库水位升降与降雨条件下滑坡的渗流及稳定性分析

朱 朋，卢书强，薛聪聪，游明亮

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002；2.三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北宜昌 443002；3.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；4.江苏地质基桩工程公司,江苏镇江 212001；5.中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队,杭州 310022)

库水位升降与降雨条件下滑坡的渗流及稳定性分析

朱 朋1，2，4，卢书强1，2，3，薛聪聪1，2，游明亮5

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心,湖北宜昌 443002；2.三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北宜昌 443002；3.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；4.江苏地质基桩工程公司,江苏镇江 212001；5.中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队,杭州 310022)

地下水对库岸边坡的稳定性影响重大,以库区某滑坡为例,通过对滑坡的变形特征和专业监测数据分析,结合三峡库区库水位调度方案及降雨条件,依据非饱和土渗流理论和极限平衡理论,运用有限元分析软件Geo-Studio,对该滑坡设置了8种工况,分析其在145～175 m库水位波动及降雨条件下的渗流及稳定性。计算结果表明:滑坡体内地下水位随库水位升降而升降,降雨对滑体后部地下水位有一定影响；滑坡稳定性在库水位上升时减小,且上升速率越大,稳定性系数越小；库水位下降,稳定性系数先减小后增大；降雨条件下,稳定性系数有所减小。所得结果可为库岸边坡的稳定性分析提供一定参考。

滑坡；库水位升降；降雨；渗流；地下水位；稳定性

2015,32(11):87-92

1 研究背景

影响库岸边坡稳定性的因素是多方面的,除了边坡岩土体性质和岩体结构等主导因素外,外界触发因素最普遍是水的作用,主要表现为坡前水位变动和降雨,通过对边坡岩土体抗剪强度和应力状态的改变影响边坡稳定性[1]。三峡库区历来是滑坡多发地区,且大都与水的作用有关。如1982年云阳鸡扒子滑坡[2]、1985年秭归新滩滑坡[3]均是由持续降雨引起；2003年秭归千将坪滑坡[4]则是在大坝首次蓄水后发生。大量统计资料及研究资料[5-8]表明,地下水是影响库岸边坡稳定性的主要因素,因此合理地确定地下水位尤为重要,前人在这方面做了大量工作。如国内外许多学者[8-12]采用解析方法进行地下水位的研究,但此种方法对边界条件的简化与实际不符。目前,数值模拟方法[13-16]逐渐被应用到很多工程中并得到认可。

笔者在前人研究基础上,以三峡库区某滑坡为例,基于非饱和土渗流理论[17]和极限平衡理论,采用有限元分析软件Geo-Studio中的seep/w和slope/w模块,对其进行渗流及稳定性分析。通过不同库水位升降速率及极端降雨条件下滑坡的数值模拟及失稳分析,为库区滑坡的稳定性评价及预测提供一定的理论依据。

2 地质概况

本文研究滑坡位于长江右岸,地属秭归县沙镇溪镇,距三峡大坝坝址56 km。滑坡平面上总体形态呈“漏斗”状,漏斗出口位于滑坡后缘北端,东侧边界大乐沟大体近南北向,西侧边界基本沿鹅卵石沟延伸,前缘直抵长江,主滑方向20°。滑坡体后缘高程约520 m,剪出口高程约135 m,纵长约1 500 m,均宽约1 200 m,滑体平均厚度约50 m,体积约9×107m3。坡度20°～25°,前缘变缓上扬。滑坡工程地质平面图见图1。

滑坡位于亚热带季风气候区,雨量丰沛,四季分明。多年平均降雨量约1 028.6 mm,年最大降雨量1 430.6 mm,日最大降雨量358 mm,降雨多集中在5—9月份,以暴雨为主,年降雨天数120～140 d。

根据钻孔勘察资料,滑体主要由2部分组成:表层为松散堆积层；下层为扰动破坏的层状石英砂岩岩体。表层土主要包括冲洪积亚黏土及含泥砾石层、残坡积亚黏土以及崩坡积块石；下层为滑坡主体,为原香溪组中段石英砂岩和含砾石英砂岩。滑体中、后部为顺层滑动。滑带由软弱的粉砂质泥岩构成,滑体前部滑带为黑色轻粉质黏土夹少量块石。滑面形态前缘切层部分为弧形,后缘基本为直线状。滑床主要由香溪组中、下统地层组成,顺层滑动部分,滑床由香溪组炭质粉砂岩为主,切层部分由石英砂岩、含砾石英砂岩构成。剖面上滑床上部与岩层面一致,呈直线,倾角21°～25°,下部滑床顶面变缓。滑床岩层倾角为27°,倾向25°。

图1 滑坡工程地质平面图Fig.1 Geological plane of the landslide

3 滑坡变形分析

3.1 宏观变形特征

三峡库区蓄水以来,该滑坡虽然一直在持续变形,但在2007年5月份以前,地表未发现明显的变形迹象；2007年6月后,滑坡中前部出现1～2 m3的小规模坍塌,在滑坡东西两侧边界的公路边坡处也出现坍塌,东侧边界路基开裂下沉,中前部坡面局部坍塌。2008年12月,滑坡前缘左侧老公路路基开裂下沉,裂缝长约80 m,宽20 cm,下座10 cm,分割块体约2× 104m3。从2009—2013年每年10月之后,滑坡两侧边界和公路交界部位都会不同程度地产生变形破坏。

