庫區水位變動對花蓮樹滑坡局部與整體穩定性影響分析

覃茂森，程圣國，劉 朝，陳 勇

(三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

三峽水庫建成蓄水后，壩前水位在145～175 m之間變動。中村浩之［1］的研究表明，約49%的庫岸邊坡在水庫蓄水初期發生失穩破壞，約30%發生在庫水位下降期間。水庫蓄水不僅使滑坡穩定性發生變化，滑坡的變形模式也將由推移式轉變為牽引式［2］。庫水位升降是滑坡變形破壞的主要誘發因素之一［3-4］。眾多學者對庫岸滑坡的成因機制及穩定性進行了相關研究［5-7］，林新等［8］通過室內物理模型試驗，研究了均質岸坡存在水平強透水層條件下，庫水位等速上升對岸坡土體內浸潤線的影響，提出了在庫水位等速上升的條件下浸潤線的簡化計算方法;張國棟等［9］以白水河滑坡為研究對象，結合地質勘察、宏觀變形跡象及監測成果分析，對水庫型滑坡的變形特點及水動力作用下的穩定性進行了有限元分析，研究了庫水位變化、降雨對滑坡穩定性的影響;張巖等［10］以西南地區某庫岸滑坡為例，通過三維數值模擬，分析流固耦合作用下庫水位對庫岸滑坡的穩定性結果表明，水位下降后滑坡穩定性大幅降低;向玲等［11］研究了動水壓力型滑坡對庫水位升降作用的響應，指出庫水位升降速率越大，滑體滲透系數越小，庫水位變動對滑坡滲流及穩定性影響越明顯;時衛民，鄭穎人［12］根據包辛涅斯克(Boussinesq)非穩定流微分方程，得到了庫水位下降時坡體內浸潤線的簡化計算公式，在此基礎上，用流網的性質來確定土條邊界上的靜水壓力，證明了滲透力與土條中的水重和周邊靜水壓力是一對平衡力，并用滲透力代替土條周邊水壓力的方法得到了滑坡穩定性評價公式，最后通過算例討論了各因素對坡體穩定性的影響。

以上研究均是對庫岸滑坡的整體穩定性進行分析，很少對滑坡的局部穩定性進行相關探索，尤其是庫水位變動作用下庫岸滑坡前緣的穩定性。而在實際工程中，庫岸滑坡前緣經常會發生局部垮塌或塌岸，由此帶來了滑坡滑動模式的變化。基于以上研究現狀，本文以花蓮樹滑坡為研究對象，采用搜索滑移面的方法，對滑坡前緣的穩定性特征進行分析。

1 工程概況

花蓮樹滑坡地處重慶市奉節縣永樂鎮永樂村，處于巴務河向斜NE翼，位于長江一級支流大溪河左岸的斜坡地形上，地形西高東低，坡面向東傾斜，坡向與巖層傾向相反，為一反向斜坡。滑坡區內發育有2條較大且垂直于大溪河的沖溝，分別為滑坡的左、右邊界。滑坡后緣高程625 m，前緣高程110 m，后緣至前緣縱長約1 800 m，滑坡寬約240～440 m，滑體平均厚度40 m，面積約72.1×104m2，總體積約2 880×104m3。滑坡體表層由粉質粘土覆蓋，厚1～2 m，其下為粉質粘土夾碎、塊石，滑帶土物質成分主要由粉質粘土夾碎石、角礫組成。據鉆孔揭露，滑帶位于第四系滑坡堆積層與基巖的接觸面，厚0.6～1.7 m，滑面呈折線形，滑坡后部與中部的滑面傾角基本一致，約20°，至滑坡前部，滑面傾角漸漸變緩，約7°～10°，滑床為三疊系中統巴東組泥灰巖和砂巖。

對花蓮樹滑坡GPS監測數據［13］整理分析時發現，在庫水位變動期滑坡前緣呈現出階躍式變形，變形程度從滑體后部至前部逐漸增大;另外，從時間上來看，每年6月～12月滑坡的變形相對較大，此時三峽庫區庫水位大幅變動加之汛期降雨，極易造成滑坡的局部或整體失穩。

