增大库水位日降幅联合降雨条件下张家祠堂滑坡稳定性分析

王 鹏，殷坤龙，孟颂颂

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

增大库水位日降幅联合降雨条件下张家祠堂滑坡稳定性分析

王 鹏，殷坤龙，孟颂颂

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)

库水位下降对滑坡的稳定性变化有重要影响。以张家祠堂滑坡为例，利用Geo-studio软件的Seep/W模块和Slope/W模块分别对滑坡渗流场和稳定性进行数值模拟计算，分析降雨和不同库水位下降速率对该滑坡稳定性的影响规律，并结合滑坡变形的调查情况和数值模拟计算结果对该滑坡进行稳定性预测与评价。结果表明:张家祠堂滑坡为降雨型滑坡，相对于降雨，增大库水位日降幅对滑坡稳定性影响非常有限;预测在非汛期增大库水位日降幅条件下，滑坡整体基本稳定;滑坡在中前部虽有变形，但滑坡整体并未形成连续贯通的软弱面，因此该滑坡目前为基本稳定;滑坡在最危险工况(库水位日降幅1．2 m/d+降雨)下的稳定性系数为1．154，滑坡处于基本稳定状态。

张家祠堂滑坡;稳定性评价;数值模拟;库水位日降幅;降雨

根据国内外已建水库的库岸滑坡资料，水库蓄水后的前几年是库区老滑坡复活和新生滑坡产生的主要时期。自2003年三峡水库蓄水以来，在库水位升降和降雨的影响下，滑坡变形呈现波动性的特点，为解决三峡水库运行调度存在的瓶颈问题，三峡集团总公司正在组织论证滑坡在非汛期增大库水位下降速率的可行性。

近些年学者们针对三峡库区库水位和降雨联合作用下滑坡稳定性已开展了大量的研究工作。如Hu等［1］利用GeoStudio数值模拟软件对巴东黄土坡Ⅱ#临江堆积体在库水位升降作用下的稳定性进行了分析，结果表明库水位的升降对滑坡稳定性系数有一定的影响;宋琨等［2］对不同渗透性滑坡在库水变动下的稳定性响应规律进行研究，并以三峡水库库区黄荆树滑坡实例为计算模型，分析了库水位以不同降速变化时在4种不同渗透性滑坡的渗流场特征，结果表明滑坡稳定性与库水下降速度和滑坡体渗透系数关系密切;胡修文等［3］通过物理模型试验对三峡库区赵树岭滑坡在水位骤降下的动水压力进行了模拟，得出库水位下降时动水压力将极大影响滑坡稳定性的结论。此外，也有研究认为降雨和库水对库岸滑坡稳定性的影响是一个多因素耦合的过程，如雨水、库水与滑坡岩土体相互作用的效应问题［4］、降雨引起坡面径流与坡体渗流的耦合问题［5］、渗流场与应力场的耦合问题［6］等。基于上述研究，本文以张家祠堂滑坡为研究对象，利用室内试验、野外大型剪切试验和工程类比方法，结合工程地质调查的滑坡稳定性状态、变形特征综合确定滑坡岩土体的力学参数，并对其力学模型进行优化，最后进行滑坡稳定性评价，以提高评价结果的可信度。

1 张家祠堂滑坡基本特征

1．1 滑坡工程地质概况

张家祠堂滑坡位于重庆市万州区新乡镇合作村3组，紧邻新乡镇，位于长江右岸，坐标X为3373205、Y为36524191，经度为108°15'7″、纬度为30°28'41″。滑坡地形整体较为平缓，坡度为10°～15°，斜坡倾向为250°，滑坡背靠陡崖、左临山脊、右抵冲沟、前至长江。滑坡平面形态呈圈椅状，横长为520 m，纵长为520 m，面积约27．04×104m2，属大型堆积层滑坡。滑坡左边界以山脊和冲沟为界(见图1)，高程190 m以下以冲沟为界，高程190～230 m以山脊为界，左边界走向约245°，长220 m、宽10 m左右;滑坡后缘以砂岩陡壁为界，后缘有一平台，陡崖高约30 m，出露厚层砂岩，节理较发育，局部有新鲜崩落迹象。