3.2 GPS监测数据分析

滑坡自2006年实施专业监测,目前坡体上共布设12个GPS监测点,构成3纵4横的监测剖面线,各监测点布置见图1。根据该滑坡2006年以来的GPS监测数据与同期的降雨量、三峡水库库水位观测资料绘制了监测点累计位移、降雨量与库水位的关系见图2。从图2可以看出,各监测点累积位移均随着时间的推移不断增加,变形具有同步性,累积曲线呈不同程度的上扬趋势。最大累积变形位于滑坡东侧后部边界处的ZG291监测点,主要受东侧边界冲沟的影响较大所致,其他监测点变形量差别不大。

通过对图2进行相关性分析可知,2007年2—6月,三峡水库水位由156 m下降至145 m,滑坡前缘淹没只有11 m；退水后,由于滑体块裂岩体空隙大,滑坡地下水及时排出滑体,疏干滑带地下水,有利于滑坡的稳定。如图2中2006年10月—2007年6月和2007年10月—2008年9月时段滑坡的缓慢变形。同时在2007年4—6月持续降雨达722.29 mm,是所有监测时间内降雨时间持续时间最长,强度最大的,降雨易入渗,饱和了滑带土和部分滑体土,导致滑坡在2007年5—8月整体加速变形。

图2 滑坡累积位移、库水位、月降雨量与时间的关系图Fig.2 Accumulative displacement，monthly rainfall，and reservoir water level vs.time

由图2可看出,三峡大坝自2008年9月开始175 m试验性蓄水,之后每年10月到次年3月,滑坡各监测点累积位移曲线都呈小幅度上扬,即各监测点位移速率增大。而在每年的4—9月,各监测点累积位移曲线相对趋于平缓。其变形较明显时段刚好与库水位上涨及水库高水位运行时段相吻合。据此分析,库水位上涨及高水位浸泡对滑坡的影响要大于库水位下降的影响。这主要受滑坡的基本特征及物质组成控制,库水位上涨,滑坡前缘浸没于水中的抗滑段由于受浮力作用,抗滑力减小；同时高水位浸泡导致滑体及滑带力学性质变差,多种因素促使滑坡变形加速。而降雨虽然容易入渗,但2008年后每年6—8月即汛期的降雨量相对较小,对滑坡变形的影响并不显著。降雨量较大年份则对滑坡变形有一定影响。

4 基本理论

4.1 渗流理论

库水位变化和降雨入渗引起滑坡体内地下水位不断变化,同时也导致滑坡土体在饱和与非饱和状态之间不断转化,属于饱和-非饱和渗流问题。最初达西定律是从饱和土得来,它同样也适用于非饱和土渗流,区别是非饱和条件下渗透系数k不再是常数,而是随含水量变化而变化。因此非饱和土渗流控制方程[17-18]可由达西定律推导得出,即

式中:H为总水头；kx,ky为x,y方向的渗透系数；Q为施加的边界流量；mw为水的重度；ρw为水的密度；g为重力加速度；t为时间。

非饱和土渗流问题的边界条件有多种形式,大体可分为给定水头边界条件和给定流量边界条件。文中分析采用给定水头边界。

4.2 稳定性分析理论

本文稳定性计算采用的极限平衡理论,遵循Mohr-Coulomb强度准则,将边坡岩土体视为刚体,不考虑其本身的应力-应变关系,根据具体的滑面和位置对滑体进行条分。通过各个块体的平衡条件建立整个边坡的平衡方程,以此为基础进行边坡的稳定性分析。

5 滑坡渗流及稳定性分析

5.1 模型建立

根据滑坡的工程地质特征,选取Ⅱ-Ⅱ剖面作为计算剖面(图3(a)),滑动面选择层状石英砂岩和炭质粉砂岩的最软弱层面煤系地层。模型范围为0＜x＜1 500 m,0＜y＜550 m,对其进行有限元划分,单元数5 283个,节点数5 160个(图3(b))。

图3 计算剖面及滑坡剖面划分模型Fig.3 Geological profile and mesh model of the landslide

滑坡的岩土体物理力学参数根据试验和工程地质类比等综合确定,选取的参数见表1。5.2 计算工况

表1 滑坡物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the landslide

三峡库区蓄水后,正常运行下水位在145～175 m之间变动,根据历年观测数据,坝前水位上升≤2 m/d,下降≤1 m/d。降雨考虑其最大一次持续降雨特征值。结合三峡水库实际调度方案及滑坡体的工程地质特征,确定以下几种工况,见表2。

