滑坡对库水位变动变形响应分析——以三峡库区巫山曹家沱滑坡为例

2019-05-08朱冬雪

水利规划与设计 2019年4期

朱冬雪

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川成都 610059)

工程建设中大量的水利工程会影响周遭的生态环境，使其变得脆弱、敏感，极易诱发地质灾害。意大利瓦伊昂水库1963年南坡在强降雨后，产生2.7亿m3的滑坡体涌入库中；1996年湖南拓溪水电站产生160余万m3滑坡，直接摧毁水坝；2003年三峡秭归县发生蓄水以来的第一个涉水滑坡，造成20多人死亡。库水位的变化将对库岸滑坡的稳定性产生影响。韩东海[1]利用GeoStudio软件模拟库水位波动对石佛寺水库滑坡渗流场及稳定性的影响，发现滑坡变形主要集中于库水降落时期；何善国[2]基于Bishop法对快林水库土坝内坡稳定性计算得出，当坝体渗透系数k<1×10-5cm/s时，库水位骤降会引起稳定系数的持续降低，但无最不利水位。此外不少学者根据诸如位移、水位等来监测库水位作用下的滑坡变形情况[3- 9]，并结合数值模拟方法来解释变形原因并预测，如王鲁男[10]等通过改进的加卸载模型预测滑坡位移量与水位升降关系，刘磊等[11]采用Boussinesq方法求解潜水非稳定运动状态方程，并结合不同降雨强度等来计算区域滑坡的稳定性。综上，库水位变动对水库滑坡的发育有着不可忽视的作用。

本文以三峡库区巫山曹家沱滑坡为例，结合现场变形监测数据与Geostudio软件相关模块，分析库水位变动与滑坡变形的响应规律，并进一步预测滑坡变形趋势。

1 滑坡概况

1.1 形态及规模

曹家沱滑坡位于长江左岸(如图1所示)，平面形态呈簸箕形。其变形破坏模式属于牵引式复合型滑坡。滑坡两侧边界为左右冲沟，滑坡后缘边界形态不明显，前缘陡坎发育，剪出口位于长江蓄水位以下，滑体上发育4条槽型或U型大冲沟直达滑体后缘，其中罗家沟长500m以上，宽达30～50m，深25～30m，深切至基岩。通过现场工程地质调查，滑坡主要沿着基覆界面产生滑动变形，滑坡前缘坡脚高程为125m，滑坡高差约为150m。滑坡体向长江方向产生滑动，滑动方向为187°，滑坡长约900m，宽约500m，滑体厚度约为25m，根据滑坡规模划分属于中厚层特大型土质滑坡。

图1 滑坡全貌

1.2 工程地质条件

滑体为第四系堆积体，由粉质黏性土夹块碎石土组成，块碎石主要为泥灰岩和泥岩，土石比为1∶1。

罗家沟西侧冲沟以西部分主要为散体结构，密实，有一度的胶结程度；以东部分则表层为耕植土，主要为碎裂结构。滑带位于22～26m。滑带物质为灰绿色含角砾粉质粘土，可塑，含量60%～70%。角砾由含泥质灰岩组成，中等风化，次棱角状，粒径多为2～5mm，含量30%～40%。基岩滑床为三叠系薄层状灰岩，总体向南南东方向缓倾，倾角15°～20°，层面为该滑坡的主要控制面。

1.3 岩体渗透性研究

滑体渗透性强弱往往影响着其对水的敏感程度。此滑坡一方面受降雨入渗影响，另一方面受库水位升降影响。为查明滑坡土体的渗透性质及系数，采用试坑法进行了现场渗透试验，典型试坑水文地质剖面如图2所示。试坑法即在拟定的土层中开挖30～50cm深的平底坑，坑底铺2～3cm厚的反滤粗砂，然后向坑内注水，并使试坑内的水层自始至终保持在10cm的高度，观测注入水量直至稳定。这个方法适用于测定毛细水压力影响不大的粉质黏土和粉砂类土等，黏土类所测定的渗透系数则偏高。滑体的毛细水压力一般较小，适用于该方法。

