三峡库区白家包滑坡变形机制分析

门梦飞 易庆林 张明玉 文 凯 覃世磊 曾怀恩

(1. 三峡大学 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. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

三峡库区白家包滑坡变形机制分析

门梦飞1，2，3易庆林1，2，3张明玉1，2，3文 凯1，2，3覃世磊1，2，3曾怀恩1，2，3

(1. 三峡大学 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. 三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

为研究三峡库区涉水滑坡的动态变形机理，以白家包滑坡为研究对象，依据地质勘查，降雨及库水位资料，运用专业监测数据与数值模拟相结合的分析方法，研究了滑坡的成因及变形机制．结果表明：滑坡变形呈阶跃式增长，4～9月份为主要变形期；各监测点自2006年起每隔3年累积位移有较大提升的“规律”，分析认为是滑坡体应力场调整显示变形增大；库水位快速下降与滑坡地表位移增加有较好的相关性；且库水位波动与滑坡稳定性呈正相关变化．坡体的变形原因经分析为坡体外荷载卸荷及坡内指向坡外的动水压力；滑坡目前处于蠕滑变形阶段；若库水位快速下降与汛期强降雨共同作用，滑坡变形将进一步增大．

白家包滑坡； 变形； 应力场； 渗透压力

三峡库区是我国地质灾害易发区，涉水库岸型滑坡众多．因多年动态循环蓄水，造成库区周边地质环境的变化，势必引发新的地质灾害[1]，其中滑坡变形是一种较普遍的现象．影响滑坡各阶段变形的因素是动态、变化的，在滑坡变形演化过程中的作用具有较大差异性[2]．在众多影响滑坡变形的相关因素中，大多数滑坡变形乃至失稳都与水有关[3]，尤其是库水位变化与降雨；如千将坪滑坡[4]，卧沙溪滑坡[5]，白水河滑坡[6]．滑坡变形的动态演化是多样的，众专家学者对滑坡变形机制进行了深入研究．蒋征[7]利用变形模式的拓扑约束识别方法来识别宝塔滑坡块体的变形模式；赵家成[8]采用模型试验方法模拟降雨和水库水位综合作用下的白家包滑坡变形规律．本文在前人研究基础上，依据地质勘查，降雨及库水位资料，运用专业监测数据与数值模拟结合的方法，分析了滑坡的成因及变形机制，并进一步得出库水位下降造成指向坡外的渗透压力是影响滑坡变形的动力来源．

1 白家包滑坡的基本情况

白家包滑坡位于秭归县归州镇，处于香溪河右岸，为土质滑坡，坡体为逆向坡结构；滑坡后缘以基岩为界，高程大致为270m，滑坡左侧以山脊下部基岩为界，右侧以山梁为界，前缘宽约500 m，后缘宽约300 m，平均宽约400 m，纵向长约550 m，滑坡面积大约为22×104m2；平面形态呈短舌状；据专业监测报告知[9]，滑体物质主要为粉质黏土夹块碎石及碎块石土；滑带土主要为灰黄色夹杂紫红色可塑状的粉质黏土夹碎石角砾，滑带厚度约0.2 m．下覆基岩为侏罗系下统长石石英砂岩及泥岩，岩层产状250°∠30°．

图1 白家包滑坡专业监测网点分布图

图2 白家包滑坡专业监测剖面图

2 滑坡变形特征

2.1 滑坡宏观变形

1)2003年6月下旬，滑坡南侧边界部分区域出现走向100°的张性裂缝，之后北侧边界也相继出现走向40°的裂缝．

2)2003年7月下旬持续强降雨之后，变形迹象进一步加剧，后缘与基岩接触区域出现两组较大规模的裂缝：一组走向40°的长大张裂缝，长约40 m、宽20 cm、错距25 cm；一组走向180°的雁列式羽裂，延伸约30 m．

3)2009年5月下旬，受库水位下降和持续强降雨的影响，滑坡发生剧烈变形，在其右侧形成快速变形区，且公路上出现较大拉裂缝．

4)2009年至2014年，滑坡存在整体滑动，整体变形较明显．

5)2014年7月，秭-兴公路与滑坡左、右边界交汇处，路面开裂，右侧交汇处下沉严重．滑坡右侧公路上方，当地居民房屋前晒坝近10年来变形下沉达1.5 m左右，向公路方向挤出约为30 cm．

