三峡库区八字门滑坡变形破坏机理分析

熊 珅，易 武，王 力，余 庆，邓永煌

(1.三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002；2.防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002；3.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；4.云南省煤田地质局，云南 昆明 650034；5.宜昌市地质环境监测站，湖北 宜昌 443002)

0 引言

三峡库区的建成与运营，在带来利益的同时也对库区地质环境造成重大影响。库水位周期性的涨落引起渗流场和应力场变化，改变了边坡岩土体的物理力学特性，使得三峡库区消落带岩土体进一步劣化，在外界其他因素的作用下产生新滑坡，促使老滑坡的复活[1]。

三峡库区滑坡较多，肖诗荣等[2]针对三峡库区蓄水以后所发生的150余个特大型滑坡，在分析滑坡致灾成因和作用机理的基础上，提出了库水浮托型、动水压力型、库水软化型三类滑坡。而动水压力型滑坡主要是指对该滑坡稳定性起主导作用的因素是动水压力，而动水压力是由于滑坡体渗透性差，库水下降产生水头差形成指向坡外的水压力。对于动水压力型滑坡的研究，主要从库水、地下水等方面进行研究，甘恩来等[3]通过对上安坪滑坡进行分析，认为三峡库区动水压力型滑坡在库水位升降期间，滑坡的稳定系数都存在着先减小后增大的趋势。王锦国等[4]认为库水位在下降时产生的动水压力为正常时的13倍。向玲等[5]、李永康等[6]分别以三峡库区白家包滑坡和三峡库区树坪滑坡为例进行研究，分析渗流场与滑坡稳定性，他们均认为由于库水位与地下水位变化不同步而产生动水压力，库水位下降过程中，滑坡稳定系数明显减小。库水的涨落引发渗流场的变化主要采用饱和-非饱和渗流理论进行研究，但对其耦合方程的求解不仅复杂而且假设条件较多，数值分析应运而生，廖红建等[7]、张旭[8]结合库水水位下降期间不同渗透系数滑坡体的渗流场进行数值计算，得到库区降水速度、渗透系数与滑坡稳定性之间的变化关系。

滑坡的致灾机理指的是研究其在外作用下的应力应变特性及其变形的内外在联系和规律，诱发滑坡的根本因素及作用的受力特性[9]。认识滑坡的机理，开展滑坡机理研究，这是认识滑坡最基础性的、最根本的。只有充分认识这些，才能对滑坡的稳定性评价以及预测防治等提供最科学的依据[10]。随着滑坡的深入研究，在滑坡破坏机理研究方面的探讨主要包括滑坡变形特征及阶段判断、滑坡破坏类型划分和滑坡诱发因素分析等。晏同珍[11]则根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式概化了8 种机理。

对于三峡库区滑坡的研究，大多数学者对库水、降雨、地下水等条件在单一或组合作用下进行流固耦合、固-液-气三相耦合分析，而对于动水压力型滑坡在库水作用下的多场特征分析较少，因此本文以八字门滑坡为例,结合现场监测资料利用GEO-Studio软件建立模型，用SEEP模块进行渗流分析，基于SEEP的渗流计算在SLOPE模块中节点水头和孔隙水压力计算其边坡稳定系数，最后基于SEEP模块用线弹性模型进行Sigma应力模拟。综合分析滑坡在库水位变动下的渗流场、应力场和位移场，研究其致灾机理，为此类滑坡的变形规律提供一定的参考。

1 八字门滑坡的概况

1.1 基本概况

八字门滑坡位于三峡库区湖北省秭归县归州镇长江左岸支流香溪河右岸河口处。滑坡体整体呈现向东倾斜西高东低的趋势，呈现上陡下缓兼具有三级堆积平台的地貌，平面貌似不规则扇形，剖面形态为阶梯形。滑床剖面整体为下凹型。

滑坡前缘直抵香溪河，剪出口高程65 m，滑坡后缘以基岩为界，高程248 m，两侧边界大致以冲沟分界。表现出上部较窄，宽约100～110 m，下部较宽约350 m，纵长517 m，总面积约1.178×105m2，滑体厚度约为10～50 m，总体积2.35×106m3。详见滑坡地质平面图(图1)。

