基于Midas-GTS的三峽庫區金雞嶺滑坡成因機制與穩定性分析

譚銀龍，許萬忠，曹家菊，羅 丹，王本棟，譙立家，周 誼

（1.昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.重慶市地勘局 208 水文地質工程地質隊，重慶 400700）

隨著三峽庫區移民遷建工程的實施，移民城市與集鎮建設和路橋工程施工形成大量人工高邊坡。據統計，移民遷建區已形成的高陡邊坡多達3 000余處，受地質條件影響，90%的邊坡安全性達不到規范要求，對移民工程造成嚴重威脅[1]。在人類工程活動和強降雨的條件下，產生了新滑坡，如譚家灣滑坡[2]、武隆滑坡[3]，同時也誘發了古滑坡的復活，典型的有塔坪H1 滑坡[4]、白水河滑坡[5]。

滑坡一直是工程界和地質災害領域研究的熱點和難點，如金沙江色拉滑坡[6]、舟曲牙豁口滑坡[7]、金沙江沃達滑坡[8]等均受到廣泛關注。以滑坡勘察監測為基礎開展滑坡監測能有效減少滑坡災害損失，為滑坡災害防治提供可靠的數據支撐。徐強等[9]根據變形——時間監測曲線從時間角度判斷三峽庫區秭歸縣白水河滑坡所處的演化階段；Zhang等[10]利用滑坡位移監測數據分析了三峽庫區馬家溝滑坡的運動趨勢；陶志剛等[11]整合牛頓力監測數據和降雨量監測數據，對雅安寶興縣滑坡過程與力學演化進行分析；張海燕等[12]分析三峽庫區秭歸譚家灣滑坡位移和降雨監測數據，得到滑坡各位移監測點變形與降雨間的相關性；周越等[13]利用地球物理方法查明張榆線崇禮隧道出口段滑坡的地質構造及滑面等特征，建立了滑坡體地質模型。

數值模擬是研究滑坡的重要方法之一，滑坡的成因機制、引發的次生災害以及治理防治都可以通過數值模擬進行研究分析。許超等[14]使用有限元分析軟件Midas-GTS運用強度折減法對模型進行計算，分析采動滑坡的形成過程；黃剛等[15]采用Midas-GTS對四川通江縣袁家山滑坡在暴雨工況下的穩定性進行了分析；Wang 等[16]利用Midas-GTS模擬某隧道洞口段邊坡應力應變破壞對隧道的影響；呂文斌等[17]利用Midas-GTS有限元數值模擬方法，研究了西寧市張家灣滑坡的形成機理、發展過程和剪出口位置，定量評價了該滑坡的穩定狀態；譚銀龍等[18]利用Midas-GTS模擬降雨條件下大理海東新城開發某地段的邊坡應力場和滲流場的變化，采用數值方法計算出降雨入滲后的邊坡穩定性系數?；卤O測數據和數值模擬方法都是滑坡災害防治研究中的重要手段，僅用其中一種方法來評價滑坡的變形演化特征與穩定性變化規律，往往會導致分析不夠全面，所以本文采用兩者結合、相互驗證的方法，全面地評價滑坡的成因機制、發展趨勢，并提出較為準確的防治措施。這也將是當前一段時間滑坡災害防治研究的熱點問題。

金雞嶺滑坡位于重慶市巫山縣新區江東組團龍水村金雞嶺，為新生突發地質災害點，淺表還分布后梆滑坡、潘家嶺滑坡。本文以該滑坡為例，在現有豐富的現場勘察資料以及真實可靠的監測數據的基礎上，利用高性能有限元軟件Midas-GTS，進行有限元建模和數值模擬，通過比較實測數據和數值模擬結果，綜合分析金雞嶺滑坡的成因機制，為判定治理措施提供科學可靠的依據，同時為類似滑坡的分析研究提供參考。

1 地質背景和滑坡發育特征

1.1 滑坡區地質背景

研究區位于重慶市巫山縣新區江東組團龍水村，屬構造剝蝕低山地貌?；聟^整體呈階狀地形，其坡度在25°～30°之間。研究區位于巫山向斜核部，淺表巖層內部受次級皺褶控制。據區域地質資料和現場勘探揭示，滑坡區出露地層主要為第四系全新統崩坡堆積層（ Q hcol+dl），基巖為中三疊統巴東組（T2b）泥巖、泥灰巖，巖層產狀變化較大。

研究區降雨豐沛，多年平均降雨量1 049 mm，最大日降雨量約300 mm（2014-08-31），降雨主要分布在5——9月。通過現場調查，滑坡區后部存在5條沖溝（1#——5#），沖溝終年有水，且 2#——5#沖溝最終在龍洞溝匯流，目前龍洞溝下部已被回填。人類工程活動包括公路邊坡、房屋邊坡以及人工堆填方。公路邊坡位于滑坡區前緣，房屋邊坡主要位于黑梁子小區及中醫院?；聟^內堆填工程集中于擬建龍江中學及龍江小學區域，主要是回填工程及碎石堆積場。

1.2 滑坡發生情況

2018年“6·18暴雨”后金雞嶺滑坡發生初始明顯變形，2018年7月22日，出現明顯加劇。2018年7月22日，對金雞嶺滑坡進行了現場勘察[19]，根據滑坡變形和地貌特征，判斷該滑坡包括深層整體滑動和次級滑移。金雞嶺滑坡整體屬于深層滑動，其上淺表分布的潘家嶺滑坡及后梆滑坡屬于次級滑移，此外還包括黑梁子安置房8#樓邊坡變形區、12#樓邊坡變形區、龍水路2標段外側變形區，詳見圖1。根據鉆探結果，得到1-1’典型剖面，如圖2所示。

