三峽庫區秭歸縣龍王廟滑坡穩定性評價及變形機理分析

楊 鵬 侯珍珠 王梓帆 夏 宇 肖詩榮

(三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002)

我國長江三峽地區在復雜的地質作用下，形成許多滑坡，自三峽庫區蓄水以來，加劇滑坡的形成，例如2003年7月13日湖北省秭歸縣沙鎮溪鎮誘發的千將坪滑坡[1]．由于庫水位的升降以及降雨引發的滑坡成為三峽庫區主要的地質災害，眾多學者對此類滑坡有著廣泛的關注．時衛民等在得出浸潤線簡化計算公式的基礎上分析了庫水下降速度、下降高度以及坡體的滲透系數等因素對坡體穩定系數的影響[2]，鄭穎人等研究了水位下降時坡體內浸潤面位置解析解與數值解的對比分析[3]，何忠澤等重點研究了地下水是如何影響水庫滑坡[4]，易伍、張國棟等人分析庫水位在下降時對弱滲透性滑坡的作用機理[5]，肖詩榮等人基于庫水位將庫水位復活型滑坡進行分類[6]，周雪峰等人重點研究降雨入滲對滑坡體抗滑力的影響機制[7]．秭歸縣龍王廟滑坡是典型的水庫誘發滑坡[8]，在三峽水庫初期蓄水及正常運行各階段都有變形響應，均產生了一定程度的變形及局部破壞．本文對龍王廟滑坡在庫水位耦合降雨作用下的變形過程及機理進行分析，對水庫滑坡的預測防治有一定的學術和工程意義．

1 滑坡工程地質概況

龍王廟滑坡位于龍王廟東側韓家嶺斜坡地帶，平面形態為長舌形．其東西向長度200 m，南北向寬度500 m，平均厚度20 m，滑體體積2×106m3．滑坡后緣高程277 m，前緣抵龍潭河，高程150 m，西側以沖溝為界，東側至沖溝、花梨堡一線，整體坡度20°．

滑坡物質主要由塊石、碎石土組成，塊石成分后緣以灰巖為主，前緣以砂巖為主，塊徑一般為0.5 m，塊石占滑坡總量30%，碎石土土石比7∶3，碎石粒徑一般為2～8 cm．中部有少量軟弱夾層，主要為粉質黏土．基巖地層為侏羅紀砂泥巖互層，巖層產狀：傾向295～350°，傾角28～45°，上陡下緩，總體為橫向坡．滑坡邊界清楚，后緣為陡坡，兩側為沖溝切割，前緣溝坎臨空，滑帶位于巖土界面，為粉質黏土夾碎石．如圖1～2所示．

圖1 龍王廟滑坡平面示意圖

圖2 龍王廟滑坡1-1地質剖面示意圖(附變形信息)

2 滑坡變形特征及形成機制

2.1 滑坡變形特征

2005年156 m蓄水，前緣發生局部坍塌，加上雨季，房屋普遍出現拉裂，農田向西南方向坍塌；2008年庫水位上升，整體變形變化不大，滑坡體后緣出現微裂縫；2010年庫水位穩定在175 m時期，房屋較往年變形加劇，最寬裂縫達3 cm；2010年庫水位下降時期且正值雨季，東側200 m高程地段出現東北向拉裂縫，長近100 m，最寬處達20 cm，前緣農田多處坍塌．從變形部位看，滑坡變形位移量前緣比后緣大．

從滑坡變形與水庫蓄水及降雨的相關性分析，庫水位初期蓄水、庫水位下降及降雨對滑坡變形影響較大．

2.2 滑坡影響因素及形成機制

滑坡影響因素：滑坡區地層主要為砂泥巖互層，而泥巖為易滑地層，滑坡巖層上陡下緩，而且龍王廟滑坡緊挨仙女山斷裂，易于形成層間錯動帶，坡體易產生崩滑變形破壞．這是影響滑坡穩定性的內因．

龍王廟滑坡前緣抵達龍潭河，為長江的一條支流，水庫蓄水成為促進滑坡形成以及變形的重要原因．由變形資料分析可知，降雨和蓄水進一步降低斜坡整體穩定性，促使斜坡局部崩塌及整體變形，庫水位下降和降雨是導致滑坡復活的主要誘因．

