考虑流固耦合作用的金坪子滑坡Ⅱ区排水效果分析

邓燕红

(湖北鄂西地质工程勘察院,湖北 宜昌 443002)

人类工程活动引起的滑坡地质灾害日益增多,滑坡防治成为工程研究的热点之一[1]。在滑坡工程治理中,排水措施经济且便捷,实时排出坡体内地下水可减少降雨诱发型滑坡灾害的发生[2-3]。许欢等[4]讨论了水平排水孔的淤堵位置与渗流路径有关,小仰角是造成水平排水孔淤堵的重要原因。王腾飞等[5]认为滑带粉质粘土由饱和到非饱和状态,基质吸力增大可提高粘聚力,使土体抗剪强度不断增大。吴岱諠等[6]认为滑坡粘聚力、内摩擦角均随含水率的增大而线性减小。李会中等[7]研究表明基于乌东德水电站工程施工与运行安全考虑,建议对金坪子滑坡Ⅱ区蠕滑体采用系统排水的工程防治措施。

金坪子滑坡位于金沙江乌东德坝址下游2.5 km处的金沙江右岸,滑坡的稳定与否直接制约乌东德水电站坝址的规划选址,为此,对该滑坡进行了深入的稳定性研究及一定程度的工程治理,滑坡排水工程就是主要治理手段之一。本文在分析金坪子滑坡Ⅱ区地质及变形监测资料的基础上,建立地质力学模型,应用MIDAS-GTS及Geo-Slope软件,模拟流固耦合作用下滑坡体变形特征,对比实施排水工程前后的滑坡稳定性,对排水治理效果进行评价。本文研究成果可为类似滑坡工程治理提供借鉴。

1 工程地质概况

1.1 地质概况

金坪子滑坡纵向上分为Ⅰ区和Ⅱ区两部分,多年来Ⅰ区未见明显变形,稳定性较好；Ⅱ区近年变形明显,稳定性较差,对乌东德坝址威胁较大。

滑坡Ⅱ区是金沙江乌东德坝址金坪子滑坡最下游的一个分区,距离乌东德坝址约2.5 km,整个滑坡体在平面形态上呈“花瓶”状,坡体前缘瓶口处为滑坡剪出口,高程约880 m,坡体后缘界限相邻于Ⅰ区前缘,分布高程约1 480 m,宽度约450 m；其主滑方向126°,原始地形坡度约30°,滑坡前缘紧邻金沙江右岸,剪出口位于前缘基岩出露陡坎处。滑床顺坡向倾角约23°；滑带厚约2～5 m,滑带内微层理清晰,擦痕现象明显,运动擦痕方向与滑坡体主滑方向基本一致；滑体平均厚度约60～80 m,体积约2 700×104m3。金坪子滑坡Ⅱ区典型剖面如图1所示。

图1 金坪子滑坡Ⅱ区典型剖面图Fig.1 Typical section of Jinpingzi landslide area Ⅱ

1.2 物质组成

金坪子滑坡Ⅱ区滑体主要由第四系崩坡积和残坡积物堆积而成,根据滑体物质体积含量判断该滑坡为大型堆积体滑坡。滑体按物质组成由上至下可分为三层：第一层为白云岩块石碎石土层,结构松散,厚度约10～15 m,其中碎石含量约40%～50%,块石含量20%～30%,碎石粒径5～7 cm,块石直径10～20 cm,碎块石之间充填粘土,该层物质孔隙较大,渗透性强；第二层为碎石碎屑夹土层,碎石碎屑组成成分主要为千枚岩,含少量白云岩,整体结构较松散,厚约20～40 m,碎石含量约10%～30%,粒径一般为2～3 cm,磨圆较差,呈棱角状；第三层为似层状碎石层,碎屑岩成分为千枚岩,厚度约10 m,碎屑间微层理清晰,揉皱较发育,局部区域可见明显的挤压现状,整体结构较紧密。

滑带物质为土夹碎石碎屑,土为灰黑色、紫红色粘土,粘性较大,呈可塑状,碎石碎屑成分为千枚岩等,厚度约2～5 m左右,碎石碎屑研磨作用明显,具有一定程度磨圆现象,呈次圆—浑圆状,结构密实,滑带内微层理清晰,擦痕现象明显。据勘察报告显示,滑带土的颗粒级配良好,其塑限指标为27%、液限指标为13.4%。

