滑坡以下伏基巖為滑床，左右兩側分別以溝谷、沖溝為界，呈橫長形，滑坡中部和后緣稍陡，前緣較緩，平均坡度30°，坡向150°，后緣陡壁坡度35°，高10 m?；麦w厚50 m，滑體面積30 萬m2，體積1 500 萬m3。

圖1 雞腦殼包滑坡全貌Fig.1 General view of Jinaokebao landslide

雞腦殼包滑坡所處的巫山縣年降雨分布圖如圖2 所示，其中強降雨主要集中在4 月份至10 月份，其余月份降雨相對較少。

圖2 巫山縣年降雨量Fig.2 Annual rainfall in Wushan County

1.2 計算參數(shù)

根據(jù)雞腦殼包滑坡地勘資料確定計算相關參數(shù)，具體數(shù)值見表1，二維計算剖面的地質剖面圖如圖3所示。

表1 雞腦殼包滑坡數(shù)值計算參數(shù)取值表Tab.1 The value table of numerical calculation parameters of Jinaokebao landslide

圖3 滑坡剖面圖Fig.3 Landslide profile map

1.3 邊界條件

降雨和庫水位變化時滑坡滲流的邊界條件如圖4 所示，其中滑坡前緣庫水浸沒部分為水頭邊界。斜坡表面處降雨引起的入滲為流量邊界，當降雨強度大于巖土體入滲速度時，邊界流量值取巖土體入滲速度值，反之則取降雨強度值。模型底面和兩側為自由滲透邊界且基巖的滲透性較小，可視為不滲透邊界。

圖4 邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of boundary conditions

1.4 計算模型

通過地質剖面建立二維計算模型，利用GEO-SLOPE 有限元軟件對雞腦殼包滑坡主縱剖面進行四邊形單元網(wǎng)格剖分，節(jié)點數(shù)為8 130，單元數(shù)為8 035，網(wǎng)格圖如圖5所示。

圖5 二維計算網(wǎng)格模型圖Fig.5 2D computational grid model diagram

根據(jù)雞腦殼包滑坡的實際地貌特征建立思維三維數(shù)值計算模型，取值范圍為分別平行、垂直長江水流方向886、850 m，模型底面高程為0 m，滑體、滑帶、基巖均包含在計算域，該計算域剖分了36 864 個六面體單元，共計42 250 個節(jié)點，三維計算模型與網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 三維計算網(wǎng)格模型圖Fig.6 3D computational grid model diagram

1.5 工況設計

三峽工程全年水位調(diào)度圖如圖7 所示。其中6 月至9 月為汛期，此期間是強降雨的高發(fā)期，因此三峽庫區(qū)為滿足蓄洪要求，會將庫水位從162 m 快速下降至145 m。而在10月至次年5月為非汛期，在此期間內(nèi)降雨量相對較少，庫水位變成為緩慢消落方式，水庫水位從175 m緩慢下降至145 m。所以在計算中考慮快慢兩種消落方式。

圖7 三峽水庫運行水位曲線圖Fig.7 Chart of operating water level of Three Gorges Reservoir

由于汛期與非汛期的降雨強度并不一致，所以依據(jù)降雨資料，總結不同時期的20 年一遇與50 年一遇的區(qū)域降雨強度，如表2 所示。結合水位調(diào)動情況，在二維計算時設置7 種工況對滑坡的穩(wěn)定性進行分析，具體工況如表3所示，在三維分析時設置5種工況，具體工況分析如表4所示。

表2 雞腦殼包滑坡所在區(qū)域降雨強度 mm/dTab.2 Rainfall intensity in the area where Jinaokebao landslide is located

表3 二維計算工況Tab.3 2D calculation conditions

表4 三維計算工況Tab.4 3D calculation conditions

2 滑坡二維穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡穩(wěn)定性計算結果

二維計算采用Morgenstern-Prince 法計算雞腦殼包滑坡的穩(wěn)定性，其中靜水時的穩(wěn)定系數(shù)為1.091。按照“三峽庫區(qū)地質災害防治工程地質勘查技術要求”，當穩(wěn)定性系數(shù)f≥1.10 為“穩(wěn)定”，介于1.05≤f＜1.10之間為“基本穩(wěn)定”，介于1.00≤f＜1.05之間為“欠穩(wěn)定”，當穩(wěn)定性系數(shù)f＜1.00 時為“不穩(wěn)定”，所以庫水位靜止時滑坡基本穩(wěn)定。在庫水降落與不同強度降雨耦合情況下的滑坡穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖8所示。

