庫水升降條件下滑坡變形失穩機理研究

鄧合玉 陳 勇

(三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

自從三峽水庫蓄水后，庫區滑坡、崩塌等地質災害頻發，據有關部門統計，三峽水庫大型涉水復活型滑坡達數百處，2003年7月13日，三峽庫區初次蓄水135 m后一個月就發生的千將坪滑坡，導致10人死亡，14人失蹤，2 000多人受災，直接經濟損失5 000多萬元[1-2]，因此研究庫水對滑坡穩定性的影響意義重大．庫水位升降是影響庫水型滑坡穩定性的主要因素，三峽庫區庫水在145～175 m間反復波動，形成高差30 m的消落帶，反復的干濕循環將顯著改變消落帶的土體性質，土體中的微觀裂紋、裂隙長期反復的張開閉合，逐漸發育、貫通，致使土體由密實狀態漸進為內部裂紋發育的松散狀態，而土體內部的損傷將導致土體的抗剪強度逐漸劣化[3]．

庫水長期浸泡滑坡前緣導致的土體軟化、水化學作用[4]以及對庫水水位下的透水型滑坡的浮托減重效應[5]等，都是影響滑坡穩定性的重要因素．庫水升降在力學平衡方面打破滑坡原有的應力和滲流狀態[6]，特別是庫水位驟降，庫水位下降速率越大，地下水響應滯后現象就越顯著，導致地下水位線形態整體變陡，形成的水頭差就越大，對滑坡體產生的動水壓力作用就越大，因此對滑坡的穩定性影響就越不利．庫水升降對滑坡穩定性的影響是多方面的，導致的滑坡失穩破壞是漸進性的，是一個連續變化的過程，是一序列變形破壞的結果[7-9]．國內外學者在庫水變化引起滑坡穩定性的變化方面研究還不夠全面，本文將通過ABAQUS分析滑坡中地下水隨著庫水位變化的滲流狀態，分析滑坡體前緣局部破壞機理，采用強度折減法[10-13]對滑坡沖刷前后的穩定性進行分析．

1 動水壓力

滲流力是滲透水流對于土骨架中的顆粒的推動力與拖拽力，滲透力是一個體積力[14]，即動水壓力，當動水壓力過大時就會引起土顆粒或土體的移動，產生滲透變形，甚至滲透破壞，如邊坡破壞，堤壩失穩等現象．動水壓力是由于水的流動而產生，在透水土體中，一旦有水力梯度作用，必將形成滲流，從而對土體產生動水壓力．

如圖1所示，水庫由高水位175 m快速消落至145 m，地下水滲流場急劇變化所產生的高滲透壓力極易誘發滑坡．

圖1 庫水位快速消落誘發滑坡示意圖

2 沖刷作用

長期反復的庫水升降、水流沖刷、船浪淘蝕等，帶走破面的細小泥沙，使大塊巖土體失去支撐，極易產生局部崩塌；局部滑落的土體對滑坡前緣產生一個沖擊力，極易誘發滑坡的失穩破壞．如圖2所示，三峽庫區隨著庫水位在175 m到145 m之間反復變動，長期反復的庫水升降、水流沖刷、船浪淘蝕等，帶走大量土體，使庫岸變陡、變高，滑坡前緣的重力下降，從而導致滑坡前緣的支撐力下降，導致滑坡的穩定性下降．

圖2 庫水沖刷示意圖

庫水位升降產生的縱向沖刷主要影響消落帶的土體，由于長期反復的庫水升降，帶走消落帶土體中的細小土顆粒，使消落帶土體中滲透流速顯著提高，極易產生局部滲透破壞，破壞的土體淤積在岸坡前，使滑坡前緣產生淤積體．尤其在庫水位驟降情況下，大量地下水滯留在土體中，土體中地下水產生一個指向坡外的動水壓力，對滑坡的穩定性極其不利．

庫水位產生的橫向沖刷主要取決于庫水的流動速率，當庫水流速較大時，庫水攜帶土顆粒的能力較強，岸坡上較大土顆粒也會被搬運走，產生明顯的庫岸后退線；三峽庫區庫水流速較緩慢[15]，庫水攜帶土顆粒的能力較弱，庫岸后退線不明顯，因此，庫區岸坡前極易產生淤積體．

3 庫水升降條件下數值分析

3.1 滑坡體數值模型

在滑坡的有限元計算中，計算參數的取值直接影響到數值分析的計算結果，由于本文目的是研究滑坡在沖刷前后動水壓力對滑坡穩定性的影響，需要較準確的數據為依托，因此選取樹坪滑坡建立數值模型如圖3～4所示，樹坪滑坡長861 m，高390 m，樹坪滑坡為典型的動水壓力型滑坡[16]．

圖3為沖刷前的有限元模型，共劃分結點28 880個，單元28 488個；圖4為沖刷后的有限元模型，共劃分結點28 547個，單元28 153個．樹坪滑坡主要分為3種材料，綜合分析樹坪滑坡的地質條件、滑體及滑帶土的物理力學參數、試驗成果及反演分析成果，并類比相似工程實踐經驗，確定滑坡巖土主要物理力學性質指標參數建議值見表1．