滑床基岩由两部分组成,以黄海高程1 200 m为界限,其上为会理群黑山组(Pt2hs)千枚岩,岩性软弱较破碎；界限以下为会理群落雪组(Pt2l)灰岩、大理岩,岩性呈坚硬完整状；坡体整体地层产状倾向坡内,属于逆向坡。

2 变形特征及治理方案

2.1 变形特征

据监测资料,金坪子滑坡Ⅱ区水平合位移累积曲线如图2所示,其监测点布设位置投影点见图1。

图2 水平合位移累积图Fig.2 Cumulative horizontal displacement diagram

滑坡变形特征：以前缘变形最大监测点TP11为代表,截至2016年12月其最大累积水平位移为3 553 mm,平均位移每天可达0.9 mm及以上；滑坡体中部以监测点TP08变形为例,其最大累积水平位移达3 069 mm,平均位移每天达0.76 mm；坡体后缘变形其水平合位移仅为200～700 mm,平均位移每天仅约0.2 mm。分析可知,以TP11为例的一系列产生位移较大的监测点多集中于坡体前缘,坡体中部变形次之,后缘变形最小。滑坡位移速率与区域降雨相关性分析如图3所示。

图3 滑坡位移与降雨相关性分析图Fig.3 Correlation analysis of landslide displacement and rainfall

滑坡变形与区域降雨响应关系：受地区强降雨影响,坡体持续出现变形,且变形速率与降雨量呈线性正相关关系，降雨量越大,变形速率越大。由于滑坡的变形受区域降雨影响显著,滑坡工程治理主要集中于解决降雨入渗对滑坡体稳定性影响的问题。

2.2 治理方案

金坪子滑坡滑体物质较厚且破坏模式为典型的松脱式,坡体前缘具有良好的临空面,分析认为水是本滑坡发生破坏的主要诱因,因此最适宜采取排水措施进行工程治理。实践表明,滑坡采用排水治理方案不仅施工操作方便、经济合理,而且治理效果非常显著[2]。

治理方案：在Ⅱ区坡体上规划布置6条截排水洞进行地下排水,分别布设于坡体前缘、中部、后缘,如图4所示；在Ⅱ区坡体后缘设置截水沟进行地表排水,以截断Ⅰ区坡体的补给；在Ⅱ区坡体上设置排水沟进行地表排水,排水沟分布高程分别为1 290 m、1 230 m、1 165 m、1 050 m、1 000 m。

图4 金坪子滑坡Ⅱ区治理平面及剖面图Fig.4 Plane and section map of treatment of Jinpingzi landslide area Ⅱ

本文采用有限元分析方法对治理前后滑坡的孔隙水压力变化特征及稳定性进行数值模拟,对滑坡治理效果进行分析评价。

3 排水前后滑坡稳定性数值模拟

3.1 基本原理

本文数值模拟充分考虑滑坡体渗流场与应力场的耦合作用,具体理论基础如下：

3.1.1渗流场对应力场的影响机理

渗透体积力f与渗流场紧密联系,其与渗透压力P共同表示水荷载，可反映渗流场与应力场之间的关系,不同渗流场产生各异的水荷载,由于渗流场改变的同时,水荷载对应力场产生不同效应,因此渗流场影响应力场是通过水荷载引起的[8]。

在渗流场中渗透体积力f为：

(1)

应力场数值模型：

(2)

式中：Ω为渗流区域；σij为应力场；fi(H)为体积力,构成水头分布函数；εij为应变场；ui为位移场；λ、G为弹性常数；nj为Sσ法线方向余弦；Su为位移边界。

渗流场数值模型：由质量守恒定理可知,渗流场中单位水的增减率等于单位流量的增减率[9]。通过微分单元体推演,有如下方程:

(3)

式中：Ss为单位储存量。

根据达西定律,可得如下方程：

(4)

