基于Midas-GTS的三峡库区金鸡岭滑坡成因机制与稳定性分析

2023-01-30谭银龙许万忠曹家菊王本栋谯立家

水文地质工程地质 2023年1期

谭银龙，许万忠，曹家菊，罗丹，王本栋，谯立家，周谊

（1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；2.重庆市地勘局 208 水文地质工程地质队，重庆 400700）

随着三峡库区移民迁建工程的实施，移民城市与集镇建设和路桥工程施工形成大量人工高边坡。据统计，移民迁建区已形成的高陡边坡多达3 000余处，受地质条件影响，90%的边坡安全性达不到规范要求，对移民工程造成严重威胁[1]。在人类工程活动和强降雨的条件下，产生了新滑坡，如谭家湾滑坡[2]、武隆滑坡[3]，同时也诱发了古滑坡的复活，典型的有塔坪H1 滑坡[4]、白水河滑坡[5]。

滑坡一直是工程界和地质灾害领域研究的热点和难点，如金沙江色拉滑坡[6]、舟曲牙豁口滑坡[7]、金沙江沃达滑坡[8]等均受到广泛关注。以滑坡勘察监测为基础开展滑坡监测能有效减少滑坡灾害损失，为滑坡灾害防治提供可靠的数据支撑。徐强等[9]根据变形——时间监测曲线从时间角度判断三峡库区秭归县白水河滑坡所处的演化阶段；Zhang等[10]利用滑坡位移监测数据分析了三峡库区马家沟滑坡的运动趋势；陶志刚等[11]整合牛顿力监测数据和降雨量监测数据，对雅安宝兴县滑坡过程与力学演化进行分析；张海燕等[12]分析三峡库区秭归谭家湾滑坡位移和降雨监测数据，得到滑坡各位移监测点变形与降雨间的相关性；周越等[13]利用地球物理方法查明张榆线崇礼隧道出口段滑坡的地质构造及滑面等特征，建立了滑坡体地质模型。

数值模拟是研究滑坡的重要方法之一，滑坡的成因机制、引发的次生灾害以及治理防治都可以通过数值模拟进行研究分析。许超等[14]使用有限元分析软件Midas-GTS运用强度折减法对模型进行计算，分析采动滑坡的形成过程；黄刚等[15]采用Midas-GTS对四川通江县袁家山滑坡在暴雨工况下的稳定性进行了分析；Wang 等[16]利用Midas-GTS模拟某隧道洞口段边坡应力应变破坏对隧道的影响；吕文斌等[17]利用Midas-GTS有限元数值模拟方法，研究了西宁市张家湾滑坡的形成机理、发展过程和剪出口位置，定量评价了该滑坡的稳定状态；谭银龙等[18]利用Midas-GTS模拟降雨条件下大理海东新城开发某地段的边坡应力场和渗流场的变化，采用数值方法计算出降雨入渗后的边坡稳定性系数。滑坡监测数据和数值模拟方法都是滑坡灾害防治研究中的重要手段，仅用其中一种方法来评价滑坡的变形演化特征与稳定性变化规律，往往会导致分析不够全面，所以本文采用两者结合、相互验证的方法，全面地评价滑坡的成因机制、发展趋势，并提出较为准确的防治措施。这也将是当前一段时间滑坡灾害防治研究的热点问题。

金鸡岭滑坡位于重庆市巫山县新区江东组团龙水村金鸡岭，为新生突发地质灾害点，浅表还分布后梆滑坡、潘家岭滑坡。本文以该滑坡为例，在现有丰富的现场勘察资料以及真实可靠的监测数据的基础上，利用高性能有限元软件Midas-GTS，进行有限元建模和数值模拟，通过比较实测数据和数值模拟结果，综合分析金鸡岭滑坡的成因机制，为判定治理措施提供科学可靠的依据，同时为类似滑坡的分析研究提供参考。

