三峡库区大坪滑坡变形对前缘塌岸的响应分析*

王世梅 潘宇晨 王 力 崔宪东 刘 婷 陈玙珊

(①三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 宜昌 443002， 中国)(②湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 宜昌 443002， 中国)

0 引 言

滑坡是三峡库区最为严重的地质灾害，自2003年蓄水以来，三峡水库已经发现的滑坡或潜在滑坡超过5000余处。鉴于水库滑坡发生的严重危害(Belloni et al.，1987)，早在三峡水库建库之初，已有学者开始研究水库蓄水对复活型滑坡的影响(刘礼领等， 2003； 郑轩等， 2014； 肖捷夫等， 2020)，随着滑坡复活机理及预测评价等重大问题研究的深入(许强等， 2014； 代贞伟等， 2016； 王世梅等， 2017)，以及大量滑坡灾害专业监测及防治工程的实施(郭子正等， 2020； 许强， 2020)，重大滑坡灾害已经得到了有效预防和控制。然而，随着水库的长期运行，三峡库区的岸坡塌岸愈发严重(叶润青等， 2019)，塌岸不仅导致水土流失和生态环境恶化，还会不断加剧岸坡破坏甚至是诱发滑坡复活。大坪滑坡是三峡库区滑坡专业监测点之一，其前缘右侧塌岸明显，该侧的GPS地表位移表明其塌岸对滑坡稳定性产生了直接影响，因此，十分有必要分析滑坡变形对前缘塌岸的响应。岸坡塌岸会显著改变滑坡形态，同时使滑坡的应力状态产生变化，最终影响到滑坡稳定性。然而，水库岸坡的塌岸过程极其缓慢，目前国内外对塌岸诱发滑坡的关注还不够。相关研究主要集中于水库复活型滑坡的成灾机理及预测评价方面，如库水与降雨共同作用下滑坡的土体性能劣化(邓华锋等， 2017； 陈勇等， 2019)、水气运移规律(Sun et al.，2015； Liu et al.，2018)、多相多场耦合(张岩等， 2016; 王世梅等， 2017； 李长冬等， 2020； Wang et al.，2020)等力学过程，很少有学者在滑坡稳定性评价时考虑塌岸对滑坡的影响。

在三峡水库蓄水之初，有学者注意到滑坡前缘发生塌岸后将对滑坡的整体稳定性产生影响(唐辉明， 2003)，初步认识到库岸再造对滑坡稳定性的影响效果会因塌岸部位与滑坡阻滑段之间相对位置关系的不同而有显著差异(张奇华等， 2002)。也有学者在对澜沧江根达坎巨型滑坡进行工程地质调查时发现，受河流侵蚀的影响，滑坡前缘的侵蚀形态是渐进发展的，同时导致滑坡的变形过程也是动态变化的(Tu et al.，2020)。数值模拟是揭示塌岸对滑坡变形影响的最有效手段，然而目前很少有人采用合理、有效的数值方法来确定这种影响，有研究考虑采用塌岸计算图解法预测滑坡前缘最终塌岸范围，然后采用极限平衡法(王建锋等， 2003)或者有限元法(肖长波等， 2018)来计算确定不同坡面形态条件下滑坡稳定性，从而确定前缘塌岸对滑坡稳定性的影响。显然，这些数值方法滑坡前缘形态的变化，没有考虑塌岸对滑坡应力场的影响。与开挖卸荷诱发的滑坡复活机理相似(张子东等， 2018； 黄晓虎等， 2020)，塌岸对滑坡应力状态的影响也是不容忽视的。

鉴于上述，本文以三峡库区大坪滑坡为例，从监测资料入手，结合现场宏观调查结果，自动监测数据，分析前缘塌岸触发的大坪滑坡变形特征，探索大坪滑坡前缘塌岸与地表变形之间的响应关系。为进一步分析前缘塌岸对滑坡稳定性的影响，通过大型通用有限元程序ABAQUS的生死单元技术，实现大坪滑坡前缘塌岸模拟，进而揭示前缘塌岸对滑坡稳定性的影响，研究结果对前缘侵蚀对滑坡稳定性影响有重要的价值。