2.2 地表位移监测数据分析

白家包滑坡自2006年11月实施专业监测，GPS监测点布设在一纵一横的监测剖面上，即ZG323，ZG324，ZG325，326；从监测数据上看，截止至2016年10月15日，该4个监测点累积位移分别为1 124.88 mm，1 310.75 mm，1 224.77 mm，1 559.68 mm，其中滑坡右侧及中部公路下侧变形相对较大．由监测数据知每年5～8月，各监测点变形速率剧增，月均监测速率在1～6 mm/d，其中ZG326监测点变形最大．经统计各监测点年变形量最大有两年，一组是2008年5月20日～2009年5月20日，各监测点变形量最大为：208.50 mm，241.62 mm，221.39 mm，281.12 mm；另一组最大变形量为2014年6月20～2015年6月20日，各监测点最大变形量为：255.70 mm，296.25 mm，273.54 mm，343.60 mm．滑坡4个监测点累积变形曲线呈台阶式增长，增长时间段均发生在每年4～9月；这期间，库水位下降变化幅度较大，且该滑坡所在地区进入汛期，降雨量较大；在每年9～12月份蓄水阶段，降雨量骤减，滑坡累积位移曲线斜率趋于平稳，经分析库水位上升有利于滑坡稳定，减小滑坡变形量．经实地野外勘查及问询当地居民，每年库水位下降期间，居民所住房屋内的裂缝有增大迹象且处在滑坡中部的公路裂缝明显增多，部分区域有下沉迹象；在库区蓄水阶段各种变形迹象减少，且裂缝不再扩展，进一步证实了该滑坡变形与库水位变化有直接关联．

据监测数据曲线分析(如图3所示)，滑坡各监测点累积变形基本为3年有一次较大提升，经分析2007年，2008年在5月1日库水位分别为148.61 m，150.71 m，较2009年(159.29 m降速均值0.3 m/d)初始下降库水位较低；且2009年(降速均值0.3 m/d)下降至145m的均速较前两年2007年(均值0.1 m/d)，2008年(均值0.13 m/d)变化较大，分析可能是库水位下降幅度较大引起的滑坡应力场的调整，导致滑坡变形数据增大；2012年滑坡变形量与2010，2011年相比较大，首先自5月1日起2012年降幅较大(17.97 m)，其次，这3年在汛期均有较大升降幅(2012年最大增降幅18 m)，且开始蓄水时间均在6月15日附近，分析认为是汛期短时洪峰库水位调度引起的变形量的增大；2015年相对于2013，2014年，升降幅均相似，但2015年5月份及6月份降雨达到459.6 mm，大于汛期4～9月份降雨(907.8 mm)的一半，且期间多次较强降雨，远大于2013，2014年同期降雨量，经分析认为是汛期多次强降雨导致2015年变形较大的主要原因．

图3 滑坡累积位移-库水位-降雨量-时间关系图

综上分析滑坡3次年变形量陡增的原因，是因为库水位或者降雨因素改变其外荷载情况，不呈规律性；特别是白家包滑坡滑体较厚，滑体渗透性较低，在库水位下降阶段库水位降速的突然增大或有强降雨因素，易改变滑坡原应力状态，形成较大水力梯度，增大下滑力，导致滑坡变形量增大；分析表明以上每3年滑坡年变形量突然增大并非是滑坡变形规律，而是滑坡体应力场在调整过程中显示出变形增大情况．

2.3 滑坡成因机制分析

据实地勘察及分析地质资料认为地形地貌、滑体物质、库水位变化、降雨及人类工程活动是形成白家包滑坡的主导因素．

1)地形地貌．滑坡前缘被香溪河切割，剪出口位于高程约130 m，后缘高程约270 m，有较好的临空面，为滑坡卸荷创造较好空间形态．

2)滑体物质．滑体物质主要为粉质黏土夹碎块石土，结构密实，平均厚度约为45 m，形成较好的滑体岩土体基础，为滑坡形成构成了良好的物质基础．

3)库水位波动．三峡库区经过多年的动态循环蓄水，滑坡的渗流场与应力场已经得到一定的调整[10]；库水位变化对滑坡前缘有一定的冲蚀作用，且由于滑体厚度较大，渗透性较小[11]，尤其是自2010年至今库水位快速下降的调度过程中，坡体内水位易与库水位有较大的水位差，形成水力梯度，为滑坡的向下推力提供动力来源．

