库水升降条件下滑坡变形失稳机理研究

邓合玉 陈 勇

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

自从三峡水库蓄水后，库区滑坡、崩塌等地质灾害频发，据有关部门统计，三峡水库大型涉水复活型滑坡达数百处，2003年7月13日，三峡库区初次蓄水135 m后一个月就发生的千将坪滑坡，导致10人死亡，14人失踪，2 000多人受灾，直接经济损失5 000多万元[1-2]，因此研究库水对滑坡稳定性的影响意义重大．库水位升降是影响库水型滑坡稳定性的主要因素，三峡库区库水在145～175 m间反复波动，形成高差30 m的消落带，反复的干湿循环将显著改变消落带的土体性质，土体中的微观裂纹、裂隙长期反复的张开闭合，逐渐发育、贯通，致使土体由密实状态渐进为内部裂纹发育的松散状态，而土体内部的损伤将导致土体的抗剪强度逐渐劣化[3]．

库水长期浸泡滑坡前缘导致的土体软化、水化学作用[4]以及对库水水位下的透水型滑坡的浮托减重效应[5]等，都是影响滑坡稳定性的重要因素．库水升降在力学平衡方面打破滑坡原有的应力和渗流状态[6]，特别是库水位骤降，库水位下降速率越大，地下水响应滞后现象就越显著，导致地下水位线形态整体变陡，形成的水头差就越大，对滑坡体产生的动水压力作用就越大，因此对滑坡的稳定性影响就越不利．库水升降对滑坡稳定性的影响是多方面的，导致的滑坡失稳破坏是渐进性的，是一个连续变化的过程，是一序列变形破坏的结果[7-9]．国内外学者在库水变化引起滑坡稳定性的变化方面研究还不够全面，本文将通过ABAQUS分析滑坡中地下水随着库水位变化的渗流状态，分析滑坡体前缘局部破坏机理，采用强度折减法[10-13]对滑坡冲刷前后的稳定性进行分析．

1 动水压力

渗流力是渗透水流对于土骨架中的颗粒的推动力与拖拽力，渗透力是一个体积力[14]，即动水压力，当动水压力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏，如边坡破坏，堤坝失稳等现象．动水压力是由于水的流动而产生，在透水土体中，一旦有水力梯度作用，必将形成渗流，从而对土体产生动水压力．

如图1所示，水库由高水位175 m快速消落至145 m，地下水渗流场急剧变化所产生的高渗透压力极易诱发滑坡．

图1 库水位快速消落诱发滑坡示意图

2 冲刷作用

长期反复的库水升降、水流冲刷、船浪淘蚀等，带走破面的细小泥沙，使大块岩土体失去支撑，极易产生局部崩塌；局部滑落的土体对滑坡前缘产生一个冲击力，极易诱发滑坡的失稳破坏．如图2所示，三峡库区随着库水位在175 m到145 m之间反复变动，长期反复的库水升降、水流冲刷、船浪淘蚀等，带走大量土体，使库岸变陡、变高，滑坡前缘的重力下降，从而导致滑坡前缘的支撑力下降，导致滑坡的稳定性下降．

图2 库水冲刷示意图

库水位升降产生的纵向冲刷主要影响消落带的土体，由于长期反复的库水升降，带走消落带土体中的细小土颗粒，使消落带土体中渗透流速显著提高，极易产生局部渗透破坏，破坏的土体淤积在岸坡前，使滑坡前缘产生淤积体．尤其在库水位骤降情况下，大量地下水滞留在土体中，土体中地下水产生一个指向坡外的动水压力，对滑坡的稳定性极其不利．

库水位产生的横向冲刷主要取决于库水的流动速率，当库水流速较大时，库水携带土颗粒的能力较强，岸坡上较大土颗粒也会被搬运走，产生明显的库岸后退线；三峡库区库水流速较缓慢[15]，库水携带土颗粒的能力较弱，库岸后退线不明显，因此，库区岸坡前极易产生淤积体．

3 库水升降条件下数值分析

3.1 滑坡体数值模型

在滑坡的有限元计算中，计算参数的取值直接影响到数值分析的计算结果，由于本文目的是研究滑坡在冲刷前后动水压力对滑坡稳定性的影响，需要较准确的数据为依托，因此选取树坪滑坡建立数值模型如图3～4所示，树坪滑坡长861 m，高390 m，树坪滑坡为典型的动水压力型滑坡[16]．

图3为冲刷前的有限元模型，共划分结点28 880个，单元28 488个；图4为冲刷后的有限元模型，共划分结点28 547个，单元28 153个．树坪滑坡主要分为3种材料，综合分析树坪滑坡的地质条件、滑体及滑带土的物理力学参数、试验成果及反演分析成果，并类比相似工程实践经验，确定滑坡岩土主要物理力学性质指标参数建议值见表1．