1.2 物质组成及结构特征

滑坡发育于侏罗系下统香溪组(J1x)地层，处于黄陵背斜西翼与秭归向斜东翼交汇处，同时也是区域活动性断裂仙女山断裂北端尖灭处。主要由中厚层泥质粉砂岩、细砂岩组成，岩层产状倾向295°，倾角26°，属逆向坡。香溪组泥页岩夹煤层，长石石英砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩互层，强度低，遇水易软化，且沿砂泥岩界面常见泥化现象，抗剪强度明显降低。滑带为角砾土，以砂岩、泥岩为主，充填粉质黏土，呈软塑-可塑状，土石比6∶4～5∶5。根据现场勘查绘制了滑坡典型工程地质剖面图(图2)。

图1 滑坡工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of landslide

图2 滑坡剖面图Fig.2 Section of landslide

2 八字门滑坡的变形演化

2.1 宏观变形特征

八字门滑坡于1982年有复活迹象，具体表现为首次出现了4条长约70 m的裂缝。2003年三峡库区蓄水以后到2009年6月份，这个阶段首先是滑坡体公路处出现多条张拉裂缝，接着是由于裂缝的不断产生，部分房屋成为危房。2009年6月到2012年6月库水位下降以后八字门滑坡宏观变形就比较明显，最显著的要数2010年7月产生的变形，八字门滑坡在库水下降以后又加上强降雨的影响，雨水作用在滑坡体的表面，对其进行了冲刷侵蚀，产生了一条较大的裂缝，局部出现了高达一米的下挫，到2011年的时候，变形进一步加大，公路严重变形。到2014年公路已经破败不堪，变形继续，并有局部下滑坍塌现象。

2.2 GPS监测布置

八字门滑坡属于三峡库区二期专业监测灾害点，自2003年以来开始实施专业监测，共12个GPS监测点，目前正常工作有10个GPS变形监测点，滑体外围布设2个基准点。在其中4个GPS监测点处分别布设测斜、滑坡推力、TDR、地下水位监测孔各3个。下图3、图4是1-12监测点GPS监测累积位移随库水位的变化而变化的关系图。

图3 八字门滑坡累积位移与库水位关系曲线Fig.3 Relation curve of cumulative displacement and reservoir water level of Bazimen Landslide

图4 滑坡GPS监测数据与库水位关系曲线图Fig.4 Diagram of landslide GPS monitoring date and reservoir water level

2.3 GPS监测数据分析

图3所示的是监测点GSC1、GSC2、GSC3、GSC4、GSC5、GSC7、GSC8、GSC9累积位移与日降雨量、库水位的关系曲线。由于此8个监测点的初测时间为2013年9月，因此仅能得出2013年9月～2016年12月的累积位移曲线。2016年滑坡累积位移曲线的“阶跃式”增长开始于4月下旬，一直持续至8月下旬，之后变形趋于稳定。

库水位升降对滑坡变形的影响：由图4可知，三峡库区水位的涨落与监测点ZG110、ZG111的位移变化过程有着较好的对应关系：在库水位上升及平稳水位运行期间，滑坡的变形不明显；而在库水位下降期间，滑坡的变形较大，且每次库水位的下降均会引起滑坡累积位移曲线的抬升，2007年～2016年期间共经历了10次抬升，而滑坡累积位移曲线也相应地出现“阶跃式”增长，这表明库水位下降对滑坡的稳定性产生重要影响，滑坡变形与库水位下降存在较大的相关性。具体表现为：每年5～6月，由于库水位的下降，滑坡变形呈突增特征，之后随着库水位趋于稳定，滑坡变形也随之趋于稳定；滑坡变形响应库水位下降呈现出滞后性，库水位下降每年开始于2月下旬，下降过程一直持续至6月中旬，而滑坡变形的剧增表现在每年的5～6月份，滞后于库水位下降一段时间。

由图4可看出，在六月份库水由160 m降至145 m左右，滑坡变形曲线出现突跃，滑坡的月位移量达到最大值，充分表现出“阶跃”的动态响应特征，而在每年的八月至第二年的四月滑坡变形区域平缓。

