淺議地下水對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的影響

李 漪 樊 煉

(湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040)

1 地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響因素

地下水對滑坡穩(wěn)定性的影響主要包括以下方面：

1)地下水對滑坡的力學作用，即孔隙水壓力作用。孔隙水壓力是相對于土顆粒骨架和骨架內(nèi)填充的水、氣等三相等組成的整體而言的，其物理意義是土體內(nèi)孔隙水所承受的力，若以土顆粒骨架為作用對象，則孔隙水壓力等效于浮托力和滲透力。上述兩種分析對象的等效性已有學者證明[4]。

2)地下水對滑坡涉水部分的滑帶土的物理化學作用導致其強度減低，土體的抗剪強度與含水量大小關系密切，相關文獻[5]表明含水量對三峽庫區(qū)碎石土抗剪強度的影響較大，主要表現(xiàn)為隨著含水量的增加，碎石土的抗剪強度有較大幅度的降低，而且在塑限附近最為敏感，飽和土樣的抗剪強度僅為干土樣抗剪強度的2/3左右。而針對滑帶土的研究表明，含水量增大時，滑帶土內(nèi)摩擦角變化不大，而粘聚力的降低較為明顯[6]。

2 地下水對滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

如果以滑體土顆粒骨架為研究對象，則地下水對滑坡穩(wěn)定性的作用可分為三種因素：地下水對滑帶土的物理化學作用使其強度減低、地下水對滑體的滲透力、地下水對滑體的浮托力作用。三種作用中地下水使滑帶土強度減低不利于滑坡穩(wěn)定。如忽略滲透力垂直于滑帶方向的分力對滑坡穩(wěn)定性的影響，地下水對滑坡產(chǎn)生的滲透力對滑坡穩(wěn)定性的影響要視滲透力的方向而定。當滑坡地下水浸潤線傾向坡外時，滲透力指向坡外，不利于滑坡的穩(wěn)定；相反，當滑坡地下水浸潤線傾向坡內(nèi)時，滲透力指向坡內(nèi)，有利于滑坡的穩(wěn)定。地下水對滑體的浮托力作用相當于減輕了滑體的重力，這種作用對滑坡穩(wěn)定性的影響可能不利于滑坡穩(wěn)定，也可能利于滑坡穩(wěn)定。為研究地下水對滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律，可對三種因素分別加以研究，以不受地下水影響時的碎石土滑坡穩(wěn)定系數(shù)為基準，分別考慮碎石土滑坡地下水浸潤線變化時地下水對滑帶土的物理化學作用、地下水對滑體產(chǎn)生的滲透力、地下水對滑體的浮托力三種因素對滑坡穩(wěn)定性的影響。

2.1 考慮地下水作用的碎石土滑坡穩(wěn)定性計算方法

為定量分析地下水對滑坡穩(wěn)定性影響的三種因素的作用規(guī)律，本文采用條分法計算碎石土滑坡的穩(wěn)定系數(shù)。計算中以滑體土顆粒骨架為研究對象，將地下水對土體的作用力分為浮托力和滲透力兩種因素，不考慮條塊間的作用力，并假定在一個條塊內(nèi)滲透力方向平行于浸潤線方向。滑坡條塊受力如圖1所示。

不考慮滑體條塊間作用力時，滑坡的穩(wěn)定系數(shù)FS可用下式計算：

其中，φi為第i條塊的內(nèi)摩擦角；Ci為第i條塊的內(nèi)聚力；土體重力Mi和浮托力Fi可合并為土體的有效重力Wi=(Mi-Fi)，地下水浸潤線以下采用浮重度，地下水浸潤線以上采用天然重度。上式變?yōu)椋?/p>

其中，第i條塊的滲透力Ri可用下式計算：

Ri=Si水下×γw×sinβi。

其中，Si水下為第i條塊浸潤線以下面積;γw為水的重度;βi為滑坡地下水浸潤線的傾角，傾向坡外時為正，傾向坡內(nèi)時為負。

本文選取三峽庫區(qū)塘角村1號滑坡作為穩(wěn)定性分析的研究對象。選擇自2011年1月7日0點開始的40 d,70 d和127 d時作為分析工況，穩(wěn)定性計算中選用監(jiān)測頻率為1 h一次的監(jiān)測地下水浸潤線進行分析。計算模型如圖2所示，為避免不同工況下因條塊劃分方法引起的穩(wěn)定性分析上的差別，劃分條塊時將滑帶轉(zhuǎn)折點、各工況下浸潤線轉(zhuǎn)折點及浸潤線與滑帶交點都作為條塊劃分的節(jié)點。

計算中，采用的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 塘角村1號滑坡穩(wěn)定性分析物理力學參數(shù)

2.2 滲透力對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

對三峽庫區(qū)碎石土滑坡而言，大部分滑坡后緣地下水位高于庫水位，因此滑坡地下水浸潤線一般傾向坡外，僅在庫水位快速上升時，庫水波動的局部范圍可能存在地下水浸潤線傾向坡內(nèi)的情況。因此，一般而言，滲透力是指向坡外的，不利于滑坡穩(wěn)定。然而，滲透力在提供下滑力分力的同時，也加大了作用于滑帶上的垂直力，從而增大了抗滑力。由滲透力引起的抗滑力和下滑力可分別用下列式子計算：

