库水位涨落条件下不同结构边坡的变形破坏机制分析——以千将坪滑坡和树坪滑坡为例*

汪发武 宋 琨

(①同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092， 中国)(②同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092， 中国)(③三峡大学土木与建筑学院地质工程系， 宜昌 443002， 中国)(④湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测站， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

水利工程运行过程中库水位的涨落不可避免。库水位的涨落常诱发不同形态的滑坡，如瓦伊昂(Vaiont)滑坡、Canelles滑坡、千将坪滑坡、树坪滑坡、白水河滑坡等。同一水库相似的水位波动条件，为何产生不同的滑坡变形模式？揭示其内在机制对了解水库岸坡的变形行为，实现滑坡灾害防控具有重要意义。

针对滑坡的变形行为与内在机制，国内外学者采用监测、模拟分析等方法研究了库水位波动下的库岸滑坡的变形响应与机制。如1963年的意大利瓦伊昂(Vaiont)滑坡在蓄水阶段发生多次加速变形并最终破坏(Semenza et al.，2000)； 三峡库区的千将坪滑坡在库水位从92m蓄水到135m后发生整体滑动破坏(Wang et al.，2004， 2008a； 肖诗荣等， 2010)； 西班牙的Canelles水库滑坡在2006年的库水位快速下降至低水位过程(0.5～1.2m·d-1)中发生滑动(Pinyol et al.，2012)； 库水位波动使三峡库区树坪滑坡(Wang et al.，2007， 2008b； 苑谊等， 2015； Song et al.， 2018)、白水河滑坡(卢书强等， 2014； 薛阳等， 2020)、白家包滑坡(安冬等， 2021； 尚敏等， 2021)等产生“台阶状”变形，其加速变形阶段主要发生在库水位下降期； 水位波动对滑坡变形的影响主要是从前往后的过程(杜锋等， 2018； 肖捷夫等， 2020)； 影响滑坡变形的关键因素是滑坡岩土体的渗透系数与库水位波动速率(Paronuzzi et al.，2013)，两者对稳定性的影响为综合效应(宋琨等， 2011； 张夏冉等， 2017)。滑面形态会影响滑坡变形与库水响应规律(李松林等， 2017)。

千将坪滑坡和树坪滑坡代表了两种不同库岸边坡结构的滑坡，在库水位变化情况下，表现出了不同的变形破坏模式。基于此，我们构建了两种结构的岸坡在水位变动过程中的力学模式的概念模型，用来解释它们在库水位变动条件下的动态响应。同时，实施了室内简易模型试验，来验证所提出的概念模型。

1 千将坪岩质滑坡的变形破坏模式

2003年6月三峡库区从92m蓄水到135m，半个月后，在长江支流青干河(沙镇溪镇)发生了千将坪大型顺层岩质滑坡(其地理位置如图1所示)。滑坡从出现变形到高速滑入青干河，仅花了约1.5h。虽然事先经过“群测群防”对滑坡的发生有所防备，但由于滑坡影响范围和运动速度超出了预警人员的想象，导致24人死亡，其中11人在岸坡上被滑坡卷走， 13人在船上被滑坡引起的高达30m的涌浪所淹没。千将坪滑坡为发生在侏罗系中-下统聂家山组(J1-2n)中厚层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹厚层长石石英砂岩互层中的顺层滑坡，其全貌如图2所示。

图1 千将坪滑坡和树坪滑坡位置图

图2 千将坪滑坡照片

作为岩质边坡，而且是顺向坡的千将坪滑坡，可以简化为图3所示的二维厚板。设板的厚度为d(深度为d/cosθ)，初始水位为h0(从板的上面最低点起算)，则作用在厚板表面和底面的水压力分别为US0和UB0。

图3 库水位上升前(a)后(b)作用在厚层顺层边坡岩体上的水压力

(1)

(2)

并由此可以得到底面和表面的水压力差ΔU0。

(3)

当水位上升幅度为h时，作用在厚板表面和底面的水压力分别为USt和UBt。

(4)

(5)

同样可以得到底面和表面的水压力差ΔUt。

(6)

比较水位上升前后作用在厚板底面与表面的水压力差，可得到在底面的净增水压力ΔU。

(7)

由式(7)可知，作用在顺层边坡厚板上的净增水压力，即扬压力随着水位上升幅度h和层厚d的增大而增大。从式中还可以看到顺层边坡倾角的影响，在同种条件下， 45°倾角边坡所受的扬压力最小。