圖3 沖刷前數值計算模型

圖4 沖刷后數值計算模型

位置天然容重γ/(kN·m-3)飽和容重γ/(kN·m-3)天然內聚力c/kPa天然摩擦角φ/°飽和內聚力c/kPa飽和摩擦角φ/°滲透系數k/(cm·s-1)滑體20.020.418.121.716.018.50.0089滑帶淺層20.020.816.717.514.015.7滑帶深層20.120.817.219.515.316.2滑床(粉砂質泥巖)20.422.755034滑床(泥灰巖)25.926.32 27044

3.2 計算工況

三峽庫區正常蓄水后，庫水位將在145～175 m水位間漲落，本文目的是研究庫水升降條件下滑坡變形失穩機理，于是按照三峽庫水實際調度情況選取一個水文年內庫水位變化為基準工況，共計366 d．庫水調度如圖5所示．

圖5 庫水調度工況

3.3 滲流場分析

隨著庫水位在175 m與145 m之間變化，導致滑坡土體在飽和狀態與非飽和狀態之間相互轉換，滑坡滲流場也隨著庫水位的變化而變化，通過ABAQUS建立有限元模型，分析滲流場隨著庫水位變化的情況．如圖6～7所示，在三峽水庫正常運行期內，庫水位下降時，滑坡地下水位隨之下降，由于滑坡體內滲透性系數較低，庫水位下降速度較地下水位快，地下水位向滑坡體外彎曲，產生對滑坡體穩定性不利的動水壓力，隨著時間的延續，彎曲趨勢逐漸變緩．

圖6 孔壓等值線云圖(175 m) 圖7 孔壓等值線云圖(145 m)

從圖6、7可以發現庫水從175 m下降到145 m的變化過程中，浸潤線形態在滑坡體中逐步變陡，地下水在滑坡體中形成的水頭差就越大，從而產生的動水壓力就越大，導致穩定性下降，與實際狀態相吻合．由圖6所示，庫水穩定在175 m時，滑坡體孔隙水壓力等值線彎曲不明顯，說明地下水較穩定，變化不明顯，產生的水頭差不明顯，從而產生的動水壓力不明顯，滑坡在庫水長期穩定不變時，動水壓力作用不明顯．由圖7所示，庫水下降到145 m時，滑坡體高程145 m所在區域孔隙水壓力變化明顯，孔壓等值線出現明顯的彎曲現象，說明地下水在該區域變化劇烈，地下水從高水頭向低水頭滲流，孔壓等值線彎曲越明顯，說明地下水水頭差變化就越大，通過滲流力計算：

式中，I為水力梯度，γw為水的重度(kN/m3)．

由于水的重度γw為定值，故動水壓力的大小取決于水力梯度的大小；動水壓力普遍作用于滲流場中的所有土粒上，它由孔隙水壓力轉化而來，即滲透水流的外力轉化為均勻分布的內力或體積力．水力梯度越大，則動水壓力越大．

3.4 滑坡變形數值分析

根據3.1節建立的數值模型，采用3.2節的庫水調度工況對滑坡進行數值分析，計算云圖如圖8～13所示．在庫水從175 m消落至145 m時，大量地下水滯留滑坡體中，產生較大動水壓力，特別是庫水位變化的消落帶區域滲流作用明顯，通過圖8可以發現滑坡體在庫水位變化的消落帶區域位移最大，極易導致消落帶區域的破壞，與實際情況一致．滑坡前緣消落帶區域滲流場的變化，導致滑坡前緣應力場的重分布；另一方面地下水長期浸泡滑坡前緣，使巖土體強度降低，使滑帶土的軟化效應加劇，加上應力場重分布，滑帶前部出現應力集中，如圖9所示，滑帶前部出現塑性應變區，從而使滑坡前緣變形加劇，導致滑坡前緣整體移動．一旦局部區域軟化或破壞，必然產生應力釋放，應力轉移和應力重新分布；軟化或破壞的區域直接影響到鄰近區域，鄰近區域的應力可由原來沒有超過巖土體強度值轉變為超過巖土體強度值，使該區域發生軟化或破壞，如滑坡體上的局部塌陷等；如圖10所示，滑坡體局部區域應力釋放，把應力轉嫁到其他鄰近區域，使鄰近區域變形加劇，可以發現位移劇烈變化區域逐漸上移，滑坡前緣位移也明顯加大，使應力場重新分布，滑帶中部出現應力集中，如圖11所示，滑帶中部出現塑性應變區，滑動面逐漸形成．滑坡的破壞是一個連續變化的過程，漸進連續的破壞導致滑坡失穩，直至滑坡整體失穩破壞，如圖12所示，位移劇烈變化區域逐漸上移，滑坡體后緣出現塑性應變區，實際表現為滑坡后緣出現張拉裂縫，如圖13所示，滑帶土的塑性應變區逐漸增大，逐漸貫通．

