前缘塌岸对三峡库区淹锅沙坝滑坡变形影响分析

孙文铎, 王世梅, 王力, 陈玙珊, 南芳芸

(1.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，宜昌 443002；2.三峡大学土木与建筑学院，宜昌 443002；3.中国地质大学(武汉)，湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站, 武汉 430074)

三峡库区建成蓄水后，长期的库水位变动使区域内的地质条件发生了一系列变化，导致大量古滑坡复活和新滑坡产生[1]。而随着库水和波浪的长期作用，库区土质岸坡塌岸问题也愈发严重[2]。塌岸不仅造成水土流失，水库泥沙淤积，库岸线后退，甚至诱发滑坡发生。因此，滑坡对前缘塌岸的响应分析就十分重要[3]。

但由于塌岸的变化发展过程都较为漫长，针对前缘塌岸对滑坡整体稳定性影响未能引起足够的重视。目前的研究主要集中于水库滑坡成因分析[4]，如水位骤降和强降雨的同时作用；流固耦合作用[5]；边坡的非稳定渗流条件会进一步导致滑坡土体的变形失稳[6]。而塌岸破坏对滑坡稳定性影响的研究较少。实际上，岸坡塌岸的发生，不仅会改变滑坡的外部形态，同时也会使其内部的应力条件随之发生改变，从而影响到滑坡的整体稳定性[7]。相关研究中，塌岸的分布位置差异[8]，对岸坡的卸荷作用[9]都是影响滑坡长期稳定性的重要因素[10]；在分析时，多采用结构试验，理论分析，数值模拟等手段进行研究[11]。其中数值模拟作为一种相对有效且应用简便的方法，可通过有限元方法[12]和极限平衡分析[13]来计算和预测滑坡的变形与稳定性变化。然而目前的方法都基于相互独立的不同滑坡形态进行建模计算，未考虑到塌岸后滑坡对塌岸前应力状态的继承。岸坡形态变化或塌岸的发生，对滑坡而言与边坡开挖对整体稳定性的影响类似[14]。因此，坡形变化前后位移场、应力场与渗流场的分布特征都对边坡稳定系数的演化规律有重要影响。

位于三峡库区的淹锅沙坝滑坡，自蓄水以来便持续发生着变形，有学者对该滑坡体特征和稳定性进行了分析[15]，认为降雨和库水位升降是诱发滑动的主要因素[16-17]。而在前缘发生塌岸后，滑坡变形对塌岸的响应较为明显。为此，以淹锅沙坝滑坡为研究对象，将地勘资料与监测数据做为依据，结合宏观变形情况，分析库水位升降及降雨对滑坡变形与稳定性的影响。为进一步分析塌岸变形对滑坡渗流场、应力场、位移场及稳定性的影响，采用GeoStudio软件对淹锅沙坝滑坡进行模拟计算，并通过生死单元技术实现滑坡在不同时期的坡面形态，进而展示塌岸变形所导致的坡形变化对岸坡稳定性的影响。研究成果对水库塌岸对滑坡稳定性影响的研究具有一定参考意义。

1 滑坡概况

淹锅沙坝滑坡位于三峡库区的湖北省宜昌秭归县沙镇溪乡台子湾村一组。位于长江右岸的斜坡地带，平面形态呈撮箕形，剖面形态呈折线形，顺向坡。滑坡地表波状起伏，前缘、中部、后缘各有一滑坡平台，地形总体坡度较缓，坡度10°～15°。前缘高程70 m，后缘高程650 m。滑坡体主滑方向358°，滑坡纵长约1 200 m，宽500 m，前缘厚度30～50 m，中部厚20～30 m，后缘厚度5～10 m。面积600 000 m2，总体积15 000 000 m3，属于大型土质滑坡。淹锅沙坝滑坡平面图及全貌图分别如图1、图2。

图1 淹锅沙坝滑坡平面图

图2 淹锅沙坝滑坡全貌图

上覆崩坡积物与下伏基岩接触带为滑带。滑带物质组成为砾土，含砾石。土的主要成分为黏土，土石比7∶3，平均厚度为0.3 m。

滑床为下伏的三叠系中统巴东组泥岩、砂岩及灰岩，岩层产状25°∠43°。滑坡按风化强度，可分为上部强风化泥岩和下部中风化泥岩两部分。主剖面图如图3所示。

图3 工程地质剖面图Ⅰ-Ⅰ′

2 宏观变形及现场监测分析

2.1 宏观变形特征

淹锅沙坝滑坡为土质古滑坡，滑坡范围较大。自2003年6月开始蓄水后，滑坡均无明显变形。在经历了多次库水位变动后，于2008年10月在滑坡体前部出现持续变形区域；2009年又在其前缘左侧出现规模约5 m3的小型塌岸。前缘塌岸与长期的江水浸泡有关，滑体前缘大部分浸泡水中，江水的浸泡和冲刷侵蚀，将不利于滑坡整体稳定。因此在后续的地质宏观调查中，需要将前缘塌岸情况作为重点调查内容。