2 树坪滑坡的变形模式

树坪滑坡位于距三峡大坝47km的长江右岸。滑坡区地层主要为三叠系中统巴东组上段(T2b3)的紫红色厚层泥岩、粉砂岩，中段(T2b2)的浅灰色中厚层灰岩、泥灰岩，下段(T2b1)的紫红色、灰绿色中厚层粉砂岩夹泥岩、页岩，滑坡区岩层总体产状为 165°～120°∠10°～35°，走向与岸坡总体走向近于平行，属逆向结构岸坡。地表主要为第四系崩坡积层。滑体南北纵长约 800m，东西宽约 670m，面积约 54×104m2，厚为 10～70m，总体积约为2070×104m3(全貌如图4)。

图4 树坪滑坡全貌

树坪滑坡按照活动程度在地表的反映，可以分为一区和二区。一区活动性强，区内房屋破坏严重，道路严重损坏； 二区活动性相对较弱。为了迅速掌握树坪滑坡随水位变化的特点，我们从2004年开始在一区内设置长期观测系统，一边观测，一边筹集资金以增设新的观测内容，因此对观测点的代号随时间做了调整。如图5所示，SP1-13为最早设置的伸缩计观测点。SP1-13设置在右侧边界上，测得的结果不是滑坡主滑方向上的位移量，但可以定性地了解滑坡的活动情况。SP1-1虽然位于滑坡头部边界，当时认为在理论上该点是最理想的观测点，但由于该处有公路通过，观测噪音较大。图6是在一区完成的观测系统平面图和剖面示意图。观测内容包括库水位以上伸缩计观测(代号为SP1-M-XX)，库水位以下伸缩计观测(代号为SP1-N-FX)，钻孔内应变仪(设置在钻孔ZK-1内)。另外在滑坡范围内，还有由中国地质调查局设置的GPS观测点和裂缝观测点(代号D)。观测从2004年开始逐步展开，由于对树坪滑坡整治方案的实施，观测在2010年逐步停止。长达5年以上的观测取得了大量数据，但数据质量最好的为SP1-13(后面改为SP1-M-25)的伸缩计和钻孔内的应变计。这里对这两种观测结果进行分析。

图6 树坪滑坡一区的观测系统平面图和剖面示意图

图7为树坪滑坡一区SP1-13(即SP-1-M25)观测点2004年9月至2009年10月的伸缩计观测结果和降雨量及库水位的对应关系曲线。5年内，降雨显示年度周期性变化，且后面3年降雨强度较大； 库水位在2004年135～140m之间的小幅度变化转化到2006年以后145～172m之间的涨落； 伸缩计观测到的位移量呈台阶状变化。仅仅从该图上很难看出滑坡位移的主要影响因素，因为滑坡坡角处的水位变化和滑坡整体范围内的降雨都会对滑坡位移产生影响。

图7 树坪滑坡一区SP1-13(即SP-1-M25)观测点的伸缩计观测结果和降雨量及库水位的对应关系

图8是对图7中变形量和库水位数据进行处理后的结果。将变形量转换成滑坡变形速率，将库水位转换成水位下降速率，可以看到在2006～2008年间有很明显的对应关系：滑坡运动速率与库水位下降速率之间呈正相关关系。换言之，树坪滑坡的位移主要受库水位下降速度的影响； 在水位上升过程中，树坪滑坡基本没有变形。从图8中还可以看到另外一个现象，就是滑坡变形速率的曲线比库水位下降速率的曲线要滞后约88天。这是什么原因造成的呢？分析一下钻孔应变计的观测结果，就会找到答案。

图8 树坪滑坡一区SP-1-M25观测点变形速率与水位下降速率的对比关系

图9a是设置在钻孔ZK-1处的孔内应变计观测结果。孔内应变从深度14.5m处开始，按2m间隔测到60.5m。测量结果以孔底即60.5m处为基准进行累积计算得出。从结果中可以看出，在34.5m深度处出现明显应变集中带，可以判断为该处的滑带。图9b为根据观测结果计算出的深度34.5m处的应变速率。其最大值发生在2009年6月，并与同一时期出现的最大库水位下降速率的峰值完全对应，说明了库水位下降对滑坡运动的直接影响。

图9 树坪滑坡一区ZK-1处孔内应变计观测结果

SP1-13处的88天滞后是什么原因造成的呢？SP1-13位于ZK-1侧后方200余米处，可能由于位移的传递需要时间，同时也说明了树坪滑坡的运动是从滑坡体脚部向头部扩展，表明了库水位下降在树坪滑坡复活及发展过程中的主导作用。其主要原因是滑坡渗透性较差，水位下降时滑坡内部地下水位线滞后于库水位，滑坡稳定性下降(向玲等， 2014； Song et al.， 2018)。

