三峽庫區雪花坪滑坡變形破壞分析及演化規律研究

李婉迪

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

三峽水庫區域周圍大量天然斜坡開裂形成滑坡,其中影響水庫區域庫岸邊坡穩定性的因素很多，除內在控制因素外，外在因素最普遍體現為庫水位升降變化和降雨量上，邊坡的穩定性會受到巖土體的抗剪強度和應力狀態變化的影響[1-4]。因此三峽庫區滑坡變形的主要原因是周期性蓄水[5-7]。林琰等運用數值模擬軟件Geo-Studio模擬出不同升降速率下庫水位變化對滑坡穩定性的影響，分析了庫水位的周期性升降與滑坡穩定性之間的關系[8]。梁學戰等通過模型試驗的方法，分析了滑坡在一個蓄水周期內的演化規律，介紹了整個庫水位升降周期內滑坡的全過程變化[9]。明成濤等通過對庫水位、降雨和滑坡變化過程三者之間的相關性分析，研究了其主要成因機制，建立了一種滑坡變形與外界影響因素之間的對應關系[10]。劉藝梁等采用有限元法，模擬出滑坡體內地下水的瞬時滲流場在不同的水庫水位升降速率下的特征，陸世軒等通過有限元法計算出不同庫水位升降速率下的穩定性系數，并對滑坡采用極限平衡法進行穩定性分析[11-12]。曾亞武等將有限元法和極限平衡法相結合，將有限元分析得出的應力結果通過應力張量變換得出條塊底部的應力，同時結合極限平衡法得出穩定性系數，更好的反映出邊坡變形與穩定性安全系數之間的關系[13]。陳祖煜等在三維條件下擴展二維 Spencer 法，提出了一種新的三維極限平衡方法，這種方法保證了滑坡體三個方向的靜力平衡,條塊之間不再假定為水平，滑塊的剪力方向也不假設為平行于主滑動平面[14]。馮樹人等也提出了一種新的三維極限平衡方法，即滑面可采用天然不連續面、由剪切作用導致的球面、由剪切作用導致的旋轉橢球面和組合面這四種類型滑面，這將有利于對多個滑動方向進行計算[15]。鄭曉晶等用研究非飽和土力學的滲流和抗剪強度的理論來分析滑坡穩定性，徐平等在此基礎上，考慮了黏聚力和內摩擦角兩者的變異性，采用Monte-Carlo模擬法對滑坡體的穩定性進行分析得到庫水位漲落和降雨對滑坡滲流和穩定性的影響[16-17]。

現行滑坡穩定性分析中，數值分析方法不僅可以計算滑坡的應力分布和變形規律，而且可以較為準確的反映滑坡的整體狀態。因此，在前人的研究基礎之上，以三峽庫區雪花坪滑坡為例，基于GEO-SLOPE軟件對雪花坪滑坡有限元網格剖分，采用數值分析軟件Abaqus對雪花坪滑坡的變形破壞過程進行模擬。并對不同庫水位升降下雪花坪滑坡的應力場，位移場進行計算。揭示了在不同庫水位變化下滑坡穩定性的位移，應力的變化規律，為水庫水位波動條件下三峽庫區相似滑坡的穩定性評價和動態發育規律提供參考。

1 滑坡概況

1.1 地質概況

雪花坪滑坡地處于長江上游的湖北省奉節縣。滑坡被沖溝分為左右兩側邊界。滑坡體前緣高程150 m，后緣高程333 m，高差183 m。滑坡長約600 m，寬約480 m，土層平均厚度20.85 m，滑坡體主滑動方向355°。滑體總變形規模615.075×104 m3。屬于二級大型土質滑坡。滑坡體物質主要由碎塊石土夾可塑狀粘性土組成，其結構較為松散。滑體整體厚度16～25.5 m，前中部薄，后中部厚。滑動帶的物質結構包括堆積而成的土壤物質與下伏基巖的接觸滑動面和巖石節理面。滑動面主要沿著堆積體的頂部向下伏基巖發育。滑帶巖土物質類型屬中侏羅統沙溪廟組(J2S)。巖性為不等厚砂泥巖互層，泥質和砂質結構，薄層至中厚層狀結構，節理裂隙發育，主要分布在滑坡的中后部。滑坡區無基巖露頭。經對附近公路路塹邊坡出露基巖露頭調查，巖層產狀210°∠15°，發育裂隙二組，其產狀為256°∠67°和170°∠77°。