表2 滑坡计算工况Table 2 Working conditions for landslide stability

5.3 渗流计算结果及分析

对表2中的工况进行计算,其地下水位线结果如图4所示。

由图4可知,库水位上升时,坡体内地下水位也随之上升,且升速2 m/d较1 m/d地下水位高；库水位下降时,坡体内的地下水位相应降低,且降速1 m/d较0.6 m/d地下水位低,主要是由于滑体物质为碎裂块石,水可以快速渗入排出。两者均是前缘变化明显,因为当库水位升降速率较快时,远离岸坡的地下水位不能及时响应这种变化,岸坡附近的地下水会形成较大的水力坡度,产生了这种情况。

图4 不同工况下地下水位线Fig.4 Surfaces of groundwater level under different working conditions

降雨对滑坡体内水位有一定抬升,且在滑体后部比较明显,因为降雨入渗率高,会相应抬高滑坡地下水位,而滑坡前缘主要受库水影响。

5.4 稳定性分析

库水位升降过程中稳定性系数的变化如图5所示。

图5 不同工况下稳定性系数与库水位关系Fig.5 Relation between stability coefficient and reservoir water level under different working conditions

在库水位上升过程中,滑坡稳定性系数减小,并且上升速率越大,滑坡稳定性系数越小,因为地下水的快速入渗增加滑坡体的含水率,降低土体的抗剪强度,导致滑坡失稳破坏。在库水位下降工况下,稳定性系数先减小后增大,主要原因是库水位刚开始下降时,水很快排出坡体,滑坡的浮托力减小,滑坡的稳定性变小；随着库水位的逐渐下降,影响滑体及滑带的地下水减少,滑坡的稳定性逐渐增大。因此库水位上升对滑坡稳定更为不利。

当库水位升降联合降雨时,滑坡稳定性系数较库水位单独作用时均有所减小,降雨入渗将会饱和部分滑体及滑带土,使滑坡体的重度增加,滑体的有效应力降低,同时软化部分滑体和滑带物质,使滑坡体的抗剪强度减小,阻滑力减小,这些作用均不利于滑坡的稳定。

6 结 论

(1)水库水位变化会导致库岸边坡发生变形破坏。根据饱和-非饱和渗流理论和极限平衡理论,采用有限元分析软件,预测库区某滑坡在库水位变动及降雨条件下的渗流及稳定性。

(2)数值模拟结果显示,滑坡体内地下水位随库水位波动而变化。叠加降雨时,滑坡体后部地下水位小幅度抬升,前缘变动不明显。滑坡稳定性的主要影响因素是库水抬升,库水上升时,稳定性系数较小,速率越大,稳定性系数越小,滑坡失稳的可能性越大。库水下降则对滑坡的稳定性产生有利影响。在持续降雨强度下,雨水不能及时径流而渗入坡体也会对滑坡的稳定性产生不利影响。

(3)滑坡在库水上升及强降雨条件下处于不稳定状态,可能发生滑动。在上述情况下,应加强对滑坡的监测,并及时采取防灾措施,尽量避免和减轻灾害损失。

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(编辑:姜小兰)

Seepage Flow and Stability Analysis of A Landslide under the Conditions of Water Level Fluctuation of Reservoir and Rainfall

ZHU Peng1,2,4,LU Shu-qiang1,2,3,XUE Cong-cong1,2,YOU Ming-liang5
(1.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area of Hubei Province, Yichang 443002,China；2.National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River,China Three Gorges University,Yichang 443002,China；3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China；4.Jiangsu Geological Foundation Piles Engineering Company,Zhenjiang 212001,China；5.Zhejiang Team of Geological Survey Center of China Building Materials Industry,Hangzhou 310022,China)

Groundwater played a significant role in the stability of reservoir slopes.A landslide in reservoir area was taken as an example through analyzing its deformation characteristics and professional monitoring data.By the regulated scheme of Three Gorges Reservoir and rainfall conditions,based on theories of unsaturated seepage and limit equilibrium,eight working conditions were set for seepage and stability analysis of the landslide.Under conditions of water level fluctuation from 175 meters to 145 meters and rainfall,the analysis adopted Geo-Studio software based on finite element method.Results show that the reservoir water level changes exactly in accordance with the groundwater level,and rainfall has some effect on water level of the landslide's back.Slope safety factor decreases with the rise of water level or the increase of rising rate.Moreover,slope safety factor firstly decreases and then increases with the drop of water level.Finally,slope safety factor decreases a little under the conditions of rainfall.

landslide；water level fluctuation of reservoir；rainfall；seepage flow；groundwater level；stability

P642

A

1001-5485(2015)11-0087-06

10.11988/ckyyb.20141038

2014-12-15；

2015-01-16

湖北省自然科学基金项目(2014CFB677)；湖北省教育厅科学技术研究项目(D20121304)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目(SKLGP2012K032)

朱 朋(1989-),男,安徽阜阳人,硕士研究生,主要从事地质工程与岩土工程方面的研究,(电话)15871557830(电子信箱)zzhsp9058@163.com。

卢书强(1973-),男,河南洛阳人,副教授,博士,主要从事岩土体稳定及地质灾害防治方面的教学与研究工作,(电话)15971627761 (电子信箱)Lsq2197@163.com。