滑坡形成：滑坡體巖層上陡下緩，上方坡度40°左右，下方坡度20°左右，上部坡度比下部坡度陡一倍多，有利于形成不穩定的邊坡，由于前緣受長江支流的下切作用，前緣有高達1 m以上的有效臨空面，前緣直達長江支流龍潭河．龍王廟緊挨仙女山斷裂，在長期內外力地質作用下，形成了不穩定的靠椅狀含軟弱夾層的岸坡結構，構成了潛在的滑坡地質模型．潛在滑坡前緣為阻滑段，后緣為滑移段，于是在水庫蓄水前，前緣的阻滑段的阻滑力大于后緣滑移段的下滑力，滑坡體穩定．滑坡體由于重力作用下，滑移段發生蠕滑．

滑坡誘發變形過程：庫水位在2005年開始156 m蓄水后，前緣的阻滑段基本浸泡在地下水中，庫水的浸泡軟化滑坡體前緣的滑帶土，阻滑力減小，下滑力增大，滑坡失去平衡，開始變形．另一方面，庫水蓄水后，由水庫蓄水產生的庫水滲透岸坡，使阻滑段的水位急劇上升，增加滑坡體的浮托力，降低滑坡體的阻滑力．水庫蓄水后，前緣阻滑段抗剪強度降低，前緣發生剪切破壞，導致前緣有局部坍塌，后緣拉應力相對增大，發生拉張破壞，產生拉張裂縫．

3 滑坡變形數值模擬

3.1 有限元網格計算模型

圖3 龍王廟滑坡1-1′剖面有限元網格計算模型

計算模型長420 m，高280 m，整個模型滑體部分被剖分為89個三角形單元，滑床部分被剖分為386個四邊形單元，共計915個節點．

3.2 邊界約束條件及荷載的設置

對模型邊界條件以及荷載(包括自重、庫水壓力及降雨荷載)的設置如下：

(1)位移邊界條件：底部邊界水平、垂直方向均無位移，左右兩側水平方向無位移；

(2)滲流初始邊界條件：采用分布函數10×(y1-y)(y1為庫水位高程，y為結點的縱坐標)，對結點施加孔壓，并設置初始孔隙比和飽和度均為1.0．

3.3 參數的選取

根據室內試驗、工程勘察資料等，龍王廟滑坡計算參數見表1．

表1 龍王廟滑坡有限元計算物理力學參數表

3.4 計算工況的選取

龍王廟滑坡從2005年10月底開始啟動變形至2010年6～8月變形速率加快，歷經了多次水位漲落與降雨的共同作用．根據三峽水庫的實際蓄水調度以及湖北省秭歸縣降雨情況，選取以下4個典型的計算工況．

工況1：自重+156 m靜水位．

工況2：自重+156 m升至175 m(庫水位由156 m以0.5 m/d的速率升至175 m)．

工況3：自重+175 m靜水位．

工況4： 自重+175 m降至145 m水位+10年一遇降雨強度125.56 mm(庫水位先由175 m以0.2 m/d的速率降至160 m再以1.0 m/d降至145 m)．

3.5 計算結果分析

1)滲流場

圖4為龍王廟滑坡各工況下的孔隙水壓云圖．圖4(a)模擬的是三峽庫區156 m蓄水，2005年龍王廟滑坡處于低水位穩態時的滲流場，本階段計算共8 d．圖4(b)模擬的是龍王廟滑坡處于庫水位從156 m上升到175 m的滲流場情況，庫水上升平均速率0.5 m/d，歷時38 d．對比156 m穩態時的孔隙水壓云圖，當庫水位上升時靠近前緣的浸潤線表現為向滑坡體內彎曲，產生的滲透壓力對滑坡有利，而在156 m穩態時表現為浸潤線基本平行，究其緣因，在156 m穩態時，庫水對滑坡滲流場影響較小，而當庫水位上升時，滑坡體內水位相比庫水位上升有一定的滯后，產生指向滑坡體內的滲透壓力，對滑坡體變形有利．圖4(c)模擬的是175 m穩態時的孔隙水壓云圖，浸潤線基本上平行．圖4(d)為模擬庫水位先由175 m以0.2 m/d的速率降至160 m再以1.0 m/d降至145 m時的滲流場，此時表現為浸潤線向坡外彎曲，由于地下水位滯后于庫水位的下降速率，產生較大的指向坡外的動水壓力，故在2010年庫水位下降及其一定的滯后時期，滑坡體前緣及中部變形加劇．