式中：h为水头函数；k为渗透系数,构成应力场的函数；Ω为渗流区域；Γ1为水头边界,h1为水头分布；Γ2为流量边界；q为流量分布；Γ3为渗流自由边界。

3.1.2应力场与渗流场的相互作用机理

土壤的孔隙率n与土壤的渗透系数k成正比,具体关系为：

k=k(n)

(6)

根据体积应变εv受应力场σij控制,因此土体的渗透率k最终可以表示为应力场σij的函数,即：

k=k(σij)

(7)

应力场通过影响土体的体积应变εv和孔隙率n来影响土体渗透率,进而影响渗流场。

综上,渗透系数不仅是个常数,其值与应力场一一对应,且随应力场变化而发生改变,坡体外部产生的水荷载随渗流场变化,也不再是一个常数[10]；有限元流固耦合分析不同于单独分析应力场或渗流场,其应力场与渗流场相互作用且相互影响,更加贴合工程实际。

3.2 计算方法及模型

本文通过MIDAS-GTS软件建立金坪子滑坡Ⅱ区计算模型(如图5),并设置地层、边界及荷载条件,定量分析排水前后坡体的渗流场、应力场、位移场及塑性区的变化特征。计算模型长约2 733 m,高约1 423 m。采用三角形加四边形及不同单元梯度划分网格,以提高计算精度,且避免网格单元变化幅度急剧增大。整个模型剖面共划分3 938个单元,8 756个节点,并设A、B、C三个观察点。

mine periphery in Huaiyuan county of Anhui province JING Hai-xia HUANG Jiang-hua SHI Yun-long et al.(70)

图5 计算模型Fig.5 Computational model

边界及荷载条件：左右位移边界均采用X轴单向约束,底部边界进行X及Y轴位移约束,边坡体表面为无约束状态；不仅考虑坡体自重与降雨荷载,而且坡体表面为降雨入渗边界；依据钻探及实地考察情况,将滑坡前缘出露地下泉水排泄点作为左水位边界条件,钻孔揭露水位作为右水位边界条件。

3.3 计算参数及工况

依据工程地质勘查资料、室内试验、收集的数据[11],金坪子滑坡Ⅱ区岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 滑坡体物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of landslide mass

据区域降雨资料显示,降雨主要集中于5—10月,且日降雨量为20 mm/d,暴雨时日降雨量为50 mm/d,10年一遇集中暴雨日降雨量为100 mm/d。因此,本文设计4种工况(如表2),分别研究该滑坡在天然工况、降雨强度为100 mm/d(最危险工况)条件下的变形特征,以对排水前后滑坡稳定性变化进行对比分析。

表2 计算工况表Table 2 Calculation conditions

3.4 排水前后数值模拟结果

3.4.1渗流场

由图6可知,对比分析排水治理前后,坡体内最大孔隙水压力在天然及降雨工况下均发生显著变化,如表3所示。

表3 排水治理前后最大孔隙压力(kPa)Table 3 Maximum pore pressure before and after treatment

排水治理后：在天然工况下,前缘最大正孔隙压力降低51.36%,后缘最大负孔隙压力提升39.36%；在降雨工况下,前缘最大正孔隙压力降低24.98%,后缘最大负孔隙压力提升63.06%。由此表明,排水措施对滑坡体内的孔隙水压力变化具有显著影响,使得坡体内饱水区域减小,从而提高坡体整体的稳定性,充分体现出排水治理的工程效果。

3.4.2应力场

由图7可知,最大主应力变化特征：治理后,天然状态下坡体为压应力状态,且坡面—坡内压力值逐渐增大,坡体底部最大压力值达8 665 kPa,坡面表部最小压力值为91.83 kPa。两天暴雨(100 mm/d)后,坡体内应力场发生改变,坡体后缘C点压应力由820.48 kPa降至518.94 kPa。由于地下水的作用,以及降雨的入渗冲刷,使岩土体部分区域由非饱和状态变成饱和状态,滑坡体前缘变化最大,由最初的压应力变成拉应力。

