三角帶滑坡穩定性對極端氣候的響應

徐丹梅，杜尚海

(1.河北省地礦局水文工程地質勘查院，石家莊050021;2.吉林大學環境與資源學院，長春130026)

滑坡作為自然界四大地質災害之一，常常中斷交通、損毀廠礦、堵塞河道、掩埋村鎮，給人民生命財產造成巨大損害[1]。為研究滑坡的發育特征和影響因素，國內外專家開展了大量的研究，揭示了滑坡目前的3種誘發機理即降雨軟化滑坡土體、坡頂加載和坡腳切割或工程棄渣堆積等人類工程活動、庫水位變化和滑坡體周期性浸泡等[2-3]。

三峽庫區位于我國西南部多雨潮濕的山區和丘陵區，地質條件復雜，地質環境容量有限，是我國地質災害的多發區和重災區[4]。三峽水庫建成蓄水后，非汛期三角帶滑坡將部分淹沒于水下，導致地下水位上升、滑帶土進一步軟化、抗剪強度降低，對滑坡穩定性將產生不利影響，在暴雨和洪水等極端氣候條件下將發生滑坡失穩[5]。結合土工實驗數據對滑坡的穩定性進行綜合評價，分析三峽水庫蓄水后三角帶滑坡穩定性對暴雨與洪水綜合作用的極端氣候的響應效果。

1 研究區概況

三角帶滑坡地處長江凹岸轉折處，河岸沖刷侵蝕強烈。在三峽水庫按175～145 m(吳淞高程)蓄水方案運行時，三角帶滑坡處于三峽滿庫水位回水末端，且研究區屬亞熱帶濕潤氣候，多年平均降雨量1 141.8 mm，降雨多集中在5-9月，約占全年降雨量的70%，且強度較大，暴雨時有發生，為地質災害的重要誘發因素之一。

三角帶滑坡平面展布為橫長式，東西寬約800 m，南北長200～350 m ，面積約20萬m2，滑體厚度一般為10～35 m，體積約480萬m3，為大型中層土質滑坡。滑坡前緣高程155～170 m，后緣高程202～214 m，主滑方向為179°。

圖1 三角帶滑坡剖面位置示意圖

根據已有的觀測資料可以將三角帶滑坡劃分為三個發展階段:

(1)滑坡快速發展階段。重鋼1956年建廠初期，原糧食倉庫以南洪水后地面有變形和滑動跡象，并造成糧庫拉裂破壞。1958-1960年，成渝鐵路儲煤場-受煤坑一帶的人工填土表面出現變形裂縫，至1959年變形加劇，古滑坡前緣向南最大位移1 462 mm，后部最大位移640 mm，下錯高差達400 mm，并形成了長約200 m，寬10 m左右的洼地。1960年，受煤坑附近的變形范圍又向北擴展約10 m，儲煤場附近的變形范圍向北擴展1 m左右，破裂壁高由原來的400 mm增加到最大1 630 mm。

(2)滑坡穩定階段。經1962-1966年的三期拋石反壓治理后，上述變形基本得到了控制，拋石工程起到一定的作用，1991-1994年對古滑坡進行的位移監測資料表明，位于前述變形區以外的建筑物，無明顯變形。根據長江水利委員會綜合勘測局1994年10月-1995年2月進行的鉆孔測斜儀監測資料，位于三角帶滑坡西部的焦爐區沒有變形顯示，儲煤場-受煤坑新變形區沒有變形顯示。

(3)滑坡重新活動階段。近年來，三角帶滑坡變形跡象在不斷擴大，主要表現為地面多條平行的橫向拉張裂縫、側向的羽狀拉裂、房屋建筑物開裂變形、管道變形、鐵路路基下沉、電桿傾斜等。滑坡中后部形成多級平臺及錯落坎，地表出現多處拉裂縫，寬者達10 cm左右，延伸性好，中后緣木料加工廠墻體出現拉裂。東側壁道路中曾出現4條羽狀拉裂縫，裂縫呈羽狀平行排列，大致自NWW向SEE延伸。1999年6月-2004年8月，鐵路路基累計下沉1.1 m，累計外移0.75 m，而且年年發生下沉和外移，且日趨加大，2000-2001年，路基平均每年下沉15 cm和外移8 cm，2002-2004年平均每年下沉26 cm和外移13 cm。

