動水壓力對涉水復活型滑坡的影響研究

姜照容 于志偉

廣東省地質局第一地質大隊 廣東 珠海 519000

1 引言

國內外學者對庫水位升降條件下動水壓力對滑坡的影響做了一系列的研究。例如，王錦國等[1]分析了三峽庫區猴子石滑坡地下水滲流時的動力場；鄭穎人等[2]（2004）計算了庫水水位下降時滲透力以及地下水浸潤線的位置；劉新喜等[3]（2003）利用二維Richards滲流模型，結合地下水力學模型，研究了庫水水位驟降條件下滑坡滲流場的變化以及地下水對浸潤線位置的影響；Griffith等利用有限元的等數值方法對庫水位升降條件下滑坡的穩定性以及變形過程進行數值模擬分析。目前，研究庫水位驟降對滑坡穩定性的影響還不夠深入，主要表現在：以往在滑坡穩定性評價方面，在考慮地下水的力學作用時，大多只涉及靜水壓力的作用，而往往忽視動水壓力的作用，從而使評價結果與實際有較大的出入，計算出來的穩定系數也比實際偏大；由于影響滑坡的因素很多，各種因素也不是單獨作用，而是相互作用，共同影響滑坡的穩定性。本文將立足庫水位變化對動水壓力型滑坡影響的研究；對三峽庫區樹坪滑坡在庫水位驟降條件下進行數值模擬研究。

2 樹坪滑坡概況

樹坪滑坡為典型的涉水復活型滑坡，發育于沙鎮溪南岸；樹坪滑坡的滑坡發育特征較典型，后緣明顯呈圈椅狀形態，前緣長期在145-175m水位之間侵泡，滑坡體地形上陡下緩、南高北低?；轮骰较騈W130°，上部較窄，有三個明顯從后緣流向前緣的季節性沖溝，地下水滲流活躍。樹坪地下水主要由孔隙水與裂隙水組成，地下水以泉水或滲流形式最終排泄入長江。樹坪滑坡屬于老滑坡，歷史上崩滑頻繁。自2003年6月三峽水庫開始蓄水以來，一直發生持續變形，滑體表面變形跡象不斷增多，坡體內的裂縫呈貫通趨勢，并且局部出現較大規模的坍塌，如圖1所示；樹坪滑坡歷史上曾多次產生滑坍，穩定性較差，在降雨或庫水位升降等外部條件的作用下，就可能產生變形破壞。在三峽水庫水位由175m降至145m期間，再疊加強降雨，該滑體將產生較大變形，甚至失穩破壞?；乱坏┦Х€破壞，將給當地人民造成巨大的經濟損失，并直接威脅長江航運安全。隨著蓄水位的不斷升高，鋸齒狀的張拉裂縫逐漸貫通，連續幾年在雨季內，滑坡裂縫擴張，東部沿江公路出現坍塌，隨著蓄水位的進一步升高，滑坡體東側變形范圍逐漸加大，形成了以東側為主的滑坡主滑區及西側的牽引區。目前滑坡仍處于持續變形中，蠕動變形加快，后期失穩可能性較大。如圖2所示；由于樹坪滑坡的變形，樹坪后緣邊界形成了鋸齒狀的張拉裂縫，可以發現裂縫逐步貫通，走向清晰。

圖1 樹坪滑坡全景圖

圖2 樹坪滑坡剖面圖

3 滑坡變形誘發因素

3.1 地質因素

由于樹坪滑坡的地層巖性為三疊系中統巴東組，該巖性易風化，力學強度低，遇水后泥化，特別是遇水后滑帶的抗剪強度明顯降低，從而使滑坡失穩。樹坪滑坡的層間褶曲較發育，巖層中劈理化現象較明顯，滑坡的產生是坡面附近切向應力逐漸積累的結果[1]。隨著三峽大壩的蓄水，使得長江河谷不斷下切形成現代河床，形成了有效臨空面，促使滑坡一定深度內的巖層跟隨產生蠕變彎曲，最終導致彎曲轉折端產生剪切破碎帶，發展成致滑軟弱面形成滑坡。

3.2 庫水作用

樹坪滑坡是典型的大型涉水復活型滑坡，隨著三峽大壩的蓄水，其中庫水位變動是誘發滑坡變形的主要因素之一，庫水位周期性升降，岸坡水土作用加劇，引起坡體滲流場，應力場的改變，改變土體的物理力學參數，使得庫岸滑坡體所受的靜水壓力及動水壓力將發生周期性的變化[4]。