图7 最大主应力云图Fig.7 Cloud chart of maximum principal stress

图8 最小主应力云图Fig.8 Cloud chart of minimum principal stress

3.4.3位移场

由图9可知,治理后,经两天暴雨(100 mm/d),坡体前缘位移较小,最大位移量为6.9 mm,变形速率为3.45 mm/d,且坡体中部、后部均未出现位移。治理后的坡体随降雨时间增加,前缘是坡面径流、坡内入渗雨水的排泄点,因此前缘的地下水位上升较快,导致前缘快速饱和,基质吸力减小,从而滑坡体前缘出现了较小的位移,这与位移监测(图2)2016年5月后的变形趋势基本一致。而未治理时,变形量达到21 mm,变形速率达10.5 mm/d,是治理后合位移量的3倍,说明排水措施对坡体变形的有效抑制作用。

图9 位移云图Fig.9 Displacement nephogram

3.4.4塑性区

由图10可知，治理后,经两天暴雨(100 mm/d),仅坡体前缘出现较小塑性变形,且处于滑带上,这是由于滑带物质成分为千枚岩碎屑土及粘土,其矿物成分含有大量亲水性较好的伊利石所致。随着降雨持续,地下水上升,前缘饱和区域扩大,前缘滑带岩土体基质吸力减小,抗剪强度降低,使得前缘出现潜在破坏面。

图10 塑性区云图Fig.10 Cloud of plastic zone

治理后,塑性区显著减小,塑性区仅现于坡体前缘滑带处。未治理时,滑坡体的塑性区逐渐沿着滑带向坡体后缘延伸,暴雨后塑性区在滑带处出现贯穿迹象。说明排水措施有效提高了岩土体间的粘聚力,增大了滑坡体的阻滑力,进而改善了滑坡体的稳定性。

3.5 排水前后数值模拟综合评价

据上述数值分析可知，治理后坡体内地下水位大幅下降,前缘应力场由最初的压应力变成拉应力,位移及塑性区变化也集中于滑坡前缘部位,且在治理后均表现出显著的良性变化特征。

因此,在排水治理后,滑坡地表冲刷作用减弱,坡体内地下水位大幅降低,饱和区域及动静水压力减小,岩土体颗粒间粘聚力增加,坡体稳定性显著提高；即使遭遇十年一遇暴雨,前缘可能出现局部小变形及坡面碎屑流,其出现整体性变形破坏的可能性较小。

4 基于极限平衡分析的滑坡排水效果评价

分析金坪子滑坡Ⅱ区地表变形及地质地貌特征,将坡体划分为：前缘破坏、中下部滑移及整体破坏模式三种可能变形破坏方式(见图11)。

图11 滑坡体可能滑动模式图Fig.11 Possible sliding mode of landslide mass

本文应用Geo-Slope软件对治理前后的金坪子滑坡Ⅱ区各分区稳定性进行极限平衡分析,其计算工况及计算结果如表4所示。

由表4可知，治理后,对于滑坡体前缘、中部、整体破坏三种失稳模式,天然状态下安全系数平均提升10%以上,降雨状态下安全系数平均提升35%以上,说明滑坡体各分区稳定性得到有效改善。

表4 治理前后各工况下边坡稳定性Table 4 Slope stability before and after treatment

5 结论

(1) 滑坡变形破坏模式属典型松脱式,变形多集中于前缘,中部次之,后缘最小,且变形速率与降雨量呈线性正相关,最适宜采取排水措施进行工程治理。

(2) 排水治理后，在天然工况下,前缘最大正孔隙压力降低51.36%,后缘最大负孔隙压力提升39.36%；在降雨工况下,前缘最大正孔隙压力降低24.98%,后缘最大负孔隙压力提升63.06%,排水措施较大程度上改善了坡体内的孔隙水压力特征。

(3) 极限平衡分析表明：治理后,对于滑坡体前缘、中部、整体破坏三种失稳模式,天然状态下滑坡稳定性系数平均提升10%以上,降雨状态下滑坡稳定性系数平均提升35%以上,验证了滑坡排水治理的显著成效。

(4) 本文仅应用数值分析方法探讨排水治理措施对滑坡体的影响,如下一步能充分收集滑坡排水治理后的相应地下水位资料,对本文研究成果进行验证,将有益于本文研究成果在实际工程中的应用。