2 滑坡穩定性評價的計算方法和參數獲取

2.1 滑坡穩定性計算方法

滑坡滑體物質主要由第四系人工填土、粉質黏土夾砂巖、泥巖塊碎石組成。計算時以 1-1′、2-2′、3-3′、4-4′、5-5′與 B-B′縱剖面為計算剖面(見圖2)，選取三角帶滑坡的深層滑面、淺層滑面及高焦爐古滑坡的滑面分別計算其穩定性。各剖面的滑面位置根據監測到的滑帶(滑面)位置、勘探揭露的滑帶位置、地表變形資料及地貌特征，并考慮整個滑面的空間分布綜合確定。4-4′剖面鐵路抗滑樁治理后的滑面，根據監測到的變形位置、地貌特征及抗滑樁的位置綜合分析后確定。該滑坡滑體坡面地形線及滑帶均簡化成折線，其穩定系數的計算采用傳遞系數法。計算時取滑坡的單位寬度為1.0 m。穩定性計算公式:

式中:FS——滑坡 穩定性系 數;ψj——傳遞系數;Ri——第i計算條塊滑體抗滑力(kN/m);Ti——第i計算條塊滑體下滑力(kN/m)。

2.2 工況設計

三角帶滑坡處于長江三峽大壩上游，在汛期基本不受庫水位的影響，但非汛期受庫水位的影響，屬于涉水滑坡，本滑坡工程級別為Ⅰ級，結合研究區的實際情況，將極端氣候條件設計為3種工況:50年一遇暴雨、50年一遇洪水以及50年一遇洪水與暴雨的遭遇條件，并進行無暴雨和洪水條件下的滑坡穩定性評價，以分析暴雨和洪水極端氣候對三角帶各滑坡的影響效果，本次研究設計的4種工況見表1。

表1 三角帶滑坡穩定性評價工況設計表

圖2 計算剖面圖

2.3 滑坡穩定性計算參數選取

本次研究土體自重參數分為兩種情況，地下水位以上采用天然重度，地下水位以下采用浮重度，且根據室內試驗值和現場大重度試驗綜合確定天然重度取21.0 kN/m3，飽和重度取21.5 kN/m3。

天然抗剪指標根據室內試驗天然快剪峰值、殘值和原位大型剪切試驗值綜合取值，飽和抗剪強度指標根據室內土工試驗峰值抗剪強度、殘余抗剪強度、原位大型剪切試驗成果、反演分析結果和已有工程經驗進行綜合取值。由于三角帶滑坡存在上層滯水，淺層滑帶土多處于飽水狀態;高焦爐古滑坡滑帶滑床頂部強風化層中存在基巖裂隙水，滑帶土多處于飽水狀態，因此二者采用飽和狀態的抗剪強度指標，各滑帶土的抗剪強度指標取值見表2。

表2 抗剪強度指標取值[6]

3 三角帶滑坡穩定性評價結果

3.1 三角帶滑坡深層滑面穩定性評價

從三角帶滑坡深層滑面的評價結果可以看出，總體上處于基本穩定到欠穩定狀態，各評價斷面間穩定性大小依次為:1斷面＞2斷面＞3斷面＞4斷面＞B斷面(圖3)，對比4個工況的評價結果可以看出，暴雨和洪水對各剖面滑坡穩定性影響均較大，由基本穩定向欠穩定狀態變化。

圖3 三角帶滑坡深層滑面穩定性評價結果

3.2 三角帶滑坡淺層滑面穩定性評價

從三角帶滑坡淺層滑面的評價結果看出，各斷面在暴雨和洪水作用下出現基本穩定、欠穩定和不穩定狀態，各評價斷面間穩定性大小依次為:3斷面＞1斷面＞4斷面＞B斷面＞2斷面(圖4)，對比4個工況的評價結果看出，暴雨和洪水對3斷面和1斷面穩定性的作用效果不明顯，4斷面和B斷面的穩定性呈現由基本穩定向欠穩定狀態轉變，而2斷面的穩定性受到暴雨和洪水的作用效果明顯，由基本穩定向欠穩定狀態轉化，在暴雨和洪水雙重作用下呈現不穩定狀態。

3.3 高焦爐古滑坡滑面穩定性評價

從三角帶滑坡深層滑面的評價結果可以看出，總體上各斷面處于基本穩定狀態，即使是在暴雨和洪水的雙重作用下，穩定性有所下降，但依然處于穩定狀態，且各評價斷面中，3斷面穩定性最大，2斷面、5斷面和B斷面次之，4斷面最不穩定(圖5)，但評價結果依然屬于穩定層次。