1.2 水文地質特征

雪花坪滑坡的地質形態特征如圖1所示。滑坡位于梅溪河右岸，坡頂與坡底高差達183 m。該滑坡兩側邊界均為沖溝，這為滑坡的形成提供了條件，前緣直抵梅溪河，梅溪河穿過滑坡前緣的坡腳。由于梅溪河的切割和高水位的沖刷和侵蝕，前緣的自由界面和邊坡勢能為滑坡的形成埋下了隱患。

圖 1 雪花坪滑坡外觀全貌

地下水對滑坡的影響較大。滑坡區依據地下水存在條件可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。基巖裂隙水一般存在于砂巖、泥巖裂隙中。而大氣降水提供了滑坡體內的松散巖類孔隙水，因此會受到季節變化影響不穩定。由相關調察資料可知，雪花坪滑坡地下水位埋深為3.0～14.0m，滑體中前部地下水位埋深小于體后緣地下水位埋深。松散巖類孔隙水在滑坡體內部會向地表外部排出。地下水一般的來源主要由上部孔隙水入滲、側向徑流和降雨提供，水量相對較差。

2 滑坡變形機理分析

2.1 宏觀變形

結合現場調查的資料以及監測報告等綜合分析，影響雪花坪滑坡變形的因素主要包括：

1)地形地貌 雪花坪滑坡為中等切割低山河谷地貌，處于梅溪河右岸的斜坡地形上，坡頂與坡底高差達183 m。該滑坡兩側邊界均為沖溝，構成了滑坡形成的有利邊界。

2)地層巖性 斜坡的形成創造了另一個有利條件。滑坡區巖性為中侏羅統沙溪廟組(J2S)砂泥巖。泥巖是一種良好的不透水層，遇水時易崩解軟化，力學強度大大降低。滑體物質由碎塊石和粉質粘土構成，這就導致滑體結構比較的松散，孔隙發育較大，會有利于在降雨季節地表水的滲入。

3)降雨 據資料查閱以及現場調查，長江三峽庫區的降雨持續時間較長，并且雨量集中。據靠近滑坡區的云陽、奉節、巫山等點的氣象資料，多年平均降雨量在1049.3～1145.1 mm之間，最大日降雨量達199 mm。在持續降雨的條件下，由于滑坡體是由碎石土和粘性土構成，這使得土體堆積會較松散，土體會更容易飽和。除此之外還會產生導致巖土體的抗剪強度參數c和φ降低的動水壓力和靜水壓力，從而引發滑坡的變形。

4)庫水位變化 雪花坪滑坡前緣高程150 m，后緣高程333 m。三峽水庫最高蓄水175 m，將浸泡滑體前緣；汛期時水位又會降至145 m，從而暴露整個滑坡體。這種大幅度的蓄水位升降將造成滑坡的穩定性降低，當三峽水庫蓄水后，滲水進入邊坡時，水庫蓄水位會與滑坡體內部的地下水位形成一個水位高度差，導致坡背壓力的形成，有利于滑坡的穩定；當水庫水位急劇下降時，滑坡中不能及時排出地下水，將降低滑坡的穩定性；庫水頻繁升降，使滑坡前緣長期遭受沖刷侵蝕，容易形成前緣塌岸等局部變形，周而復始，導致有效臨空面的形成，減小了前緣的滑動阻力，影響滑坡的整體穩定性。

5)人類活動 滑坡下部有公路通過，公路邊坡改變了坡體原來的平衡狀態，一方面降低了抗滑阻力，另一方面形成了高陡的露天地表，這為滑坡埋下了隱患。坡體上居民種植等人類生產活動使滑坡土體更加松散，利用降雨迅速入滲，增加坡體重量，同時減少坡體物理力學性質，易引起滑坡變形。