在后续调查中，滑坡的具体变形情况如下。2013年，在三峡库区水位升至175 m后，滑体前缘发生小规模塌岸现象，如图4所示。

图4 2013年滑坡变形情况

2014年6月，淹锅沙坝滑坡前缘东侧在水库水位消落及浪蚀作用下产生坍塌，如图5(a)所示；9月，在持续降雨作用下，滑坡中部地表土体出现局部坍塌，规模约50 m3，如图5(b)所示。2017年9—10月，受长时间降雨影响，滑坡多处局部垮塌和滑塌，如滑坡中前部民房东侧房屋屋场裂缝继续开裂，裂缝走向100°，长约10 m,缝宽1～10 mm；滑体中前部冲沟右侧因降雨形成局部滑塌，如图5(c)所示。滑体中前部冲沟左侧形成长20 m，宽30 m的局部变形体，裂缝宽3～5 cm。位于滑坡左侧的沙黄公路内侧因降雨形成局部滑塌，滑塌长约15 m、宽10 m、厚2～3 m，体积300～400 m3；滑坡右侧后部，形成长80 m，宽90 m的局部变形体，裂缝宽3～5 cm，裂缝近圈椅状展布；滑坡中部右侧，形成长100 m，宽40 m的局部变形体，裂缝宽3～10 cm，后缘下沉约0.6 m，裂缝近圈椅状展布，该处变形体与滑坡右侧后部的变形体分别为两个不同的变形体。

2017年12月，滑坡中部村级公路路面开裂受损，为局部变形，如图5(d)所示。2019年7月，滑坡中后部ZG281点右后侧坡面裂缝，裂缝走向80°，缝宽1～3 cm，断续延伸长20 m，沿缝路面破损，村民屋场开裂，如图5(e)所示；至2019年12月，滑坡前部公路内侧开挖和降雨等形成了局部坍塌，如图5(f)所示。

图5 2014年、2017年及2019年变形情况

2020年的地质调查中发现，滑坡中后部右侧(ZG281上方约10 m处)裂缝穿越公路，导致路面破裂，该裂缝断续延伸长20 m，向北东约30°延伸，穿越公路挡墙，造成公路外侧挡墙开裂，为局部变形所致。滑坡体上未见明显宏观变形迹象；岸坡前缘侵蚀明显，塌岸范围为滑坡涉水段的左侧，呈浪坎型分布，共有三阶，还伴有两处约20 m3的小型塌岸，175 m以上没有牵引破坏区，在库水位升降和波浪冲刷的作用下，塌岸范围可能会在水平方向上朝两侧持续扩大，如图6所示。

综上所述，2013—2020年，受降雨入渗影响，淹锅沙坝滑坡中后部发生了多处变形并产生了局部变形体；而滑坡前缘受江水浸泡侵蚀和库水位升降的作用，出现局部塌岸，并有持续扩张的趋势。

2.2 监测变形特征

滑体上共布设两条监测纵剖面。共布设6个GPS监测点，6个倾斜监测孔、6个地下水监测孔。各监测点位布置情况如图2、图3所示。

2.2.1 地下水监测成果

淹锅沙坝滑坡共布设有6个地下水位监测孔，其中位于滑坡体中后部的sk2孔内地下水位主要受降雨的影响，在2019年10月随着降雨量增加发生了小幅度突增，水位增加1.15 m。至2019年12月，由于降雨量减少，孔内地下水位又发生了骤降，水位降低1.6 m。由此可见，降雨入渗作用，是引起滑坡中后部水位变化的主要因素，如图7所示。

图7 2019—2020年sk2孔内地水位变化

2.2.2 GPS地表变形监测受前缘侵蚀的影响

淹锅沙坝滑坡体上共布设6个GPS监测点,记为ZG281～ZG286。监测成果如图8所示。2016年5月—2020年7月，位于滑坡中后部的地表位移监测点ZG281、ZG285、ZG284的累积位移量相对其他监测点较为明显，最大值分别达到156.17、281.85、126.60 mm，位移方向为302°、327°、259°。位移方向均趋向于滑坡的主滑方向。其中ZG284和ZG285监测点变形量随时间持续增大，且都处于滑坡左侧后部和中部，这表明左侧总体变形较右侧更加明显；而靠近前缘的ZG286、ZG283监测点累计位移虽然相对较小，分别为65.61 mm和52.67 mm，但每年都随着库水位变动保持着一定的变形速率，且在2020年该滑坡前缘发生过局部塌岸后，位于滑坡左侧前部的ZG286监测点位移量明显持续变大，总变形量增加24.02 mm。因此滑坡前缘变形以及塌岸对滑坡整体稳定性的影响是不容忽视的。