综合以上分析，八字门滑坡变形受到库水位变化影响，其规律可总结为：当库水位处于快速持续下降时段，将会引诱发滑坡产生加速位移，位移产生时间具滞后效应。

3 不同库水降速下八字门滑坡数值模拟

3.1 基本原理

对于滑体渗流场的变化规律，本文采用基于Geo-Studio的饱和-非饱和渗流场与应力场耦合方法进行计算。滑坡稳定性的变化规律，采用考虑基质吸力影响的Morgenstern-Price 极限平衡法[12]进行计算。最后是在SIGMA/W模块中进行应力应变分析，此模块以SEEP/W模块为基础，运用非饱和土理论和摩尔库伦弹塑性模型进行计算[13]。

在SEEP/W模块中，赋予滑坡边界条件、非饱和渗透函数和水土特征曲线等不同的条件进行计算，分析其渗流场的变化情况和超孔隙水压力的消散状况，其计算基础知识是饱和-非饱和渗流运动规律。下式为饱和—非饱和地下水渗流公式公式[14]：

(1)

其中Kx、Ky——X,Y方向上的渗透系数；

θ——体积含水量；

Q——边界流量；

mω——比水容重；

ρω——水的容重；

t——时间。

初始条件：H(x，y，0)=H0(x，y，0)

H|Γ=H(x,y,t)水头边界条件：

流量边界条件：

在SLOPE/W模块中赋予节点水头和孔隙水压力，计算其在不同工况下边坡的稳定系数的情况，此模块中采用Morgenstern-Price极限平衡法进行滑坡稳定性计算[15]，得出八字门滑坡在不同库水下降速率情况下的稳定状态以及发展趋势。

SIGMA/W模块进行应力应变模拟，本文采用线弹性本构模型，用K值法确定应力，在此模块中应力应变采用增量的形式求解。

3.2 计算模型

选取滑坡主剖面Ⅰ-Ⅰ′剖面为计算剖面，该剖面能反应滑坡的真实情况。计算网格模型节点为8 792，单元数为8 217，网格类型为四边形单元和三角形单元(图5)。

图5 滑坡计算模型图Fig.5 Calculation model of landslide

3.3 计算参数

通过现场原位试验分析得出八字门滑坡渗透系数K=0.009-0.658。非饱和渗流分析需要的参数包括材料初始含水率、饱和含水率、土水特征曲线及非饱和渗透性函数。其具体见图6、图7。

图6 滑体土水特征曲线函数曲线Fig.6 Soil-water characteristic curve of landslide

图7 滑体非饱和渗透系数曲线Fig.7 The unsaturated permeability coefficient curve

综合滑坡现场以及室内试验数据，对其进行参数反演最终确定滑坡体的物理力学参数见表1。

3.4 计算工况

自三峡库区正常运营以后，库水以不同的升降速率在175 m水位与145 m水位之间变动。通过对八字门滑坡的野外调查得知，八字门滑坡上目前基本上没有其他较重的外加荷载，因此假定八字门滑坡模型中的外部荷载为零，其计算工况见表2。

表1 八字门滑坡计算参数

表2 滑坡计算工况

4 计算结果分析

4.1 滑坡稳定性模拟分析

通过上述软件在不同工况下先通过SEEP/W计算出每步的孔隙水压力，得到相应的渗流场，导入SLOPE/W计算出每步的安全系数。本模型在0.6 m/d、0.8 m/d、1.0 m/d以及1.2 m/d的库水位降速下从175 m至145 m水位，在不同的工况下最后计算的稳定系数都不一样，工况1至工况4在145 m时的稳定系数见图8。

图8 不同工况下的滑坡稳定系数变化Fig.8 Landslide stability coefficient under different conditions

由计算结果可以得出：随着库水位的下降，滑坡的稳定系数逐渐减小，不同的库水下降速度滑坡的稳定系数也不一样，库水下降速度越大滑坡的稳定系数减小越快。

八字门滑坡发生失稳的主要原因是因为库水位下降导致，这是直接原因也是外在因素。内在原因是因为八字门滑坡地质地形因素，由于八字门滑坡的滑坡体是第四系松散的堆积岩土体，其结构松散，自稳程度较差，强度低，遇水易软化，且沿砂泥岩界面常见泥化现象，软岩透水性差，为动水压力型滑坡提供先决条件。而库水位下降导致地下水也相应发生变化，产生动水压力，减少浮托作用力。地下水渗流速度滞后于库水下降速度，引发水头差形成动水压力，其方向由内指向外，不利于滑坡的稳定，库水下降速度越大，动水压力越大，滑坡的稳定系数越小。

