三峡库区秭归县龙王庙滑坡稳定性评价及变形机理分析

杨 鹏 侯珍珠 王梓帆 夏 宇 肖诗荣

(三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002)

我国长江三峡地区在复杂的地质作用下，形成许多滑坡，自三峡库区蓄水以来，加剧滑坡的形成，例如2003年7月13日湖北省秭归县沙镇溪镇诱发的千将坪滑坡[1]．由于库水位的升降以及降雨引发的滑坡成为三峡库区主要的地质灾害，众多学者对此类滑坡有着广泛的关注．时卫民等在得出浸润线简化计算公式的基础上分析了库水下降速度、下降高度以及坡体的渗透系数等因素对坡体稳定系数的影响[2]，郑颖人等研究了水位下降时坡体内浸润面位置解析解与数值解的对比分析[3]，何忠泽等重点研究了地下水是如何影响水库滑坡[4]，易伍、张国栋等人分析库水位在下降时对弱渗透性滑坡的作用机理[5]，肖诗荣等人基于库水位将库水位复活型滑坡进行分类[6]，周雪峰等人重点研究降雨入渗对滑坡体抗滑力的影响机制[7]．秭归县龙王庙滑坡是典型的水库诱发滑坡[8]，在三峡水库初期蓄水及正常运行各阶段都有变形响应，均产生了一定程度的变形及局部破坏．本文对龙王庙滑坡在库水位耦合降雨作用下的变形过程及机理进行分析，对水库滑坡的预测防治有一定的学术和工程意义．

1 滑坡工程地质概况

龙王庙滑坡位于龙王庙东侧韩家岭斜坡地带，平面形态为长舌形．其东西向长度200 m，南北向宽度500 m，平均厚度20 m，滑体体积2×106m3．滑坡后缘高程277 m，前缘抵龙潭河，高程150 m，西侧以冲沟为界，东侧至冲沟、花梨堡一线，整体坡度20°．

滑坡物质主要由块石、碎石土组成，块石成分后缘以灰岩为主，前缘以砂岩为主，块径一般为0.5 m，块石占滑坡总量30%，碎石土土石比7∶3，碎石粒径一般为2～8 cm．中部有少量软弱夹层，主要为粉质黏土．基岩地层为侏罗纪砂泥岩互层，岩层产状：倾向295～350°，倾角28～45°，上陡下缓，总体为横向坡．滑坡边界清楚，后缘为陡坡，两侧为冲沟切割，前缘沟坎临空，滑带位于岩土界面，为粉质黏土夹碎石．如图1～2所示．

图1 龙王庙滑坡平面示意图

图2 龙王庙滑坡1-1地质剖面示意图(附变形信息)

2 滑坡变形特征及形成机制

2.1 滑坡变形特征

2005年156 m蓄水，前缘发生局部坍塌，加上雨季，房屋普遍出现拉裂，农田向西南方向坍塌；2008年库水位上升，整体变形变化不大，滑坡体后缘出现微裂缝；2010年库水位稳定在175 m时期，房屋较往年变形加剧，最宽裂缝达3 cm；2010年库水位下降时期且正值雨季，东侧200 m高程地段出现东北向拉裂缝，长近100 m，最宽处达20 cm，前缘农田多处坍塌．从变形部位看，滑坡变形位移量前缘比后缘大．

从滑坡变形与水库蓄水及降雨的相关性分析，库水位初期蓄水、库水位下降及降雨对滑坡变形影响较大．

2.2 滑坡影响因素及形成机制

滑坡影响因素：滑坡区地层主要为砂泥岩互层，而泥岩为易滑地层，滑坡岩层上陡下缓，而且龙王庙滑坡紧挨仙女山断裂，易于形成层间错动带，坡体易产生崩滑变形破坏．这是影响滑坡稳定性的内因．

龙王庙滑坡前缘抵达龙潭河，为长江的一条支流，水库蓄水成为促进滑坡形成以及变形的重要原因．由变形资料分析可知，降雨和蓄水进一步降低斜坡整体稳定性，促使斜坡局部崩塌及整体变形，库水位下降和降雨是导致滑坡复活的主要诱因．