2.2 二維穩(wěn)定性分析

由圖8 可知在僅有庫水位變化的情況下，不論快速下降還是緩慢下降，滑坡的穩(wěn)定性都會降低，但在高落差情況（175 m降至145 m）的穩(wěn)定性明顯要低于低落差情況（162 m 降至145 m），即在僅有水位調(diào)度時，供水期滑坡會更加危險。

在疊加不同強度降雨時，滑坡穩(wěn)定性會出現(xiàn)明顯的降低，由圖8（a）可知，在50年一遇降雨強度下的穩(wěn)定系數(shù)直接由無降雨的1.091 降至1.086，說明強降雨在滑坡體前期就作用明顯，結合圖8（b）可知，20年的降雨條件下滑坡前期也會明顯導致滑坡的穩(wěn)定性降低，但隨著時間的持續(xù)，開始與無降雨條件下的穩(wěn)定性開始接近，所以主要影響滑坡的穩(wěn)定性的因子是水位變化和強降雨。

根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)變化曲線可知工況3（庫水位從175 m水位緩降至145 m+50 年一遇暴雨）為雞腦殼包滑坡最危險工況，此時由于庫水位下降和降雨影響，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.032，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3 滑坡三維穩(wěn)定性分析

采用Abaqus對雞腦殼包滑坡在表4中確定的工況1～工況5的滑坡變形破壞過程進行模擬。

3.1 孔隙水壓力計算結果分析

當水庫蓄水至175 m 時，工況1 條件下孔隙水壓力計算結果如圖9（a）所示，此時庫水位直接影響滑坡涉水區(qū)域的孔隙水壓力。

圖9 雞腦殼包滑坡三維模型不同工況下孔隙水壓力計算結果分布圖（單位：kPa）Fig.9 Distribution diagram of pore water pressure calculation results under different working conditions of 3D model of Jinaokebao landslidte

在庫水位下降且沒有降雨影響時，工況2 和工況4 孔隙水壓力計算結果如圖9（b）、（d）所示，此時滑坡前緣地下水分布受庫水位變化直接影響，當庫水位下降時，滑坡前緣的地下水位相應下降，但由于滑坡前緣孔隙水壓力消散需要時間，因此存在滯后性。由于滑坡后緣離庫水位變化帶的距離相對較遠，所以滑坡后緣的孔隙水壓力基本未發(fā)生變化。

在庫水位下降且遭遇50 年一遇降雨影響時，工況3 與工況5 孔隙水壓力計算結果如圖9（c）、（e）所示，此時庫水位變化和降雨聯(lián)合作用直接影響滑坡前緣地下水分布，當庫水位下降時，地下水位也有滯后性下降。由于滑坡后緣離庫水位變化帶的距離相對較遠，所以滑坡后緣的孔隙水壓力主要受降雨影響，而滑坡后緣的孔隙水壓力受降雨影響時的變化對于滑坡整體而言并不大。

由圖9 可知，涉水庫岸的孔隙水壓力受庫水位下降的影響較大，降雨主要影響滑坡表層。

3.2 應力計算結果分析

水庫蓄水至175 m水位后，大部分區(qū)域拉、壓應力分布變化較小。工況1 應力分布云圖如圖10 所示，此時拉應力主要分布在滑體下部；滑體上部壓應力值較大，中部壓應力值較小。

在庫水位下降且沒有降雨影響時，結合應力最值統(tǒng)計表（表5）可知，工況2 和工況4 拉應力值減小，壓應力值的絕對值增大，當庫水位由175 m 緩降至145 m 時，拉應力最大值由938.3 kPa 減小為551.9 kPa，壓應力最大值的絕對值由1 459 kPa 增大為1 515 kPa。拉應力主要分布在滑體下部，滑體上部壓應力值較大，滑體中部壓應力值較小。當庫水位由162 m 水位驟降到145 m 時，拉應力主要分布在滑體下部，最大值為558.8 kPa；滑體上部壓應力值較大，其絕對值的最大值為1 516 kPa；滑體中部壓應力值較小。由于庫水位下降使?jié)B流場發(fā)生改變，通過滲流場與應力場的耦合作用，導致應力場的改變，這是應力場發(fā)生改變的重要原因。