滑坡區內按地下水賦存條件可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水賦存于粉質粘土夾碎、塊石中，主要接受大氣降水的補給，受季節變化影響，動態不穩定。勘探資料顯示，地下水位埋深為2.0～48.5 m，滑坡后緣地下水位埋深較淺，僅2.0 m，滑體中部地下水位埋深較大。地下水在滑坡形成的多級平臺的前緣沿基巖接觸面處以泉的形式排泄于地表，水量較為豐富，可供當地居民飲用。

在滑坡體上布設有1條監測剖面。其中，GPS監測點4個、傾斜孔4個、推力孔4個、水文孔4個，同時，在滑坡體外穩定巖層上布置GPS基準點2個。

2 監測結果

2.1 變形特征

從2007年6月開始實施監測到2009年12月期間，4個GPS監測點中，位于滑坡后部的FJ3021、FJ3022累積位移量達到80 mm，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024累積位移量達到160～180 mm，且4個監測點的累積位移量距離河流越近位移量越大，其中滑坡前緣的FJ3024累計位移量高達180 mm。

此外，4個監測點的累積位移具有一定的分段同步特征，即位于滑坡中后部的2個監測點具有較好的同步性，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024同步趨勢更明顯。并且，這些監測點的位移特征還表現出較為明顯的三次階躍型變形:即在2007年6月～9月、2008年7月～12月、2009年9月～12月地表位移明顯變大，位移速度變快;而在其他時段，地表位移變化處于相對平穩狀態。

2.2 蓄水對滑坡變形的影響

結合奉節年降雨量特征以及三峽庫區水位運行特征來看，每年5月～9月正值庫區雨季并且庫水位處于低位145 m運行，而9月～11月為庫水位上升期，此期間花蓮樹滑坡上各GPS監測點出現快速階躍式變形。具體來看，2007年6月～9月，庫水位下降至145 m同時疊加降雨;2008年7月～11月，先是經歷了庫水位下降至145 m低位運行疊加汛期降雨(7月～10月)，后又經歷了大幅度的水位上漲至172 m附近(10月～12月);2009年的變形特征與2008年非常相似。以上分析可以看出，花蓮樹滑坡同時受到降雨與庫水位變動的影響，相對來說，前緣受庫水位大幅升降的影響更大，表現為累積位移增加更快。

綜上所述，花蓮樹滑坡變形具有比較典型的牽引式滑坡特征，即滑坡前部的累積變形量大于滑坡后部。此外，滑坡的穩定性主要受降雨及庫水位升降的聯合影響，且滑坡前緣受庫水位升降的影響更為顯著。

3 庫水位升降作用下滑坡數值模擬

3.1 計算模型

選取Ⅱ-Ⅱ'主滑面作為整體穩定性計算剖面，滑動面確定為覆蓋層與基巖面的最軟弱層面。根據花蓮樹滑坡地質剖面圖建立相應的計算模型。節點數3 567個，單元數為3 447個。網格模型見圖1。

圖1 網格模型

3.2 計算參數

根據野外取樣進行的室內試驗數據，再綜合分析當地工程經驗，對滑坡計算參數進行綜合選取。計算參數見表1。

表1 計算參數

3.3 計算工況

為探究庫水位升降速率對滑坡地下水浸潤線及穩定性的影響，結合庫區庫水位實際運行特征，設計了以下工況:①庫水位以1.5、1、0.6 m/d速率從145 m水位上升至175 m;②庫水位以1.5、1、0.6 m/d速率從175 m水位下降至145 m水位。

4 計算成果及分析

4.1 地下水位線變化規律

現場監測結果表明，滑坡后緣的地下水位較為穩定，受庫水位升降及降雨影響并不顯著。鑒于此，本文重點研究滑坡前緣地下水位在設計工況下的變化情況。庫水位以1.5、1、0.6 m/d速率從145 m水位上升至175 m水位周期內地下水浸潤線變化見圖2。從圖2可知，庫水位以1.5 m/d速率上升時，滑坡前緣浸潤線呈現出左低右高形態，均有向左彎曲、外凸的趨勢，地下水位的變化明顯滯后于庫水位的上升，產生“倒流”現象;庫水位上升速率越小，地下水位線外凸現象越不明顯，與庫水位上升的同步性更好。