1 地质背景和滑坡发育特征

1.1 滑坡区地质背景

研究区位于重庆市巫山县新区江东组团龙水村，属构造剥蚀低山地貌。滑坡区整体呈阶状地形，其坡度在25°～30°之间。研究区位于巫山向斜核部，浅表岩层内部受次级皱褶控制。据区域地质资料和现场勘探揭示，滑坡区出露地层主要为第四系全新统崩坡堆积层（ Q hcol+dl），基岩为中三叠统巴东组（T2b）泥岩、泥灰岩，岩层产状变化较大。

研究区降雨丰沛，多年平均降雨量1 049 mm，最大日降雨量约300 mm（2014-08-31），降雨主要分布在5——9月。通过现场调查，滑坡区后部存在5条冲沟（1#——5#），冲沟终年有水，且 2#——5#冲沟最终在龙洞沟汇流，目前龙洞沟下部已被回填。人类工程活动包括公路边坡、房屋边坡以及人工堆填方。公路边坡位于滑坡区前缘，房屋边坡主要位于黑梁子小区及中医院。滑坡区内堆填工程集中于拟建龙江中学及龙江小学区域，主要是回填工程及碎石堆积场。

1.2 滑坡发生情况

2018年“6·18暴雨”后金鸡岭滑坡发生初始明显变形，2018年7月22日，出现明显加剧。2018年7月22日，对金鸡岭滑坡进行了现场勘察[19]，根据滑坡变形和地貌特征，判断该滑坡包括深层整体滑动和次级滑移。金鸡岭滑坡整体属于深层滑动，其上浅表分布的潘家岭滑坡及后梆滑坡属于次级滑移，此外还包括黑梁子安置房8#楼边坡变形区、12#楼边坡变形区、龙水路2标段外侧变形区，详见图1。根据钻探结果，得到1-1’典型剖面，如图2所示。

图1 金鸡岭滑坡区全貌图Fig.1 Full view of the Jinjiling landslide area

2 物探解译与变形监测

滑坡区布置了钻孔、物探、探槽、深部位移及水平位移专业监测手段，具体布置见图3。

图3 研究区各监测技术手段平面图Fig.3 Plan view of the various monitoring technical instruments in the study area

2.1 物探

物探采用高密度电阻率法层析成像，滑坡区共布置等高密度物探剖面5条（WT1——WT5），层析成像剖面1条（WT6），以WT5剖面为例对物探结果（图4）进行说明。WT5剖面电性分层特征明显，浅部为低阻层，电阻率约5～30 Ω·m，推断为含水土层或强风化层，其厚度约2～20 m，电阻率变化较大；该剖面存在1个较明显的低阻异常体，推断为破碎含水岩体。结合钻孔，推断解译滑动面位于泥岩与泥灰岩分界处。

图4 WT5剖面物探综合成果图Fig.4 Combined physical results from the WT5 profile

2.2 水平位移监测

本次研究共布置水平位移监测点36个，共形成5条监测剖面，本文以C-C’和E-E’剖面为例，累计水平位移曲线见图5。

图5 C-C’和E-E’剖面监测累计水平位移曲线图Fig.5 Cumulative horizontal displacement profiles monitored in profiles C-C’ and E-E’

由图5（a）可知，2018年 7月 9日——2018年 10月17日，黑梁子小区监测点JC23累计位移量为6.20～35.40 mm，位移速率0.80～4.42 mm/d，变形速率逐渐趋缓，可见黑梁子小区后侧边坡变形属于局部强变形。由图5（b）可知，后梆滑坡后缘监测点JC35，累计位移量为1.84 mm，位移速率0.01 mm/d，JC33、JC34监测点8月11日建点后累计位移量为24.20～41.00 mm，位移速率0.21～0.62 mm/d。潘家岭滑坡监测点JC20——JC22，累计位移值分别为 184.80，197.00，145.50 mm，位移速率0.54～3.89 mm/d。监测期间滑坡区未经历持续暴雨，降雨后滑坡加速变形现象不明显，只有监测点JC33、JC34出现明显变形加速，与强降雨时间节点相契合。

