三峡库水升降条件下大石板滑坡变形及稳定性预测

2012-06-09王龙

长春工程学院学报（自然科学版） 2012年2期

王龙

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059）

0 引言

库水位变化是引起岸坡失稳的关键因素。库水作用下滑坡的变形及稳定性分析属于固—液两场耦合问题。一方面库水上抬引起滑坡体内地下水位抬升，地下水通过孔隙静、动水压力变化影响岩土体的应力状态，使得坡体的有效应力减小；另一方面坡体应力状态的改变又会通过滑体物质间的孔隙率与结构的变化来影响岩土体的水力特性，表现为岩土体抗剪强度降低，浮托力增大。这种相互作用构成了滑坡渗流场—应力场的耦合问题。而目前多数岩土力学研究前沿课题集中于岩土介质多场耦合问题。

本文采用根据显式有限差分开发的有限差分程序FLAC3D（快速拉格朗日分析法），在二维渗流分析成果的基础上，对三峡库区大石板滑坡进行三维数值模拟，分析评价了该滑坡稳定现状，研究了库水变动对滑坡变形的影响，并在此基础上总结和预测了库水运行过程中的稳定性变化趋势。

1 滑坡地质概况

大石板滑坡位于重庆市云阳县普安乡郎家村境内，坐落于磨刀溪右岸。大石板滑坡左侧、右侧均以冲沟为界，后缘以陡壁为界，前缘以堆积层与基岩为界；后缘边界及两侧边界较为清楚，该滑坡的滑面位于基岩面，见图1所示。滑坡体前缘高程125m，后缘高程285m，高差达到160m。滑坡体主滑方向335°，滑坡长约900m，宽约600m，土层平均厚度25m，滑坡面积为5.4×105m2，滑体总变形规模1.35×107m3，属二级大型土质滑坡。滑坡所在区斜坡坡度约7°24，剖面形态为凹形，走向330°，为一顺向斜坡，属低山丘陵剥蚀地貌。

图1 大石板滑坡全貌

滑坡覆盖层主要由第四系全新统坡残积层（Qdl＋el4）黏性土夹碎石土组成，浅表部有松散堆积物。下伏侏罗系中统（J2s）紫红色泥岩、砂岩互层，结构松散，软硬层相间，泥岩局部裂隙发育，有利于地表水的入渗和径流。地层结构可见图2。三峡库区蓄水计划中，库水位每年在145～175m间周期性波动，库水位的长期周期性波动必将引起地下水系统的长期周期性变化，这种每年人为工程活动导致的地质环境变化远远超过了过去10a、100a、1 000a自然地质作用所塑造的结果，必然打破地质环境的平衡。容易使原处于稳定或基本稳定的各种成因的深厚层堆积体（如崩滑堆积体、残坡积物、冲洪积物、人工堆积物等），受水库蓄水的影响，出现浅表部蠕滑变形或前缘局部滑移变形的现象，影响库区内崩滑体及库岸的稳定性。所以有必要运用渗流场与应力场耦合分析的方法对滑坡的变形与稳定性及二者相互间的联系进行研究。

图2 大石板滑坡地质剖面图

2 计算模型与分析

2.1 建模

建立模型采用FLAC3D（3.0）软件，分别对滑坡在库水运行到145m、156m、175m3个代表性水位时进行计算。建立模型时，滑床、滑坡体的形态及厚度均按照勘测的平面、剖面图确定。滑坡区计算范围：前缘取至磨刀溪右岸高程100m，后缘取至后缘基岩高程450m，大石板滑坡左侧、右侧均以冲沟为界，后缘以陡壁为界，前缘以堆积层与基岩分界为界，模型长（顺磨刀溪方向）1 300m，宽（垂直磨刀溪方向）1 200m，模型底部取至高程0m。坐标系选取如下：X轴垂直指向坡外，Y轴指向长江下游，Z轴竖直向上，如图3所示。模型计算边界均采用单向约束，即顺江方向的两条边界为Y方向约束，横江方向的两条边界为X方向约束，底边界为Z方向约束。材料破坏准则采用摩尔—库伦破坏准则。