4)大气降雨．降雨的主要影响是通过滑坡的裂隙进入滑坡体内，一部分降雨通过地表径流流入香溪河，一部分通过裂隙进入滑坡体内，一方面增大了滑坡土体的指向坡外渗透压力，水力梯度越大，渗透系数越小，指向坡外的渗透压力越大．另一方面降雨入渗岩土体内，增大了滑体岩土体的下滑力；若降雨入渗到滑带，则会增加滑带的润滑性．

5)人类工程活动．因滑坡中部偏上左侧有部分民宅，且滑坡中前部有一条公路，通行车辆的振动及各种附加荷载，均增大了滑坡的下滑力；滑坡中上部至后缘有部分农作物种植．在这些因子的综合影响下，白家包滑坡自2003年库区蓄水已有明显变形趋势，尤其是2009年至2014年，白家包滑坡存在整体滑动，且变形较明显；在滑坡持续变形的影响下，滑坡所在处秭-兴公路路面损坏严重，路基下沉，影响车辆安全通行．

3 库水位-降雨因素变形-致滑机制分析

据前文及图3综合分析分析，认为库水位下降与滑坡变形之间有较大的相关性，汛期强降雨使得滑坡变形累积位移进一步增大．以下着重从滑坡内外营力，即坡体外部荷载及坡体内水压力两方面分析．

3.1 坡体外荷载分析

影响滑坡变形的坡体外主要为坡体外荷载的卸荷作用；岩土体渗透性较差为坡体的加卸载库水作用形成较好水力梯度．在库水位上升时，库水位大于坡体内水位，滑体受到库水荷载指向坡体内部的推力，增大了阻滑力，在下滑力一定时，有利于滑坡的稳定，使变形趋势得到遏制，减少滑坡变形量的增加；在库水位下降时，作用相反，坡体水位的迟滞性导致指向坡外较大的渗透压力，且淹没的滑体经过浸泡，降低了滑体的抗剪能力；尤其是在进入汛期，当水库退水时，由于坡体渗透性差，坡体内水排除较为缓慢，形成坡体水位与库水位的正落差，动水压力指向外部，特别是在水位下降速度较大时，坡体内地下水位与库水位之间的落差达到最大，水力梯度最大，动水压力达到最强，使得各监测点变形总量的增加．同时中部的房屋及公路，增大了滑坡的下滑力，尤其在库水位下降的雨季，将增大滑坡变形的可能性．

图4 2003～2016年库水位-滑坡稳定性Fs图

为说明库水位与滑坡变形的相关性，通过岩土有限元分析软件Geo-studio进行模拟，未考虑降雨因素，如图4所示，滑坡稳定性随库水位变化显示有较高相关性，尤其是库水位下降时对Fs有较高的敏感度；滑坡累积位移基本上自每年库水位快速下降时开始逐步增大，变形速率在每年6～8月达到最大，此时滑坡稳定性逐渐降至最低，说明滑坡的稳定性和滑坡变形呈负相关联，滑坡体的动态卸荷随库水位下降及汛期(6～8月)库水位短时增降均有所反应．

3.2 坡体内水压力

坡体内的水压力主要为指向坡外的渗透压力．在库水位下降过程中，滑体岩土体的渗透性较低形成指向坡外水力梯度，水力梯度越大，越易造成滑坡的变形量的增大．在滑坡岩土体模拟过程中，将滑体分为74个条块(如图5所示)，选取63号条块作为对比对象；以2016年4月20日164.36 m库水位及2016年10月5日164.35 m库水位进行对比；据63号条块的受力分析，在库水位下降阶段，库水附加荷载为207.7 kN，孔隙水压力370.44 kPa；在库水位上升阶段库水附加荷载为326.65 kN，孔隙水压力402.35 kPa．如图6所示，孔隙水压力的差异主要在滑坡体X方向400～500 m，经分析认为差异较大处位于库水淹没岩土体上下位置，主要是水力梯度导致的孔隙水压力的不同；其他位置未见明显差距是因为没有库水加卸荷载的作用．在库水位下降时，滑坡体下滑力为向外渗透压力与浮托力分力的差值与坡体自重向下分力之和；而库水位上升时，滑坡体下滑力坡体自重分力与浮托力分力及指向坡内渗压之差，对比得知库水位下降时下滑力大于库水位上升时下滑力，综合分析认为库水位下降会增大滑坡的变形．

图5 滑体条块划分

图6 2016年4月20日及10月15日 孔隙水压力-X距离对比图

若库水位在快速下降期间有强降雨发生，降雨通过裂隙入渗也会使滑体水动力条件的改变；库水位下降和降雨的综合作用，主要是增大滑体向外的推力，推力来源一方面为指向坡外的动水压力，降雨入渗造成的下滑岩土体的自重增大；降水还可能会造成岩土体抗剪强度的减小，增大滑坡变形的可能性．