2.3 深部位移监测

深部位移监测点SWY2曲线为“D”型曲线，见图6（a）。在34.0 m深度处形成了明显的滑动面，滑面以上相对位移为14.0 ～17.5 mm。结合钻孔ZK34资料显示，35.4 m深度处为T2b1泥灰岩与T2b2泥岩交界处，交界面附近分布有两层软弱夹层，岩心中未见明显滑带迹象，推测该处滑带位于35.4 m。

图6 SWY2、SWY3监测点深部位移监测曲线图Fig.6 Deep displacement monitoring curves at monitoring points SWY2 and SWY3

深部位移监测点SWY3曲线为“R”型曲线，见图6（b）。曲线显示在滑坡前部已形成明显的滑动面，且位移相对较大，而下部相对较小，滑面以上相对位移为12.7～20.8 mm。表明金鸡岭滑坡在监测期内以浅层滑移为主，在地面以下8.0 m处形成较明显的滑动面，结合该处地质结构来看，为浅表层土体在发生滑移，而深部目前未见明显的滑动面。

结合相应钻孔、物探结果综合分析，金鸡岭滑坡前缘发育于T2b1泥灰岩和T2b2泥岩分界线，后部主要沿岩土界面发育，滑带逐步形成，滑面埋深25.3～43.5 m；浅表层滑带初步贯通，滑面埋深8.0～30.1 m。从空间分布看，纵向上，总体呈折线分布，横向上，滑面形态呈两侧薄、中间厚的形态。从滑带厚度看，碎石磨圆度较好及塑性较好的滑动带，厚度多为0.1～0.8 m；少量棱角状的滑动带，厚度为0.8～3.5 m。

3 数值模拟计算与分析

3.1 数值模型的建立

选取1-1’剖面作为典型剖面，进行有限单元数值计算。在现状地貌的条件下，考虑地下水渗流场、位移场，评价未治理滑坡的稳定性。采用强度折减法[20]计算稳定性系数，采用VG模型[21]作为土水特征曲线，采用莫尔-库仑作为岩土体的本构模型。相关计算参数均参照滑坡岩土力学性质试验，见表1。

表1 岩土体的物理参数Table 1 Physical parameters of the rock and soil

根据不同影响因素的组合，进行3种工况下金鸡岭滑坡的稳定性分析：工况1，现状情况；工况2，排干地下水情况；工况3，耦合暴雨情况。在建立滑坡分析建模时，把握“既能保证精度，又能充分消除边界效应的影响”的原则，综合考虑模型的计算速度和精度要求，设置滑坡坡面尺寸控制为1 m，网格划分尺寸为3 m。在模拟暴雨工况时，采用曲面流量（150 mm/d）定义暴雨条件；另外，由于边坡的饱水能力有限，定义了渗流面来模拟雨水沿坡表的径流。

3.2 数值模拟结果分析

各工况的数值模拟结果如图7所示。由图7（a）——（f）可知，工况1和工况2时金鸡岭滑坡稳定系数分别为1.126，1.264，整体均处于基本稳定状态，最大位移分别为51.04，21.35 mm，位移累计量分别为332.16，85.16 mm；工况3时金鸡岭滑坡稳定系数为1.047，整体处于欠稳定状态，最大位移为75.35 mm，位移累计量489.56 mm。综上，在强降雨作用下，金鸡岭滑坡处于欠稳定状态，可能发生失稳破坏现象。

图7 1-1’剖面各工况云图Fig.7 Cloud diagram of each working condition in the 1-1’ profile

由图7（g）（i）可以看出，考虑地下水时，由于金鸡岭滑坡地下水位较高，整体的孔隙水压力值和总水头值都较高，十分不利于坡体稳定性，金鸡岭滑坡容易沿着第四系崩坡积土层发生失稳变形破坏；推测金鸡岭滑坡会穿过第四系崩坡积土层，沿着T2b2中的泥化夹层与T2b1之间的岩层界面发生滑动。考虑地下水与暴雨时耦合时，由图7（h）（j）明显看到渗流加强，地下水位线上升，金鸡岭滑坡坡体内部整体渗流加剧，总水头和孔隙水压力增加，向下的渗透力增高，同时由于降雨含水量增加，坡体重度增加，极大削弱其抗剪强度，十分不利于坡体的稳定性。