图3 大石板滑坡计算三维模型中心剖面

2.2 参数取值

整个模型概化为两类岩土体区域，即滑床、滑坡，依据岩土体物理力学试验，结合不同岩土体经验参数综合取值，见表1所示。

表1 模型参数取值

2.3 数值模型成果分析

库水对滑坡稳定性的影响主要取决于滑坡地下水综合作用，包括库水升降时产生的渗透力、滑坡体饱水造成的悬浮减重和滑面长期浸泡导致的力学强度弱化。特别是在库水位陡降时，由于岩土体排水不畅，岸坡中的地下水形成了滞后的渗透力，使得坡体的下滑力急剧增加，促使滑坡产生，其变形破坏具有突发性。本项研究在二维渗流分析的基础上，建立不同蓄水阶段时地水位模型，通过弱化力学强度参数（较天然条件时折减10%～20%）的方法，选用FLAC3D的渗流—力学耦合分析模块可预测评价库水升降作用下的滑坡应力应变及稳定性状况。

2.3.1 孔隙水压力分布

根据二维渗流分析得出的地下水位线建立了大石板滑坡在库水运行至145m、156m和175m时的三维地下水渗流模型。坡体孔隙水压力分布如图4所示表面剖视。

图4 坡体孔隙水压力分布图

2.3.2 应力特征分析

大石板滑坡应力随深度分布情况与一般坡体竖向应力分布相同，从坡表至深度方向逐渐增加。将各水位条件下最大主应力和最小主应力数据范围列于表2中。

表2 不同水位条件下滑坡应力汇总

这里需要指出的是，在天然情况下进行模拟计算的目的，不仅是为了计算天然情况下的初始应力场及滑坡稳定性，更重要的是为了检验所建立的计算模型、参数取值是否合理，以便准确地预测评价蓄水条件下的应力应变和滑坡稳定性。

从表2我们可以看到，滑坡竖向应力天然条件下为0.38MPa，库水降至145m时，滑坡后缘拉应力达到1.3MPa，库水升至156m时，滑坡中部拉应力达到0.55MPa，库水升至175m时，滑坡中部拉应力降至0.35MPa。

滑坡最大主应力值亦具有从坡面逐渐向坡内增加的特点，天然条件下最大主应力为0.66MPa，且随着库水下降至145m，滑坡堆积体内最大主应力增加至1.54MPa，库水升至156m，相比天然工况下该数值降为0.93MPa，而当库水升至175m时，该数值降为0.87MPa，但均比天然条件大，分析是由于应力分布受基覆面形态影响，尤其是滑面形态陡缓过度变化的部位出现了一定程度的应力集中，最大应力集中部位位于滑坡前缘平台下部（大致为坡肩下部）的滑带内。

滑坡堆积体内最小主应力分布与最大主应力相似，可以看到库水降至145m时，滑体内最小主应力的最大值为0.6MPa，升至156m时，最小主应力为0.50MPa，升至175m 时，该值则为0.41MPa。而天然条件下大石板滑坡内最小主应力出现异常，滑坡浅表部最大主应力与周边斜坡相比较要小，分析是由于滑坡变形导致应力释放而形成。

2.3.3 变形特征分析

FLAC3D软件在计算时既采用离散元动态分析法又可对非规则区域的连续问题进行求解的特点使计算滑坡的滑动变形变得非常方便。由此计算得出大石板滑坡在各蓄水阶段的位移情况。参考图5所示（截取145m和175m水位），位移状况详见表3。

图5 145m、175m水位下位移分布

表3 不同水位条件下滑坡变形情况汇总

可以看出在天然条件下，最大合位移在0.2m左右，x方向（滑动方向）最大位移0.078m左右，库水降至145m时，最大合位移增至0.54m，x方向最大位移增至0.53m，库水升至156m时，最大合位移为0.53m，x方向最大位移为0.52m，库水升至175m时，最大合位移为0.11m，x方向最大位移为0.10m。最大变形处均位于滑坡前缘左侧，高程200m附近范围。