圖2 庫水位上升時地下水浸潤線(高程:m)

庫水位以1.5、1、0.6 m/d速率從175 m水位下降至145 m水位周期內地下水浸潤線變化見圖3。從圖3可知，庫水位以1.5 m/d速率下降至145 m水位，20 d時地下水位線與庫水位形成了較大的水位差，浸潤線呈現出左高右低、內凹現象，浸潤線曲率較大，較于庫水位的跌落，地下水位線的變化呈現出明顯的滯后性;庫水位下降速率越大，地下水位線內凹現象越明顯，曲線斜率越大，與庫水位形成的落差也越大。

圖3 庫水位下降時地下水浸潤線(高程:m)

4.2 滑坡前緣與整體穩定性變化

4.2.1 穩定性系數

庫水位上升工況下的穩定性系數變化見圖4。從圖4可知，庫水位按不同速率抬升過程中，穩定性系數的變化規律相同，均會經歷一個穩定-下降-上升的過程，穩定性系數也都會達到一個極小點，然后逐漸升高。但穩定性系數減小的幅度較小，最大減小值為0.027。當庫水位抬升到175 m時，穩定性系數達到最大，庫水位抬升速率越大，穩定性系數增大的幅度越大，曲線上升段斜率也最大。庫水位在0.6、1、1.5 m/d的抬升速率過程中穩定性系數雖有一定波動，但仍處于穩定狀態。滑坡前緣與整體穩定性變化趨勢相似，但是變化幅度很小，最大波動僅為0.03，整體穩定性對庫水位響應不甚顯著。

庫水位下降工況下的穩定性系數變化見圖5。從圖5可知，庫水位在跌落過程中，穩定性系數先下降后上升，在156 m水位時穩定性系數達到最小值，隨著庫水位的繼續跌落，穩定性系數開始逐漸增大。3種不同工況的計算結果顯示，庫水位跌落速率越大，穩定性系數下降速率越大，減小的幅度也越大。當庫水位跌落速率達到1.5 m/d時，滑坡整體穩定性較好，但此時滑坡前緣的穩定性系數最小值已經低于臨界值1，極有可能發生失穩破壞。庫水位在1、0.6 m/d跌落速率過程中，滑坡整體與局部均處于穩定狀態。

圖4 庫水位上升工況下滑坡穩定性系數變化

圖5 庫水位下降工況下滑坡穩定性系數變化

4.2.2 穩定性分析

當庫水位抬升時，滑體前緣部分被河水淹沒，向上的浮托力使得滑坡水下部分滑體重力減小。如果浮托力作用在阻滑段，滑坡阻滑力減小，滑坡穩定性降低;如果浮托力作用在下滑段，滑坡下滑力減小，滑坡穩定性增大［14］。

鉆孔勘探資料表明，滑體物質主要為粉質粘土，含少量砂粒和碎石，土體結構較密實，滲透性差。庫水位從145 m抬升時，滑體前緣被庫水淹沒的部分會受到庫水的浮托作用，阻滑力減小，滑坡的穩定性也相應減小。庫水位達到160 m時，由于受到滑體土滲透性差的限制，地下水位的抬升已經明顯滯后于庫水位的上升，出現了指向坡體內部的水力梯度，有利于滑坡的穩定性，安全系數開始逐漸增大。庫水位從175 m跌落時，同樣受到滑體土滲透性差的限制，滑體內部的水來不及排出坡外，與庫水位形成了較大的水位差，產生了流向坡外的滲流，指向坡外的水力梯度增大了滑坡下滑力，滑坡穩定性降低。因此，在庫水位升降作用下，滑坡前緣呈現階躍式變形特征，也驗證了在庫水位變動期，滑坡前緣GPS監測點出現快速階躍式變形的現象，說明監測數據可靠。

