库水位下降对八字门滑坡稳定性分析

梁 卫 卢书强 张巷生

(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； 2.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创业中心， 湖北 宜昌 443002； 3.三峡大学 湖北省防灾减灾重点实验室， 湖北 宜昌 443002)

库水位下降速率是诱发滑坡发生的重要因素，自三峡水库蓄水以来，每年都会存在蓄水和泄洪的时期，水库水位起伏频繁，导致很多滑坡的产生.研究库水位的变化和降雨对滑坡的影响，对库区地质灾害的预防有很大的帮助，很多专家学者在这个方面有较深的研究[1-6].张珂峰[7]研究库水位骤降和降雨对边坡的影响，认为边坡的失稳是先从坡体的下部浅层发生，之后才引起深层整体滑动，而上部的浅层较为稳定，得出治理边坡应从坡体下部进行治理.覃梦卿，储成龙，郭运华，等[8]在库水位变动下研究岸坡渗流以及稳定性，认为库水位变化主要是浸润线发生变化，在库水位上升和下降时，安全系数变化不同.魏东，王孔伟，胡安龙，等[9]统计分析了三峡库区水位升降和降雨对滑坡的影响，认为当库水位上升时，滑坡安全系数变小，下降时安全系数变大.李道臣，王志检，邵杰鹏，等[10]采用有限元软件Geo-studio在175m～145m 高程下对白水河滑坡设计6种工况，并结合检测数据，表明库水位消落是滑坡变形的主要因素.薛聪聪，卢书强[11]以渗流场理论和稳定性分析基本理论为基础，设置不同工况下地下水模拟稳定性计算，表明库水位上升时，提高滑坡稳定性，库水位下降时，降低稳定性，下降速率的大小和稳定性系数变化的大小成正相关.GAO Xuecheng，LIU Hanlong， ZHANG Wengang，等[12]采用FLAC 软件中的单向流和双向流，分析不同的库水位向江速率和不同的边坡倾角工况下，孔隙水渗流以及压力的变化，当岸坡角度越大，水位差越大，渗透系数k对孔隙水压力的分布有着明显的影响.

1 滑坡区的概况

八字门滑坡地处湖北省秭归县归州镇，三峡大坝上游，地理坐标：经度110°45′30″，纬度30°58′16″.滑坡呈南北展布于长江北岸支流香溪河右岸河口处，滑坡体呈撮箕状延伸于坡脚，分布高程范围139～280 m，前后高差约141m，西高东低，向东倾斜，滑坡地面坡度在10°～30°之间，呈阶梯起伏状，滑坡有二级平台，前缘平台高程达到139～165m，后缘平台相对较高，在220～230m 之间，南北两侧及后缘边界有一岩土接触面，香溪河水上部分坡体长约380m，宽度100～500m，厚10～35m，体积约200万m3.滑坡前缘位于水下，剪出口高程约65m，滑坡后缘以基岩为界，高程约248m，两侧边界双沟同源较清楚.冲沟分界处有小陡坎，基本为土石地层分界线.右侧冲沟走向130°，左侧冲沟走向在复建公路以上为105°，在复建公路以下为75°，在复建公路以上的冲沟外侧均出露连续基岩小陡坎.地质勘查得出，滑体滑床发育于侏罗纪早期紫红色砂页岩、燧石砾石及棕色砂岩组成逆层向斜坡中，岩层产状为倾向292°∠29°.区内地表水系主要为香溪河，现场调查发现地表冲沟发育，地表水主要以片流的形式向冲沟内汇集，由滑体两侧的冲沟向下游香溪河排泄，流量的大小受季节性影响，调查期间沟内无水，与库水及降雨关系明显.地下水主要基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两类组成.

根据现场调查勘察，八字门滑坡岩土物理力学参数见表1.

表1 八字门滑坡变形计算参数

2 库水位变化及降雨对八字门滑坡的影响

2.1 计算模型

研究取滑坡I-I′剖面作为研究剖面，用Geo-studio软件Seep/W 模块分析，水库水位分别以0.6m/d、0.8m/d、1.0m/d、1.2m/d的速率从159m 下降到145m 时的孔隙水压力值变化及叠加50年一遇暴雨两种工况.