1 大坪滑坡概况

大坪滑坡位于湖北省巴东县东壤口镇绿竹筏村8-9组，位于长江左岸，距离三峡大坝68.09km(图1)。滑坡平面形态为舌形，逆向坡，前缘高程约65m，后缘高程340m。滑坡纵长680m，宽350m，平均厚度为10～90m，面积为20.4×104m2，体积约为816×104m3。滑坡后缘为圈椅状陡坎，高约10m，坡度为40°～50°； 左、右两侧均为冲沟，左侧边界外为横梁子滑坡，上陡下缓，而内侧大坪滑坡上缓下陡，地形不连续； 右侧冲沟沟口发育塌岸，形成50°～60°陡坡，内侧低于外侧，大坪滑坡全貌图及平面图见图2，图3。

图1 大坪滑坡地理位置示意

图2 大坪滑坡全貌图

图3 大坪滑坡群工程地质平面图

根据勘查结果，大坪滑坡滑体表层物质以紫红色碎石土为主，土石比7︰3～8︰2，厚约10m。紫红色碎石成分为三叠系中统巴东组二段(T2b2)泥岩、粉砂岩； 根据钻孔资料，滑坡滑体后缘较薄，前缘及中间较厚，最大厚度约为80m，平均厚度40m。碎石土下部滑体物质为紫红色、灰色泥岩、泥灰岩碎裂岩体，碎裂岩成分为三叠系中统巴东组一段(T2b1)、二段(T2b2)紫红色泥岩、粉砂岩，灰色、灰黄色灰岩、泥灰岩，岩体多呈碎裂状，部分呈大孤石状，强风化-中等风化。钻孔揭露，碎裂岩体中至少发育两层软弱带，软弱带物质为紫红色含砾粉质黏土，其剖面图见图4。

图4 工程地质剖面图

根据已有钻孔资料，滑面(带)土物质由紫红色、灰黄色含砾粉质黏土构成，硬塑-坚硬状，厚10～150cm，主滑面(带)埋深50～80m。纵剖面上主滑面(带)形态呈上陡下缓的折线形，滑面(带)上段倾角30°～40°，平均35°，可能沿倾向坡外结构面发育； 滑面(带)下段可能受缓倾坡外结构面控制，倾角约10°。滑体内还发育至少两层次级滑面(带)，可能沿碎裂岩中软弱带发育。据钻孔测斜仪监测资料证实，该滑坡存在两条次级滑面(带)，埋深分别为15～20m， 45～55m。

2 大坪滑坡变形监测分析

2.1 宏观变形特征

据前期调查资料显示，大坪滑坡为一古滑坡，长期以来处于基本稳定状态，地表和滑坡前缘发生了局部变形现象，具体变形情况如下：

2.1.1 2013年变形

2013年底滑坡后壁下发育一条裂缝，走向260°，延伸约60m，裂缝宽度约5～10cm。

2.1.2 2014年变形

2014年调查期间，发现上述裂缝已趋闭合，宽3～5cm，长3～5m(图5a)。滑坡中部发育一处小型滑塌，宽5m，高2m，厚1m，估计总方量为10m3(图5b)。滑坡前缘发育3处塌岸： (1)右侧沟口175m水位线以下发育一处灰黄色泥灰岩、灰岩碎裂岩体塌岸，宽约40m，高约25m，厚约1～3m。右侧边界外围175m水位线以下均发生塌岸，宽度超过150m(图5c)； (2)靠近左侧边界的一处塌岸宽30m，高10m，厚1～5m(图5d)； (3)中部沟口处的塌岸平面上呈正三角形，宽度10～60m，高度为26m，厚度1～5m。