3.3 大氣降雨作用

三峽庫區中的滑坡位于亞熱帶季風氣候地帶，年降水豐沛，尤其是暴雨會對滑坡產生較大影響；較大降雨，大量雨水滲入滑坡體，而地下水滲出速率遠小于入滲速率，使得地下水劇增，增加量滑坡體的下滑力，使得穩定性降低；由于地下水滲流產生較大動水壓力，增加了滑坡的下滑力，使得穩定性降低；由于大量水入滲，軟化滑帶，使得巖土體的力學性能大大降低，內聚力和摩擦角值減小，穩定性降低；這些都會使得滑坡的變形加劇，因而降雨是使滑坡產生變形的主要因素。

4 滑坡體計算參數確定

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及試驗成果，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。

表1 滑坡巖土體主要物理力學參數建議值

5 樹坪滑坡分析

本文將通過兩種有限元軟件分析同一滑坡的穩定性，一種是大量使用的有限元軟件GEO-slope進行穩定性分析,該軟件在進行穩定性分析時，忽略了動水壓力作用；另一種是由三峽大學自主開發的一款有限元軟件SSS2D-SQKY進行穩定性分析，該軟件在進行穩定性分析時，考慮了動水壓力作用；通過兩種軟件的對比分析指出動水壓力對滑坡穩定性的重要作用。

5.1 模型建立

本文選取樹坪滑坡的主剖面Ⅱ-Ⅱ’建立地質模型，建立有限元計算模型如圖3所示。

圖3 樹坪滑坡有限元計算模型圖

5.2 GEO-slope與SSS2D-SQKY穩定性分析

三峽庫區正常蓄水后，庫水位將在145m-175m水位間漲落，由于本文目的是研究動水壓力的作用效果，采用對比模擬分析，于是本文只考慮庫水位驟降情況，則按照庫水實際調度情況選取一個水文年內庫水位驟降變化作為基準工況。首先利用Geo-Studio軟件計算的seep/w模塊[5]分析樹坪滑坡的滲流變化情況，根據計算所得到的滲流場結果，并考慮滑坡體自重以及前緣庫水對滑坡的壓力，用Geo-Studio軟件的slope/w模塊對樹坪滑坡的主剖面Ⅱ-Ⅱ’進行穩定性計算，穩定系數計算采用Morgenstern-Price極限平衡法。SSS2D-SQKY軟件考慮了滲透過程中動水壓力的影響，能較準確的計算出滑坡的穩定系數；該軟件是在有限元軟件Geo-Studio建?；A上得到建模數據，通過導入建模數據，對模型加上動水壓力作用進行分析，最后得到安全系數。

圖4所示為同一個工況下，用兩種軟件分別計算出來的安全系數隨時間變化曲線，我們可以清楚的發現沒考慮動水壓力作用，使用的GEO-slope計算的安全系數整體明顯高于考慮了動水壓力作用的SSS2D-SQKY軟件計算的安全系數，最大位置安全系數可以下降6%，說明動水壓力作用對滑坡穩定性影響顯著，使用GEO-slope計算安全系數是不夠準確的，是偏于不安全的。分析計算結果可以發現考慮動水壓力的計算比不考慮動水壓力的計算，下降趨勢更快，開始時，由于動水壓力作用明顯，滑坡的安全系數快速下降，隨著庫水位下降，地下水也明顯下降，動水壓力作用減小，滑體的下滑力也隨之減小，可以發現滑坡的安全系數下降減緩。

圖4 樹坪滑坡安全系數變化情況

6 結論

對樹坪滑坡的對比分析，本文清晰的描述了動水壓力在滑坡中的重要作用，特別是在動水壓力型滑坡中，由于動水壓力型滑坡的土層結構，各種性質讓動水壓力作用表現的更加明顯。通過對比分析知道動水壓力對滑坡穩定系數影響較大，計算滑坡穩定系數時，動水壓力是一個重要因素，忽略動水壓力會使計算出來的穩定系數偏大，計算滑坡穩定系數使用的GEO-slope結果偏離真實較大，應該得到足夠的重視；影響滑坡的因素眾多，不同性質的滑坡，應該找到主要因素，就如本文中庫水位驟降條件下，動水壓力的作用明顯，不能忽略，要用科學的方法得到較真實的結果。