滑坡形成：滑坡体岩层上陡下缓，上方坡度40°左右，下方坡度20°左右，上部坡度比下部坡度陡一倍多，有利于形成不稳定的边坡，由于前缘受长江支流的下切作用，前缘有高达1 m以上的有效临空面，前缘直达长江支流龙潭河．龙王庙紧挨仙女山断裂，在长期内外力地质作用下，形成了不稳定的靠椅状含软弱夹层的岸坡结构，构成了潜在的滑坡地质模型．潜在滑坡前缘为阻滑段，后缘为滑移段，于是在水库蓄水前，前缘的阻滑段的阻滑力大于后缘滑移段的下滑力，滑坡体稳定．滑坡体由于重力作用下，滑移段发生蠕滑．

滑坡诱发变形过程：库水位在2005年开始156 m蓄水后，前缘的阻滑段基本浸泡在地下水中，库水的浸泡软化滑坡体前缘的滑带土，阻滑力减小，下滑力增大，滑坡失去平衡，开始变形．另一方面，库水蓄水后，由水库蓄水产生的库水渗透岸坡，使阻滑段的水位急剧上升，增加滑坡体的浮托力，降低滑坡体的阻滑力．水库蓄水后，前缘阻滑段抗剪强度降低，前缘发生剪切破坏，导致前缘有局部坍塌，后缘拉应力相对增大，发生拉张破坏，产生拉张裂缝．

3 滑坡变形数值模拟

3.1 有限元网格计算模型

图3 龙王庙滑坡1-1′剖面有限元网格计算模型

计算模型长420 m，高280 m，整个模型滑体部分被剖分为89个三角形单元，滑床部分被剖分为386个四边形单元，共计915个节点．

3.2 边界约束条件及荷载的设置

对模型边界条件以及荷载(包括自重、库水压力及降雨荷载)的设置如下：

(1)位移边界条件：底部边界水平、垂直方向均无位移，左右两侧水平方向无位移；

(2)渗流初始边界条件：采用分布函数10×(y1-y)(y1为库水位高程，y为结点的纵坐标)，对结点施加孔压，并设置初始孔隙比和饱和度均为1.0．

3.3 参数的选取

根据室内试验、工程勘察资料等，龙王庙滑坡计算参数见表1．

表1 龙王庙滑坡有限元计算物理力学参数表

3.4 计算工况的选取

龙王庙滑坡从2005年10月底开始启动变形至2010年6～8月变形速率加快，历经了多次水位涨落与降雨的共同作用．根据三峡水库的实际蓄水调度以及湖北省秭归县降雨情况，选取以下4个典型的计算工况．

工况1：自重+156 m静水位．

工况2：自重+156 m升至175 m(库水位由156 m以0.5 m/d的速率升至175 m)．

工况3：自重+175 m静水位．

工况4： 自重+175 m降至145 m水位+10年一遇降雨强度125.56 mm(库水位先由175 m以0.2 m/d的速率降至160 m再以1.0 m/d降至145 m)．

3.5 计算结果分析

1)渗流场

图4为龙王庙滑坡各工况下的孔隙水压云图．图4(a)模拟的是三峡库区156 m蓄水，2005年龙王庙滑坡处于低水位稳态时的渗流场，本阶段计算共8 d．图4(b)模拟的是龙王庙滑坡处于库水位从156 m上升到175 m的渗流场情况，库水上升平均速率0.5 m/d，历时38 d．对比156 m稳态时的孔隙水压云图，当库水位上升时靠近前缘的浸润线表现为向滑坡体内弯曲，产生的渗透压力对滑坡有利，而在156 m稳态时表现为浸润线基本平行，究其缘因，在156 m稳态时，库水对滑坡渗流场影响较小，而当库水位上升时，滑坡体内水位相比库水位上升有一定的滞后，产生指向滑坡体内的渗透压力，对滑坡体变形有利．图4(c)模拟的是175 m稳态时的孔隙水压云图，浸润线基本上平行．图4(d)为模拟库水位先由175 m以0.2 m/d的速率降至160 m再以1.0 m/d降至145 m时的渗流场，此时表现为浸润线向坡外弯曲，由于地下水位滞后于库水位的下降速率，产生较大的指向坡外的动水压力，故在2010年库水位下降及其一定的滞后时期，滑坡体前缘及中部变形加剧．