在庫水位下降且遭遇50年一遇降雨影響時，結合應力最值統(tǒng)計表（表5）可知，工況3 和工況5 拉應力值有所增大，壓應力值的絕對值有所減小，當庫水位由175 m 緩降到145 m 且遭遇50 年一遇降雨影響時，拉應力最大值由551.9 kPa 增大到603.9 kPa，壓應力最大值的絕對值由1 515 kPa 減小到1 510 kPa。拉應力主要分布在滑體下部，滑體上部壓應力值較大，滑體中部壓應力值較小。當庫水位由162 m 突降到145 m 且遭遇50年一遇降雨影響時，拉應力最大值由558.8 kPa 增大到635.2 kPa，壓應力最大值的絕對值由1 516 kPa 減小到1 421 kPa，拉應力主要分布在滑體下部，滑體上部壓應力值較大，滑體中部壓應力值較小。在滲流場與應力場相互耦合作用下，庫水下降和降雨的共同作用引起滲流場的改變，是應力場發(fā)生變化的主要原因。

結合孔隙水壓力變化可知，水位變化與降雨作用導致滲流場變化，而滲流場與應力場相互影響，因此不同工況下應力場的改變主要是滲流場的變化。

3.3 位移計算結果分析

圖11 為工況1 條件下位移分布圖，此時滑體上部發(fā)生較大水平位移，滑體中下部水平位移相對較小。這是由于該滑坡為推移式滑坡，而推移式滑坡是從滑坡后緣發(fā)生變形而產(chǎn)生破壞。在滑體中部發(fā)生較大的向下垂直位移，滑體上部和下部向下垂直位移相對較小。這是由于滑體中部較為陡峭，使其在自重作用下產(chǎn)生較大的向下垂直位移，而上部和下部相對較為平緩，垂直位移相對較小。

匯總滑坡位移最大值得到表6，對比工況2～5 的水平位移，4 種工況下較大水平位移均發(fā)生在滑體上部，在庫水位下降且沒有降雨影響時，工況2和工況4的水平位移均大于工況1時的水平位移，這是由于庫水下降，滑體內(nèi)產(chǎn)生向外的滲透力，使滑體下滑力增大，導致滑體水平位移增大，但水位下降速率對水平位移影響不大。在庫水位下降且遭遇50年一遇降雨影響時，由于滑坡的滲透力進一步增大，滑動力也隨之增大，導致工況3和工況5 的水平位移大于工況2 和工況4，其中工況3 條件下滑坡的水平位移最大。

表6 滑坡位移最大值統(tǒng)計表Tab.6 Landslide displacement maximum statistical table

對比工況2～工況5 垂直位移，滑坡中部均發(fā)生較大的向下垂直位移，而滑坡上部和下部向下垂直位移相對較小。在庫水位下降且遭遇50 年一遇降雨影響時，垂直位移最為明顯，其中工況3 時垂直位移最大，這是由于庫水位下降導致滑體向下滑移，同時在自重和降雨作用下，使滑體產(chǎn)生的向下垂直位移增大。當庫水位下降且沒有降雨影響時，對比工況2 和工況4 的垂直位移場分布，此時工況2 滑體中部的垂直位移量為4.35～26.55 mm，滑體上部垂直位移相對較小，量值為0～19.81 mm，滑體下部垂直位移較小，量值為0～13.08 mm；而工況4 滑體中部的垂直位移量值為6.55～26.44 mm，滑體上部垂直位移相對較小，量值為0～19.73 mm，滑體下部垂直位移較小，量值為0～13.02 mm。結果表明水位下降速率對滑坡的垂直位移有影響。

4 數(shù)值預測模擬

由數(shù)值計算分析結果可知工況3（庫水位由175 m水位緩降到145 m 水位+50 年一遇降雨）為雞腦殼包滑坡最不利工況。提取滑坡主滑剖面上地表位移監(jiān)測點WS07-04、WS07-05 和WS07-06，如圖12 所示。在最不利工況（工況3）下各監(jiān)測點的位移變化如圖13所示。

圖13 監(jiān)測點WS07-04、WS07-05、WS07-06位移變化趨勢Fig.13 Change trend of displacement in monitoring points WS07-04， WS07-05 and WS07-06

根據(jù)監(jiān)測點位移變化趨勢可知工況3（庫水位由175 m水位緩降到145 m 水位+50 年一遇降雨）條件下，處于滑坡中后部的地表變形監(jiān)測點WS07-04 和WS07-05 的位移遠大于滑坡前部的地表變形監(jiān)測點WS07-06位移，說明滑坡的位移主要發(fā)生在中后部。

