库水位涨落对某库岸堆积体滑坡稳定性研究

(1.长江科学院 科研基地(沌口)管理办公室，湖北 武汉 430010；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉430070)

1 研究背景

长江南岸湖北省巴东县新城某堆积体滑坡，平面呈蝶状向北展布，属巨型岩土混合滑坡。历史上，该滑坡前缘临江一带曾多次发生不同规模的塌岸和滑坡。近年来，滑坡区发生了多起浅表层或局部滑坡，给当地人民生命财产构成威胁或带来损失。

三峡水库蓄水以来，由于防洪需要，库水位在175～145 m范围内变动。库水位的抬升和周期性涨落，改变了岸坡原有的水-岩作用环境与条件，成为诱发水库滑坡地质灾害的主要影响因素。

本文根据已有地质勘查资料和前人相关研究成果，建立Ⅰ号崩滑堆积体滑坡的地质概化模型，根据滑坡的稳定现状对滑带力学参数进行了分析论证。据此对175 m水位、175 m水位消落至145 m水位以及叠加地震等工况的滑坡稳定性作出分析和评价。

2 滑坡基本地质特征

Ⅰ号崩滑堆积体滑坡后缘高程在290～250 m，前缘直抵长江，高程90～70 m。堆积体南北向最大长度770 m，东西宽450～500 m，面积 32.50万m2。崩滑体平均厚度为 69.40 m，一般为60～80 m，前缘薄，中上部厚，最大厚度为95.27 m，最小厚度为31.66 m。

堆积体物质成分以块石土为主，次为碎石夹(含)粘性土，碎石土呈透镜体状分布，三类土的体积比约为6∶3∶1。块石土块径一般60～200 cm，部分300～500 cm，极少数大于500 cm。块石与块石间多夹(含)有碎石、碎石土，土石比1∶9～2∶8。块石土累计厚度一般为40～60 m，多分布于135 m高程以上地带。碎石夹(含)土，土石比2∶8～3∶7，碎石多呈棱角状至次棱角状，极少数呈次圆状。黏性土一般为砂质粉土、粉质粘土。该层主要分布于135 m高程以下地带，累计厚度35～70 m。碎石土与土石比约为6∶4～8∶2，呈透镜体状分布于块石、碎石层中。碎石直径一般为2～5 cm，少数为10～15 cm，多呈次棱角状，接近基岩面的碎石多具弱至中风化特征，少数强风化。土体以粉质粘土为主，呈可塑—硬塑状态。单层厚度 0.1～1.0 m，少数 5.0～10.0 m。崩滑体物质来源为巴东组第三段，堆积体中块石为灰色灰岩或浅灰色泥岩[1]。

3 滑坡变形特征及地下水位监测分析

堆积体滑坡布置有5个倾斜仪监测孔。滑坡体前缘中部测孔因堆积体与基岩接触面位移过大而使测斜管破坏，滑动带埋深为 63.5～64.5 m，为基岩界面，最大A向累计位移 55.54 mm。滑坡体中部测孔测得滑动带埋深为78～79.5 m，为基岩界面，最大A向累计位移 21.63 mm。滑坡体中部两个测孔分别测得滑动带埋深为 69.5～70 m和78～79.5 m，为基岩界面，最大A向累计位移分别为40.34 mm和42.39 mm。滑坡体中后缘西侧测孔测得滑动带埋深为44～46 m，为基岩界面，最大A向累计位移59.6 mm。

堆积体区域布置GPS卫星定位监测点9个， 4个位于滑坡体前部， 4个位于中部，1个位于后部，测得最大累计位移量为164 mm。滑坡体布设有3个地下水位长观孔。后缘孔水位变化与长江水位无直接联系，与降雨量有一定关系。在连续降雨及持续干旱期时，孔内水位表现为渐升或缓降，滞后期较长。中部孔地下水主要接受江水及后缘滑坡孔隙裂隙水的补给，地下水位略高于长江水位，水位上涨略有滞后。前缘孔内地下水接受江水的侧向补给，孔内水位与长江水位变化基本同步。

4 滑带力学参数论证

在分析滑坡变形监测数据的基础上，选取典型剖面建立滑坡的地质概化模型，根据滑坡的稳定现状采用极限平衡法对滑带力学参数进行敏感性分析，通过对滑带力学参数的不同组合，研究不同参数取值情况下滑坡的安全系数，并对其参数的合理取值予以论证。

采用极限平衡法对Ⅰ号崩滑堆积体基岩面力学参数进行了15组参数敏感性分析，φ，c值分别在19°～21°和25～29 kPa之间变动，不同工况下滑坡安全系数相应在0.998～1.119之间变化。当φ，c值分别取为20°和26 kPa时，不同工况下Ⅰ号崩滑堆积体安全系数在1.048～1.056之间，接近临界状态，与Ⅰ号崩滑堆积体目前的稳定现状较为符合，故下面的分析中，按此参数对Ⅰ号崩滑堆积体基岩面进行计算分析。

5 滑坡稳定性研究

5.1 计算模型及参数取值

采用有限差分法、有限元法和极限平衡法，研究对库水涨落对堆积体滑坡的稳定性的影响。其中，有限差分法采用美国Itasca咨询公司开发的FLAC2D程序，有限元法采用加拿大多伦多大学开发的Phase2程序，极限平衡法采用M-P法。