图5 2014年滑坡变形情况

2.1.3 2020年变形

2020年调查期间，滑坡前缘右侧塌岸扩大： (1)右侧冲沟175m以下出现塌岸，宽15m，高10m，厚2m，估计方量300m3(图6a)； (2)右侧前缘175m下出现浪坎型塌岸，宽45m，高15m(图6b)； (3)160m水位高程下前部碎裂岩体塌岸(图6c)； (4)中部左侧边界出现一处崩塌型塌岸，宽45m，高15m，厚1～2m(图6d)。

图6 2020年滑坡变形情况

2.2 监测变形特征

大坪滑坡为三峡库区地质灾害防治三期和“后规”专业监测点，监测从2007年3月开始，大坪滑坡监测系统隶属于大坪滑坡群监测系统(图7)。大坪滑坡变形监测中采用了3种监测手段：GPS监测、钻孔倾斜仪监测和地下水监测(图8)。各监测布置与运行详细情况如下：

2.2.1 地下水响应

地下水位变动产生的渗透力变化是滑坡发生变形的最主要水动力因素，因此开展地下水位监测是十分必要的，大坪滑坡上布置了4个地下水位监测点，分别为SW1、SW2、SW3、SW4，其具体位置见图7。因SW1仪器故障未采集到的数据，将SW2、SW3、SW4监测点所测地下水位、日降雨量和库水位绘图(图9)。由图7可以看出，因SW4位于滑坡前缘，其孔底高程低于三峡水库水位，其地下水位主要受三峡水库水位控制，而与大气降雨关系不密切； SW2和SW3孔底高程高于三峡库区正常蓄水位，三峡水库库水位调度对这两个监测孔没有影响，而SW3与大气降雨关系密切， 2019年6月及2020年6月雨季其地下水位发生明显变化。

图7 大坪滑坡群监测点平面布置

图8 滑坡中前部专业GPS监测点BDT-9、测斜孔、水文孔

图9 大坪滑坡地下水位与降雨、库水位的关系

2.2.2 地表变形对前缘侵蚀的响应

自2014年开始，大坪滑坡的变形逐渐明显。为了分析库水位、降雨对大坪滑坡变形的影响，将大坪滑坡的人工GPS位移数据，月降雨量和水位数据绘图(图10)，位移变化明显的监测点在滑坡西侧，分别为BDT-4、BDT-5、BDT-6，滑坡中部的监测点BDT-7、BDT-8、BDT-9位移也有所变化。2015年有小幅增加， 2020年同比2019年有小幅增加。从库水位与地表位移的关系看，自2014年6月后，库水位每次下降后，各个监测点的地表累计位移曲线随之增大，显然滑坡地表位移增大与库水位的下降关系密切。相反，每次库水位上升后，尽管滑坡位移持续增大，但是突变增大特征不明显。而且从曲线可以看出，由于BDT-9位于滑坡前缘，其位移曲线随库水位的波动变化最明显。从降雨与地表位移关系来看，滑坡中后缘GPS监测点位移随大气降雨的增加而增加，且对BDT-7、BDT-8影响较为明显。

图10 大坪滑坡GPS位移与降雨、库水位的响应关系

2.2.3 深部位移与倾角变化

大坪滑坡在两条主剖面线上共布设有6个测斜孔。2017年5月开始全自动监测。滑坡布设6个全自动深部位移监测点，位于滑坡体中部，点号分别为CX1、CX2、CX3、CX4、CX5、CX6。其中：变形较明显的CX2深部位移曲线如图11所示，该孔深部位移在42.2m处存在突变位移带，累计位移量为93.66mm，存在明显变形。

图11 深部位移曲线

3 大坪滑坡变形塌岸响应数值模拟

3.1 二维有限元模型构建

为进一步探明前缘塌岸对大坪滑坡稳定性的影响，本文采用大型通用有限元程序ABAQUS开展前缘塌岸对大坪滑坡稳定性影响的数值分析。ABAQUS模拟实现塌岸对滑坡影响的步骤如下：根据实际塌岸次数与塌岸范围预先设定塌岸范围内的模型单元，计算过程中采用“生死单元”技术处理这些模型单元进行逐步计算，“生”指的是激活单元，将边坡的某些部分激活，参加结构的受力和变形； “死”指的是杀死单元，将需要“杀死”的部分移除，使之不参与受力与变形，但未被“杀死”的单元仍继承之前的应力状态，从而同时实现塌岸形态改变和应力影响。

