降雨及库水位耦合下白水河滑坡变形机理分析

李道臣 王志俭 邵杰鹏 吴 迪

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

降雨及库水位耦合下白水河滑坡变形机理分析

李道臣 王志俭 邵杰鹏 吴 迪

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

降雨和库水位的升降对三峡库区滑坡稳定性有重要影响．根据饱和非饱和土的渗流理论及极限平衡原理方法，采用加拿大岩土有限元软件Geo-Studio，对白水河滑坡在多种工况下的渗流场及稳定性进行计算，包括在库水位175 m～145 m波动下， 6种设计工况和2015年实际工况．通过对白水河滑坡稳定性计算结果及现有的监测数据综合分析，表明白水河滑坡稳定性同时受库水位波动和降雨入渗影响，库水位消落是滑坡变形的主要因素．计算分析结果为三峡库区涉水滑坡变形机理研究及预测提供一定的参考．

白水河滑坡； 库水位； 降雨； 稳定性

滑坡的稳定性不仅跟滑坡的地质构造、地形地貌、地层、岩性组成等内在因素有关，也跟外在因素有关．影响三峡库区涉水滑坡稳定性的主要外在因素是库水位的升降和降雨，在库水位175～145 m调度周期性升降和降雨叠加的情况下引起地下水位波动，诱发滑坡变形失稳形成地质灾害．现已失稳或仍持续引起变形的滑坡中，绝大部分都是跟降雨及库水位变化地下水渗流场改变[1-2]有关，如三峡库区千将坪滑坡、树坪滑坡、卧沙溪滑坡、白水河滑坡等[3-4]．从2003年三峡水库蓄水开始诸多学者专家如易武、易庆林等[3]在对库区滑坡进行了长期监测研究，监测数据显示滑坡变形量显著增加时段一般分布在每年的5～8月，其中库水位下降期变形最大，其变形速率也是显著的提高．白水河滑坡目前处于欠稳定状态，在库水位的下降叠加降雨时段滑坡变形更为显著．本文以白水河滑坡为例，利用有限元渗流分析软件Geo-Studio中的seep/w和slope/w模块对该滑坡在库水位下降叠加降雨边界条件下进行地下水渗流及稳定性计算分析．

图1 白水河滑坡平面

1 滑坡工程地质概况[1]

白水河滑坡位于秭归县沙溪镇乐丰村，靠长江南岸．滑坡区多年平均降雨量1 493.2 mm，降雨具有连续集中的特点，雨季多暴雨，100 mm以上的暴雨主要发生在6、7月，正好是库水位周期性下降时期．滑坡属于单斜顺层斜坡，前缘剪出口在防洪限制水位145 m水位以下，滑坡南北长500 m，东西宽430 m，面积21.5×104m2，滑体平均厚度约30 m，体积645×104m3，主滑方向20°，属深层大型土质滑坡．滑体主要由崩、坡积物及滑坡堆积物组成，这几种成因的岩土体分层性差，天然重度20 kN/m3，饱和重度21 kN/m3．滑带以含碎石或者含角砾粉质粘土为主，部分滑带岩土物质成分为角砾土和粘土，土石比为9∶1～7∶3．

图2 白水河3-3工程地质剖面图

2 滑坡变形特征

从2003年6月蓄水至135 m以来，对白水河滑坡进行实施专业变形监测，滑坡的变形一直在持续发展．2003年到2013年间白水河滑坡出现了数次滑坡险情预警预报，其中2004年出现显著的宏观变形，局部出现拉裂缝，最大下沉量达到150 mm，对白水河滑坡险情进行了黄色预警警报；2007年7月29日，滑坡最大累积位移量达1 737.1 mm(XD-03)．2007年7月26日～29日白水河滑坡位移速率高达26.2～50.85 mm/d(7月26日XD-01 点)，白水河滑坡预警级提升为橙色警戒级,从对白水河滑坡监测点的位移数据[5]以及现有的宏观变形上看，库水位消落期间和降雨量较集中期，也是滑坡变形加速期间．如图3通过对2013年～2016年监测点ZG93、ZG118和XD01变形数据与此期间库水位和降雨的统计分析，位移监测变形曲线呈现“阶跃段”趋势，说明库水位下降和降雨叠加耦合作用对滑坡的稳定性有较显著的影响．

