三峽庫區柏堡滑坡變形機理及穩定性預測分析

陳福榜 CHEN Fu-bang；王南南 WANG Nan-nan；馮愛國 FENG Ai-guo；石荔 SHI Li

（中冶集團武漢勘察研究院有限公司，武漢 430000）

0 引言

滑坡災害在我國頻發，易造成經濟損失及威脅人類的生命安全[1-2]。誘發斜坡發展成為滑坡的因素很多，可分為主要誘因和次要誘因，因此在分析滑坡災害的形成與發展時，勢必要首先抓主要誘因。其中降雨是導致滑坡產生頻率最高的因素，部分學者對此進行了深入的研究[3-7]。

本文以三峽庫區柏堡滑坡為例，結合地質勘查資料[8]與監測數據，對柏堡滑坡的變形機理展開深入分析，并采用Geo-Studio軟件對不同工況條件下，柏堡滑坡的穩定性進行模擬分析及預測，為柏堡滑坡變形的預警預報及工程治理提供參考。

1 滑坡區工程地質概況

柏堡滑坡地處秭歸縣郭家壩鎮王家嶺村，長江一級支流童莊河南岸，桐樹灣大橋橋頭，湖北省334省道和鄉村道路從滑坡中前部穿過，如圖1所示。

圖1 柏堡滑坡地理位置

滑坡前緣直抵童莊河河床，高程約為150m，淹沒在175m水位線以下；后緣以陡坎為界，其高程為320m，前后緣相對高差約為170m。左側以山脊為界，右側以羅家溝為界。滑坡前緣寬約150m，后緣寬約80m，前后緣縱長約300m，滑坡面積約3×104m2，平均厚度為20m，體積約為60×104m3。滑坡后緣較陡峭，坡度為30～40°，滑坡體中間部位相對平緩，坡度為15～25°，坡體前緣坡度較陡。滑坡整體平面形態呈現“長條口袋狀”，呈現南高北低，西高東低，滑坡體中后部略凸，前部略凹。

滑坡體主要由含碎石粘土、碎石土、中強風化破碎狀砂巖塊石組成。滑體上部0～2m以強風化砂巖碎石土為主，碎石呈紫紅色顆粒狀，顆粒粒徑為1～3cm，2m到滑帶處主要含破碎狀強風化砂巖碎塊石，塊度多為5～12cm。滑帶物質為含碎石粘土軟弱夾層，深度為24.5～30.5m，紫紅色，滑帶厚度約3～6m，以粘土、粘土夾碎石為主，粘性較好。滑床為侏羅系下中統聶家山組（J1-2n），物質組成主要為紫紅色泥巖和粉砂巖，巖層傾向330～350°，與坡體傾向相近，傾角30～55°。呈單斜構造，坡體內未見大的斷裂破碎帶，為順斜向坡（圖2）。

圖2 柏堡滑坡工程地質剖面圖（1-1’）

2 滑坡變形特征分析

2.1 地表變形特征

柏堡滑坡2017年10月3日出現變形，主要變形破壞方式有地表拉張裂縫、局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等。（見圖3）。

圖3 柏堡滑坡部分現場變形及監測點位置

①滑坡體內發育有大量裂縫，在滑坡后緣出現有3條弧形拉張裂縫，長度在30～50m之間，裂縫寬10～50cm不等，其中裂縫寬最大可達80cm，局部區域下座深度有25～60cm。

②滑坡體前緣居民房屋出現裂縫，區域內有6戶居民房屋出現了不同程度的變形破壞。

③滑坡體中前部左右兩側邊界處公路擋墻出現垮塌，右側邊界處公路變形長度可達15m左右，總體向外推移，公路基礎向外移動最大近50cm，擋墻垮塌長度接近8m；滑坡左側公路變形長度近20m，擋墻垮塌近5m。

④滑坡前緣與桐樹灣大橋接觸處出現鼓脹裂縫，縫寬2～5cm，在路面與橋面接觸處形成高度約5cm臺坎。

⑤由于連續性的大氣降雨，10月15日晚滑坡體右側沖溝上方的坡體發生較大變形，在滑坡右側坡體發生大規模塌滑，滑移方向指向右側羅家溝方向，局部滑坡坡體前緣剪出口為滑坡右側沖溝。局部滑移體后緣可見明顯拉裂下座裂縫，滑動面上可見明顯泥質擦痕，后緣陡壁出露含碎石黏土面，部分可見粉砂巖塊石，塊度可達為5m。后緣裂縫下座深度0.5～4m，最大下座滑動面距離為5m，裂縫最寬處達到2m。

2.2 監測數據分析

應急救災期間在柏堡滑坡體上共布置了7個地表自動GPS監測點，分別為監測基點G410，變形監測點BB1、BB2、BB3、BB4、BB5、BB6，測點BB4于10月17日轉移至滑坡前部山梁，點號更改為BB4-1，應急救災后，維持G410、BB3、BB4-1和BB6監測點位置不變，BB5移至次級滑體上，點號更改為BB5-1，BB2移至滑坡左側邊界公路下方坡體上，點號更改為BB2-1，撤銷GPS監測點BB1。

