三峡水库蓄水条件下树坪滑坡稳定性影响分析

张巷生，卢书强，刘 欣，梁 卫

(1.湖北省水电工程智能视觉监测重点实验室，湖北 宜昌 443002； 2.湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002；3.中科华水工程管理有限公司，河南 郑州 450000)

树坪滑坡是三峡库区地质灾害专业监测点。自2003年6月三峡水库开始蓄水以来，滑坡一直变形不止；2010年10月当三峡水库水位达到175 m后，滑坡变形加剧，2012年6月变形再次加剧，最大变形速率超过15mm/d[1- 2]。由于树坪滑坡规模巨大，对其进行彻底根治难度极大，2013年汛期即将来临，对滑坡实施应急治理，主要是通过削方减载，反压坡脚提高滑坡的稳定性，降低产生突发性整体变形破坏的风险性，尽可能减轻滑坡造成的危害[3- 4]，2015年滑坡治理工程主体完工。

本文主要通过Geo-studio分析树坪滑坡在一个正常水文年175～145m范围内波动下的稳定性及其渗流场特征，找到控制其变形的作用机制，辅以监测措施对应急治理工程进行效果检验并进行监测预警。为类似涉水滑坡在库水位变化作用下的变形机制找到规律及相关工程治理提供参考和依据。

1 工程概况

树坪滑坡，位于三峡库区长江干流右岸，隶属秭归县沙镇溪镇树坪村，距下游三峡大坝约45km。滑面陡缓交错，后缘高程约为470m，平面总面积为52×104m2，体积约为2210×104m3，滑坡体厚度分布不均匀，后缘地势高，厚度较薄为2～3m，前缘较平坦，其中最大厚度为54m。

滑坡体上部和中下部分布多个滑坡平台，前缘175m水位线地形较陡。滑坡东侧边界有一处冲沟，冲沟上部沟形不明显，自高程280m以下沟形逐渐清晰，切割深度5～10m。滑坡中部横向最大宽约60m，西侧边界处的龙井沟从上到下断面逐渐增大，切割深度2～14m。主要出露基岩为三叠系中统巴东组(T2b)、上段(T2b3)、中段(T2b2)。滑体物质主要为粉质粘土和碎裂岩，滑带物质为粉质粘土夹杂碎石角烁，土体结构较密实。树坪滑坡典型1- 1'地质剖面图如图1所示。

图1 树坪滑坡典型1- 1'地质剖面图

2 滑坡变形特征分析

2.1 宏观变形现象

自2003年6月三峡水库开始蓄水以来，滑坡连续变形：2003年6月—2004年12月，滑体东侧前缘出现塌岸，滑坡体上部裂缝从滑体东侧后部断续向西延伸，2007年4—6月，滑坡东侧后缘公路产生多处弧形拉裂缝，长15～30m；2008年夏季受强降雨影响，滑坡体发现多处较大变形，东侧边界公路有多处沉降裂缝，后缘2003年形成的裂缝已有230m贯通，滑坡区内产生多处小规模坍滑，西侧中下部村级公路处产生的坍滑，规模最大；2009年4—6月，滑坡后缘和旁边公路裂缝处出现明显下沉。

2.2 监测数据分析

在滑体及其影响区域内共布设有8个GPS观测点，结合监测数据和宏观变形现象，可将树坪滑坡分为Ⅰ—Ⅲ，3个滑动区域如图2所示，其中Ⅰ为主滑区域。监测点ZG89和ZG90未能正常使用，变形不明显，目前处于蠕滑阶段。截至2018年7月，树坪滑坡ZG85、ZG86、ZG88、SP- 2、SP- 6，5个GPS监测点累积水平位移量显示为4100～5200mm；Ⅱ区监测点ZG87，其累计位移值为2300mm，明显低于主滑区Ⅰ各监测点总变形量。

图2 树坪滑坡工程地质(监测点分布)平面图

图3为树坪滑坡各监测点累积位移曲线，截取了2007—2018年监测数据，图中表明在2013年实施应急治理设计方案之前(蓝色虚线方框为2013年)，滑坡的变形具有同步性，呈现出阶跃型变形演化特征[5]。从监测曲线知道，大概在每年的5—10月监测位移曲线会陡然上升，其中5、6月份位移变化最为突出，11月至次年3月，变形趋于平稳。在2007、2009、2011及2012年，滑坡位移剧增现象最为明显。2013年实施应急治理设计方案，(主要是通过削方减载，反压坡脚)，2015年滑坡治理工程主体完工。2015年以后(图红色虚线方框是2015年时间段)滑坡3个区域8个GPS监测点位移趋向一条直线，表明滑坡基本稳定了。同时，GPS监测点累计位移与库水位升降曲线表现出：滑坡的变形与库水位下降呈明显相关性，即在库水位下降期间，位移呈阶跃式上升，这表明库水位下降对滑坡变形有显著影响。