图4 孔隙水压云图

2)位移场

图5为龙王庙滑坡各工况下典型变形剖面的合位移云图．总体上分析可知，龙王庙滑坡变形主要集中在中前部，后缘有微小变形，位移等值线在前部较中后部密集，且从坡外到坡内位移逐渐减少．图5(a)为156 m蓄水时位移云图，由于156 m蓄水前缘仅有部分滑体浸泡在库水位下，可以直观的看出变形主要发生在滑坡体前缘，最大位移量0.181 1 m，中后部仅有微小变形，主要为宽约1.5 cm的微裂缝，与监测资料中2005年156 m蓄水开始，前缘发生局部坍塌，滑坡体中后部出现微裂缝大致相符．图5(b)中位移云图与5(a)相比整体变化不大，但是深部的裂缝从宽1.5 cm渐变为1.17 cm左右，这说明在库水位上升工况下，由于滑坡体内的地下水位来不及随库水上升，库水形成指向坡内的动水压力，增大了坡体内的阻滑力，抑制了变形发展，对滑坡稳定有利．图5(c)中，龙王庙滑坡在175 m高水位运作一段时间，位移变形与库水位上升时工况相比，位移变形主要发生在中前部，在位移量的数值上，滑坡体表面变化不大，有一定的微裂缝产生．而在图5(d)中库水位骤降下，滑坡体位移云图中位移向滑坡中后部发展，此时滑坡体位移达到最大值，坡体前缘最大位移量值由刚开始的0.181 1 m发展为0.236 7 m，由于在库水位骤降条件下形成指向坡外的动水压力，导致前缘变形加剧，产生塌岸，后缘裂缝加宽．与实际监测时的变形迹象大致相符，监测资料显示2010库水位下降阶段前缘变形加剧，且变形向中后部移动．

图5 位移等值线图

3)应力场

图6为龙王庙滑坡各工况下的最大主应力云图．从图6(a)中可以看出，由于滑体和滑床受到自重应力场以及库水浮托力作用的影响，坡体内部基本以压应力为主，等值线值呈平行状．从图6(a)～(d)可以看到，坡体的后缘未出现拉应力，仅在坡体的中前部表层表现拉应力，其最大值达86.10 kPa．这说明坡体前缘受拉，发生拉张变形，正好符合坡体的中前部产生拉裂缝及塌岸变形的变形特征．分析其原因，前缘坡体变形受库水位浸泡软化变形塌岸，前缘发生拉张变形牵引中后部坡体产生裂缝，同时暴雨通过地表裂缝深入滑体内，产生渗透力，加剧了坡体变形．

图6 最大主应力云图

4)塑性区

图7为龙王庙滑坡各工况下的塑性区分布图．在工况一初始条件下，塑性区仅在滑坡体前缘显现，且其范围较小，不是很明显．从图7(b)～(d)可以看到从工况二开始滑坡体的前缘塑性区向滑坡体中部逐渐发展，但最后塑性区并没有贯通，也符合滑坡体整体基本稳定的态势，只有局部坍塌以及中后部局部拉裂变形．

图7 塑性区分布图

4 滑坡变形机理综合分析及稳定性预测

在地质分析的基础上，通过对代表剖面1-1′用ABAQUS计算软件进行模拟计算分析，分析模拟滑坡在各工况条件下的渗流场、位移场、应力场、塑性区．

位移及变形特征表明，龙王庙滑坡受库水及降雨的联合作用而发生位移变形，首次库水高水位蓄水运行启动滑坡变形，变形量最大、位移速度最快发生在库水下降的中后期及下降后的稳定时期(具有一定的滞后性)．龙王庙滑坡变形机制为蠕滑-拉裂型，成因上属于动水压力型滑坡．在库水反复上升下降和降雨联合作用下，滑坡前缘受库水浸泡发生变形滑移，牵引坡体中后部拉张变形，滑带塑性区逐渐由前缘向后缘发展．

稳定性预测评价：在库水和降雨的反复作用下，龙王庙滑坡前缘将不断塌岸，滑带塑性区将逐渐由前缘向后缘发展直至贯通，滑坡最终将解体、下滑．

5 结 论

1)龙王庙滑坡自2005年三峡水库156 m蓄水诱发变形以来，一直处于动态变形过程中，属于典型的水库型滑坡．

2)龙王庙滑坡受库水及降雨的联合作用而发生位移变形．首次库水高水位蓄水运行启动滑坡变形，变形量最大、位移速度最快发生在库水下降的中后期及下降后的稳定时期(具有一定的滞后性)．

3)龙王庙滑坡变形机制为蠕滑-拉裂型，成因上属于动水压力型滑坡．

4)龙王庙滑坡稳定性预测分析结果表明，在库水和降雨的反复作用下，龙王庙滑坡前缘将不断塌岸，滑带塑性区将逐渐由前缘向后缘发展直至贯通，滑坡最终将解体、下滑．