图1 张家祠堂滑坡平面图Fig．1 Layout of Zhangjiacitang landslide

滑坡区所处方斗山背斜北西翼，区内呈单斜构造，主要发育构造裂隙、卸荷裂隙和层面裂隙，未见大断裂等构造现象。该滑坡为堆积层滑坡，上覆堆积体为紫褐色第四系粉质黏土夹碎块石，块碎石含量约占20%，土体厚度约25 m，滑坡后中部右侧可见很多大块砂岩石块，直径2～10 m，推测由后缘陡崖崩落堆积而成;滑动面为上覆堆积体与下伏基岩的接触面［7］;下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组(J2s)的紫红色泥岩夹砂岩，在滑坡区后缘陡壁处可见基岩出露，岩层产状为238°∠9°，见图2。

图2 张家祠堂滑坡1-1'工程地质剖面图Fig．2 Geological profile of Zhangjiacitang landslide

1．2 滑坡变形特征及分析

工程地质调查中发现张家祠堂滑坡中前部变形较强烈，表现为房屋及地坪拉裂变形、下错，形成数组张拉裂缝，基本上垂直滑体滑移方向展布，裂缝延伸长约3～10 m，宽10～40 mm，局部地段下错20～50 mm，其前部水田有漏水现象;中后部变形稍弱，表现为房屋及地坪拉裂变形，形成数组张拉裂缝，基本上垂直滑体滑移方向展布，裂缝延伸长约2～4 m，宽10～30 mm。该滑坡为古滑坡，整体基本稳定，近几年滑坡前部开始出现变形破坏，土体出现拉裂变形现象，导致地面及民房出现拉裂缝。近两年来，由于受降雨以及库区水位变化的影响，滑坡的变形逐渐加剧，尤其是175 m退水期间变形尤为强烈，形成众多的张拉裂缝。

张家祠堂滑坡体中后部和前缘都存在一定的变形，但变形形式和变形原因有所差别。滑坡中部以滑移变形为主，降雨是诱发滑坡中部变形的主要原因，变形范围为局部变形;滑坡后缘部位以拉张变形为主，降雨是诱发滑坡后缘变形的主要原因，变形范围为局部变形;滑坡前缘以滑塌变形为主，库水位浸泡和侧向冲刷以及库水位下降期间地下水动水压力的增加是诱发滑坡前缘变形的主要原因，变形范围为局部变形［8］。

2 张家祠堂滑坡稳定性数值模拟计算

2．1 计算方法

极限平衡法和数值分析法是滑坡稳定性分析的主要方法。本文先利用Geo-studio软件的Seep/W模块和Slope/W模块分别对滑坡渗流场和稳定性进行数值模拟计算，再将计算模型导入到运用传递系数法所编写的C语言程序中，计算得到滑坡稳定性系数，最后将两种方法得到的滑坡稳定性系数进行对比，分析增大库水位的日降幅对张家祠堂滑坡稳定性的影响。Slope/W模块使用的是Morgenstern-Price［9］方法。C语言程序所采用的是传递系数法，即将滑坡体进行条分，并考虑地下水的影响进行编程计算，该方法的计算示意图见图3，其计算公式为

式中:Fs为滑坡稳定性系数;ψj为第i块段的剩余下滑力传递至i+1块段时的传递系数(j=i);Ri(Rn)为第i(n)计算条块滑体抗滑力(kN/m);Ti(Tn)为第i(n)计算条块滑体下滑力(kN/m)。

图3 滑坡稳定性计算示意图Fig．3 Sketch map of stability calculation

2．2 计算模型及参数的选取

本文选取平行于滑坡主滑方向的地质剖面1-1'剖面作为计算剖面(见图4)，模型后缘高程为250 m，前缘剪出口高程为130 m，对该滑坡的坡体地质模型进行网格剖分。

