三峡库区黄莲树滑坡启动变形监测分析

宋桂林 肖诗荣 明成涛 陈德乾

（1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；2.四川省地质矿产勘查开发局 四0五地质队，四川 都江堰 611830）

黄莲树滑坡前缘于2012年5月31日发生大规模变形破坏，顺坡向下滑动距离8～9m，滑动区横宽200～420m，纵长120m，平均厚度约10m，变形区面积6.67万 m2，体积约66.7万 m3.滑坡体较大规模变形主要发生在变形区中部，形成一个宽为190m、纵长260m的筲箕状次级滑体，次级滑体后缘出现约12m陡壁，滑体内部出现拉裂缝、鼓包等现象.滑坡二级平台（海拔高程200m）整体下座1～2m，两侧出现大量近南北向裂缝，裂缝宽10～20cm，裂缝内可见地下水.截至6月2日，次级滑体内仍在持续变形.

1 滑坡基本特征

黄莲树滑坡位于奉节县安坪乡长江右岸.斜坡为顺向坡，地形上陡下缓，属中低山地貌.滑坡前缘紧临长江，前缘高程95m，后缘高程314m，左右侧边界均为冲沟，滑坡体地形坡度约20～28°，与岩层产状基本一致.滑坡主轴向长度约600m，宽约550～700m，面积约37.7万m2，滑坡平均厚约20m，滑体体积约754万m3，滑坡的主滑方向350°，整体看来黄莲树滑坡为一顺层岩质滑坡（如图1所示）.

图1 黄莲树滑坡工程地质平面图

组成斜坡的基岩为侏罗系下统珍珠冲组（J1z）砂岩、泥岩，泥岩呈灰色，岩芯较为破碎，裂隙发育，多呈碎块状.滑体物质由第四系滑坡堆积（Qdel）碎石土及强风化的泥岩、砂岩组成.滑带物质为基岩强弱风化层之间的软层即粉质粘土夹碎石，层厚约0.7～1.2 m不等，呈可塑～软塑状，碎石粒径一般0.5～2cm（如图2所示）.

图2 黄莲树滑坡1－1′地质剖面图

2 滑坡变形监测

2.1 滑坡变形概况

黄莲树滑坡从2003年11月开始进行专业监测，自监测实施至2007年5月期间该滑坡比较稳定，滑坡体一直处于缓慢蠕变阶段，各监测点每月变形量均十分微小，平均水平变形速率约8.95mm／月，平均竖直变形速率约2.15mm／月.宏观监测人工巡查未发现坡面有明显变形迹象，滑坡处于基本稳定状态.

自2007年5月以来，该滑坡部分区域变形量持续增加，5月24日滑坡中后部发现长约80m，最大缝宽约0.5m的贯通裂缝，坡体上出现多处长10～20 m，宽0.3～0.5m的平行裂缝，裂缝整体走向垂直于滑坡主滑方向，局部地段沉降变形最大约1m（如图3所示），局部处不稳定状态.2009年5月坡体前缘及中部出现明显新的裂缝和跨塌，滑坡变形明显加剧.2012年5月28日14时至29日13时，黄莲树滑坡区域出现强降雨，在降雨影响下，5月31号在滑坡前缘发生大规模滑动，如图4所示.

图3 黄莲树滑坡变形裂缝及沉降

图4 黄莲树滑坡变形区域概况

2.2 监测成果分析

根据该滑坡的地形、地质条件、变形特征与观测通视条件，确定该滑坡的监测内容以地表位移监测为主［1］.本次地表位移监测起自2005年3月，至2012年5月结束，由专业人员一月一次定期监测，每年雨季和暴雨前后相应加密监测.根据12个监测点位移-时间曲线可以看出其中以FJ4、FJ5、FJ8、FJ9和FJ12号监测点变形最为严重，其累计水平位移和沉降量分别达到8900、3500、1450、1040、1020mm 和6400、2200、430、190、800mm，且这5个监测点的变形监测曲线具有相似性，故以变形量最大的FJ4号监测点曲线为例（如图5所示）.