排干地下水工况（工况2）下，含水率大大降低，金鸡岭滑坡稳定系数为1.264，整体处于基本稳定状态，与工况1、3对比，排干地下水大大降低了坡体的孔隙水压力和水头，对坡体稳定性提高十分有效。

通过已有的现场踏勘、探槽、钻孔、水平位移与深部位移监测、数值模拟等综合分析得出：金鸡岭滑坡分为整体深层滑动以及其上分布的潘家岭滑坡及后梆滑坡的次级滑移。受金鸡岭滑坡整体牵引，导致原后梆滑坡变形加剧，其变形速率与滑坡整体基本一致；潘家岭滑坡属土质滑坡，受滑坡整体滑移影响，土体裂缝呈圈椅状发生变形，次级滑移特征较为明显。金鸡岭滑坡地下水位浅，受地下水长期浸泡，滑体、滑带抗剪强度降低，滑动面渐趋贯通，在暴雨条件有可能产生整体失稳滑移。

4 成因机制及其治理措施

结合钻探、物探、相关监测数据、数值模拟，综合分析金鸡岭滑坡成因机制，推测滑坡的形成和发展受外部诱发因素与内部决定条件共同控制。

外部诱发因素主要为降雨和人类工程活动。根据走访调查、位移监测及对暴雨工况的数值模拟，该滑坡区的变形加剧与强降雨密切相关。坡体变形开始于2018年“6·18”大暴雨，强降雨使岩土体吸水饱和，坡体重量增加，下滑力增大；此外，降雨也使滑坡的岩土体发生软化和泥化现象，物理力学性质显著降低，抗滑力下降，滑坡稳定性降低。滑坡前部路面开挖，形成较高临空面，为滑坡的滑移剪出提供条件，也是金鸡岭滑坡失稳变形的关键因素。由于多条冲沟在龙洞沟被回填，不仅形成后缘堆载，也导致地表水排泄通道受阻，地表水向地下水转换致使金鸡岭滑坡伴有地下水位上升，最终加剧了滑坡的整体失稳变形。

内部决定条件包括金鸡岭滑坡独有的地形地貌、地质构造和地层岩性，为滑坡的形成和发展提供了物源和场地条件，从根本上决定了滑坡的规模和形态。在地形地貌上，滑坡区为圈椅状地形，多条冲沟汇集，地形条件为地表水及地下水向滑坡区内汇集创造了条件。在地质构造上，金鸡岭滑坡区发育向斜构造，由于构造挤压，滑坡区内岩体极其破碎，易于雨水及地下水入渗、汇集。在地层岩性上，滑坡区地层岩性结构松散，浅表主要为碎块石土，结构松散，渗透性好，大气降雨和地表水入渗快；下部基岩为T2b2泥岩，受构造挤压，岩体节理、劈理、裂隙极其发育[22−23]，利于地下水的运移及赋存；泥岩含有多层软弱夹层，力学性质差，易于产生多期次不同深度的滑移。泥岩下伏T2b1泥灰岩相对完整，但其上部多呈全风化状，含多层泥化夹层，形成相对隔水面，使得上部T2b2地层的地下水位较高。

目前，已对金鸡岭滑坡进行的治理措施包括：在龙水路设置排水平硐入洞口，在黑梁子安置房外侧、龙水中学、龙水小学区域进行削方减载。黑梁子区域在潘家岭滑坡中前部、中医院后部龙水路2标段外侧变形区布置抗滑桩支挡。治理后，金鸡岭滑坡处于稳定状态。