图3 2013～2015年白水河滑坡监测点累积位移与大气降雨、三峡库水位关系图

3 滑坡稳定性影响因素敏感性分析

3.1 诱发因素分析

影响库区涉水滑坡稳定性变化的实质主要还是跟水有关，其中降雨是其中重要因素之一．降雨通过滑坡表层松散堆积中的空隙，以及变形裂缝直接入渗到滑体中，使得滑带孔隙水压增大，抗剪强度下降，在库水位快速下降时库水位和滑坡地下水位之间造成水位差，使滑坡体受到渗透力作用．

滑坡岩土体一般处于非饱和状态，存在基质吸力，现有诸多学者如刘新喜等[6-7]研究表明基质吸力对岩土体抗剪强度有增强的作用，土体的基质吸力跟含水率成负相关关系，随着降雨量入渗,土体中含水率逐渐增大，从而基质吸力减小达到饱和后消失．库水位下降时动水压力方向向滑坡外．两个耦合的情况下加大滑坡体失稳的几率，降低滑体的稳定性，根据非饱和土渗流理论和非饱和土抗剪强度公式得到体现：

白水河滑坡岩土体含水主要是堆积体中的上层滞水和岩层中的裂隙水，地下水的补给主要来自降雨和库水．当不考虑含水层弹性释水时，二维饱和-非饱和渗流控制方程为[7-11]：

当土壤含水率为饱和状态时，含水率为饱和含水率θS，而基质视为零，忽略水层弹性释水的饱和非稳定渗流方程实际上退化为椭圆方程，边界上任意一点的水头或流量的变化都会立刻影响整个渗流场而饱和-非饱和渗流理论就能很好的分析降雨入渗引起的边坡瞬态渗流场，本文以白水河滑坡主轴剖面3-3为例分析．

图4 白水河滑坡3-3剖面渗流边界条件示意图

降雨条件下该滑坡地下水动力学边界条件为流量边界，例如当水位为175 m时，滑坡后缘至高程175 m之间的地表边界为流量边界(如图4所示)．滑坡体表面岩土体的渗透性和降雨强度的大小因素决定着降雨的入渗率．降雨强度超过岩土体的渗透能力时，坡面就会形成积水产生径流，相反将会全部入渗．雨水在坡面的渗流流速取决于坡面岩土体的渗透系数k，降雨强度q(mm/s)和流速v(mm/s)存在式(3)和式(4)的关系，根据两者关系就可确定坡面入渗模拟的边界条件为：

v≤q取入渗速度为

3.2 滑坡渗流工况计算稳定性分析

采用有限元渗流软件Geo-studio中的seep/w模块对白水河滑坡6种设计工况进行渗流计算．6种工况为静水位145m、156m、162m和175m，水位175m消落至145m叠加20年一遇5日暴雨，水位162m消落至145m叠加20年一遇5日暴雨．依据秭归县降雨资料统计分析，其中枯水期设计降雨过程为重现期20年一遇5日暴雨q枯=17.171 mm/d，汛期设计降雨过程为重现20年一遇5日暴雨q全=17.171 mm/d．汛期来临之前水库水位从坝前水位175 m降至145 m，下降速度采用0.67 m/d，汛期坝前水位从162.0 m降至145.0 m，采用1.0 m/d降幅速度．采用seep/w对滑坡3-3剖面进行渗流分析，并将渗流计算结果导入到slope/w模块，利用极限平衡法中的Morgenstern-price计算类型进行稳定性计算．通过在不同工况下滑坡中孔隙水压及水力坡度变化规律对比，来反应其变化对滑坡稳定性的影响．