图4 张家祠堂滑坡计算剖面Fig．4 Calculation section of Zhangjiacitang landslide

模型边界条件为:滑坡体前缘的水头边界根据库水位确定;坡体表面为降雨入渗边界;基岩面为隔水零流量边界［10］。

鉴于滑坡变形对滑体抗剪强度参数极为敏感，且滑坡失稳主要取决于滑体抗剪强度参数，因此滑体抗剪强度参数的选取非常重要。本文结合工程地质调查的滑坡稳定性状态、变形特征进行滑体抗剪强度参数反演，最后根据室内试验、野外大剪试验和工程类比法来综合确定抗剪强度参数［11］。张家祠堂滑坡在库水位变动联合降雨的影响下已经出现了变形，具备反演条件，由室内试验、工程类比以及参数反演综合得到张家祠堂滑坡滑体抗剪强度参数初选值，见表1。

表1 滑坡滑体抗剪强度参数值Table 1 Value of the shear strength of the landslide

在采用Geo-Studio软件中的Seep/W模块进行滑坡渗流场模拟时，需要提供滑体渗透系数(K)和饱和体积含水量这两个很重要的水力学参数。根据单环渗水试验［12］和工程类比法，确定的张家祠堂滑坡滑体渗透系数K为3．47×10－5cm/s，饱和体积含水率为0．35 m3/m3。

2．3 计算工况设置

三峡库区库水位的下降速率对库区内库岸滑坡的稳定性有着极其重要的作用，库水位调度按照图5所示进行:T1为蓄水期，T2为高水位期，T3为退水期(非汛期)，T4为汛期。张家祠堂滑坡所在地属亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充足，据万州气象站统计，平均气温约18℃，平均降雨量为1181．20 mm，最大降雨量为1 635．20 mm。本文对张家祠堂滑坡在非汛期(图5中T3阶段)增加库水位下降速率(期望值为0．8～1．2 m/d)条件下的稳定性进行评价，并分析论证在非汛期增加库水位下降速率的可行性。

图5 库水位调度及时段划分示意图Fig．5 Schematic diagram of reservoir water level scheduling and period division

本文主要模拟计算175 m、159 m、145 m特征水位滑坡稳定性系数、库水位175～159 m工况下(见表2)滑坡稳定性变化、库水位159～145 m不同下降速率工况下(见表3)滑坡稳定性变化。本次模拟主要考虑非汛期(T3)库水位159～145 m联合降雨对滑坡的稳定性影响，但是为了保证库水位在159 m左右时的地下水渗流场的准确性，故从175 m高水位开始进行地下水渗流模拟。因此，该模拟计算分成两段:①175～159 m，进行库水位+降雨的渗流模拟及稳定性计算;②159～145 m，地下水渗流场继承①的渗流结果，再以表3工况进行渗流模拟及稳定性的计算。

表2 库水位175～159 m滑坡稳定性计算工况与荷载组合Table 2 Working condition and load combinations for the landslide stability calculation under water level 175～159 m

表3 库水位159～145 m滑坡稳定性计算工况与荷载组合Table 3 Working condition and load combinations for the landslide stability calculation under water level 159～145 m

降雨强度按照暴雨强度重现期为50年一遇标准考虑。根据万州区1960—2013年54年降雨量统计和降雨强度重现期分析，两段模拟所对应库水位时间段连续3天50年一遇降雨强度值分别为102 mm、280 mm左右，按照3天平均分配，每天降雨强度值分别为34．2 mm/d、93．33 mm/d，为降雨入渗计算提供初始条件。滑坡稳定性计算时降雨添加时间为库水位在155～152 m区间内变动所对应的时间。