图5 FJ4＃监测点位移曲线

从滑坡变形的位移-时间曲线来看，黄莲树滑坡的变形发展破坏可大致分为5个阶段：

第1阶段（2007年5月24日～8月1日）启动阶段，滑坡发生明显变形.滑坡地表出现多条裂缝且呈继续增大趋势.5月24日暴雨后滑坡中后部出现长约80m，最大缝宽约0.5m的贯通裂缝，坡体上出现多处长10～20m，宽0.3～0.5m的平行裂缝.在此期间，库水位由2007年2月1日的155.4m缓慢降至7月7日的143.9m，直至9月24日库水位基本维持在145.0m.滑坡启动变形发生之前恰逢三峡水库第一次试行156m蓄水，水位上涨对于黄莲树这类岩土渗透性较差的基岩滑坡产生了浮托作用，且高水位的浸泡使得部分滑体达到饱和状态、滑带抗剪强度降低［2］，进而诱发滑坡产生了明显的变形迹象.

第2阶段（2007年8月1日～2009年5月1日）缓慢变形阶段，监测点位移波动不大，滑坡经人工巡查未发现明显变形迹象.

第3阶段（2009年5月1日～2009年7月1日）突变阶段，滑坡发生明显变形.2009年5、6月部分监测点平均水平变形速率达26.46mm／d（最大值达48.33mm／d），沉降变形速率达8.10mm／d（最大值达43.33mm／d）.该变形明显区域位于滑坡左前缘.在此期间，库水位由2008年11月的172.5m缓慢降至2009年6月20日的145.2m，直至9月13日库水位基本维持在145.0m.该阶段滑坡的突变与启动阶段的变形原理类似，水库进行了第一次试验性172m蓄水后滑坡变形量明显增大.

第4阶段（2009年7月1日～2012年5月30日）缓慢变形阶段，滑坡人工巡查未发现明显变形迹象.

第5阶段（2012年5月31日～6月2日）变形破坏阶段，由所采集的监测数据和加密监测数据来看，滑坡部分监测点存在持续变形，累积位移量持续增加.5月28日14时至29日13时，黄莲树滑坡区域23h降雨量达88mm.在降雨影响下，5月31日在滑坡前缘发生大规模滑动.

表1 黄莲树滑坡阶段变形统计表

3 滑坡变形启动原因及数值模拟

3.1 滑坡变形启动原因

从黄莲树滑坡地质剖面不难看出，在天然水位99m时滑坡前缘部分滑体、滑带已经淹没在水下，黄莲树滑坡在三峡水库蓄水前并未发现明显变形迹象.三峡水库蓄水至135m水位后，从监测曲线可看出滑坡变形速率仅有微小变化，对滑坡整体稳定未构成直接影响，然而从该阶段蓄水来看库水位变动对滑坡稳定性影响已初见端倪.2006年9月中旬至10月末，三峡水库库水位自135m抬升至156m，在此期间以及之后的3个月间滑坡均未发生明显的变形破坏.而在库水位从156m向145m下降过程中滑坡出现明显变形（如上所述第一阶段）.该过程说明了水库泄洪期滑坡体内的地下水渗流所带来的动水压力是黄莲树滑坡启动变形的根本原因.

3.2 数值模拟

利用ABAQUS数值模拟软件模拟库水位由156m到145m的下降过程对滑坡的变形影响，考虑饱和-非饱和渗流场与应力场耦合理论效应［3-4］，验证滑坡启动阶段的变形机理.

3.2.1 计算模型及参数选取

根据黄莲树滑坡的野外地质勘察和钻孔资料，选取FJ03～06监测点所在剖面为计算剖面（如图6所示），以便验证滑坡变形过程.计算模型尺寸为：X方向上最大长度为895m，模型后缘Y方向上最大高程为375m，前缘Y方向上35m.

图6 黄莲树滑坡主剖面模型

计算的本构模型为理想弹塑性，采用Mohr－Coulomb塑性屈服准则，不考虑剪胀性.根据地质勘察资料以及与前人研究结果的比对［5］，确定计算模型滑体、滑带、滑床材料力学参数见表2.

表2 黄莲树滑坡模型计算参数表

3.2.2 计算荷载及工况

在进行流固耦合计算之前，需对模型设置边界约束条件及荷载（包括自重、库水压力），计算域边界约束条件分为如下两部分：1）位移边界条件：底部边界水平、垂直方向均无位移，左右两侧水平方向无位移；2）渗流初始边界条件：采用空间分布函数10×（y1-y）（y1为库水位高程，y为结点的纵坐标），对结点施加孔压，并设置初始孔隙比和饱和度均为1.0.