圖4 孔隙水壓云圖

2)位移場

圖5為龍王廟滑坡各工況下典型變形剖面的合位移云圖．總體上分析可知，龍王廟滑坡變形主要集中在中前部，后緣有微小變形，位移等值線在前部較中后部密集，且從坡外到坡內位移逐漸減少．圖5(a)為156 m蓄水時位移云圖，由于156 m蓄水前緣僅有部分滑體浸泡在庫水位下，可以直觀的看出變形主要發生在滑坡體前緣，最大位移量0.181 1 m，中后部僅有微小變形，主要為寬約1.5 cm的微裂縫，與監測資料中2005年156 m蓄水開始，前緣發生局部坍塌，滑坡體中后部出現微裂縫大致相符．圖5(b)中位移云圖與5(a)相比整體變化不大，但是深部的裂縫從寬1.5 cm漸變為1.17 cm左右，這說明在庫水位上升工況下，由于滑坡體內的地下水位來不及隨庫水上升，庫水形成指向坡內的動水壓力，增大了坡體內的阻滑力，抑制了變形發展，對滑坡穩定有利．圖5(c)中，龍王廟滑坡在175 m高水位運作一段時間，位移變形與庫水位上升時工況相比，位移變形主要發生在中前部，在位移量的數值上，滑坡體表面變化不大，有一定的微裂縫產生．而在圖5(d)中庫水位驟降下，滑坡體位移云圖中位移向滑坡中后部發展，此時滑坡體位移達到最大值，坡體前緣最大位移量值由剛開始的0.181 1 m發展為0.236 7 m，由于在庫水位驟降條件下形成指向坡外的動水壓力，導致前緣變形加劇，產生塌岸，后緣裂縫加寬．與實際監測時的變形跡象大致相符，監測資料顯示2010庫水位下降階段前緣變形加劇，且變形向中后部移動．

圖5 位移等值線圖

3)應力場

圖6為龍王廟滑坡各工況下的最大主應力云圖．從圖6(a)中可以看出，由于滑體和滑床受到自重應力場以及庫水浮托力作用的影響，坡體內部基本以壓應力為主，等值線值呈平行狀．從圖6(a)～(d)可以看到，坡體的后緣未出現拉應力，僅在坡體的中前部表層表現拉應力，其最大值達86.10 kPa．這說明坡體前緣受拉，發生拉張變形，正好符合坡體的中前部產生拉裂縫及塌岸變形的變形特征．分析其原因，前緣坡體變形受庫水位浸泡軟化變形塌岸，前緣發生拉張變形牽引中后部坡體產生裂縫，同時暴雨通過地表裂縫深入滑體內，產生滲透力，加劇了坡體變形．

圖6 最大主應力云圖

4)塑性區

圖7為龍王廟滑坡各工況下的塑性區分布圖．在工況一初始條件下，塑性區僅在滑坡體前緣顯現，且其范圍較小，不是很明顯．從圖7(b)～(d)可以看到從工況二開始滑坡體的前緣塑性區向滑坡體中部逐漸發展，但最后塑性區并沒有貫通，也符合滑坡體整體基本穩定的態勢，只有局部坍塌以及中后部局部拉裂變形．

圖7 塑性區分布圖

4 滑坡變形機理綜合分析及穩定性預測

在地質分析的基礎上，通過對代表剖面1-1′用ABAQUS計算軟件進行模擬計算分析，分析模擬滑坡在各工況條件下的滲流場、位移場、應力場、塑性區．

位移及變形特征表明，龍王廟滑坡受庫水及降雨的聯合作用而發生位移變形，首次庫水高水位蓄水運行啟動滑坡變形，變形量最大、位移速度最快發生在庫水下降的中后期及下降后的穩定時期(具有一定的滯后性)．龍王廟滑坡變形機制為蠕滑-拉裂型，成因上屬于動水壓力型滑坡．在庫水反復上升下降和降雨聯合作用下，滑坡前緣受庫水浸泡發生變形滑移，牽引坡體中后部拉張變形，滑帶塑性區逐漸由前緣向后緣發展．

穩定性預測評價：在庫水和降雨的反復作用下，龍王廟滑坡前緣將不斷塌岸，滑帶塑性區將逐漸由前緣向后緣發展直至貫通，滑坡最終將解體、下滑．

5 結 論

1)龍王廟滑坡自2005年三峽水庫156 m蓄水誘發變形以來，一直處于動態變形過程中，屬于典型的水庫型滑坡．

2)龍王廟滑坡受庫水及降雨的聯合作用而發生位移變形．首次庫水高水位蓄水運行啟動滑坡變形，變形量最大、位移速度最快發生在庫水下降的中后期及下降后的穩定時期(具有一定的滯后性)．

3)龍王廟滑坡變形機制為蠕滑-拉裂型，成因上屬于動水壓力型滑坡．

4)龍王廟滑坡穩定性預測分析結果表明，在庫水和降雨的反復作用下，龍王廟滑坡前緣將不斷塌岸，滑帶塑性區將逐漸由前緣向后緣發展直至貫通，滑坡最終將解體、下滑．