图3 为树坪滑坡各监测点累积位移曲线

3 滑坡渗流场和稳定性分析数值模拟理论方法

3.1 饱和-非饱和渗流基本理论

水分在岩土中的渗流运动，既服从达西定律，又满足质量守恒的连续性方程，将达西定律和连续方程相结合，可推导出水在岩土体渗流的变化规律——即二维饱和—非饱和渗流控制方程[6]

(1)

初始条件：

H(x，y，0)=H0(x，y，0)

(2)

流量边界条件：

(3)

水头边界条件：

H|Γ1=H(x，y，t)

(4)

式中，H—水头；kx，ky—x，y方向上的渗透系数。g—重力加速度；mw—比水容重；ρw—水的密度；t—时间；θ—体积含水量；Γ1、Γ2—某个对应时刻积分的自变量时间t的值。

结合初始条件和边界条件，运用二维饱和—非饱和渗流控制方程，在SEEP/W可求得解。

3.2 滑坡稳定性分析基本理论

在本例中，采用Morgenstern-price极限平衡法分析了滑坡在库水位变化下的稳定性。该方法在充分考虑条间力的相互作用下，先假定相邻两土条的法向力和切向力之间存在的函数关系，然后根据给出的边界条件，通过迭代求出解，计算过程比较复杂，但是造成的误差很小。

土条法向力En需满足:

En(Fs，λ)=0

(5)

土条力矩Mn需满足:

(6)

式中，y=Ax+B，λ、A、B为任意常数，x—切向力，En—法向力。

先假定一个合理范围内的λ及Fs值，通过积分计算得到En及Mn，如果其中有一个值不为0，则继续修正λ及Fs的取值，直到都为零，最终求得边坡的安全系数Fs。

3.3 Geo-Studio有限元模拟分析软件

SEEP/W是Geo-Studio软件中的一个分析模块，是处理地下水渗流和超孔隙水压力消散问题的软件，大量工程实践经验证明其可靠性较高，广泛应用于在岩土地质工程方面，对于分析基坑开挖、边坡稳定性分析、大坝渗流等类别的工程稳态或瞬态渗流场有着很好的效果。

Geo-Studio数值分析软件共有8个分析模块，在边坡分析中我们常选取中的SEEP/W、SLOPE、SIGMA三个模块。首先通过SEEP/W模块，对地下水工况进行瞬态渗流分析，得到渗流场分布，利用计算所得结果，在考虑滑坡体自重以及前缘库水对滑坡压力的前提下，利用SLOPE/W模块和SIGMA模块进行稳定性计算和应力分析，其中稳定系数计算采用Morgenstern-Price极限平衡法。

4 库水位升降下滑坡稳定性分析

4.1 计算模型

根据树坪滑坡的地质剖面图，分为治理前和治理后，建立相应的计算模型，并在ZG85处设置监测点，监测滑坡位移变化情况。治理前计算模型节点数目为5432，网格数目为5332和监测点A，如图4(a)所示，治理后计算模型节点数目为5713，网格数目为5671，监测点B和C，如图4(b)所示。

图4 树坪滑坡计算模型

4.2 计算参数

选取滑体和滑床连接处一定厚度的区域作为滑带(治理之后计算模型无滑带)。计算参数主要根据勘察资料以及前人已有的研究成果和经验类比综合确定[6- 8]，具体数值见表1，滑坡滑体的土水特征曲线及渗透函数曲线如图5所示。

表1 树坪滑坡计算参数

图5 滑体土土水特征曲线及渗透函数曲线

4.3 库水位升降下数值模拟结果

4.3.1模拟工况

初始水位条件设置为175m，三峡库水位在145～175m之间变动，库水位变化曲线如图6所示。把斜坡面上经历水位变化区域节点，设置为变水头边界，底面设置为零流量边界，左侧设置固定水头边界。通过Geo-studio数值模拟软件，模拟三峡库水位在正常升降情况下岸坡变水头边界经历一次最高水位和最水位的情形。