由圖4柏堡滑坡地表一體化GNSS監測點累積位移監測曲線可知，柏堡滑坡位移變形跡象較為顯著。結合監測設備未使用前的踏勘工作，主要變形的產生集中在2017年10月3日至16日期間，尤其在13日到16日發生較大變形，10月20日左右累積位移變形趨于最大值，其中位于滑坡后緣的BB1監測點位移量累積達到270.1mm；其次是中部測點BB2，位移累積值為203.4mm，再次是滑坡前部測點BB3，位移累積值為149.9mm。從監測點所處位置來看，柏堡滑坡中后部變形量相對前部較大。綜合應急救災期間與期后監測數據，20日后各測點位移隨時間上下波動，變形無明顯增長趨勢，數值波動可能為設備系統誤差所致，非測點實際變形，說明10月20日后柏堡滑坡處于整體穩定狀態。

圖4 柏堡滑坡地表一體化GNSS監測點累積位移監測曲線

從圖5應急救災期間柏堡滑坡地表自動GPS監測點位移速率-時間曲線來看，在10月13日至16日，地表位移變形速率數值比較大，并且各監測點最大位移變形速率均出現在10月14日，表明此時間段滑坡變形相對比較劇烈。10月16日后地表變形速率急劇減小，滑坡變形趨于平緩，10月20日后，滑坡變形速率曲線在零點上下波動。從整體來看，位移變化速率曲線與累積位移曲線趨勢基本同步。

圖5 柏堡滑坡地表位移變化速率監測曲線

3 滑坡變形機制分析

3.1 地質因素對滑坡變形起控制作用

柏堡滑坡區屬中低山構造侵蝕河谷滑坡地貌，地形坡度在14-45°間。滑坡前緣坡度較陡，后緣地形陡峭，中間部位相對較平緩，陡-緩-陡的地形有利于滑坡的形成。柏堡滑坡所發育的坡體由上覆第四系松散堆積層，下伏侏羅系下中統聶家山組（J1-2n）組成。其中，松散土石堆積體主要由殘坡積（Q4el+dl）、崩坡積（Q4col+dl）、人工堆積（Q4ml）組成，該層巖土體松散，具有較強透水性，有利于地下水的滲透，從而軟化巖土體與增加坡體重量。侏羅系下中統聶家山組（J1-2n）由紫紅色泥巖、粉砂巖等組成，其中泥巖強度較低，抗風化能力較差，與水接觸時易被軟化，粉砂巖為較硬巖，有著較強的抗風化能力。第四系松散堆積層及侏羅系聶家山組（J1-2n）粉砂質泥巖和泥質粉砂巖軟硬相間，為典型的易滑地層，該地層對于滑坡的發生具有控制效應。柏堡滑坡的坡體結構類型為斜順向坡，巖層產狀為330～350°∠30～55°，右側滑體的主滑方向受土巖接觸面的產狀所控制，其表層基巖巖體裂隙發育，完整性差，為滑坡的變形提供了內部條件，軟弱地層是滑坡變形的物質基礎。

3.2 大氣降雨對滑坡變形起促進作用

2017年9月下旬至10月上旬近20天里，秭歸縣遭受長期陰雨天氣，期間還伴隨著強降雨天氣的出現。持續的降雨過程產生的地表水通過地表裂縫等入滲到含碎石粉質粘土的滑體中，并沿著孔隙下滲。滑坡區域內地下水因降雨入滲而水位上移，從而導致孔隙水壓力和浮托力驟然增大。大氣降雨一方面軟化了軟弱巖土層，大大降低其抗剪強度，另一方面巖土體內短時間充水程度較高，增加了巖土體內的動靜水壓力，使巖土體的穩定性降低，并使強風化泥巖及砂質泥巖泥化、軟化，形成滑動帶，并且降低了滑動帶力學強度，降雨是導致柏堡滑坡滑動的主要誘發因素。

從柏堡滑坡應急搶險救災期間地表一體化GNSS監測點位移-降雨量-時間曲線（圖6）和監測點位移速率-降雨量-時間曲線（圖7）可以看出，受2017年9月下旬和10月中上旬持續性降雨影響，測點BB1、BB2、BB3、BB4、BB5從2017年10月12日變形突然陡增，2017年10月14日變形速率達到峰值；2017年10月16日滑坡右側次級滑體發生滑移，各測點累積位移趨近峰值；2017年10月18日之后滑坡區降雨量減少，變形速率亦隨之減小，滑坡累積位移于10月20日左右基本達到峰值，之后滑坡變形總體趨于平緩，處于整體穩定狀態。從降雨與滑坡變形出現時間前后來看，2017年10月10日至14日降雨量較大，而滑坡位移陡增時間出現在10月12日至16日，柏堡滑坡變形相對于降雨呈現較為明顯的滯后性。