在现场调查中发现，滑坡前缘的塌岸位置主要集中在大坪滑坡右边界处，且监测资料显示，GPS数据变化较大的监测点集中于1-1′和2-2′剖面，所以选取1-1′和2-2′剖面作为典型剖面。对1-1′和2-2′剖面建立的计算模型如图12所示，计算域包含滑体、滑带和基岩， 1-1′剖面整个计算域剖分网格单元7030个，结点共13621个，计算模型尺寸为：X方向上最大长度为1050m，Y方向上最大高程为460m，前缘Y方向上50m； 2-2′剖面整个计算域剖分网格单元5482个，结点共10550个，计算模型尺寸为：X方向上最大长度为670m，Y方向上最大高程为420m，前缘Y方向上80m。边界条件：限制模型左右两侧水平位移(即X=0)，约束模型底部水平和竖向位移(即X=Y=0)，对模型整体施加重力荷载，对滑体面施加145m静水位荷载。塌岸规模：塌岸范围在水位145～175m之间，厚度为1～2m。

图12 大坪滑坡计算模型

3.2 计算参数选取

计算参数主要由地质勘察资料所建议，滑坡计算参数表见表1。

表1 大坪滑坡岩土体物理力学参数

3.3 计算工况

岸坡塌岸模拟分为两步：第1步，施加重力荷载及145m静水位荷载，进行地应力平衡； 第2步，通过ABAQUS中的生死单元法杀死岸坡前缘塌岸部分。

3.4 计算结果

通过ABAQUS软件，采用单元生死功能进行岸坡塌岸计算，其计算结果如图13，图14所示：

图13 1-1′剖面位移分布

图14 2-2′剖面位移分布

由图13，图14分析得出，塌岸对滑坡的变形影响十分明显，影响大小主要与塌岸方量相关； 塌岸导致的滑坡变形主要集中在滑坡前部，并向后部逐渐扩展。为进一步分析塌岸对滑坡稳定性的影响，将计算结果绘制如图15所示位移与时间变化关系图，图中表明在2017年6～7月，位移存在突变趋势，随后位移一直增长。为比较数值模拟结果与实际位移变化趋势，选取滑坡西侧监测点BDT-04、BDT-05、BDT-06和滑坡中部监测点BDT-07、BDT-08、BDT-09的数据同计算结果进行比较(图15)，发现监测点数据也在6月发生突变，随后一直增长，塌岸位移变化同GPS位移变化基本吻合，大变形时间与实际情况基本类似。ABAQUS生死单元法能较好模拟塌岸的发生。

图15 滑坡GPS位移与数值模拟位移对比图

4 结 论

(1)大坪滑坡变形受多种因素控制，包括地层岩性、坡体结构等。滑坡中后部稳定性受降雨影响较大，造成地表裂缝与表层坍塌的发生； 滑坡前缘稳定性受库水位涨落影响较大，塌岸较发育。

(2)大坪滑坡塌岸主要集中在滑坡前缘西侧，相较于前缘中部，其塌岸方量较大。随着塌岸的进一步扩大，相比其他GPS监测点的位移，塌岸一侧的GPS监测点地表位移变化明显，表明塌岸是目前大坪滑坡变形的主要影响因素。

(3)有限元计算结果表明，塌岸对滑坡的变形影响十分明显，影响大小主要与塌岸方量相关； 塌岸导致的滑坡变形主要集中在滑坡前部，并向后部逐渐扩展； ABAQUS中的生死单元法可以很好地实现塌岸对滑坡稳定性影响的模拟。

综上所述，在库水位升降和波浪作用下，若前缘塌岸持续扩大，将对滑坡稳定性产生较大威胁，需进一步加强监测预警。