地下排水對樹坪滑坡穩定性影響的研究

【摘要】自三峽水庫蓄水至175m后，庫水位在175～145m之間周期性波動，滑坡地下水滲流狀態將會發生較大的改變，可能導致滑坡失穩。因此，研究庫水位周期性波動下滑坡的穩定性具有十分重要的意義。選取三峽庫區內樹坪滑坡利用Geo-Studio軟件，分析設置地下排水對樹坪滑坡的穩定性的影響。設置坡度為1°的排水孔對樹坪滑坡進行工程治理，計算得到滑坡地下水的滲流曲線，結果表明設置地下排水可以降低滑坡的地下水位線?；路€定性能在一定程度上有所提高。

【關鍵詞】庫水位漲落；飽和-非飽和滲流；地下排水；庫岸滑坡；穩定性評價

1、引言

庫水位周期性漲落是誘發水庫滑坡的主要因素。國內外由于庫水位漲落引起庫岸滑坡的實例較為常見。目前在庫水位漲落作用下庫岸滑坡穩定性研究較多，滑坡的研究應該和滑坡的治理研究結合起來。關于滑坡的治理，人們常常采用一些諸如擋土墻、抗滑樁、預應力錨索等治理方法，雖然此類“以剛治柔”的方法見效快，但耗時耗力，既浪費土地又破壞生態環境，并非最佳治理方法。因此，針對滑坡中的地下水作用展開治理方法的研究，對民生發展有著十分重要的現實意義。

由于地表排水和地下排水在治理滑坡中的高度有效性，這兩種方法被大量用于滑坡治理的過程中。為了預防和治理滑坡，最廣泛和最成功的方法就是部分或者全部使用地下水控制技術。一般認為，排水主要通過降低地下水位、地下水的滲透體力來提高滑坡穩定性。本文僅就設置地下水平排水洞對樹坪滑坡穩定性的影響進行分析。

2、樹坪滑坡基本特征及假定的工程治理措施

2.1 樹坪滑坡概況

樹坪滑坡位于三峽庫區湖北省秭歸縣沙鎮溪鎮樹坪村一組，長江南岸岸坡，下距三峽工程大壩壩址約47 km，地理坐標經度110°37’0″，緯度30°59’37″。樹坪滑坡平面形態呈馬鞍形。樹坪滑坡東側以葉兒開溝為界，東側后緣位于沙黃公路以上的姜家灣一帶，后緣呈明顯的圈椅狀地形，弧頂高程為400m，后緣兩側滑壁高8-15m，坡度60-80°。西側后緣位于沙黃公路以上的榨房一帶，呈220-270°方向延伸的弧狀陡坎，壁坎高5-15m，坡度60-70°；后緣西側邊界不甚清晰，地形相對較緩，坡度40°左右，坡高5m?；挛鱾纫許N走向的龍井溝為界。前緣位于高程70m左右（大部處于庫水位下）。

2.2 變形監測成果

樹坪滑坡為三峽庫區二期地質災害專業監測點，三峽大學土木與建筑學院承擔了樹坪滑坡的專業監測工作，專業監測主要采取宏觀巡視、8個GPS監測點和4個深部位移監測孔等手段進行。

地表位移監測：變形區現有8個GPS監測點（SP-2、SP-6、ZG85、ZG86、ZG87、ZG88、ZG89、ZG90）。

截至2013年4月，樹坪滑坡SP-2、SP-6、ZG85、ZG86、ZG88，5個GPS監測點多年監測累積水平位移量為3152.8-4414.7mm；ZG87號GPS監測點多年監測累積水平位移量為1550.6mm；ZG89點多年監測累積水平位移量為678.0mm，ZG90點累積水平位移量為288.0mm。各監測點位移方向除ZG87為北北西外，其它均為北北東方向（即指向長江方向）。

自2003年6月實施專業監測以來至2012年10月，樹坪滑坡呈現階躍變形特征，變形部位主要集中在滑坡東側、中部和滑坡西側下部，即屈家坪、火田灣以及下樹坪一帶，GPS位移監測顯示其位移具有同步性。截至樹坪滑坡治理工程開始前，樹坪滑坡主滑區地表位移測顯示變形特征是：每年4-9月出現加速變形，位移變形曲線類型表現為階梯（躍）型。特別是在2012年5-6月份，樹坪滑坡體主滑區變形出現了專業監測以來的最大變形速率，達36.4mm/d（2012年6月13日），而滑坡西側中后部滑體（牽引區）變形較小。

三峽水庫水位抬升，庫水入滲進入滑坡體，滑坡體淹沒部分附加了庫水向坡體的滲透壓力，一定程度上有利于邊坡穩定，這與樹坪滑坡在每年水庫水位蓄水期間滑坡位移速率減小一致；但水位下降時，滑體地下水水位下降滯后于庫水位，形成了地下水位與庫水位正落差，庫水下降速率越快，形成的落差就愈大，相應的動水壓力就愈大，從而牽引滑坡變形，不利于滑坡體的穩定，這與每年三峽水庫退水時滑坡變形速率加快是一致的。