以上分析發現，庫水位的升降對滑坡前緣局部穩定性的影響更為顯著，滑坡前緣會先于整體而發生局部的失穩、塌岸，一定程度上對滑坡的大范圍失穩起到了預警作用。

4.2.3 滑坡發展趨勢

2010年10月，三峽水庫水位到達175 m，滑坡前緣已被庫水淹沒。由于受到長期沖刷、浸泡，其變形可能會加速。隨著三峽水庫的高水位運行，庫區水位停留在175 m的時間加長，約3～5個月，全年水位淹沒滑體前緣坡腳達35～65 m。在水的長期作用下，土體的抗剪強度相應減小，從而降低了滑坡的穩定性。此外，從時間上來看，每年6月～12月滑坡的變形相對較大，這是由于受到庫水位的大幅度變動并疊加汛期降雨的影響，這種影響可能最先引起滑坡前緣局部失穩。滑坡前緣失穩后，形成較大的臨空面，阻滑段失效，之后滑坡受到牽引，從前向后變形逐漸加大。

5 結語

從花蓮樹滑坡GPS位移監測點所獲得的數據分析，該滑坡變形程度從滑體后部至前部有逐漸增大的特征，具有比較典型的牽引式滑坡特征。庫水位上升時，滑坡穩定性前期有所下降，在156 m水位時達到極小值，但處于基本穩定狀態。庫水位下降時，滑坡前緣地下水位線呈現出內凹現象，穩定性系數先下降后上升，庫水位下降速率越大，穩定性系數下降越快;當庫水位下降速率達到1.5 m/d，穩定性系數低于臨界值1，將會發生局部失穩破壞，應盡可能避免庫水位下降速率過大。

滑坡前緣穩定性較整體穩定性受庫水位變動影響更顯著，前緣會先于整體發生失穩，一定程度上起到了預警作用。在分析滑坡穩定性時，不應忽略局部的穩定性。同時，也說明了庫水位升降是牽引式滑坡的一個重要誘發因素。

［1］中村浩之．論水庫滑坡［J］．水土保持通報，1990，10(1):53-64．

［2］王明華，晏鄂川．水庫蓄水對庫岸滑坡的影響研究［J］．巖土力學，2007，28(12):2722-2725．

［3］劉新喜，夏元友，張顯書，等．庫水位下降對滑坡穩定性的影響［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(8):1439-1444．

［4］劉才華，陳從新，馮夏庭．庫水位上升誘發邊坡失穩機理研究［J］．巖土力學，2005，26(5):769-773．

［5］徐青，陳勝宏，鄔愛清．庫岸滑坡災害評價［J］．長江科學院院報，2006，23(4):8-12．

［6］王猛，石豫川，唐興君．某庫岸滑坡的成因機制及穩定性［J］．長江科學院院報，2011，28(4):41-44．

［7］王志旺，楊健，張寶軍，等．水庫庫岸滑坡穩定性研究［J］．巖土力學，2004，25(11):1837-1840．

［8］林新，張慧萍．庫水位等速上升對浸潤線影響的模擬試驗研究［J］．水力發電，2010，36(4):95-97．

［9］張國棟，李泯蒂，龍海濤，等．水庫型滑坡穩定性動態變化過程有限元分析［J］．水利水電技術，2016，47(2):104-108．

［10］張巖，陳國慶，張國峰，等．庫水位變化對觀音坪滑坡穩定性影響的數值分析［J］．工程地質學報，2016，24(4):501-509．

［11］向玲，王世梅，王力，等．動水壓力型滑坡對庫水位升降作用的響應——以三峽庫區樹坪滑坡為例［J］．工程地質學報，2014，22(5):876-882．

［12］時衛民，鄭穎人．庫水位下降情況下滑坡的穩定性評價［J］．工程勘察，2004(1):26-30．

［13］田浩，賀模紅，胡勇生，等．三峽庫區重慶市奉節縣三期地質災害防治監測預警工程滑坡專業監測網點建設工程地質勘查報告［R］．江油:四川九○九建設工程有限公司，2006．

［14］黃凈萍．滑坡物理模型試驗的畸變修正數值分析方法研究［D］．宜昌:三峽大學，2013．