5 庫水位下降速率、降雨與滑坡穩(wěn)定性關系

5.1 庫水位下降速率與滑坡穩(wěn)定性關系

為進一步分析庫水位下降速率與滑坡穩(wěn)定性關系，取不同庫水位下降速率進行滑坡滲流計算，由于二維計算結果表明工況3（庫水位從175 m 水位緩降至145 m+50年一遇暴雨）時滑坡最危險，所以基于此條件下僅改變庫水位下降速率作為變量對滑坡進行分析，計算時以1.2m/d 為初始下降速率逐漸增加，每增加0.2 m/d 為一檔，采用Morgenstern-Prince 法計算滑坡在不同庫水降速下的穩(wěn)定系數(shù)，計算結果見表7。

表7 不同庫水降速下滑坡穩(wěn)定系數(shù)Tab.7 Stability coefficient of downhill slope of different reservoir water slowdowns

由表7可知，隨著庫水下降速率的增大，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，庫水下降速率從1.2 m/d 增加到4.2 m/d 時，穩(wěn)定系數(shù)從1.032降至0.997，處于失穩(wěn)狀態(tài)。

從圖14 可知，隨著庫水下降速率的增大，滑坡的穩(wěn)定性逐漸降低，主要是由于庫水位下降對滑坡產(chǎn)生滲流作用，滲流場受降速的影響很大，庫水位下降速率越大，滲透力也越大，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)越低。所以應加強滑坡地表位移的監(jiān)測，做好災前預報和準備工作，及時防治可以有效減少及避免滑坡的發(fā)生。

圖14 不同庫水降速下滑坡穩(wěn)定系數(shù)Fig.14 Stability coefficient of downhill slope of different reservoir water slowdowns

5.2 降雨與滑坡穩(wěn)定性關系

為了分析降雨與滑坡穩(wěn)定性關系，取100 年一遇暴雨和50年一遇暴雨對應的降雨強度和3 天、4 天、5 天的降雨歷時進行組合。采用Morgenstern-Prince 法，計算滑坡在不同降雨條件下的穩(wěn)定系數(shù)，計算結果見表8。

表8 不同降雨條件下滑坡穩(wěn)定系數(shù)Tab.8 Landslide stability coefficient under different rainfall conditions

由表8可知，隨著降雨時間和降雨強度的不斷增加，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)不斷減??；當降雨過程為重現(xiàn)期100 年、歷時3 天（降雨強度為78.315 mm/d）時，滑坡穩(wěn)定系數(shù)為0.975，處于失穩(wěn)狀態(tài)；當降雨過程為重現(xiàn)期50 年、歷時4 天（降雨強度為64.535 mm/d）時，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)降至0.968，處于失穩(wěn)狀態(tài)。

6 結 論

（1）根據(jù)二維穩(wěn)定性分析可知，主要影響滑坡的穩(wěn)定性的因子是水位變化和強降雨，其中庫水位從175 m 緩降至145 m且遭遇50 年一遇暴雨時，為雞腦殼包滑坡最危險工況，此時滑坡的穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.032，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）根據(jù)三維變形破壞分析可知，庫水位下降與強降雨造成滑體內(nèi)滲流場發(fā)生很大變化，使坡體內(nèi)的滲透力發(fā)生很大的改變，進而引起位移發(fā)生很大的變化；雞腦殼包滑坡在庫水位由175 m 水位緩降至145 m 水位并且疊加50年一遇降雨條件下位移最大。因此，工況3為雞腦殼包滑坡最不利工況，此時滑坡位移主要發(fā)生在滑坡中后部。

（3）庫水位下降速率與滑坡穩(wěn)定性關系的分析表明，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著庫水降速的增大而減小，當庫水下降速率為4.2 m/d 時，滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.997，此時滑坡處于失穩(wěn)狀態(tài)。降雨與滑坡穩(wěn)定性關系的分析表明，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著降雨強度和降雨時長的增大而減小。因此，庫水位下降速率越大、降雨強度越大、降雨時長越長，滑坡越容易失穩(wěn)。

（4）綜合以上分析，庫水位下降和降雨對雞腦殼包滑坡的穩(wěn)定性影響較大。鑒于滑坡巖土體物理力學參數(shù)在經(jīng)歷多次水庫水位波動和降雨過程會發(fā)生變化的現(xiàn)實，建議加強觀測，并根據(jù)觀測結果及時反演更新滑坡物理力學參數(shù)。以此為基礎，對滑坡在后續(xù)蓄水和降雨條件下的變形破壞過程進行及時預測分析，為該滑坡的監(jiān)測預警提供合理可靠的依據(jù)。