1)建立计算模型

模型大小尺寸严格按照原3-3′地质剖面建立，分为滑体、滑带、滑床以及上覆残坡积土，共划分成5 928个节点，5 983个网格．

图5 白水河滑坡3-3剖面渗流计算模型

2)边界条件及参数

渗流边界条件设置为：库水位以下为动水头边界，库水位以上坡面为降雨边界，底部为隔水边界，初始地下水位及岩土物理力学参数由野外勘测资料获得．

表1 滑坡物理力学计算参数

3)渗流计算结果

白水河滑坡的稳定性主要受到库水消落和降雨影响，两者的叠加使得变形速率明显增大．水位消落时安全系数明显减小，最危险工况一般在水位消落工况．为了说明库水位和降雨对滑坡稳定性的影响程度大小，按2015年的实际库水位和降雨资料用于渗流计算，来说明库水位和降雨的耦合作用．图6为2015年实际库水位和白水河滑坡的降雨曲线．经计算获得考虑和不考虑降雨条件下白水河滑坡的渗流场．

图6 2015年实际降雨和库水位变化曲线

图7为高程145 m处滑带位置孔隙水压的变化．孔隙水压与库水位变化的总体趋势基本一致，当库水位降至145 m时，孔隙水压降至155 m附近，孔隙水压消散滞后于库水位下降．随后孔隙水压在持续下降，直到库水位上涨时，孔隙水压仍然没有下降到145 m．比较考虑降雨与不考虑降雨差异可以发现，考虑降雨时孔压大于不考虑降雨的孔压，但差异不大，差距在0.3 m左右．

图7 滑带部位孔隙水压随水位变化

图8为高程145 m处滑带的水力梯度变化曲线，在库水位消落时，水力梯度快速的增大，同时水力梯度在考虑降雨的情况下比不考虑降雨下大．在库水位稳定后快速回升时，水力梯度也是迅速的增大．水位达到稳定水位后水力梯度开始下降最后平稳，水位上升时考虑降雨的水力梯值略小于不考虑降雨条件下．在降雨条件下，130～230日(6月10日至8月18日)期间，145 m高程处滑带水力梯度在0.08～0.06左右，并缓慢下降．不考虑降雨时，130～230日期间，145 m高程处滑带水力梯度在0.04～0.06左右，并且在库水位降至145 m后，水力梯度呈逐渐减少趋势．降雨入渗使土体逐渐达到饱和使水头得到补充,水头的下降速度相对于无降雨时慢,加上降雨改变了岩土渗透性，在库水位下降期，地下水渗流方向向滑坡体外，地下水不能与库水位降速同步，滞后库水位造成水力梯度增大．

图8 145 m处滑带水力梯度

降雨条件下滑带的静水压和动水压明显大于无降雨条件．在库水位消落时，滑坡体内的孔隙水压逐渐消散，水分向坡体外迁移．根据有限元渗流计算，降雨后在水位175 m以上的滑体中并无连续的地下水位，所以降雨入渗使滑坡体处于非饱和状态的入渗，由于降雨非饱和入渗对滑坡土体水分补给，导致滑坡体内孔压消散变慢．当库水位处于低位时，如无降雨补给水分，孔隙水压消散速度快；当有降雨补给时，孔压消散速度慢，甚至可能升高．

4)稳定性计算结果

各工况稳定性计算结果得见表2，静水位条件下，低水位时稳定性一般较低，高水位时稳定性有提高，库水位消落时，从175 m～145 m和162 m～145 m降幅工况下稳定性明显下降．在汛期库水位下降对滑坡的稳定性影响是显著的．主要原因还是库水位急速下降导致滑坡岩土内地下水下降滞后于库水位下降导致，库水位降幅越大使得渗透力越大[12-13]，并且方向向滑坡外，造成稳定性降低．