4.2 滑坡渗流场分析

利用SEEP模块进行模拟，四种工况下地下水位线的变化如图9所示。由于库水从175 m降至159 m过程降速一致，这里不再分析。库水位从159 m降至145 m过程中，由于下降速度不同因此出现浸润线分离现状，库水位下降速度越大浸润线越高。水头变化可看出库水下降速度越大水力坡降越大，与浸润线变化高度吻合。

图9 库水位以不同速率从159 m下降至145 m各工况地下水位线变化Fig.9 Underground water level changes under different water level dropping rate from 159 m to 145 m

由图9可看出，在不同的库水降速下，滑坡体的地下水浸润线呈现倾斜，说明地下水滞后于库水下降，而且降速越大越倾斜，其滞后效应越明显，产生的动水压力也就越大。在库水下降速度不断增大时，渗流作用在增强，但是渗流速率的增长率有减缓趋势，其主要原因在于，当地下水下降速率增大时，形成非饱和区的时间会缩短，在基质吸力的作用下，地下水的渗流作用就会受到抑制，渗流速率的增长率便会逐渐减缓。

库水位从159 m下降至145 m过程中，下降速度大于地下水渗流速度，地下水来不及及时排除，在滑坡体内形成较大的动水压力，形成瞬态渗流场，且库水位下降速度越大，形成的水力坡降越大，产生的动水压力越大。越不利于滑坡的稳定。

4.3 八字门滑坡应力场模拟分析

本模型中应力应变的计算是在渗流模拟的基础上进行分析计算，然后赋予X、X/Y的边界条件。由上文分析得出当库水位下降至145 m时，滑坡稳定性系数最小，因此，将无耦合作用的应力场作为初始应力场与145 m水位应力场进行对比分析。在不同库水位降速下降至145 m时八字门滑坡XY方向的剪应力变化见图10～13。

图10 0.6 m/d降速下至145 m处XY方向剪应力图Fig.10 Shear stress in the direction of XY at a drawdown rate of 0.6 m/d to 145 m of water level

图11 0.8 m/d降速下至145 m XY方向剪应力图Fig.11 Shear stress in the direction of XY at a drawdown rate of 0.8 m/d to 145 m of water level

图12 1.0 m/d降速下至145 m XY方向剪应力图Fig.12 Shear stress in the direction of XY at a drawdown rate of 1.0 m/d to 145 m of water level

图13 1.2 m/d 降速下至145 m XY方向剪应力图Fig.13 Shear stress in the direction of XY at a drawdown rateof 1.2 m/d to 145 m of water level

从图10可以看出：开始在滑坡160 m处滑带附近出现小范围剪应力圈，主要是因为在160 m处下降速率增大，在库水下降速度不断增加的条件下至145 m处，滑带附近剪应力的分布范围不断扩大，剪应力增大。其中滑带部位主要为剪切塑性区，表明主要承受剪应力破坏，后部为拉张应力分布区，主要表现为拉裂破坏。

4.4 滑坡的位移场模拟分析

对此滑坡进行位移场分析，选取库水在1.0 m/d降速下降至145 m时滑坡体内的位移场进行对比分析(图14)。

图14 1.0 m/d库水降速下滑坡位移场变化图Fig.14 The slope displacement field variation under the falling velocity of the water level of 1.0 m/d

以1.0 m/d库水下降速率为例，由模拟结果可以得出，在开始时随着库水的下降，在滑坡后缘滑带附近出现小范围的位移，至159 m处时，库水下降速度出现陡增，从图14中可以看出在滑带附近出现明显的位移，库水的不断下降，滑坡前缘出现较大位移，并与后缘逐渐连成一片，滑坡失稳。

为研究在不同库水降速下滑坡同一位置处滑坡竖向位移变化情况，以滑坡前缘某点为例，其模拟结果如图15所示。

图15 不同库水降速下至145 m滑坡前缘不同深度处XY方向位移Fig.15 Displacement in the direction of XY at different depths of the leading edge of the landslide from different reservoir water level dropping rate to 145 m