图2 试坑剖面图

在曹家沱滑坡前缘水位变动带处3个不同地方进行了试坑试验，得到了渗流曲线图，如图3所示。滑体在不同水位变动带呈现出不同的渗透特性，从后往前渗透系数依次从1.51m/d，降低为1.31m/d、1.05m/d。可见前缘受库水影响，细颗粒迁移至前端，加之后端坡体的重力挤压，造成库水位变动带附近滑体渗透系数逐渐降低。

图3 渗流曲线图

2 滑坡蓄水前后变形迹象分析

2.1 宏观现象分析

蓄水前，滑坡受降雨影响致使中后部的学校产生弧形张拉裂缝，走向为30°～50°；而在2003年9月初期蓄水后，滑坡中后部出现拉张裂缝，走向150°，贯穿学校及前部的民房，如图4所示。156m蓄水时期，滑体无明显变形；但在175m实验性蓄水后，其前缘局部出现小型塌岸，如图5所示。

图4 滑坡中部房屋纵向裂缝

图5 前缘小型塌岸

2.2 变形监测分析

《三峡库区巫山县二地质灾害预警工程专业监测》相关监测数据显示，曹家沱滑坡的专业监测手段包括8个GPS变形监测点(WS46—WS49、WS51、WS52、WS54、WS55)、6个倾斜孔(QZK1—QZK6)、2个推力孔(TZK1、TZK2)、2个水文孔，同时在滑坡体外稳定岩层上布置GPS基准点2个(WS50、WS53)，如图6所示。

从2005—2014年近10年的监测数据曲线(如图7所示)分析得出：单就变形量级分析，滑坡中部右侧边界附近变形最大，前缘较后缘变形大，监测点WS47最大变形量约80mm。以监测频率每月1次来看，这一变形量处于GPS监测误差范围附近。从变形趋势来分析，监测点WS46、WS47在2011年10月累计位移有陡增趋势，而后位移分别在80mm、50mm大小波动，表明蓄水后通过多年小变形的应力调整，滑坡整体稳定性有所提高，近年来累计位移逐渐趋于稳定。

图7 滑坡各点GPS监测结果

图6 滑坡监测平面布置图

综上，可见滑坡中部右侧边界附近变形最大，前缘较后缘变形大。表明滑坡主要还是以局部变形为主，这与局部地形地貌差异有关；库水位只能影响滑坡前缘局部地区。此外，滑坡体累计位移常年未出现较大波动，表明该滑坡受降雨的影响也较小。滑坡在库水位升降、河水涌浪冲刷等作用下，前缘变形最大，形成小型塌岸，并逐渐往滑坡后部发育，呈现出渐进后退式(牵引式)的变形模式。预测在加大库水位下降速率下，前缘局部会产生一定变形和小范围塌岸。

3 水位变动引起滑坡变形机理分析

3.1 模型建立及参数取值

选取了大溪乡曹家沱滑坡典型纵剖面1-1′，根据前期资料和水文资料，确定滑动带的位置和地下水位情况，建立滑坡计算模型，如图8所示。参数取值见表1。

图8 计算模型

参数部位容重/(kN/m3)弹性模量/kPa黏聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比饱和体积含水率饱和渗透性系数/(m/d)滑体208000020180.30.231.29滑床252e+072000300.180.180.01

3.2 计算工况

工况一：库水位从175m回落到145m再升至175m，0.6m/d。

工况二：库水位从175m回落到145m再升至175m，0.6m/d+50年一遇3日暴雨。

3.3 计算结果

库水位对滑坡稳定性有一定影响(如图9、图10所示)。库水位下降过程中滑坡的稳定性系数呈现出整体下降趋势，其中库水位从159m下降至145m段的稳定性系数下降速度比水位从175m下降至159m大；当库水位保持在145m时，滑坡稳定性逐渐提高；当水位保持在175m时，滑坡的稳定性系数逐渐下降。

持续三日降雨对滑坡也有一定的影响，使得滑坡的稳定性系数降低。从图9中可以看出，在出现降雨的情况下滑坡稳定性会降低，以工况一和工况二为例，天然工况下库水位从175m下降到145m时稳定性系数最低，为1.104，而降雨工况下从175m降到145m时稳定性系数下降至1.098。滑坡稳定性响应较降雨时间有一定的滞后。