圖8 位移等值云圖 圖9 塑性應變等值云圖 圖10 位移等值云圖

圖11 塑性應變等值云圖 圖12 位移等值云圖 圖13 塑性應變等值云圖

3.5 滑坡穩定性數值分析

隨著三峽水庫的運行，滑坡穩定性受到庫水的影響明顯，分析滑坡穩定性隨庫水變化的關系尤為重要，本文通過ABAQUS采用強度折減法計算安全系數，計算出同一工況條件下滑坡沖刷前后安全系數與庫水水位隨時間變化曲線．

圖14描述了安全系數與庫水水位隨時間變化曲線，對于水庫型滑坡，庫水變化是影響滑坡穩定性的重要因素，安全系數1分析了滑坡未被沖刷條件下滑坡安全系數隨庫水位的變化關系；庫水位穩定在175 m時，滑坡的安全系數穩定，當庫水從175 m降到145 m時，滑坡安全系數也隨著下降，安全系數從1.036下降到1.007，可以看出安全系數隨庫水下降過程中有個滯后的現象，是由于開始庫水下降與土體排水處于動態平衡，從而未產生水頭差，出現安全系數滯后的現象；隨著庫水水位下降，地下水大量滯留，動水壓力逐步增加，直到達到峰值，達到峰值后又逐步下降，安全系數表現出先快速下降，后逐步放緩的趨勢．隨著庫水水位上升，庫水入滲緩慢，庫水對滑坡體表面產生靜水壓力，方向指向坡體向里，有利于滑坡的穩定性，滑坡的安全系數隨著庫水的上升而上升．

圖14 安全系數與庫水水位隨時間變化曲線

滑坡體經過長期沖刷，土體中小顆粒被沖刷帶走，土體的孔隙率逐步增大，土體間的相互作用減弱，使得應力場發生變化，導致土骨架的變形與潰散，往往伴隨著崩塌等地質災害，在庫水沖刷與滲透相互作用過程中，庫水沖刷滑坡體，帶走土體中大量細小顆粒，使得滑坡體的滲透系數上升，滲透作用加劇，滲透作用對土骨架產生動水壓力，導致土骨架的變形與潰散，使沖刷作用加劇，庫水沖刷和滲透過程是相互影響且相互促進的；在庫水沖刷與滲透相互作用過程中，伴隨著土體的物理力學性質降低，極易發生局部破壞，潰散的土體被庫水帶走，長期反復的沖刷作用，帶走大量土體，使滑坡前緣的自重減少，加上滑坡前緣土體長期浸泡在水中，軟化作用加劇，使得滑坡前緣的支撐作用減弱，穩定性降低，安全系數2分析了滑坡沖刷后滑坡安全系數隨庫水位的變化關系，對比未被沖刷前滑坡的安全系數隨庫水位的變化曲線，沖刷后滑坡的安全系數整體有明顯下降，下降幅度在0.02，說明沖刷對滑坡穩定性不利，長期沖刷極易導致滑坡失穩破壞．

4 結 論

1)通過有限元分析發現滑坡體的滲流場在庫水升降條件下變化顯著，特別是庫水位從175 m驟降到145 m情況下，滑坡體消落帶所在區域孔隙水壓力變化明顯，孔壓等值線出現明顯的彎曲現象，說明地下水在該區域變化劇烈，產生的動水壓力就越大，對滑坡穩定性影響就越顯著．

2)庫水升降對滑坡穩定性的影響是多方面共同作用的結果，導致滑坡失穩破壞往往不是一蹴而就的，伴隨著長期漸進的破壞；庫水型滑坡往往是庫水作用導致局部區域的失穩破壞，致使該區域的應力場、滲流場發生變化，導致該區域變形加劇；該區域應力釋放、應力轉移以及應力重新分布又造成鄰近區域的應力場、滲流場的變化，導致鄰近區域的變形加劇．這一系列的連鎖反應，致使滑帶塑性應變區逐漸增大，逐漸貫通．

3)對滑坡穩定性數值分析中，發現動水壓力對動水壓力型滑坡的穩定性作用明顯，尤其是庫水驟降條件下，安全系數下降明顯；通過安全系數與庫水水位隨時間變化曲線，發現安全系數隨著庫水下降而下降，隨著庫水位上升而上升，安全系數隨著庫水升降有滯后現象．

4)沖刷對滑坡穩定性的影響顯著，消落帶經過長期沖刷，大量土體流失，極易導致局部的崩塌，導致滑坡穩定性降低；對滑坡沖刷前后的安全系數與庫水水位隨時間變化曲線的對比分析中，發現滑坡沖刷后的安全系數比未考慮沖刷時的安全系數下降了0.02，沖刷是一個長期不斷的過程，因此考慮沖刷對滑坡穩定性的影響十分重要．

5)隨著三峽庫區的蓄水，庫水作用將長期作用于庫區滑坡，尤其是庫水位的變化，導致庫岸消落帶的局部破壞，從而使滑坡的穩定性降低，極易產生重大地質災害；因此，對庫區消落帶的治理十分重要．