根据图15的模拟结果，在不同库水下降速率条件下，滑坡前缘不同深度处位移呈现先减小后增大的趋势，主要是由于滑体表面在库水的作用下效果较为明显，距滑坡表面越深作用逐渐较小，但是在滑带处因为滑带土的强度较弱，因此受渗流场的影响位移较大，因此出现先减小后增大的现象。

5 基于多场特征分析的动水压力型滑坡致灾机理分析

在不同库水下降速度下，滑坡的渗流场、应力场与位移场也在不断变化，综合其多场可以看出：滑坡体内的渗流场、应力场与位移场高度吻合，即库水下降速度越快滑坡体内地下水流速矢量和位移矢量绝对值均变大。根据前面滑坡稳定性计算结果可知，滑带在库水作用下，摩擦阻力减小，滑带处剪应力出现应力集中且剪应力不断增大。在库水的作用下滑坡表面出现较大位移，在渗流场的作用下滑带处位移增大，滑坡的安全系数不断减小。库水与地下水的作用下形成层状应力带，从滑坡的位移场和剪应力场可以看出滑坡的变形是逐渐变化的，是库水与渗流作用下产生蠕变的结果，在应力带的作用下将可能会产生新的滑带。

根据其受力特征该滑坡属于牵引式滑坡。在库水位下降过程中其力学作用机理主要表现为：首先在库水骤降前，由于水的浮托力作用，使得岸边坡的岩土体形成稳定的状态，特别是那些悬挑或者临空的岩土体，由于库水的浮托力而趋于稳定，一旦这个浮托力突然撤走或减小，则滑体的重度增加其下滑力增大，滑坡就很容易失稳。其次，在骤降之前，库水与滑体地下水处于稳定状态，由于库水位骤降作用以及滑体具有滞后性，所以滑体内的地下水来不及下降与库水保持一致，因此会产生水头差，形成较大的动水压力，而来不及及时排除的水又在岩土体内形成静水压力。不利于滑坡的稳定性。

非饱和土基质吸力改变。对于涉水滑坡，一般都会有饱和段和非饱和段，主要是由于库水和地下水的影响，一般位于库水以下的属于饱和段，而位于库水位以上的处于非饱和状态。而非基质吸力主要存在于非饱和土中，饱和土中没有基质吸力。但是通过许多试验研究分析，非基质吸力主要的影响因素是岩土体的含水量以及渗透性，当岩土体中含水量增大时，基质吸力就会减小，而基质吸力能增强滑体的抗剪强度，当库水入渗时，滑坡岩土体的含水量增大，非基质吸力就会减小从而其抗剪强度就会减小，而达到饱和时非基质吸力就消失了。渗流场的变化主要是由于库水变化产生动水压力以及引起孔隙水压力发生变化，滑坡体有效应力和渗流力进一步产生变化，同时会使岩土体的应力状态发生变化，即产生耦合作用。

6 结论

本文选取三峡库区典型动水压力型滑坡八字门滑坡为案例，根据该滑坡监测资料分析其宏观变化，利用Geo-Studio软件进行数值模拟，揭示了动水压力型滑坡的变形机理，主要研究成果如下：

(1)八字门滑坡表层岩土体松散多孔渗透性良好遇水易软化，库水入渗出现泥化现象，导致滑坡体的渗透性骤减。而在浅层土以下的土中含黏性土较多，土质结果比较密实，软岩透水性差，为动水压力的形成创造了良好的条件。

(2)动水压力型滑坡主要是由于地下水下降速率滞后于库水下降速率产生指向滑坡外的动水压力，其稳定系数随着库水的下降而减小，库水下降速率越大滑坡稳定系数减小越快，滑坡越不稳定。在库水下降速率不断增大时，渗流作用在增强，但是渗流速率的增长率有减缓趋势。

(3)在不同的库水下降速率下，动水压力型滑坡的渗流场、应力场和位移场具有较高的吻合度，滑带处受渗流场的影响，剪应力增大，位移增大。对于土质滑坡，在库水周期性作用下，滑坡体产生蠕变，形成塑性变形区，这种引起滑体土产生蠕变的破坏力因滑体深度不同而不同，逐渐出现应力带，更有可能产生新的滑带，形成次级滑坡。