2.2 成因與機制分析

雪花坪滑坡位于梅溪河右岸。如圖2所示，主要受降雨及庫水位的聯合作用。這種作用從機理上看主要表現在三個方面，即降低了力學參數、浮力和動水壓力引起的作用。降雨的滲入會降低巖土體力學性能從而軟化滑帶，短時間內滑坡體內部的地下水未能及時排出，則會在坡體內部形成動水壓力，引起內聚力C、內摩擦角φ減小，從而直接導致滑坡穩定性降低。又由于滑坡部分滑段位于庫水位以下，當庫水入滲到坡體后，滑坡在蓄水水位的部分會受到水對滑坡體向上的浮力作用，這使得滑坡體在水下部分受到的重力減小。浮力作用于抗滑段時，滑坡的抗滑力會減小，滑坡穩定性降低；浮力作用于滑坡段，滑坡滑力減小，滑坡穩定性提高。

圖 2 雪花坪滑坡工程地質平面圖

3 滑坡三維變形破壞分析

3.1 模型的建立

根據雪花坪滑坡的地質特點，選取沿梅溪河水流方向為850 m，青干河垂直方向710 m，模型底高程60 m為三維數值計算模型的范圍，計算模型位置如圖2所示。計算區域包括滑體、滑帶和基巖。網格劃分為36639個六面體單元，共42 000個節點。如圖3所示。

圖 3 模型計算網格

3.2 計算參數的確定

在實際現場的地質勘察報告提供的建議參數值基礎上，并參考類比其它相似滑坡巖土體的物理力學性質參數值，綜合確定了雪花坪滑坡的計算參數，具體見表1。

表1 雪花坪滑坡物理力學參數

3.3 邊界條件

運用飽和非穩定滲流和應力耦合理論，對雪花坪滑坡進行了流固耦合分析。滲流邊界條件和應力邊界條件如圖4所示，圖中水位為壩前175 m所對應的滑坡實際水位。

圖 4 雪花坪滑坡邊界條件示意圖

3.4 工況和荷載的組合確定

本次模擬庫水位波動下滑坡的變形破壞所采用的計算工況和荷載組合如表2所示。

表2 計算及物理模型試驗工況及荷載組合

3.5 計算分析

運用數值模擬軟件ABAQUS模擬了雪花坪滑坡在三種工況下的變形破壞過程，得到了雪花坪滑坡位移場和應力場分布，獲得其位移云圖和應力云圖。

3.5.1工況1計算結果及分析模擬工況1(水庫蓄水至壩前175 m水位)條件下得到其應力和位移分布如圖5～6所示。

(a)第一主應力場分布 kPa (b)第三主應力場分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 5 雪花坪滑坡三維模型工況1條件下 計算結果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 6 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況1條件下 計算結果分布圖 m

1)應力計算結果及分析 水庫蓄水至175 m水位后拉應力(第一主應力)主要分布在滑體前緣和滑體下部，最大值為1826 kPa；壓應力(第三主應力)主要分布在滑體中部和上部，其絕對值的最大值為7993 kPa。滑坡175 m水位以下區域的孔壓受水位的直接影響。

2)位移計算結果及分析 整個滑體都發生極小的水平向前的位移，量值為0～0.001 m，最大位移值為0.001 m；滑體其他地方會發生極小的垂直向下的位移，最大值不到0.001 m，但滑體前緣偏右位置發生垂直向上的位移，最大值0.007 m。

3.5.2工況2計算結果及分析模擬工況2(175 m水位緩降到145 m)條件下得到其應力和位移分布如圖7～8所示。

(a)第一主應力場分布 kPa (b)第三主應力場分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 7 雪花坪滑坡三維模型工況2條件下 計算結果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 8 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況2條件下 計算結果分布圖 m

1)應力計算結果及分析 水庫蓄水位從175 m緩慢下降到145 m時，會改變拉、壓應力的分布，下部和前緣分布的拉應力(第一主應力)的最大值由1826 kPa增大到為3326 kPa，中部與上部分布的壓應力(第三主應力)最大值的絕對值由7993 kPa增大到為9169 kPa。應力場發生改變的重要原因是由于水庫蓄水位從175 m緩慢降低至145 m時會改變其滑坡體內部的滲流場，并且通過滲流場與應力場的耦合作用使得應力場發生改變。隨著水位降低了30 m，滑坡前半部分的水位隨著下降，滑坡前緣的地下滲流場發生較大變化，滑坡前緣的孔隙水壓力在庫水波動范圍內的分布發生了變化。