图8 滑坡GPS监测点位移与库水位关系

2.2.3 深部位移变化

淹锅沙坝滑坡上布置有6个测斜监测孔，在2019—2020年的监测中，位于滑坡体中后部的QK4测点发生了较大变形位移，于2020年6月在滑坡土体地表下5 m范围内QK4-B方向累计增加了约10 mm的变形量，在QK4-A方向地表下3 m范围内变形增量约为81 mm，如图9所示。这表明滑坡仅于表层发生滑动，而非整体发生滑动变形。因而在此期间滑坡是处于整体相对稳定的状态。

图9 测斜监测孔QK4的累计变形监测成果

3 不同坡面形态的淹锅沙坝滑坡的数值模拟

淹锅沙坝滑坡的宏观变形和监测成果表明，在库水和降雨的作用下，滑坡体左侧发生较大的整体变形，也即Ⅰ-Ⅰ′剖面一侧位移较大；且在前缘发生塌岸后，中前部位移也随之增大。为进一步探究滑坡在发生变形和塌岸后对滑坡整体的影响，可采取数值方法对其进行模拟，以获得滑坡内渗流场，应力场和位移场变化规律，并分析塌岸对滑坡整体稳定性的影响。

3.1 计算原理

拟采用GeoStudio软件进行模拟计算，分3个模块进行，具体如下。

(1)采用Seep/W模块模拟库水变动作用下边坡的渗流场，即应用Seep/W地下水渗流模块求解二维饱和—非饱和地下水运动的基本方程。

(2)利用Sigma/W模块模拟计算天然状态和荷载作用下滑坡区应力场和位移场的变化情况，即Sigma/W通过SOLVE函数中的数值积分来计算该沿单元边界上施加的外部应力导致的节点力。

(3)利用Slope/W模块模拟计算基于应力计算结果的滑坡整体稳定性。即结合Seep模块和Sigma/W的计算结果，采用Morgenstern-Price法应用slope模块进行稳定性计算。分析得出库水入渗过程、不同库水变动周期及不同库水升降速率情况下滑坡的稳定性变化。

3.2 二维有限元模型构建

为了探究前缘塌岸对淹锅沙坝滑坡的渗流场、应力场、位移场及稳定性的影响，采用Geo-studio对淹锅沙坝滑坡进行求解分析。该软件实现前缘塌岸对滑坡影响的步骤为：参考勘察资料划定原始坡形和当前坡形的范围，再基于当前坡面形态应用岸坡结构法[18-19]进行塌岸预测，并将塌岸范围内的模型单元进行预先设定。计算中采用生死单元法来处理塌岸范围内的模型单元，“生”即为将范围内的单元激活，参与边坡的位移场、应力场与渗流场的变化分析；而“死”即为将范围内的单元消除，使其不参与边坡的位移场、应力场与渗流场变化分析。通过激活和消除范围内的单元，来对滑坡在不同时间维度形态的位移场、应力场和渗流场进行模拟，并进一步对其比较分析。求解流程图如图10所示。

图10 求解流程图

3.3 计算工况

根据地质勘察所提供的资料，计算参数如表1所示。

表1 淹锅沙坝滑坡岩土体物理力学参数

岸坡数值模拟总体上分为两个部分，即首先施加一个水文年内的库水位荷载；然后通过生死单元法杀死原始坡形变化至当前坡形所削减的部分，以及当前坡形的前缘塌岸部分，最终得到滑坡原始坡形，当前坡形，预测塌岸后坡形3种形态不同的坡形。

将滑坡的I-I′剖面作为构建当前坡形的依据，原始坡形范围则在当前坡形基础上依据滑坡方量和周边地形推测得出[20]，塌岸区域是依据岸坡结构法[18-19]在现有岸坡剖面的基础上进行预测后得出。滑体的主要组成物质为碎块石土，参数选取参考“三峡库区地质灾害防治工程地质勘察技术要求”，确定出淹锅沙坝滑坡的前缘冲磨蚀角和水上稳定角为13°和25°。并据此绘制出预测的塌岸区域。如图11所示。

图11 滑坡的三类坡面形态示意图

滑坡计算模型尺寸为：水平方向距离1 290 m，垂直方向高程550 m，建立的I-I′剖面有限元计算模型节点数4 247 个，划分单元数4 139 个，如图12所示。

图12 滑坡有限元模型示意图

3.4 计算结果

通过GeoStudio软件，采用生死单元法进行滑坡3种形态的计算，计算结果如图13～图16所示。

根据渗流场结果进行分析，在对比滑坡塌岸和变形前后不同坡形的渗流场情况后，发现不同坡形渗流场对库水位升降响应的差别较小，即前缘塌岸变形对滑坡总渗流场影响较为不明显。