Ri抗Si水下×γw×sinβisin(βi-αi)tanφi；

Ri下=Rix=Si水下×γw×sinβicos(βi-αi)。

因此，滲透力對滑坡的作用力可用Riz表示：

Riz=Si水下×γw×sinβi[cos(βi-αi)-sin(βi-αi)tanφi]。

對一般情況，有βi-αi<45°，且φi<45°，因此Riz一般大于0，即滲透力不利于滑坡穩(wěn)定，這和上面的分析是相符合的。

表2為基于地下水浸潤線監(jiān)測信息的塘角村1號滑坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在三種工況下，滲透力使得滑坡穩(wěn)定系數(shù)分別減小了0.18,0.22,0.26。三種工況下，第127天時，滲透力作用最為明顯，這是因為隨著庫水位的下降，地下水浸潤線傾角越來越大，從而使其沿下滑方向的分力越來越大。

表2 滲透力對塘角村1號滑坡穩(wěn)定性的影響

可以發(fā)現(xiàn)，滲透力對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要決定于浸潤線的高程及其傾角的大小，當浸潤線傾角一定時，浸潤線位置越高，滑體水下面積越大，產(chǎn)生的滲透力越大。為分析滲透力對滑坡穩(wěn)定性影響的大小程度隨滑坡地下水浸潤線傾角的關系，對上式求關于βi的微分，為簡化分析，假定Riz與滑動面傾角αi、滑坡內(nèi)摩擦角φi無關。有：

令上式=0，有:

所以有：

2.3 浮托力對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

表3為浮托力對塘角村1號滑坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，浮托力的作用較小，且在40 d時，浮托力利于滑坡穩(wěn)定，在127 d時浮托力不利于滑坡穩(wěn)定。

表3 浮托力對塘角村1號滑坡穩(wěn)定性的影響

地下水對碎石土滑坡的浮托力相當于減小了浸潤線以下部分滑體的重度，即減小了浸潤線以下部分滑體在整個滑體中的“權(quán)重”。因此，當浸潤線以下部分滑體相對于整個滑體起“牽引”作用時，浮托力將有利于整個滑坡的穩(wěn)定；當浸潤線以下部分滑體相對于整個滑體起“阻滑”作用時，浮托力將不利于整個滑坡的穩(wěn)定。三峽庫區(qū)內(nèi)大部分碎石土滑坡主要是滑坡前緣受庫水位波動的影響，其地下水浸潤線變幅較大。滑坡前緣滑體在整個滑坡的形成演化中起到“阻滑”作用時，通常稱其為“推移式滑坡”；滑坡前緣滑體在整個滑坡的形成演化中起“牽引”作用時，通常稱其為“牽引式滑坡”。因此，地下水對碎石土滑坡的浮托力有利于“牽引式滑坡”的穩(wěn)定，而不利于“推移式滑坡”的穩(wěn)定。總體而言，浮托力對塘角村1號滑坡的影響較小。

2.4 地下水導致滑帶土強度降低對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用規(guī)律

表4為塘角村1號滑坡穩(wěn)定性的分析結(jié)果，地下水導致滑帶土強度減低使得塘角村1號滑坡的穩(wěn)定系數(shù)降低了0.12～0.16不等。

表4 滑帶土強度減低對塘角村1號滑坡穩(wěn)定性的影響

地下水導致滑帶土強度減低對滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要受滑帶土特征、浸潤線變化特征和滑面傾角大小等影響。當滑帶土對地下水作用敏感、浸潤線變化幅度大時，地下水的作用會更大。滑面傾角也會影響地下水導致滑帶土強度減低對滑坡穩(wěn)定性的作用大小，當滑面傾角較大時，一定的地下水浸潤線變幅下，浸潤線波動范圍內(nèi)的滑帶較少，從而影響較小；當滑面傾角較小時，一定的地下水浸潤線變幅下，浸潤線波動范圍內(nèi)的滑帶較多，從而影響較大。

3 結(jié)語

如果以滑體土顆粒骨架為研究對象，則地下水對滑坡穩(wěn)定性的作用可分為三種因素：地下水對滑帶土的物理化學作用使其強度減低、地下水對滑體的滲透力、地下水對滑體的浮托力作用。

若忽略滲透力垂直于滑帶方向的分力對滑坡穩(wěn)定性的影響，當滑坡地下水浸潤線傾向坡外時，不利于滑坡的穩(wěn)定；相反，當滑坡地下水浸潤線傾向坡內(nèi)時，有利于滑坡的穩(wěn)定。滲透力對三峽庫區(qū)碎石土滑坡穩(wěn)定性的作用大小主要取決于浸潤線的高程及其傾角的大小，當浸潤線傾角一定時，浸潤線位置越高，滑體水下面積越大，產(chǎn)生的滲透力越大。當浸潤線傾角βi>0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))時，隨著βi的增大，滲透力產(chǎn)生的滑體下滑趨勢不斷減小；當βi<0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))時，隨著βi的增大，滲透力產(chǎn)生的滑滑體下滑趨勢不斷增大。

地下水對滑體的浮托力有利于“牽引式滑坡”的穩(wěn)定，而不利于“推移式滑坡”的穩(wěn)定。