圖4 三角帶滑坡淺層滑面穩定性評價結果

圖5 高焦爐古滑面穩定性評價結果

3.4 滑坡穩定性敏感因素分析

選取三角帶滑坡深層滑面4-4′剖面在工況1條件下進行敏感性分析見表3。從表中可以看出，滑帶土抗剪強度(c、φ值)對滑坡穩定性較為敏感，當φ值一定，c值每降低1 kPa，滑坡體穩定系數降低0.02;c值一定，φ值每降低1°，滑坡體穩定系數降低0.16。φ值與c值比較，φ值對滑坡穩定系數的敏感性較大。

表3 敏感性分析分析計算表

3.5 滑坡穩定性綜合評價

三峽庫水位主要影響三角帶滑坡，其邊界條件清晰，滑坡堆積粉質黏土夾碎塊石、人工填土層構成了三角帶滑坡的滑體，厚度10～35 m。主要受控于高焦爐古滑面及人工填土界面，并具有多級滑動的特點。三角帶滑坡近50 a來一直在緩慢、持續的變形，并具有季節性，現狀處于蠕動階段。

已有研究結果表明，暴雨和洪水是三峽庫區多數滑坡變形的主要外因[7]。暴雨的發生會提高土體的含水量，由此引起巖土重度增大，降低其抗剪強度，對不透水層上的巖土層起到潤滑作用，且當地下水在不透水層頂面上匯集成層時，產生的浮力加劇了滑坡體的變形;洪水的發生會伴隨著三峽庫區水位的漲落，滑坡體地下水位升高，孔隙水壓力增大引起滑坡體巖土物理力學性質發生變化，滑帶抗剪強度降低，引起滑坡的穩定性下降。本次研究結果表明，三角帶滑坡深層滑帶現狀處于蠕動狀態，遇汛期庫水位浸泡或庫水位升降、暴雨時穩定系數降低，將變為不穩定狀態而失穩。

2003年9月-2006年6月鐵路部門在滑坡東部實施了抗滑樁治理工程，同期開展了位移監測，根據治理工程竣工后的監測資料，抗滑樁以上的變形近期已明顯減弱，抗滑樁以下部分沒有任何變形收斂跡象。三角帶滑坡淺層滑帶現狀處于穩定-基本穩定狀態，在遇暴雨、庫水位浸泡及庫水位升降時穩定系數降低，部分剖面段變為基本穩定-欠穩定狀態，局部可能失穩。三角帶滑坡是高焦爐古滑坡的一部分，三角帶滑坡范圍內變形強烈，三角帶滑坡以西、以北也存在微弱的變形，遇庫水位降落時，三角帶滑坡將失穩，三角帶滑坡以西、以北的高焦爐古滑坡也會引起部分或整體的變形，古滑坡的穩定狀況也會發生變化。

4 結論

(1)在洪水和暴雨極端氣候條件下，高焦爐古滑坡各種工況條件下各剖面均處于穩定狀態;三角帶滑坡淺層滑面基本穩定向欠穩定狀態轉變，局部出現不穩定狀態;三角帶滑坡深層滑面由基本穩定向欠穩定狀態變化;

(2)通過參數敏感性分析可以看出，當φ值一定，c值每降低1 kPa，滑坡體穩定系數降低0.02;c值一定，φ值每降低1°，滑坡體穩定系數降低0.16。φ值與c值比較，φ值對滑坡穩定系數的敏感性較大。

(3)綜合分析結果表明，三個滑坡穩定性評價結果為:三角帶滑坡深層滑面＜三角帶滑坡淺層滑面＜高焦爐古滑坡，且在暴雨和洪水的雙重極端氣候影響下均發生一定的穩定性下降現象。

[1] 羅子立，三峽庫區興山縣(34)楊家坪滑坡成因及防治研究[J].西部探礦工程，2005，17(6):215-218.

[2] 易慶林，易武，尚敏.三峽庫區某滑坡變形影響因素分析[J].中國水土保持，2009(7):32-34.

[3] 陳洪凱，唐紅梅.三峽庫區大型滑坡發育機理[J].重慶師范大學學報:自然科學版，2009，26(4):43-47.

[4] 孫東暉，劉建磊.三峽庫區土門子滑坡變形破壞機制分析[J].巖土工程技術，2008，22(5):267-270.

[5] 陳松，徐光黎，陳國金.三峽庫區黃土坡滑坡滑帶工程地質特征研究[J].巖土力學，2009(10):3048-3052.

[6]《重慶市三峽庫區三期地質災害防治工程應急搶險緊急實施Ⅱ類項目大渡口區三角帶滑坡(治理總表序號354)可行性研究階段勘查報告》[R].2006.

[7] 薛星橋，張俊義，金梟豪，等.三峽庫區淌里滑坡變形特征及影響因素分析[J].中國水土保持，2010(6):47-49.