表2 白水河滑坡稳定性计算工况及安全系数

图9 条分法计算简图

通过选取2015年实际工况库水位位于145 m、156 m、162 m和175 m．在考虑降雨和不考虑降雨条件下进行稳定性分析，结果见表3．

表3 2015年实际工况稳定性系数

当考虑降雨时稳定性系数为0.992～1.069，库水位消落使滑坡稳定性降低0.077．不考虑降雨时，剖面的稳定性系数为0.999～1.072，库水位消落使滑坡稳定性降低0.073．可见有降雨作用时，库水位波的动对滑坡稳定性的影响程度会更大．在相同库水高程时，考虑降雨的稳定性系数比不考虑降雨上的稳定性系数低0.003～0.007．按2015年库水变化和降雨条件分析结果可见，降雨对滑坡稳定性影响较小．但由于监测数据分析汛期降雨和库水位消落处于同一时段，此时白水河滑坡基本处于极限平衡状态，降雨使稳定性系数绝对值降低虽然不大，但非常关键，能加剧滑坡变形速率和改变稳定性状态．由于采用的饱和-非饱和入渗理论进行地下水分析时并没有考虑降雨产生地表径流直接进入滑坡裂缝对滑坡稳定性的影响，因此实际降雨对稳定性的数据分析影响应该大于理论计算值．

4 结 论

1)对于白水河滑坡的变形增加主要集中在库水位下降和降雨量较大的汛期5～8月．

2)库水位从175 m降至145 m库水位消落的过程跟静水位工况相比稳定性要小，在叠加降雨条件下都将降低稳定性．

3)从2015年实际工况分析在有降雨和没有降雨的条件下对滑坡，滑坡体力内的孔隙水压力和水力梯度是都受降雨的明显影响．

4)降雨入渗对滑坡整体稳定性的影响小于库水位运行对滑坡稳定性的影响．当汛期降雨和库水位消落叠加时，降雨因素对白水河滑坡稳定状态和滑坡变形速率起着关键性作用．

[1] 尚 敏，徐 鑫，Dave Chan，等．基于降雨渗流场变化的三峡库区白水河滑坡变形机制与预测[J]．中国地质灾害与防治学报，2016(2)：26-32．

[2] 徐 平，李同录，李 萍．考虑非饱和渗流作用下三峡库岸滑坡稳定性研究[J]．中国地质灾害与防治学报，2010(1)：7-12．

[3] 卢书强，易庆林，易 武，等．三峡库区树坪滑坡变形失稳机制分析[J]．岩土力学，2014(4)：1123-1130，1202．

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[责任编辑 周文凯]

Analysis on Deformation Mechanism of Baishui River Landslide under Rainfall and Reservoir Water Level Coupling

Li Daochen Wang Zhijian Shao Jiepeng Wu Di

(College of Civil Engineering & Architecture, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

The rise and fall of rainfall and water level of three gorges reservoir area landslide deformation instability plays an important influence factor, according to the saturated unsaturated soil seepage theory and principles of limit equilibrium method, the Canadian geotechnical finite element software Geo-Studio, to the white river seepage field and stability of the landslide in various working conditions is calculated and included in the 175m～145m water fluctuation, the working condition of 6 kinds of design and actual working condition in 2015. Through to the white river landslide of the existing monitoring data analysis, the results show that white river landslide stability affected by water level fluctuation and rainfall infiltration at the same time, the water level down is the main factor of landslide deformation. The analysis result is a reference for the deformation mechanism and prediction of the landslide in the three gorges reservoir area.

Baishuihe landslide; reservoir water level; rainfall; stability

2017-01-05

湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目(D20151201)；宜昌市科学技术局科技研究与开发项目(A14-302-a10)

李道臣(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为地质灾害与防治．E-mail： 412611828@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.010

TV698.23

A

1672-948X(2017)04-0046-05