库水位变化下滑坡渗流机制与稳定性分析

陈忠润 王邦林

【摘 要】我国大型滑坡发生的岩土介质主要有岩质滑坡、土层滑坡和松散堆积层滑坡。同时，滑坡也包含崩、滑堆积体和处于稳定状态的崩、滑堆积体，以及正在变形中的边坡。大量水庫滑坡都与库水位变化有关。本文分析了库水位变化下滑坡渗流机制与稳定性。

【关键词】库水位变化；下滑坡；渗流机制；稳定性

1、库水位变化下滑坡稳定性分析

1.1边界条件

根据水文地质条件确定模型的边界条件，假定滑体与基岩均为均质材料，滑坡模型x向横长600m，y向纵高500m，底端施加固定约束，左右两端施加法向约束。

（1）上下边界：上表面为自由渗透边界，下底面为不透水边界。

（2）左右边界：水位以上两侧边界为零流量边界，水位以下为给定水头边界，大小为该处位置水头。其中，左边界的水头高度为初始地下水水位高度，右边界的初始水位与实际水位之间为库水位变水头边界，初始水头145m，分析稳态渗流作用，渗流结果作为库水位变化过程中暂态分析的初始条件。即计算时以蓄水前坡体天然状态为初始条件，蓄水期库水位作为边界条件施加在坡面上。

某斜坡体前缘为长江，岩土界面倾角陡，斜坡规模为千万方量级，系特大型坡体，分析取典型二维G3–3剖面。计算工况为：（1）静水位：自重+地表荷载+水库水位（145，175m）+20年一遇暴雨；（2）动水位：自重+地表荷载+水库水位在145～175m范围升降+20年一遇暴雨。

采用位移收敛准则，容许限值为1×10-5m，材料分滑床和滑体，为 Mohr-Coulomb 理想弹塑性材料，二维模型网格划分成四边形和三角形单元，基岩划分尺寸取4m，滑面处细化处理，共10107个节点，10015 个单元。坡体在静水位下处于稳定状态，在库水位动态变化过程中处于欠稳定状态，水位由175m降至145 m时，稳定性达到最低，为最危险工况，同时也表明最危险水力条件是库水位下降，而并非库水位上升或最高库水位。建立库水位由 175 m 降至145 m边坡模型，并计算出的稳定性，结果F=0.968，即在水库运营、降雨等因素引起的库水位升降时，边坡可能发生滑动，需要进行治理。我们可以看出，地下水位线均随着库水的下降而下降，库水渗出坡体，形成向坡体外的动水压力作用，滑坡体内地下水位线的下降滞后于库水位的下降，并存在内外水头差，地下水位线普遍呈现上凸趋势。

2、渗流滑坡机制

2.1水位上升阶段

库水位上升时，坡体内浸润线上升，浸润线以下饱和区域增大，浸润线以上非饱和区域减小。水分在非饱和土中受土壤吸力控制，由吸力低处向吸力高处运动，即水由饱和区穿过浸润线进入非饱和区，与此同时浸润线也在不断抬升，使非饱和土体积含水量增加，基质吸力（即负孔隙水压力）逐渐丧失，达到饱和时，基质吸力为0，此时的渗透系数变为饱和渗透系数。基质吸力的分布特征导致了坡体由上往下强度的逐层弱化。水位上升对滑坡的影响具体可分为两方面考虑：

（1）坡体内的水位上升会滞后于库水位，出现水位差，水向坡体内入渗，产生沿坡内方向的动水渗透压力和空隙静水压力，当升至175m后，仍有施加坡体的静水压力作用，且前缘为下滑段，水下部分受到水的浮力作用，使下滑力减小，这些均是对滑坡稳定的有利影响。

（2）水向堆积体内入渗，土颗粒间的胶结物质被溶解使土体黏聚力降低，土粒间的润滑作用增强使内摩擦角减小，即水通过物理的化学的作用使土的抗剪强度降低了，与基岩接触处（滑面）有效应力减小，抗滑阻力降低，成为对滑坡的不利影响。不利因素的影响大于有利因素，所以蓄水过程中，坡体整体稳定性是下降的。