表3 黄莲树滑坡计算模拟工况

3.2.3 结果分析

采用弹塑性有限元强度折减法对模型进行饱和-非饱和流固耦合计算，其计算结果如下.

1）位移场.图7（a）给出了库水位在99m水位初始状态下滑坡整体的合位移.由图可看出，最大位移发生在滑坡的中上部，该部位地形较陡，但位移值仅约为0.016m.随着库水位不断变化，由图7（b）～（d）可看出滑坡位移不断增大，位移最大部位仍位于滑坡中后部，这与滑坡中后部产生的拉裂缝相互印证.

图7 合位移等值线图（单位：m）

2）应力场.由图8可看出随着库水位的上升，在滑坡剪出口附近及滑坡后缘出现了应力集中区域，这为滑带中塑性区的产生提供了依据，并且应力场和塑性区的发展趋势符合监测资料所得的滑坡变形情况.

图8 最大主应力等值线图（单位：kPa）

3）地下水位线.由图9可看出滑坡对库水位变动反应敏感，滑体中地下水位线随库水位变动明显，说明库水位变动对滑坡变形有着重大影响.

图9 地下水位线变化图

4）塑性区.由图10可看出，在蓄水初期由于滑带受库水淹没，在滑坡中前部形成了塑性区，滑坡开始发生蠕滑变形，并牵引滑体使滑坡后缘形成塑性张拉裂缝，此变形验证了滑坡在2007年5月前的蠕滑变形特征和滑带受库水浸泡软化的结论；随着库水继续上升，塑性区向滑坡中后部逐渐发展，滑带被淹没部分逐步增加，滑体的抗滑力不断减小；在库水位由156m向145m下降过程中，塑性区已延伸至滑坡中后部（图7（c）），加之2007年5～6月滑坡区频繁降雨，滑坡最终发生了明显变形（第一阶段），这一计算结果和地质上的认识和判断是较符合的，也验证了滑坡启动变形的机理.

图10 黄莲树滑坡不同时刻滑坡体内塑性区分布图

4 滑坡变形影响因素

众所周知，水库引起的滑坡包括蓄水初期水位上升引起的滑坡和水位骤降引起的滑坡［6］.黄莲树滑坡产生的原因包括以下两个方面：

1）根据对滑坡变形特征的分析，滑坡变形部位集中在滑坡中前部，为库水位淹没段.滑坡变形启动和加剧阶段恰好发生在库水位首次上涨到一个新的高度后的首次下降阶段（156m→145m和175m→145 m），库水位的大幅抬升对滑坡前缘滑体产生浮托作用，滑坡中前缘滑带土经过第一次饱水浸泡后的力学参数明显下降［7-8］，使得整体抗滑力减小；加之滑体饱水后容重增大，相应的增大了滑坡下滑力，进而促使滑坡产生了明显变形.

2）滑坡变形阶段恰逢三峡库区迎来雨季［9］，雨水冲刷改变了原有坡体结构，对滑坡稳定产生不利影响；加之库水位下降产生的退水作用使滑坡表面产生大量拉裂缝，雨水沿裂缝深入滑体内，在滑体内部产生渗流力，使滑体内部水压力增大.综合分析认为，库水高水位浸泡、库水位下降及大气降雨为促使滑坡变形的主要因素［10-12］.

5 结 论

通过对三峡库区黄莲树滑坡常年的地表位移监测获得了大量的监测数据，为黄莲树滑坡稳定性分析评价提供了依据，对预测黄莲树滑坡的变形破坏提供了很大帮助［13-14］.监测结果表明：

1）黄莲树滑坡出现明显变形始于2007年5月～8月，此时段正处于三峡水库库水位第一次上升到156m后的降水阶段，说明黄莲树滑坡变形主要受高水位浸泡及退水作用的影响.

2）滑坡变形的主要原因在于高水位的浸泡使得滑带土力学参数降低以及库水位下降和大气降水给坡体带来的动水压力.

3）黄莲树滑坡的监测对于该滑坡发生于2012年5月31日的大规模变形破坏起到了重要的预警作用，使得坡体上百姓的生命财产安全免受损害.

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