三峡库区旧县坪滑坡变形机理及稳定性

朱权威， 于维刚， 蔡建华， 吴卓林

(中铁西南科学研究院， 成都 611713)

自2003年三峡水库周期性蓄水以来，致使库岸边坡的水文地质条件发生了很大的变化，库区进而出现了大量的老(古)滑坡复活或者出现一些新的滑坡。滑坡的出现给库区人民的生命和财产安全带来了极大的威胁，因此，岸坡的变形及稳定性研究在水利工程建设中具有举足轻重的地位。

Kaczmarek等[1]通过对库区滑坡的研究表明，大多数水库诱发滑坡在初始阶段表现出严重变形，在经历多年的变形后，滑坡的变形量逐渐减小甚至停止，逐渐达到变形的自适应，魏东等[2]通过对基于三峡库区库水位和降雨统计分析的八字门滑坡稳定性评价的研究表明，库水位和降雨都对滑坡的稳定性有影响，库水位影响程度较大，库水位变化幅度越大，滑坡的稳定性就越差。张永刚[3]通过对降雨及库水位升降联合作用下滑坡稳定性的研究量化得出了不同工况下各个滑坡体间稳定系数存在差异性，滑坡体离长江距离越远，稳定系数一般越大。冯文凯等[4]对三峡库区木鱼包滑坡不同库水升降速率变形响应离心模型试验研究表明，滑坡的变形与库水浮力和动水压力有关。国内外对库区滑坡研究多集中在理论研究方法或利用监测数据、数值模拟以及物理模拟对库区滑坡进行定性研究[5-11]，鲜有通过实际定量分析先确定影响滑坡变形的主控因素，再利用实际降雨量、监测点的位移和库水下降的速率相结合来分析滑坡的变形机理。

以三峡库区旧县坪滑坡为研究对象，在研究其长期变形规律的基础上，基于长期的地表监测数据和数值模拟，对滑坡的影响主控因素、变形机理以及稳定性进行研究，通过对旧县坪滑坡在库水变动下的变形机理和响应规律的研究，以期为三峡库区滑坡的防治提供有益的借鉴。

1 旧县坪滑坡概况

旧县坪滑坡位于重庆市云阳县境内，长江左岸，距三峡大坝坝址213.4 km，前缘剪出口高程95 m，后缘高程385 m，高差约290 m，两侧以冲沟为界，滑坡后缘存在明显的拉线槽，主滑方向144°，滑坡平面呈“金钟”形，滑坡的纵长约1 200 m，均宽约1 200 m，总平面面积约1.44 km2，平均厚度约40 m，体积约5 700×104m3(图1)。

图1 旧县坪滑坡工程地质平面图Fig.1 Geological plan of Jiuxianping landslide project

如图2所示，滑坡的上层滑体为松散堆积体和下部的滑体。下层滑体主要有扰动的砂泥岩互层组成，岩体前部较为破碎，中后部较为完整。滑体中后部顺层滑动，前部滑体切层滑动，岩层从倾斜逐渐变平缓过渡至弯曲反翘，滑带的物质组成主要由强风化的泥岩碎裂岩和黏土层组成，泥岩碎裂岩粒径约2 cm，磨圆度较好，黏土层呈紫红色、棕黄色，湿度中等，塑性较强。滑带厚度0.5～0.6 m。滑床为侏罗系遂宁组(J3s)泥岩，产状145∠10°。

图2 旧县坪滑坡A—A′纵剖面图Fig.2 A—A′ longitudinal section of Jiuxianping landslide

自三峡库水蓄水以来，库水常年处于波动状态，滑坡前缘不分岩体被库水浸泡，滑坡的渗流场和应力场发生变化，致使滑坡发生变形。2007年6月滑坡右侧在暴雨过后发生滑动破坏，大量房屋和设施遭受破坏[图1(a)、图1(f)]，2012年调查发现滑坡前缘发生小规模垮塌[图1(c)]，2019年调查发现陵园内的建筑物发生变形破坏[图1(e)]，围墙出现较大的裂缝，长2 m，宽10～20 cm[图1(d)]，滑坡中部公路出现断裂错位，裂缝长6 m，宽2～5 cm，平行错距5 cm。

2 旧县坪滑坡变形特征

2.1 滑坡变形响应规律

为了掌握旧县坪滑坡的变形特征，探矿工艺所在滑坡上布置了9个地表位移监测点(图1)，并从2004年开始监测。此外，分别从滑坡的雨量监测点获取降雨数据和三峡库区网站上获取库水变动数据。如图3所示，各监测点的月位移变形量多数集中在5 mm左右，分布较为均匀，月变形量在10～20 mm则较集中分布在1—7月，约占总量的71.8%[图4(a)]，变形量大于20 mm较集中分布在4—7月，约占总量的80.8%[图4(b)]，监测点出现负位移(即坡体向自身方向反推)较集中出现在9—12月，约占总量的74.3%[图4(c)]。以上变形特征表明，坡体发生较大变形的阶段主要集中1—7月(即库水下降时期)，特别是4—7月变形最大，坡体出现负位移主要集中在9—12月(库水上升时期)。