2．4 地下水渗流场模拟

本文以库水位从159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m工况为例，通过Seep模块对滑坡在该工况下的地下水渗流场进行模拟，其初始地下水位线继承工况1-1(见表2)的渗流模拟结果，得到库水位从159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m期间滑坡地下水浸润线变化特征，见图6。

图6 库水位从159 m以1．2 m/d的降幅降至145 m期间滑坡地下水浸润线的变化特征Fig．6 Change features of the landslide seepage line when the reservoir water level drops from 159 m to 145 m at the rate of 1．2 m/d

从地下水浸润线的形态特征(见图6)来看，在库水位下降过程中滑坡地下水浸润线在坡面一定范围内出现“顺流”现象，浸润线呈“凸”形，这说明坡体内的地下水向坡外排泄需要一定的时间，与库水位下降相比存在“滞后性”［13-14］。

2．5 滑坡稳定性计算与分析

本文将滑坡各工况下的地下水渗流场模拟结果耦合到Slope模块中进行滑坡的稳定性计算，得到张家祠堂滑坡不同工况下滑坡稳定性系数的变化曲线，见图7。

图7 张家祠堂滑坡不同工况下稳定性系数的变化曲线Fig．7 Variation curves of the stability coefficient of Zhangjiacitang landslide under different conditions

此外，模拟得到不同工况条件下各特征水位时滑坡的稳定性系数和较危险组合工况条件下滑坡的稳定性系数最小值，见表4和表5。

表4 不同工况条件下各特征水位时滑坡的稳定性系数Table 4 Stability coefficient of the landslide at the characteristics water level in different conditions

表5 危险组合工况条件下滑坡的稳定性系数最小值Table 5 Minimum value of the stability coefficient under the dangerous combination condition

由表4和表5可见，滑坡稳定性系数随着库水位下降而下降，受降雨影响较明显，属降雨型滑坡［11］。

此外，由传递系数法所编程序计算得到的最危险组合工况1-1+2-2在库水位下降速率为1．2 m/d时的滑坡稳定性系数最小值为1．153(见图8)，与Geo-Slope的计算结果(1．154)基本一致。

图8 传递系数法计算界面Fig．8 Results interface of the transfer coefficient method

分析上述模拟计算结果，可以看出:

(1)库水位下降和降雨对滑坡的稳定性都会产生不利的影响，并且降雨较增大库水位下降速率对滑坡的稳定性影响更明显。由表4和表5可知，库水位从159 m降至145 m，不加降雨时(工况2-1)滑坡稳定性系数减小了0．057～0．058，加降雨时(工况2-2)滑坡稳定性系数减小了0．082～0．083;单独考虑工况2-1或2-2时，增大库水位下降速率，滑坡稳定性系数只减小了0．001。

(2)滑坡的稳定性系数随着库水位下降不断减小，分析认为有以下几个原因:①库水位下降过程中，地下水补给库水存在“滞后”效应，滑体内部形成了较大的水力梯度，使得坡体中产生指向坡外的动水压力，不利于滑坡的稳定;②滑坡前缘受库水静水压力的作用，地下水位下降，静水压力减小，不利于滑坡的稳定。

(3)降雨对滑坡体稳定性的影响主要体现在三个方面:①降雨入渗增大了坡体的饱和度，使坡体重度增加，因而不利于滑坡的稳定;②降雨入渗到滑带对滑带土产生浸泡软化的作用，使滑带土的抗剪强度参数减小，因而不利于滑坡的稳定;③降雨产生的地表水入渗导致滑坡体表层土体非饱和区孔隙水压力瞬时升高，达到暂态饱和区，产生瞬态的附加水压力，使得滑坡体内形成较高的孔隙水压力和静水压力，增加了滑坡表层土体的下滑力，对滑坡的稳定不利。