该剖面监测资料齐全，变形位移较大，能反映八字门滑坡变形真实情况，坡长650m，坡高330m.计算网格模型节点数为9024，单元数为8904，网格类型为四边形单元和三角形单元(如图1所示).

图1 八字门滑坡网格图

在渗流计算的基础上，用Morgenstern-Prince(以下简称MP法)极限平衡法对八字门滑坡进行稳定性计算，这种研究方法充分考虑条间力的相互作用，计算过程比较复杂，但是计算精度较高.

图2 滑体土土水特征曲线及渗透函数曲线

通过Geo-Studio下，滑坡体内孔隙水渗透系数有明显的区别.在饱和-非饱和条件下，土体的导水能力时通过渗透系数来反映的.Seep/W 软件通过土体体积含水量函数和饱和渗透系数Ksat，联合建立预测函数来估计渗透系数函数的.最后分析得出，在50年一遇的降雨工况下渗透系数达到0.0028cm/s.

2.2 计算原理

MP法是geo-studio软件计算方法的一种，该方法可以对任意滑坡滑裂面进行分析，既满足力平衡而且满足力矩平衡条件的微分方程，目前是国际公认的最严密应用最多的边坡稳定性分析方法.

图3为一曲线形状的边坡，y=y坡(x)、y=y滑(x)、y=y水(x)和y=y推(x)函数分别表示坡面线、滑裂线、侧向孔隙水压力和有效应力推力.

图3 Morgenstern-Price法计算简图

基于Mohr-Coulomb 强度准则，对于每一个土块，其力的平衡微分方程为：

式中：E'为有效法向条间力；ru为孔隙应力比，ru=uw/γL，γ为土体的容重，L为边坡中某一点到坡面的垂直距离.

对于每一个土块，力矩平衡的微分方程为：

E与X之间存在如下对应的函数关系(MP 法，1965)，即：

对于每个土条而言，由于dx非常小，使得

y=y坡(x)，y=y滑(x)和y水(x)在土块内近似于直线.同理，函数f(x)在每一个土块范围内也可以近似于直线.因此，在每一个土块内有

式中：A、B、p、q、k和m为任意常数，根据f(x)的 类型和几何条件确定.

经过上述逐步处理和假设，微分方程式简化为：力矩平衡微分方程式(2)简化为：

上述力矩平衡方程式在xi到xi+Δxi区间内进行积分，得到：

从边坡顶第一个土条开始计算，初始E=0，由上至下逐条块计算法向条间力Ei，计算边坡最后一个条块必须满足一下的条件：

由于E(x0)=E(xn)=0，对微分方程进行积分，力矩Mi+1为：

积分满足以下条件：

最后，每个条块的合理作用点由式(9)求出.

与Fellenius法、Bishop法、Janbu法相比较，MP法满足条间力性质和静态平衡，对任意的滑面形态都适用.

用geostudio建立滑坡模型，输入相应的参数之后，选择MP法分别计算不同库水位下降速率下滑坡的稳定性系数.

表2 不同工况下库水位下降速率对安全系数的影响一览表

如图4 所示，组合工况一中，库水位以v=0.6 m/d、0.8m/d、1m/d、1.2m/d的速率从159m 下降至145m 过程，在库水向外渗流的动水压力作用下，八字门滑坡稳定系数随着库水的下降而减小，库水下降到145m 时滑坡稳定性系数降到最低.不同下降速率对滑坡稳定性影响也不相同，库水位下降速率越大，滑坡稳定性系数下降幅度也越大，曲线越陡.库水位以v=1.2m/d下降的稳定性系数从初始时刻的1.036下降为0.994左右.

如图5所示，不同库水位下降速度叠加50年一遇3日暴雨，其稳定性系数比同一降速工况不叠加降雨的稳定性系数小，且库水位下降速率越大叠加降雨，对稳定系数影响越大.库水位以v=1.2m/d下降到145m 时刻叠加降雨为最危险工况，稳定性系数为0.984.