图3 冲刷前数值计算模型

图4 冲刷后数值计算模型

位置天然容重γ/(kN·m-3)饱和容重γ/(kN·m-3)天然内聚力c/kPa天然摩擦角φ/°饱和内聚力c/kPa饱和摩擦角φ/°渗透系数k/(cm·s-1)滑体20.020.418.121.716.018.50.0089滑带浅层20.020.816.717.514.015.7滑带深层20.120.817.219.515.316.2滑床(粉砂质泥岩)20.422.755034滑床(泥灰岩)25.926.32 27044

3.2 计算工况

三峡库区正常蓄水后，库水位将在145～175 m水位间涨落，本文目的是研究库水升降条件下滑坡变形失稳机理，于是按照三峡库水实际调度情况选取一个水文年内库水位变化为基准工况，共计366 d．库水调度如图5所示．

图5 库水调度工况

3.3 渗流场分析

随着库水位在175 m与145 m之间变化，导致滑坡土体在饱和状态与非饱和状态之间相互转换，滑坡渗流场也随着库水位的变化而变化，通过ABAQUS建立有限元模型，分析渗流场随着库水位变化的情况．如图6～7所示，在三峡水库正常运行期内，库水位下降时，滑坡地下水位随之下降，由于滑坡体内渗透性系数较低，库水位下降速度较地下水位快，地下水位向滑坡体外弯曲，产生对滑坡体稳定性不利的动水压力，随着时间的延续，弯曲趋势逐渐变缓．

图6 孔压等值线云图(175 m) 图7 孔压等值线云图(145 m)

从图6、7可以发现库水从175 m下降到145 m的变化过程中，浸润线形态在滑坡体中逐步变陡，地下水在滑坡体中形成的水头差就越大，从而产生的动水压力就越大，导致稳定性下降，与实际状态相吻合．由图6所示，库水稳定在175 m时，滑坡体孔隙水压力等值线弯曲不明显，说明地下水较稳定，变化不明显，产生的水头差不明显，从而产生的动水压力不明显，滑坡在库水长期稳定不变时，动水压力作用不明显．由图7所示，库水下降到145 m时，滑坡体高程145 m所在区域孔隙水压力变化明显，孔压等值线出现明显的弯曲现象，说明地下水在该区域变化剧烈，地下水从高水头向低水头渗流，孔压等值线弯曲越明显，说明地下水水头差变化就越大，通过渗流力计算：

式中，I为水力梯度，γw为水的重度(kN/m3)．

由于水的重度γw为定值，故动水压力的大小取决于水力梯度的大小；动水压力普遍作用于渗流场中的所有土粒上，它由孔隙水压力转化而来，即渗透水流的外力转化为均匀分布的内力或体积力．水力梯度越大，则动水压力越大．

3.4 滑坡变形数值分析

根据3.1节建立的数值模型，采用3.2节的库水调度工况对滑坡进行数值分析，计算云图如图8～13所示．在库水从175 m消落至145 m时，大量地下水滞留滑坡体中，产生较大动水压力，特别是库水位变化的消落带区域渗流作用明显，通过图8可以发现滑坡体在库水位变化的消落带区域位移最大，极易导致消落带区域的破坏，与实际情况一致．滑坡前缘消落带区域渗流场的变化，导致滑坡前缘应力场的重分布；另一方面地下水长期浸泡滑坡前缘，使岩土体强度降低，使滑带土的软化效应加剧，加上应力场重分布，滑带前部出现应力集中，如图9所示，滑带前部出现塑性应变区，从而使滑坡前缘变形加剧，导致滑坡前缘整体移动．一旦局部区域软化或破坏，必然产生应力释放，应力转移和应力重新分布；软化或破坏的区域直接影响到邻近区域，邻近区域的应力可由原来没有超过岩土体强度值转变为超过岩土体强度值，使该区域发生软化或破坏，如滑坡体上的局部塌陷等；如图10所示，滑坡体局部区域应力释放，把应力转嫁到其他邻近区域，使邻近区域变形加剧，可以发现位移剧烈变化区域逐渐上移，滑坡前缘位移也明显加大，使应力场重新分布，滑带中部出现应力集中，如图11所示，滑带中部出现塑性应变区，滑动面逐渐形成．滑坡的破坏是一个连续变化的过程，渐进连续的破坏导致滑坡失稳，直至滑坡整体失稳破坏，如图12所示，位移剧烈变化区域逐渐上移，滑坡体后缘出现塑性应变区，实际表现为滑坡后缘出现张拉裂缝，如图13所示，滑带土的塑性应变区逐渐增大，逐渐贯通．