因此，在治理滑坡時考慮設置地下排水工程，減小由于庫水位下降時產生的水位差降低動水壓力是提高樹坪滑坡穩定性的一種有效的治理方法。

2.3 滑坡排水工程設置

樹坪滑坡是涉水滑坡，在庫水位消落期間，飽水區處于175m以下，地下排水需要排出145m-175m范圍的地下水。對于整體穩定性，地下排水洞長度越大，排水效果越好。擬定地下排水洞由滑坡坡面一直到滑坡滑動面，排水洞朝向坡內大致與滑坡滑動方向一致。排水洞長度146.97m，排水洞排水坡度為1°，排水洞洞口底面高程150m。

3、排水前后滑坡穩定性計算

3.1 計算原理

為了揭示三峽水庫運行過程中滑坡的穩定性變化規律，采用Geo-Studio軟件，首先在SEEP/W中對該滑坡在不同庫水位工況下的地下水滲流場的變化進行了研究，然后將計算得到的孔隙水壓力導入到slope/w模塊進行邊坡穩定性計算，邊坡穩定性計算方法采用Morgenstern-Price法。

SEEP/W的理論公式基于飽和與非飽和土體滲流的達西定律，表達如下：

水位變動時滑坡中的滲流場是飽和-非飽和滲流場，非飽和土區水的流動服從達西定律。根據達西定律和質量守恒連續性方程，可導出二維飽和-非飽和滲流的基本方程：

式（2）為飽和—非飽和滲流的瞬態分析控制方程，等式右端項給出土體儲水變化率。當等式右端項等于0時，即可實現飽和—非飽和滲流的穩態分析。

3.2 計算模型與邊界條件

根據勘探資料，考慮計算模型和邊坡體結構的特點，計算剖面選取平行于主滑方向的地質剖面作為計算剖面，數值計算模型如圖1所示，模擬的滑坡區域分為滑體、滑帶及滑床三部分，模型共剖分為4564個節點，4653個網格單元，數值模型中初始地下水位為175m水位線。

圖1數值計算模型

3.3 計算工況的擬定

三峽庫區建成以后，汛期為（6月中旬～9月底）水庫限制水位為145m，以便洪水來臨時攔蓄洪水。若遇上洪水，壩前水位達到147.2m（5年一遇），20年、100年和1000年一遇洪水壩前水位分別為157.5m、166.7m和175.0m。洪峰過后，水庫水位又迅速降低到防洪限制水位145m左右，以防備可能再次發生洪水。三峽水庫壩前水位在175m～145m之間波動，庫水位變幅為30m。為了研究庫水位對樹坪滑坡的影響，本論文選取2012年實際庫水位4日，對應設計工況的145m、156m、162m和175m的特征水位（見表1）。

計算參數取值方法主要是通過：一、地勘成果分析（包括原位試驗和室內試驗等）；二、反演分析；三、參考類似工程經驗等綜合分析后取值（見表2）。

4、計算結果分析

水庫高水位長期浸泡會導致老滑坡滑帶軟化泥化，力學強度降低，庫水位快速消落導致滑坡體內產生巨大動水壓力。庫水位升降對滑坡穩定性的影響顯而易見（如圖5）庫水位由175m下降到145m時穩定性系數逐漸降低，滑坡在庫水位145.09m和156.26m時滑坡穩定性系數小于1，處于不穩定狀態。滑坡在庫水位161.96m時穩定性系數為1.008處于欠穩定狀態。隨著水位提升庫水入滲進入滑坡體，滑坡體淹沒部分附加了庫水向坡體的滲透壓力，邊坡穩定逐漸提升，這與水庫水位蓄水期間滑坡位移速率減小一致，庫水位在174.87m時，滑坡穩定性系數為1.037，處于基本穩定狀態。

設置地下排水后2012年排水后穩定性計算結果可見（如圖2）滑坡地下水位下降明顯，設置地下排水后滑坡穩定性能在四種庫水位下均有一定程度的提高（如圖3），說明三峽水庫退水速率過快導致滑體地下水水位下降滯后于庫水位，形成了地下水位與庫水位正落差是牽動該滑坡體變形的主要原因。

5、結論

通過對樹坪滑坡在2012年工況下對其排水工況和無排水工況下建立飽和—非飽和滲流場模擬下的滑坡穩定性分析研究，得到如下結論：

（1）假定一種對樹坪滑坡進行工程治理的方案，在設置1°地下排水洞的情況下滑體內地下水位明顯下降，降低了由于庫水位快速消落引起的滑體內外水頭差，滑坡穩定性有一定程度的提高。

（2）樹坪滑坡穩定性受滑坡內地下水影響較為明顯，內外水頭差越大滑坡穩定性越低，設置地下排水后滑坡內地下水位下降越多滑坡的穩定性提高越多。

（3）在庫水位下降時滑坡穩定性逐漸下降，庫水位上升時滑坡穩定性逐漸提高，同一特征水位情況下庫水位上升時的穩定性系數比下降時的穩定性系數大，庫水入滲進入滑坡體，滑坡體淹沒部分附加了庫水向坡體的滲透壓力，一定程度上有利于邊坡穩定。

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