图4 库水位以不同速率从159m 下降至145m工况下稳定性系数变化曲线

图5 库水位以不同速率从159m 下降至145m并叠加暴雨工况稳定性系数变化曲线

3 八字门滑坡变形分析

3.1 库水位变化与地下水的关系

研究得出滑坡体内地下水位线均随着库水的下降而下降，且地下水位线呈上凸形态；在不同库水位下降速率工况下，滑体内地下水位线位置及形态不同，库水位下降速率越大，滑体内地下水位线位置越高、上凸越明显.这是因为滑体渗透性弱，随着库水位的不断下降，地下水不断排除滑体，地下水位浸润线也逐渐下降；滑坡体前缘地下水位受库水位下降影响较为明显，中后部影响较小；随着库水位的降低，前缘地下水浸润线不断向下弯曲；库水位降至最低水位时，滑坡体内前后缘地下水位差值达最大，浸润线前部弯曲幅度也为最大，滑体内外水力梯度达最大.

图6可以看出，库水位下降过程中滑体内地下水渗出缓慢，滑体内地下水位线的下降滞后于库水位的下降，在坡体内外形成较高的水头差，产生向滑坡体外的动水压力作用，从而对坡体稳定性产生不利影响.库水位下降速率越快，产生的动水压力越大，对滑坡稳定越不利.

3.2 库水位下降与滑体位移的关系

图6 工况1、工况2地下水位线

根据渗流计算获得的滑体内地下水位计算相应的孔隙水压力，将孔隙水压力作为荷载作用于滑体上，计算滑坡因孔隙水压力作用而产生的变形.由于库水位从159m 下降至145m 过程中滑坡体内地下水位及孔隙水压力也在不断发生变化，故库水位每下降1m 进行一次应力和变形计算，以分析滑坡屈服区及变形发展过程及趋势.还在GPS监测点ZG110附近设置关键点，获取此关键点的变形过程曲线，以对数值模拟结果与滑坡检测结果进行对比分析.鉴于滑坡岩土体的力学参数在水上和水下会有较大变化，因此，在参数取值时会对地下水位以下岩土体的力学参数进行适当折减.

1)由图7可知，在库水位保持159m 时位移变形较大的部位主要集中在滑体后部与滑体中部，最大位移量为379.71mm.根据滑坡宏观调查发现，滑坡地表裂缝主要分布在后部与中部，数值模拟结果与实际情况吻合较好.计算结果还可看出，滑坡虽然存在两层滑带，但滑体位移主要发生在上滑体，下滑体位移非常小.

图7 自然工况下库水位下降速率对滑坡体的影响

2)分析图7可知，库水位以不同降速从159m 降至145m 过程中，滑体位移在持续增大，库水位降速越大，滑体位移增加越多，主要位移仍集中在滑体中后部.库水位以0.6m/d降速从159m 降至145m 水位时滑坡最大位移为640.98mm，而以1.2m/d降速从159m 降至145m 水位时滑坡最大位移达到856.54mm，相比增大了216.56mm.

3)分析图8 可以发现，在各种库水位降速条件下，叠加降雨工况后滑坡位移都会相应出现一定程度地增大.库水位以0.6m/d降速从159m 降至145m水位条件下，叠加降雨比不叠加降雨工况滑坡最大位移增加22.9mm，而以1.2m/d 降速从159m 降至145m 水位条件下，叠加降雨比不叠加降雨工况滑坡最大位移增大了19.22mm.

图8 叠加降雨工况下库水位下降速率对滑坡体的影响

4 结 论

1)根据Geo-Studio软件模拟结果分析，八字门滑坡在库水位日降速为0.6、0.8、1.0、1.2m/d工况下滑坡稳定系数最小分别为1.012、1.010、1.007、0.994，各不同库水位日降速工况叠加50年一遇3日暴雨条件下滑坡稳定系数分别为1.011、1.008、1.004、0.984.结果表明，在库水位日降幅为0.6m/d条件下，八字门滑坡处于欠稳定状态；随着库水位日降幅的增大，滑坡稳定系数不断下降，库水位下降速率越大，滑坡稳定性系数下降幅度也越大；当库水位湘江速率达到1.2m/d并叠加50 年一遇3 日降雨时，滑坡处于不稳定状态.

2)根据现场地质调查，结合地质条件，滑坡变形特征和模拟分析认为，八字门滑坡变形主要是由于库水位的变化和降雨作用引起，按照水库滑坡分类，属于动水压力型滑坡.滑坡现阶段处于欠稳定等速蠕滑状态，如果在库水位变化速率较大且叠加累计降雨的条件下，存在发生整体滑动的可能性，但结合滑坡变形特征，不会产生整体高速远程滑动.建议对于八字门滑坡，需长期的监测，加强排查.