图8 位移等值云图 图9 塑性应变等值云图 图10 位移等值云图

图11 塑性应变等值云图 图12 位移等值云图 图13 塑性应变等值云图

3.5 滑坡稳定性数值分析

随着三峡水库的运行，滑坡稳定性受到库水的影响明显，分析滑坡稳定性随库水变化的关系尤为重要，本文通过ABAQUS采用强度折减法计算安全系数，计算出同一工况条件下滑坡冲刷前后安全系数与库水水位随时间变化曲线．

图14描述了安全系数与库水水位随时间变化曲线，对于水库型滑坡，库水变化是影响滑坡稳定性的重要因素，安全系数1分析了滑坡未被冲刷条件下滑坡安全系数随库水位的变化关系；库水位稳定在175 m时，滑坡的安全系数稳定，当库水从175 m降到145 m时，滑坡安全系数也随着下降，安全系数从1.036下降到1.007，可以看出安全系数随库水下降过程中有个滞后的现象，是由于开始库水下降与土体排水处于动态平衡，从而未产生水头差，出现安全系数滞后的现象；随着库水水位下降，地下水大量滞留，动水压力逐步增加，直到达到峰值，达到峰值后又逐步下降，安全系数表现出先快速下降，后逐步放缓的趋势．随着库水水位上升，库水入渗缓慢，库水对滑坡体表面产生静水压力，方向指向坡体向里，有利于滑坡的稳定性，滑坡的安全系数随着库水的上升而上升．

图14 安全系数与库水水位随时间变化曲线

滑坡体经过长期冲刷，土体中小颗粒被冲刷带走，土体的孔隙率逐步增大，土体间的相互作用减弱，使得应力场发生变化，导致土骨架的变形与溃散，往往伴随着崩塌等地质灾害，在库水冲刷与渗透相互作用过程中，库水冲刷滑坡体，带走土体中大量细小颗粒，使得滑坡体的渗透系数上升，渗透作用加剧，渗透作用对土骨架产生动水压力，导致土骨架的变形与溃散，使冲刷作用加剧，库水冲刷和渗透过程是相互影响且相互促进的；在库水冲刷与渗透相互作用过程中，伴随着土体的物理力学性质降低，极易发生局部破坏，溃散的土体被库水带走，长期反复的冲刷作用，带走大量土体，使滑坡前缘的自重减少，加上滑坡前缘土体长期浸泡在水中，软化作用加剧，使得滑坡前缘的支撑作用减弱，稳定性降低，安全系数2分析了滑坡冲刷后滑坡安全系数随库水位的变化关系，对比未被冲刷前滑坡的安全系数随库水位的变化曲线，冲刷后滑坡的安全系数整体有明显下降，下降幅度在0.02，说明冲刷对滑坡稳定性不利，长期冲刷极易导致滑坡失稳破坏．

4 结 论

1)通过有限元分析发现滑坡体的渗流场在库水升降条件下变化显著，特别是库水位从175 m骤降到145 m情况下，滑坡体消落带所在区域孔隙水压力变化明显，孔压等值线出现明显的弯曲现象，说明地下水在该区域变化剧烈，产生的动水压力就越大，对滑坡稳定性影响就越显著．

2)库水升降对滑坡稳定性的影响是多方面共同作用的结果，导致滑坡失稳破坏往往不是一蹴而就的，伴随着长期渐进的破坏；库水型滑坡往往是库水作用导致局部区域的失稳破坏，致使该区域的应力场、渗流场发生变化，导致该区域变形加剧；该区域应力释放、应力转移以及应力重新分布又造成邻近区域的应力场、渗流场的变化，导致邻近区域的变形加剧．这一系列的连锁反应，致使滑带塑性应变区逐渐增大，逐渐贯通．

3)对滑坡稳定性数值分析中，发现动水压力对动水压力型滑坡的稳定性作用明显，尤其是库水骤降条件下，安全系数下降明显；通过安全系数与库水水位随时间变化曲线，发现安全系数随着库水下降而下降，随着库水位上升而上升，安全系数随着库水升降有滞后现象．

4)冲刷对滑坡稳定性的影响显著，消落带经过长期冲刷，大量土体流失，极易导致局部的崩塌，导致滑坡稳定性降低；对滑坡冲刷前后的安全系数与库水水位随时间变化曲线的对比分析中，发现滑坡冲刷后的安全系数比未考虑冲刷时的安全系数下降了0.02，冲刷是一个长期不断的过程，因此考虑冲刷对滑坡稳定性的影响十分重要．

5)随着三峡库区的蓄水，库水作用将长期作用于库区滑坡，尤其是库水位的变化，导致库岸消落带的局部破坏，从而使滑坡的稳定性降低，极易产生重大地质灾害；因此，对库区消落带的治理十分重要．