库水位升至175 m后并由60 d持续至125 d时，滑坡体内孔隙水压力发生变化，因而选择处于该时刻的当前坡形进行分析。如图13所示，在125 d时，库水位由145 m升至175 m稳定后持续约60 d，由于滑体组成物质具有弱渗透性，滑体内部水位相对于外部库水位的变动有明显的时间滞后。浸润线由滑体浅表至内部有快速降低的趋势，也即浸润线有明显的下凹趋势，形成指向滑体内的动水压力作用，有利于滑坡的整体稳定性。

图13 I-I′剖面上当前坡形孔隙水压力分布

而库水位下降时，滑体内浸润线随着库水位高度下降而下降，虽然形成指向坡体外的动水压力作用会不利于滑坡的整体稳定性，但由于将库水下降速率控制在较低水平后减弱了时间滞后所带来的影响，浸润线变化趋势平缓，因此稳定性系数在短期陡降后也趋于平缓，如图15所示。因而根据滑坡渗流场与稳定性系数的变化规律可知，该涉水滑坡类型为动水压力型滑坡。

根据应力场结果进行分析，滑体在水平方向的总应力值分布随着坡形不同而发生变化。原始坡形变化至现坡形后，滑体前缘水平向应力值减小，且由表层向内部的应力值增量也发生了减小；而滑坡发生塌岸后，前缘水平向应力值变化范围扩大，如图14所示。可以看出，在原始坡形变化至现坡形后，受应力值变小的影响，前缘位移量会相应减小；而在现坡形发生塌岸后，前缘位移量则会增大。

图14 I-I′剖面上不同坡形水平方向总应力分布

结合图15、图16分析可知，受库水位升降的影响，岸坡的位移变形主要集中在前缘位置，当前坡形和原始坡形的前缘最大水平位移量相差不大，分别为12、18 mm。但在塌岸后的前缘最大水平位移量显著增大，为28 mm。因此可将发生塌岸的区域看作滑坡阻滑段的削减，发生塌岸后滑坡的位移变形量有变大的趋势，滑坡整体稳定性也随之下降。

图15 滑坡三类坡形的稳定性系数变化

图16 I-I′剖面上不同坡形变形位移量分布

在运用Slope/W模块模拟计算基于应力计算结果的滑坡整体稳定性的计算结果如图15所示。受库水位升降影响，淹锅沙坝滑坡在3种坡形条件下的稳定系数变化趋势近似，随着库水位的上升，稳定性变大；随着库水位下降，稳定性变小，皆表现出了动水压力型滑坡的特征。即高水位相较于低水位更加有利于滑坡的稳定性。

同时在原始坡形变化至当前坡形，当前坡形变化至塌岸后坡形的过程中，滑坡稳定系数曲线变动范围是依次降低的。即滑坡前缘变形且塌岸范围不断扩大的过程中，岸坡的整体稳定性在逐渐变小，表明了在库区蓄水后导致的塌岸变形使得滑坡的整体稳定性有下降的趋势。

4 结论

(1)淹锅沙坝滑坡的变形受多因素影响，滑坡中后部主要受降雨入渗的影响，出现多处裂缝和小型变形体；滑坡前缘主要受库水变动和波浪侵蚀作用，出现塌岸并持续扩张。

(2)淹锅沙坝滑坡变形主要发生在滑坡左侧；受库水作用影响，2020年滑坡前缘左侧发生塌岸，塌岸一侧的中前部监测点位移量随之变大。因此可以判断，由库水位升降导致的滑坡前缘塌岸在一定程度上会影响滑坡的整体稳定性。

(3)数值模拟的渗流场结果表明，淹锅沙坝滑坡是动水压力型滑坡，主要受库水位下降产生的动水压力影响；库水位变动条件下，不同坡形渗流场结果变化较小。

(4)数值模拟的应力、位移场结果表明，受库水作用，岸坡变形主要集中在前缘位置；滑坡的水平方向总应力值分布会随着坡形不同发生变化，进而影响滑坡的前缘位移量和整体稳定性；当前坡形前缘发生塌岸后，会使前缘水平方向总应力值增大，随之位移变化增大，滑坡整体稳定性也因塌岸发生而下降。且2020年的监测结果也表明该滑坡受到塌岸的影响，前缘位移变形量增加，与数值模拟结论一致。

综上所述，在库水和波浪的长期作用下，三峡库区淹锅沙坝滑坡前缘塌岸的发生，将会对滑坡整体稳定性产生不利影响，因此今后不仅需要加强该滑坡整体的监测预警工作，更需要对前缘塌岸情况重点关注。