三峡库区正常蓄水后，库水位保持在145m～175m 水位间涨落，本文按照库水实际调度情况分别选取了治理前和治理后两个时间段的库水位变化情况，即2011.7—2012.7(共计365天)和2015.7—2016.7(共365 天)，具体库水调度如图6所示。

图6 库水位调度情况

4.3.2库水位变化下渗流场分析

依据监测资料，可知库水位在下降时间段，GPS监测点位移会出现陡坎式上升，如图3所示。因此渗流场分析时，主要考虑库水位下降时间段，由勘察资料设置后缘水头，对175m稳定水位进行渗流模拟计算，得孔隙水压力分布，利用该结果作为初始孔隙水压力条件，对库水位从175下降到145下滑坡坡体内渗流场进行模拟得到库水位175～145m地下水位线，如图7所示，并通过SIGMA模块得到监测点位移监测点X方向累计位移，如图8所示。从图7中我们可以看出库水位下降到145m时，滑坡体水位线滞后于库水位，明显高于145m水位，产生对滑坡体稳定性不利的动水压力，并且水位线有向外凸的趋势。

图7 库水位175～145m地下水位线

图8 监测点X方向累计位移

从图8中看出在滑坡治理前175m水位线以上的监测点A处，直线斜率大，增长快、X方向累计位移达到600mm，与GPS监测点这一年的累计位移500mm接近。而在滑坡治理后的相同监测点B处X方向斜率相对较小，累计位移只有100mm左右，同时在治理后145m水位线坡脚凸起处的监测点C位移在120mm，通过以上模拟结果结合树坪滑坡的地形地貌，分析认为树坪滑坡在治理之前，整体坡面直线形，滑面前缘涉水土方面积大。治理后，改善了前缘坡脚角度，有效减小了涉水土方面积，从而从根本上加强了前缘抗阻滑能力，减缓了因库水位下降、滞后在滑坡体内而形成的动水圧力的影响。

库水下降是树坪滑坡变形的主要诱发因素，且库水变动范围主要作用在滑坡促滑段，库水变动主要产生渗透压力效应，从机理上分类，其属于渗透压力型滑坡，最不利工况应为库水下降以及低水位运行。

4.3.3库水位变化稳定分析

根据三峡库区水位调度情况分别各自选取了治理之前和治理之后的一个水文年水位调度情况，如图6所示。通过SLOPE/W模块，得到了树坪滑坡在库水位作用下稳定系数的变化情况，如图9所示。

由图9分析可得，树坪滑坡的稳定性随着库水位上升而增大、库水位下降而降低，稳定性系数一直在0.95～1.06之间波动，也就是从库水位上升阶段的基本稳定状态变化为库水位下降末尾阶段的欠稳定状态，治理后滑坡稳定系数整体提高，且受库水位变化影响减小，整体稳定系数曲线在很小的范围内上下波动。

当库水位从175m水位开始下降时，库水位在173～175m左右徘徊，滑坡体稳定系数基本呈现一条直线变化状态。库水位大幅下降的时候，滑坡体内产生向外的渗透力，稳定系数开始下降，受到滑体渗透性系数的影响，稳定性系数下降滞后。当库水位下降到145m，即145m水位波动阶段，滑坡体由于渗透系数的影响，滞留在滑体内的水有足够时间排出，最终滑体水位线与库水位基本持平，这种不利于滑坡稳定性的渗透力消失，滑坡开始受浮托力的作用，稳定性系数小幅上升，伴随库水位变化在小范围内变化。相反，当库水位从低水位145m开始上升时，坡体产生向内的渗流力，滑坡稳定性系数上升，直到175m水位，此时库水位变化趋于平缓，稳定系数亦开始小幅下降，由此变化规律，得出库水位变动条件影响下，树坪滑坡表现出典型的动水压力型滑坡特征。

5 结论

(1)树坪滑坡前缘临空涉水，易受到江水的浸泡软化和冲蚀，降低了前缘抗阻滑能力。在库水位下降时间段，坡内水位线总是滞后于库水位线，产生动水压力是造成树坪滑坡失稳的主要原因。

图9 树滑坡治理前后稳定系数对比

(2)树坪滑坡的稳定随着库水位的升降周期性变化，在其采用削坡压脚的方式后，减少了滑坡体，中上部土方量从而有效地缓解了库水位下降产生的动水压力，增加了坡脚抗滑能力，布置监测点的位移量变小，整体稳定性明显得到提高，稳定性系数在很小的范围类波动，受库水位变化影响变小。