图3 旧县坪滑坡不同月份下的累计变形量Fig.3 Cumulative deformation of Jiuxianping landslide in different months

图4 不同月份段累计位移关系图Fig.4 Cumulative displacement relationship diagram in different months

2.2 滑坡变形因素特征

由图2可知几乎在每年4—7月监测点的位移就会发生“跳变”，而4—7月既是库水下降阶段，也是三峡库区的雨季(5—9月)，因此部分学者认为是库水位下降时滑坡变形的主控因素，一部分学者认为降雨是滑坡变形的主控因素[10-11]。

在库水调度中，库水下降阶段的后半段(4—6月)的下降的平均速率明显要大于前半段(1—3月)的平均下降速率，因此，选取库水下降前后段的平均下降速率和雨季降雨量与坡体位移的关系来研究坡体变形的主控因素。截取手动监测点2009—2016年的数据进行分析，不同阶段库水下降速率和雨季降雨和YY073～YY079(YY071和YY072损坏)的在相应阶段的位移来分析，库水下降速率和降雨对滑坡的影响，库水不同阶段下降速率与位移关系图5所示，雨季降雨与位移关系图6所示。

图5 库水不同阶段下降速率与位移关系Fig.5 The relationship between the descent rate and displacement of the reservoir water at different stages

2009-03表示2009年1—3月，2009/6表示2009年4—6月；位移是相应1—3月、4—6月的累计位移，库水下降速率则表示相应1—3月、4—6月的平均下降速率图6 雨季降雨与位移关系图Fig.6 The relationship between rainfall and displacement in the rainy season

图5显示，库水下降速率的大小与位移的变化量呈极大的正相关。4—6月的库水下降速率大于1—3月的下降速率，同时，4—6月各监测点的位移量要远大于1—3月份的位移量，因此，库水下降对滑坡的变形是显著的，下降速率越大，影响越明显。

通过对图6分析可知：雨季降雨量的大小与位移量相关性较小，存在一定的影响。 2012年的雨季的降雨量同比2009—2011年的雨季降雨量要小，而2012年各监测点的位移同比2009—2011年的位移普遍要大。雨季降雨量大的年份各监测点的位移要普遍大于雨季降雨量小的年份，例如2009—2012年的降雨量要大于2013—2016年的雨季降雨量，同时2009—2012年各监测点的位移普遍大于2013—2016年的位移。因此，降雨对该滑坡变形有一定的影响。

坡体的变形受库水和降雨的共同影响，但起主要作用的是库水位下降，降雨对坡体的变形有一定的影响，因此，库水下降是坡体变形的主要因素，降雨是次要因素，起助推作用。

2.3 滑坡年度位移特征

选取A—A′剖面上的YY074、YY075和YY076的年位移进行分析，结果如图7所示。2012年坡体位移最大；2005—2006年年位移均在30 mm以下，2007年和2009年年位移在90～115 mm，2008年和2010—2011年以及2013—2016年的年位移在30～70 mm。年位移的变化表明，水库初次蓄水对滑坡的变形和稳定性影响较大，目前在库水波动和降雨的影响下，监测点的年位移量并不具有明显的规律性，表明滑坡目前仍然处于应力调整的阶段。

图7 YY074～YY076监测点年累计位移曲线Fig.7 Annual cumulative displacement curve of YY074～YY076 monitoring points

3 滑坡变形机理分析

由于旧县坪滑坡后部岩层倾角和坡脚相近，在重力的作用下，顺层段在滑体沿滑面向下挤压变形，构成了滑坡的主要下滑段。滑坡前部的岩层倾角逐步变平缓再过渡到反翘，相对平缓的滑动面和滑体，在自重的作用下构成了滑坡的主要阻滑段。因此，在圈椅状形态的控制作用和重力、库水等的作用下，下滑段不断挤压阻滑段向临空面不断发生推移式蠕滑变形。

作用在斜坡单元上的水动力作用可等效表示为渗流力(Fs)和浮力(Fb)。渗流力表示水流通过空隙的摩擦力与水力梯度呈正比，并作用于水流方向，渗流力对边坡稳定性的影响称之为动水压力效应[12]，浮力可以改变滑体的有效重度，从而增加或减小滑坡的下滑力，并对滑坡稳定性产生影响称之为付托减重效应[13]。