对于树坪滑坡这种具有松散结构的老滑坡体，在库水位涨落条件下的变形模式可以通过如图10所示的概念图进行解释。如果老滑坡体在水库蓄水前安全储备不高(图10a)，那么在蓄水水位迅速抬升后(图10b)，库水可能迅速进入滑坡体内，对滑坡体产生大于滑坡表面水压力的扬压力，从而导致老滑坡复活或坡体变形失稳； 一段时间之后，当库水完全渗透到滑坡体内并使滑坡体内的地下水位与库水位齐平时(图10c)，坡体的稳定性又会恢复到蓄水前的状态，这时坡体变形会呈现停止状态； 当库水位下降时，如果下降速度较快，坡体内的地下水来不及排出，则会在坡体内以超孔隙水压力的形式残留，并降低滑动带的抗剪强度，使坡体稳定性降低，进而发生坡体变形或滑动现象。

图10 树坪滑坡体在库水位涨落过程中所受水压力(b)以及坡体内地下水分布(c， d)概念图

3 模型试验模拟验证

针对千将坪滑坡和树坪滑坡在库水位涨落条件下所表现出的不同变形破坏模式，在室内实施了两组简易物理模拟实验(Shugiura， 2011)，以验证以上提出的概念模型。

图11是以顺层边坡为原型的模型实验装置。在一个长1200mm，宽600mm，高600mm的水槽内，先用8号硅砂(平均粒径0.0656mm，不均匀系数3.17，曲率系数1.33，土粒比重2.68)堆成一个30°的边坡(为了节省材料和工时，在远离坡面处使用了一些砖块)，在平整坡面之后，在坡面上顺坡放置不同厚度(分别为18mm和54mm)的板材以观察板材厚度的影响。在板材中央，放置重块以平衡浮力。然后将重块连接到伸缩计上以观测其变形量。在水槽底部放置水压计，记录水槽内的水位变化。

图11 模拟顺层边坡在水位上升过程中如何变形破坏的简易试验装置

图12为模拟顺层边坡在水位上升过程中边坡运动速度与水位之间的对应关系。当使用层厚18mm的板材时(配重3kgf)，运动速度在水位上升过程中有些增大的趋向，但表现并不很明显。当使用层厚54mm的板材(配重5kgf)后，运动速度在水位上升到0.2m以后，运动速率随之上升。在水位达到0.25m并保持稳定时，运动速度也保持了一段时间，随后运动速率回落到0，边坡运动趋于停止。

图12 不同层厚顺层边坡在水位上升过程中的变形速率

图13为模拟松散结构边坡在水位涨落条件下的实验装置。先使用8号硅砂制成40°的边坡，然后对水槽进行注水或排水。在坡体内部放置一个直径约30mm的塑料球用来监测坡体位移。塑料球的两端分别用丝线连接在伸缩计和平衡砝码上，以保证塑料球能随着坡体一起运动。注意塑料球的运动只能沿着丝线的方向运动，并不能准确测得圆弧滑动式的二维位移量，但其结果足以用于定性分析。

图13 模拟松散结构边坡在水位涨落过程中如何变形破坏的简易试验装置

图14为坡角40°时的松散结构边坡实验结果。对应着700s和2100s附近的两次水位下降速度低谷值，边坡运动速率显示了良好的峰值对应，而且没有时间滞后现象发生。

图14 松散结构边坡在水位涨落过程中变形速率与水位变动速率之间的对应关系

4 结论与展望

库水位的涨落如何影响水库库岸边坡稳定性一直是水库安全运营必须解决的重要课题，了解不同结构边坡在库水位涨落变化条件下的变形破环模式，对于有效防控库区滑坡灾害，在保障库区航运安全，保障库区人民生命安全有着重要意义。本文在对千将坪滑坡和树坪滑坡进行现场调查和长期变形观测的基础上，抽象出不同结构边坡在库水位涨落条件下变形破坏模式，并通过室内简易物理模拟进行了验证，得到了以下结论。

(1)顺层结构边坡在库水位上升时，由于岩层底面所受扬压力增大，稳定系数降低。失稳后，滑坡体运动速率与水位上升高度成正相关关系。

(2)松散结构边坡在水位涨落过程中呈现不同的变形破坏特征。初期水位上升将导致边坡稳定性降低，对应活跃的坡体变形； 之后随着库水位完全渗入坡体，边坡稳定性得到恢复，变形进入休眠期； 在库水位下降时，由于坡体物质渗流的滞后，坡体变形可能再度发生，且运动速率与库水位下降速率成正相关关系。

以上结论是针对两个滑坡案例进行研究后得到的结果。水库库岸边坡结构复杂，还可能存在其他结构类型，对此有必要开展有针对性的研究。另外，以上结果还停留在定性结论水平，为了更有效地进行库区滑坡灾害防治和管控，有必要将以上定性结论向定量化方向发展。

致 谢岛根大学地球科学系毕业生杉浦贵美惠协助完成了室内模型试验； 在千将坪滑坡和树坪滑坡现场调查和长期监测工作中，三峡大学张业明教授、黄波林研究员和中国地质调查局武汉地质调查中心霍志涛研究员等给予了大力帮助。在此表示感谢。