2．6 滑坡稳定性综合评价

本文结合野外对滑坡变形的现场调查及模拟计算结果对张家祠堂滑坡稳定性做出综合评价。

经过现场调查，滑坡前缘地形较平缓、堆积体较薄，张家祠堂滑坡前缘、中部及后缘局部部位虽存在变形迹象，但主要为降雨引起的局部浅表层的变形，且变形范围有限，滑体中并未形成连续贯通的软弱面，因此该滑坡目前为基本稳定。

通过计算，在增大库水位日降幅并联合降雨的情况下，通过模拟计算得到滑坡的最小稳定性系数为1．154，滑坡处于基本稳定状态。

滑坡受降雨和库水位下降影响明显(稳定性系数为1．237～1．154)，但对滑坡整体稳定性影响较小。增大库水位日降幅对滑坡稳定性影响很小，降雨对滑坡稳定性有一定的影响，但影响有限，预测在非汛期增大库水位日降幅条件下，滑坡整体为基本稳定［16］。

3 结 论

(1)张家祠堂滑坡目前处于整体基本稳定状态。滑坡体中前部变形较强烈、中后部变形稍弱，表现为房屋变形、地表拉裂缝，但是滑坡体前缘没有发现大规模变形的现象，滑坡中后部没有发现延伸较长的裂缝，也没有发现整体滑动的迹象，滑坡整体以蠕滑变形模式为主。

(2)采用Morgenstern-Price法与传递系数法计算得到的稳定性系数分别为1．154、1．153，两者基本一致，滑坡基本稳定。

(3)张家祠堂滑坡稳定性受降雨影响较明显，属降雨型滑坡。在库水位由159 m降至145 m的过程中，不加降雨工况下，滑坡稳定性系数从1．237降至1．179，而在降雨工况下，滑坡稳定性系数从1．237降至1．154。对比降雨和不加降雨两种工况，在其中某一种情况下增大库水位日降幅(0．6 m/d→1．2 m/d)，发现滑坡稳定性系数只减小了0．001，变化幅度很小;然而在相同的库水位降速条件下，加降雨和不加降雨，滑坡稳定性系数减小了0．025。

(4)从模拟结果可以看出，相对于降雨，增大库水位日降幅对滑坡稳定性影响非常小。预测在非汛期增大库水位日降幅条件下，滑坡整体基本稳定，满足非汛期增大库水位下降速率至1．2 m/d的要求。

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Stability Analysis of Zhangjiacitang Landslide under Increased Daily Drawdown Rate of the Reservoir Level and Rainfall

WANG Peng，YIN Kunlong，MENG Songsong
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Reservoir level fluctuation has a major impact on the stability of the landslide．This paper takes Zhangjiacitang landslide as a case study，and uses the Seep/W module and Slope/W modules of the Geo-studio software to calculate the seepage field and stability of the landslide．Then the paper analyzes the law of the landslide stability with the influence of rainfall and different reservoir drawdown rates，and evaluates the stability of the landslide combined with the investigation into the landslide deformation and the calculation results．The results suggest that the type of Zhangjiacitang landslide is the rainfall type．Compared with the rainfall，the effect of increasing the drawdown rate of the water level on the stability of landslide is very limited．The overall landslide is presumed to be basically stable when the drawdown rate of the reservoir level increases in non-flood season．Although the deformation appears in the middle and front of the landslide，a continuous penetrating weak surface doesn’t form in the overall landslide，so currently the landslide is basically stable;the stability coefficient calculation result of the landslide in the most dangerous working conditions(rainfall at daily drawdown rate of 1．2 m/d)is 1．154，and the landslide is basically in the stable state．

Zhangjiacitang landslide;stability evaluation;numerical simulation;daily drawdown rate of the reservoir level;rainfall

X43;P642．22;TU457

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．006

1671-1556(2016)05-0036-07

殷坤龙(1963—)，男，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测预报与风险评价方面的研究。E-mail:yinkl@126．com

2016-02-20

2016-03-22

国家自然科学基金项目(41572292、41572289、41301589)

王 鹏(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为滑坡稳定性和易发性评价。E-mail:wangpengtaoy@163．com