如图8(a)所示，库水上升阶段，坡体地下水位滞后于库水位，因此，库水浮力的增长滞后于动水压力，有利于滑坡的稳定而减缓滑坡滑动。此后，库水的逐步入渗导致地下水位进一步抬升，坡体内外水头差的减小，涉水滑坡内的浮托力和动水压力此消彼长，由于阻滑段基本一直处于库水位以下，库水的上升时浮托力主要作用在下滑段上，有利于滑坡的稳定而减缓滑坡滑动。如图8(b)所示，库水下降时，滑坡前部阻滑段自重减轻而削弱其阻滑力，同期的动水压力转向坡外，在此双重作用下，滑坡中后部滑体推挤前部滑体出现加速变形。当库水逐步降至145 m，库水的浮托力随库水的下降而减小，指向坡外的动水压力也随着坡体内外水头差的减小而降低，滑坡在此期间逐步恢复稳定。

图8 库水升降渗流力和浮力作用示意图Fig.8 Schematic diagram of seepage force and buoyancy effect during the up and down stage of reservoir water

4 滑坡稳定性分析

4.1 滑坡稳定性计算

选取该滑坡的主坡面A—A′剖面为计算坡面，分别建立渗流计算模型和稳定性计算模型，运用传递系数法进行稳定性计算。自2006年三峡水库进行145 m→175 m→145 m周期性运营以来，库水位以每年30 m的涨幅周期性变化，故拟定以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率从145 m升至175 m，以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率从175 m降至145 m在进行滑坡稳定计算之前，先运用SEEP/W程序计算其浸润线，然后将各工况下的浸润线导入SLOPE/W程序中计算其稳定性。渗透模型和稳定性计算模型如图9和图10所示。本次计算的渗透系数和力学参数根据以往的勘察资料以及现场勘查取样室内的试验综合取值，具体参数见表1。

图9 渗透模型Fig.9 Penetration model

图10 稳定性计算模型Fig.10 Stability calculation model

表1 旧县坪滑坡物理力学参数

4.2 滑坡稳定性评价

图11为库水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率从145 m水位升至175 m时渗流场的变化图，地下水位线呈下凹形，图12为稳定系数关系图。由图12可以看出，在库水上升过程中稳定性系数逐步增加，库水上升速率越快，稳定性系数增大就越明显，这是由于库水上升时库水上升速率大于地下水上升速率，此时，库水向地下水进行补给，形成指向坡体内部的动水压力，在反推坡体，使滑坡的下滑力较小，滑坡的稳定性上升，在1.2 m/d时稳定性系数达到最大1.33。

图11 库水上升时渗流场的变化Fig.11 Changes in seepage field when the reservoir water rises

图12 库水上升滑坡稳定性关系Fig.12 Stability relationship of reservoir water rising landslide

图13库水以0.6、0.8、1.0、1.2 m/d的速率从175 m水位降至145 m时渗流场的变化图，地下水位线呈上凸形，图14为稳定系数关系图。由图14可以看出，滑坡稳定性系数随库水的下降而降低，库水下降速率越快，稳定性系数降低就越明显，这是由于库水下降过程中库水下降的速率大于地下水位降低的速率，此时就会产生指向坡外的动水压力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的稳定性下降，在1.2 m/d时稳定性系数降至最小1.05。

图13 库水下降时渗流场的变化Fig.13 Changes in seepage field when reservoir water drops

图14 库水下降滑坡稳定性关系Fig.14 Stability relationship of landslide in reservoir water rise

5 结论

针对三峡库区旧县坪滑坡，利用相关的监测数据，分析了滑坡在库水升降作用下的变形规律率，并利用数值模拟进行了稳定性分析。

(1)旧县坪滑坡后部岩层倾角和坡脚相近，对滑坡具有驱动作用。滑坡前部平缓以及反翘的岩体，对滑坡具有明显的阻滑作用，为滑坡的主要阻滑段。因此，在重力和库水等的作用下，下滑段不断挤压阻滑段向临空面不断发生推移式蠕滑变形。

(2)旧县坪滑坡监测数据显示，库水下降时滑坡变形的主要因素，降雨的影响有限，起助推作用。滑坡变形较大的月份主要集中在1—7月库水下降及其影响阶段，变形最大的时期在4—7月库水下降速率较大及其渗流时期，9—12月库水上升和高水位阶段，变形位移较小，甚至出现反推坡体的负位移。

(3)数值模拟表明，库水上升时库水上升速率大于滑坡地下水上升速率，此时，库水向地下水进行补给，形成指向坡体内部的动水压力，在反推坡体，使滑坡的下滑力减小，滑坡的稳定性上升，库水上升速率越快，稳定性系数增大就越明显，稳定性系数最高为1.33；库水下降过程中库水下降的速率大于地下水位降低的速率，此时就会产生指向坡外的动水压力，使滑坡的下滑力增大，滑坡的稳定性下降，库水下降速率越快，稳定性系数降低就越明显，稳定性系数最低为1.05。

(4)综合分析表明，首次蓄水对滑坡的影响是显著的，旧县坪滑坡仍处于蓄水后的应力调整阶段，目前处于基本稳定状态，在持续降雨或增大库水下降速率的情况下，滑坡变形将进一步加剧。