2.2水位下降阶段

库水从最高峰消落时，由于土体的持水性，使浸润线的下降滞后于库水位，造成孔隙水压力的梯度变化较大，坡体内具有较高的孔隙水压（超孔隙水压力）且不能及时消散，形成非稳态渗流场，对周围土体骨架产生向临空面及向下的渗流动水压力（动态扩张力），同时由水头差产生的静水压力相当于对前缘施加了一个推力。运动着的地下水“拖拽”土体或土粒向渗流方向前进，并软化土体，此时渗透力占主导，大于浮力作用，且在饱和区、非饱和区均存在渗流，随后滑体孔隙水压力逐渐消散，土体由饱和变为非饱和状态，浸润面下降达到稳定，形成稳态渗流场。在坡表，除了降雨可能产生径流冲刷土体外，库水下降产生黏滞力向下牵引带动坡面土体，对前缘坡体进行侵蚀、浸泡、掏空，反复循环作用下，逐渐促进前缘蠕滑、溶蚀、解体。

2.3滑坡机制

天然的坡体会在形成过程中由于整体的卸荷回弹变形，在坡顶形成拉张应力区，出现风化裂隙、溶蚀裂隙，某坡体为堆积层滑坡体，土石混合体松散堆积于基岩面之上，压实度低、孔隙比大、孔隙分布多、透水性强、易变形，下覆基岩为灰岩、泥灰岩，为弱透水层，同时，库区受大气降水补给引起水位的改变。降雨入渗弱化了岩土体结构与强度参数c，增大了土体体积含水率和坡体重度，以及水在坡体内运移产生的渗流力（动水压力作用）和黏土侵蚀软化引起的膨胀，均使下滑力增大；上层滞水及地下水向下渗流汇聚为滑体下基岩承压含水层，在基岩与堆积层间形成层状含水体或统一的潜水面，润滑软化坡体且产生浮托作用，通过土骨架起作用的有效应力减小了，摩阻力变小，导致抗滑力减小；地下水与雨水挤入张性裂隙，使水压力增大形成高压水流，促进裂隙张大，相当于对前面堆积层土体施加一个推力，同时裂缝受到较大的侧向压力，拉裂向坡内扩展或产生新裂隙继续发育，结构面及节理裂隙处的岩土体泥化膨胀，并在软弱处产生一个剪应力使破坏面逐渐贯通，进一步加剧堆积体的变形和位移；中部坡体承受上部坡体的变形挤压作用而逐渐积累应力和应变能，对上部坡体的阻挡作用也越来越弱，同时推动下部坡体，产生挤压变形，发生累进性破坏；堆积体本身是一种亚稳定结构的土体，具有沿基岩面滑移的潜势，其潜在滑移面会通过处于地下水位线以上的具有负孔隙水压力的非饱和土，当剪应力超过其抗剪强度时即沿软弱面滑出，发生滑坡。

3、结论

（1）水对边坡产生机械的、物理的、化学的相互作用，使土体性质劣化，与土体间发生的相互作用，也不断改变双方的力学形态和特性，因此必须考虑水土相互作用。水在坡体中起到了顶托、楔裂、促动的作用，坡顶张拉裂隙积水对维持坡体稳定不利，裂隙发育，是主要构造作用因素；结构面破坏，是变形的主要影响因素；破坏结构面累进贯通形成滑移面是滑坡的直接因素。

（2）基岩稳固，整体稳定性的核心在于上覆堆积层坡体，滑坡的作用影响因素为动水压力，库水作用下存在一个最危险水力条件即从175m降至145m，前缘存在库水循环涨落的侵蚀掏空，中缘浅部可能存在二级滑面，沿中缘出露口部分剪出，中后缘为控制滑坡整体稳定性的关键。

（3）揭示了孔隙水压力差的不断变化直至减弱消散以及浸润线滞后库水的时间效应，水分在坡体内运移渗流与土体变形相互影响作用的空间效应，详细阐释了库水作用下的渗流滑坡内在作用机制。

【参考文献】

[1]李纪伟，汪华斌，张玲.非饱和土应力场与渗流场耦合一维解析求解与参数分析[J].水文地质工程地质，2014，41（4）：57–61.