圖6 柏堡滑坡累積位移-降雨量-時間關系曲線

圖7 柏堡滑坡監測點位移速率-降雨量-時間曲線

4 滑坡穩定性分析預測

4.1 計算模型建立及參數選取

本文基于VG模型（VanGenuehten模型）滲透系數的函數輸入，結合柏堡滑坡的實際工程地質特征和滑坡變形特點，選擇滑坡中部1-1ˊ剖面（見圖2）作為計算剖面，建立簡化地質模型進行數值計算。該模型由4749個節點，4642個網格構成，數值計算網格模型見圖8。根據柏堡滑坡地質勘查報告中的室內試驗結果，并結合區域性工程經驗和參數反演計算結果，數值計算中柏堡滑坡巖土體物理力學參數取值如表1所示。

圖8 滑坡數值計算網格模型

表1 柏堡滑坡巖土體物理力學參數

4.2 計算工況

綜合柏堡滑坡監測數據分析及變形機制分析可知，大氣降雨對柏堡滑坡穩定性影響較大，不利于滑坡的穩定。為探究降雨因素對滑坡穩定性影響，建立2種工況，如表2所示。

表2 柏堡滑坡穩定性計算工況

4.3 穩定性分析及預測

4.3.1 滑坡穩定性分析

圖9為工況1和工況2的穩定性計算結果，隨著降雨持續時間的延長及降雨強度的增大，柏堡滑坡穩定性系數總體呈現下降趨勢。在保持每天降雨強度為10mm/d時，隨著降雨持續時間的增加，從降雨持續1天到15天，穩定性系數從1.981降低到1.630，下降幅度達到0.351，降低了17.7%。計算數據曲線表明，在保持降雨強度相同時，隨著降雨持續時間的增大，穩定性總體呈現降低趨勢，尤其在在持續性降雨的前3天，穩定性系數降低速率較快，之后穩定性系數降低速率減緩。

圖9 穩定性系數變化曲線

在保持降雨時間1天時，降雨強度從10mm/d增大到60mm/d，邊坡穩定性系數從1.981降低到1.806，穩定性下降幅度達到0.175，降低了8.8%。降雨強度在小于40mm/d時，穩定性系數降低速率較為平緩，降雨強度在大于40mm/d時，穩定性系數迅速降低。

由穩定性計算可知，柏堡滑坡的穩定性受降雨影響較大，通過比較持續性降雨與降雨強度兩種工況下的穩定性系數大小以及降低比率結果可知，降雨持續時間對柏堡滑坡穩定性影響更大，即出現連續性降雨天氣，再次出現失穩概率更大。

4.3.2 滑坡變形發展預測

柏堡滑坡堆積體前緣受童莊河侵蝕形成臨空面，特殊的地形為滑坡形成的形成提供了地形條件。滑坡災害出現后坡體內出現了大量深淺、長度不一的裂縫，若出現持續性降雨或者強降雨，降雨會隨著裂縫入滲，不斷侵蝕坡體，擴大裂隙寬度及深度，隨著裂縫的擴展，產生局部破壞概率增大。同時，降雨隨著裂縫匯集于滑體底部和滑床之間時會降低了滑帶土的抗剪強度，加大了滑體的重量，導致滑坡發生整體變形的可能性大大增加。

滑坡在2017年10月20日前滑坡變形特征明顯，后緣拉張裂縫，局部下坐位移，局部的坍滑、房屋地坪下陷、崩落碎落等現象現場跡象十分明顯。20日之后無明顯新增變形跡象，根據不同降雨條件下滑坡穩定性計算結果及宏觀穩定性判斷，滑坡總體處于穩定狀態。但是，在暴雨、持續降雨、人為切坡等因素影響下，滑坡可能會產生整體滑動，造成嚴重危害。

5 總結

本文基于柏堡滑坡工程地質勘察資料和監測數據，對柏堡滑坡的變形機理進行了分析，并利用Geo-Studio軟件對坡體在不同降雨工況下的穩定性進行了模擬分析及預測，主要結論如下：

①柏堡滑坡的地質結構對滑坡的變形起著控制作用。陡-緩-陡的凹地地形為滑坡變形的發展提供了有利地形地貌條件；第四系松散堆積層及侏羅系聶家山組（J1-2n）粉砂質泥巖和泥質粉砂巖軟硬相間巖層為滑坡變形發展的內因；滑坡體內裂隙發育，有利于滑坡變形的進一步擴展。

②連續降雨為柏堡滑坡變形的誘發因素，大量降雨下滲至含碎石的粉質粘土層，并在巖土分界面匯集，導致浮托力的產生與土體的軟化，持續性降雨是柏堡滑坡產生變形的最直接誘發因素。

③根據Geo-studio仿真軟件的數值模擬分析可知，隨著降雨時間延長及降雨強度的增大，滑坡穩定性系數均呈現下降趨勢，其中降雨持續時間對滑坡穩定性影響更大，滑坡一旦再次產生破壞，產生整體滑動，造成的危害性較大。