2)位移計算結果及分析 由圖8可知發生較大范圍水平位移的位置出現在滑體上部和中下部，量值為0～0.002 m，最大位移值為0.002 m；發生較大向下的垂直位移的位置出現在滑體中部與上部，量值為0～0.009 m，最大位移值0.009 m；滑體的前緣偏右位置發生較大垂直向上的位移，量值為0～0.009 m。

工況2所獲得的水平和垂直位移大于工況1，這是因為水庫蓄水位下降從而引起滑坡體向下滑動，并且滑坡體在自身重力的作用下會發生下沉，從而導致滑坡體向下的垂直位移增大，同時滑坡體前緣進一步受到上部土體對其的擠壓和連續的水庫水位的沖蝕作用，產生較大向上的垂直位移。

3.5.3工況3計算結果及分析模擬工況3(175 m水位緩降到145 m+50年一遇降雨)條件下得到其應力和位移分布如圖9～10所示：

(a)第一主應力場分布 kPa (b)第三主應力場分布 kPa

(c)水平位移分布 m (d)垂直位移分布 m圖 9 雪花坪滑坡三維模型工況3條件下 計算結果分布圖

(a)水平位移分布 (b)垂直位移分布圖 10 雪花坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′縱剖面處工況3條件下 計算結果分布圖 m

1)應力計算結果及分析 水庫蓄水位在50年一遇降雨時從175 m緩降到145 m的情況下，拉、壓應力都會有所改變，拉應力分布范圍仍主要集中在滑體前緣，最大值為3452 kPa，比工況2略有增加；壓應力(第三主應力)最大值由7993 kPa增加到9522 kPa。隨著庫水位的下降，地下水位也下降但存在滯后性，是因為滑坡前緣的孔隙水壓力的消失所消耗的時間；滑坡后緣地下水基本不受庫水位變化影響，因為后半部分和庫水位變化線有一定的距離。

2)位移計算結果及分析 水平位移較工況2在范圍和量值上均有所增加，量值為0～0.003 m，最大位移值為0.003 m，最大位移較工況2增加了0.001 m；垂直位移也較工況2在范圍和量值上有所增加，垂直向下的位移主要分布在滑體中上部，最大值由工況2的0.009 m增加到0.012 m。垂直向上的位移主要分布在滑體前緣偏右位置，最大值由工況2的0.009 m增加到0.011 m.

位移發生上述改變的原因是在庫水下降和自重作用的同時，強降雨使滑體產生的各個方向垂直位移均有所增大。

3.6 滑坡的演化規律

雪花坪滑坡的變形與庫水位下降和強降雨密切關聯。在水庫蓄水位下降階段，滑坡的變形增加最為明顯，變形范圍主要分布在滑體中上部。在其他階段內，需考慮水位降速和升速對滑坡穩定性的影響。水庫蓄水位下降30 m時會改變其滑坡體內部的滲流場，并且通過滲流場與應力場的耦合作用使得應力場發生改變，從而造成坡前緣的孔隙水壓力在庫水波動范圍內的分布發生了變化。

4 結論

結合實例采用三維變形破壞對雪花坪滑坡的變形機制及其動態發展規律進行了研究分析。通過對雪花坪滑坡在三種工況條件下的三維變形破壞分析，獲得以下結論：

1)根據三維變形破壞分析可知，在工況3條件下，雪花坪滑坡的變形破壞主要發生在滑坡中后部，滑坡中后部出現局部的拉剪和壓剪破壞，但未發生整體破壞。其中滑坡中后部由于比較陡，變形破壞的范圍比滑坡前緣要大，滑坡前緣坡度較緩，主要為局部壓剪破壞。

2)綜合三種工況的數值計算分析結果，在工況3的條件下，庫水位下降與強降雨的影響造成滑體內滲流場發生很大的變化，降雨入滲導致坡體內外水位差發生很大的改變，進而引起位移發生很大的變化；相較于其他2個工況，雪花坪滑坡在工況3的條件下變形增量最大。因此，工況3為對雪花坪滑坡穩定性最不利工況。