4 结 论

1)滑坡各监测点每隔3年累积位移有较大提升的“规律”，是因为库水位下降或降雨因素改变引起滑坡体应力场调整过程中状态变化，显示出突然年变形量增大的趋势．

2)根据实地勘察认为地形地貌、滑体物质、库水位变化、降雨及人类工程活动是形成白家包滑坡的主导因素，其中库水位快速下降及汛期强降雨是滑坡变形量增加的激励因素．

3)库水位下降对滑坡稳定性变化有较高的敏感度，且滑坡的稳定性与变形量增加呈负相关联；滑坡变形量增加主要是坡体外荷载卸荷及坡体内部的动水压力所致；在库水位快速下降时指向坡外的动水压力会进一步加剧滑坡的变形．

[1] 鲁 涛．三峡库首区某滑坡变形特征及影响因素分析[J]．水电能源科学，2011，29(8)：106-108．

[2] 卢书强，易庆林，易 武，等．三峡库区卧沙溪滑坡变形失稳机制分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2013，24(2)：22-26．

[3] 文宝萍，申 健，谭建民．水在千将坪滑坡中的作用机理[J]．水文地质工程地质，2008(3)：12-18．

[4] 肖诗荣，刘德富，姜福兴，等.三峡库区千将坪滑坡地质力学模型试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(5)：1023-1030．

[5] 卢书强，易庆林，易 武，等．三峡库区卧沙溪滑坡变形失稳机制分析[J]．中国地质灾害与防治学报，2013，24(2)：21-24．

[6] 张 俊，殷坤龙，王佳佳，等.基于时间序列与PSO-SVR耦合模型的白水河滑坡位移预测研究[J]．岩石力学与工程学报，2015，34(2)：382-391．

[7] 蒋 征，张正禄．滑坡变形的模式识别[J]．武汉大学学报(信息科学版)，2002，27(2)：127-132．

[8] 赵家成，吴 剑，晏华斌．白家包滑坡变形机制的模型试验研究[J]．水电能源科学，2012，30(4)：70-73．

[9] 三峡大学土木与建筑学院．三峡库区秭归县典型滑坡专业监测预警成果报告[R]．宜昌：三峡大学土木与建筑学院，2014．

[10] 易庆林，赵能浩．三峡库区黄泥巴蹬坎滑坡变形机制[J]．南水北调与水利科技，2016，36(2)：42-47．

[11] 卢书强，张国栋，易庆林，等．三峡库区白家包阶跃型滑坡动态变形特征与机理[J]．南水北调与水利科技，2016，14(3)：144-149．

[责任编辑 周文凯]

Analysis of Deformation Mechanism of Baijiabao Landslide in Three Gorges Reservoir Area

Men Mengfei1,2,3Yi Qinglin1,2,3Zhang Mingyu1,2,3Wen Kai1,2,3Qin Shilei1,2,3Zeng Huaien1,2,3

(1. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards & Eco-Environment in Three Gorges Area, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China； 3. College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

In order to study the dynamic deformation mechanism of the fording landslides in the Three Gorges Reservoir area, taking the Baijiabao landslide as the research object, and then based on the data of geological prospecting, rainfall and reservoir water level in recent years through the method of combining professional monitoring data with numerical simulation, the formation mechanism and the causes of Baijiabao landslide are analyzed. The result shows that the deformation mode is step-type-increase every year and from April to September as the main deformation period. The reason for cumulative displacement of each monitoring point has been greatly increased every three years is that the stress field adjustment of the landslide leads to the deformation increasing since 2006. There is a good correlation between the rapid decline of reservoir water level and the increase of the cumulative displacement. The change of landslide stability has a positive correlation to the fluctuating reservoir water lever. By analysis, it is shown that the unloading of the slope external loads and seepage pressure from internal to outside are the main causes of the deformation of landslide. The landslide is currently in the stage of creep deformation. If the reservoir water level decreases rapidly and the heavy rainfall in flood season, the deformation of Baijiabao landslide will be further increased.

Baijiabao landslide; deformation; stress field; seepage pressure

2017-01-08

湖北省自然科学基金项目(2016CFB443)；精密工程测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金项目(PF2015-4)

门梦飞(1992-)，女，硕士研究生，主要从事土木工程研究．E-mail：542056961@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.010

P642.22

A

1672-948X(2017)02-0043-05