边坡整体安全系数的数值计算采用强度储备安全系数法，以变形开始不收敛时的安全系数为边坡安全系数[2-5]。根据现场岩石力学试验得到边坡各类岩层材料的物理力学参数，计算模型中所涉及的边坡各类岩层材料参数采用值见表1，计算模型见图1。滑坡体内的地下水渗流场极其复杂，采用数值模拟很难与实际相符，进行滑坡稳定性分析时依据实测地下水位资料进行分析，不同水位条件下滑坡地下水位线见图2。

表1 边坡物理力学参数采用值

图1 Ⅰ号崩滑堆积体滑坡数值计算模型

图2 Ⅰ号崩滑堆积体滑坡地下水位线示意

5.2 计算工况

根据三峡水库不同的蓄水运行工况，考虑了如下工况： ①工况1，135 m水位； ②工况2，156 m水位(滑坡前缘长江水位为154 m)； ③工况3，175 m水位；④工况4，175 m水位快速降落至145 m水位；⑤工况5，175 m水位快速降落至145 m水位，叠加地震工况(按Ⅶ度地震烈度，水平峰值加速度为0.1g)。

5.3 堆积体滑坡稳定性分析

对应于各计算工况滑坡安全系数计算结果如图3所示。图4～5为滑坡极限破坏时的剪应变率等色区图；图6～7为滑坡极限状态下的位移矢量图。

图3 不同计算方法滑坡安全系数对比

图4 滑坡极限破坏时的剪应变率(有限元法)

图5 滑坡极限破坏时的剪应变率(有限差分法)

图6 滑坡极限状态位移矢量(蓄水工况)

图7 滑坡极限状态位移矢量(水位骤降工况)

当水位从135 m抬升到175 m时，两种数值方法计算的结果均显示,Ⅰ号崩滑堆积体安全系数有所增加，其中有限元结果安全系数由1.03增加到1.10，有限差分法的结果安全系数由1.02增加到1.05。两种方法结果较为接近,且均反映出Ⅰ号崩滑堆积体安全系数随水位上升而有所增加这一规律。

考虑水位从175 m快速降落至145 m时，有限元和有限差分法得到的安全系数分别由1.10降到0.99，1.05降到1.03，安全系数降低幅度在2%～10%；叠加地震作用后，安全系数则降为 0.89和 0.95，安全系数降低幅度在8%～10%之间。计算结果表明，随着库水位的抬升，Ⅰ号崩滑堆积体安全系数有所增加；在库水位从175 m降落至145 m水位时，安全系数有所减小；此时若叠加地震等因素，安全系数将进一步降低。

从多种方案计算的最大剪应变率等色区可以看出，滑坡的最大剪应变率等色区均发生在滑带部位，并贯穿整条滑带。从滑坡极限状态的位移矢量图可以看出，滑坡处于临界失稳状态时滑带及其上部滑体部位的岩土体产生了很大的变形，整体位移趋势向下并朝坡外, 滑移方向基本上平行于滑面，在滑带与下部基岩部位出现明显的不连续特征。

水库蓄水至135，156 m和175 m时，滑体前缘坡体受水的浮托力作用，有整体朝上的位移趋势，同时还有朝坡外变形的趋势。滑体向上的位移一般为 2.0～3.0 cm，水平朝坡外的位移分量在2.0～3.5 cm之间。随水位抬升，滑体向上位移有增大的趋势。

175 m水位快速降落至145 m水位时，坡前145 m以下坡体有朝坡外的位移趋势，水平向位移量值约 0.4～1.0 cm；145 m以上的坡体变形趋势向下略朝坡外，铅直向位移量值一般为 0.3～1.8 cm。叠加地震荷载后边坡变形基本以平行滑面指向坡外为主，由于该工况下边坡安全系数已经小于1，计算得出的位移场仅代表滑坡的位移趋势，其具体数值意义不大，故不再叙述。

6 结 论

Ⅰ号崩滑堆积体是一个以基岩顺层滑移为主的巨型滑坡。监测成果表明，三峡水库蓄水是导致滑坡深部变形启动及发展的主要原因。

鉴于滑带物质组成及结构复杂，力学参数具有高度的非均匀性、空间变异性，其力学参数取值采用反演分析方法获得。采用刚体极限平衡法、有限元、有限差分法3种不同计算方法得到的滑坡安全系数值均较为接近，起到了相互验证的作用，也反映出一些规律性的结论。

Ⅰ号崩滑堆积体在水位从135 m抬升到175 m过程中，安全系数有所增加，不同方法计算结果均反映出这一规律。水位从175 m快速降落至145 m时，安全系数有所降低，降幅在2%～10%之间；叠加地震作用后，安全系数进一步降低，降幅在8%～10%之间，此时滑坡安全系数已经小于1，边坡已经失稳，建议要采取有效的工程治理措施。

参考文献:

[1] 长江勘测设计研究院.湖北省巴东县黄土坡滑坡勘查评价报告[R].武汉：长江勘测设计研究院，2008.

[2] 陈祖煜. 岩质边坡稳定分析——原理、方法、程序[M]. 北京：中国水利水电出版社，2005.

[3] Dawson.E.M，Roth.W.H， Drescher A. Slope stability analysis by strength reduction [J]. Geotechnique, 1999, 49(6):835-840.

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[5] 丁秀丽，付 敬，张奇华.库水位涨落条件下奉节南桥头滑坡稳定性分析 [J].岩石力学与工程学报，2004，23(17)：2913-2919.