圖1 金雞嶺滑坡區全貌圖Fig.1 Full view of the Jinjiling landslide area

2 物探解譯與變形監測

滑坡區布置了鉆孔、物探、探槽、深部位移及水平位移專業監測手段，具體布置見圖3。

圖3 研究區各監測技術手段平面圖Fig.3 Plan view of the various monitoring technical instruments in the study area

2.1 物探

物探采用高密度電阻率法層析成像，滑坡區共布置等高密度物探剖面5條（WT1——WT5），層析成像剖面1條（WT6），以WT5剖面為例對物探結果（圖4）進行說明。WT5剖面電性分層特征明顯，淺部為低阻層，電阻率約5～30 Ω·m，推斷為含水土層或強風化層，其厚度約2～20 m，電阻率變化較大；該剖面存在1個較明顯的低阻異常體，推斷為破碎含水巖體。結合鉆孔，推斷解譯滑動面位于泥巖與泥灰巖分界處。

圖4 WT5剖面物探綜合成果圖Fig.4 Combined physical results from the WT5 profile

2.2 水平位移監測

本次研究共布置水平位移監測點36個，共形成5條監測剖面，本文以C-C’和E-E’剖面為例，累計水平位移曲線見圖5。

圖5 C-C’和E-E’剖面監測累計水平位移曲線圖Fig.5 Cumulative horizontal displacement profiles monitored in profiles C-C’ and E-E’

由圖5（a）可知，2018年 7月 9日——2018年 10月17日，黑梁子小區監測點JC23累計位移量為6.20～35.40 mm，位移速率0.80～4.42 mm/d，變形速率逐漸趨緩，可見黑梁子小區后側邊坡變形屬于局部強變形。由圖5（b）可知，后梆滑坡后緣監測點JC35，累計位移量為1.84 mm，位移速率0.01 mm/d，JC33、JC34監測點8月11日建點后累計位移量為24.20～41.00 mm，位移速率0.21～0.62 mm/d。潘家嶺滑坡監測點JC20——JC22，累計位移值分別為 184.80，197.00，145.50 mm，位移速率0.54～3.89 mm/d。監測期間滑坡區未經歷持續暴雨，降雨后滑坡加速變形現象不明顯，只有監測點JC33、JC34出現明顯變形加速，與強降雨時間節點相契合。

2.3 深部位移監測

深部位移監測點SWY2曲線為“D”型曲線，見圖6（a）。在34.0 m深度處形成了明顯的滑動面，滑面以上相對位移為14.0 ～17.5 mm。結合鉆孔ZK34資料顯示，35.4 m深度處為T2b1泥灰巖與T2b2泥巖交界處，交界面附近分布有兩層軟弱夾層，巖心中未見明顯滑帶跡象，推測該處滑帶位于35.4 m。

圖6 SWY2、SWY3監測點深部位移監測曲線圖Fig.6 Deep displacement monitoring curves at monitoring points SWY2 and SWY3

深部位移監測點SWY3曲線為“R”型曲線，見圖6（b）。曲線顯示在滑坡前部已形成明顯的滑動面，且位移相對較大，而下部相對較小，滑面以上相對位移為12.7～20.8 mm。表明金雞嶺滑坡在監測期內以淺層滑移為主，在地面以下8.0 m處形成較明顯的滑動面，結合該處地質結構來看，為淺表層土體在發生滑移，而深部目前未見明顯的滑動面。

結合相應鉆孔、物探結果綜合分析，金雞嶺滑坡前緣發育于T2b1泥灰巖和T2b2泥巖分界線，后部主要沿巖土界面發育，滑帶逐步形成，滑面埋深25.3～43.5 m；淺表層滑帶初步貫通，滑面埋深8.0～30.1 m。從空間分布看，縱向上，總體呈折線分布，橫向上，滑面形態呈兩側薄、中間厚的形態。從滑帶厚度看，碎石磨圓度較好及塑性較好的滑動帶，厚度多為0.1～0.8 m；少量棱角狀的滑動帶，厚度為0.8～3.5 m。

3 數值模擬計算與分析

3.1 數值模型的建立

選取1-1’剖面作為典型剖面，進行有限單元數值計算。在現狀地貌的條件下，考慮地下水滲流場、位移場，評價未治理滑坡的穩定性。采用強度折減法[20]計算穩定性系數，采用VG模型[21]作為土水特征曲線，采用莫爾-庫侖作為巖土體的本構模型。相關計算參數均參照滑坡巖土力學性質試驗，見表1。

表1 巖土體的物理參數Table 1 Physical parameters of the rock and soil

根據不同影響因素的組合，進行3種工況下金雞嶺滑坡的穩定性分析：工況1，現狀情況；工況2，排干地下水情況；工況3，耦合暴雨情況。在建立滑坡分析建模時，把握“既能保證精度，又能充分消除邊界效應的影響”的原則，綜合考慮模型的計算速度和精度要求，設置滑坡坡面尺寸控制為1 m，網格劃分尺寸為3 m。在模擬暴雨工況時，采用曲面流量（150 mm/d）定義暴雨條件；另外，由于邊坡的飽水能力有限，定義了滲流面來模擬雨水沿坡表的徑流。

3.2 數值模擬結果分析

各工況的數值模擬結果如圖7所示。由圖7（a）——（f）可知，工況1和工況2時金雞嶺滑坡穩定系數分別為1.126，1.264，整體均處于基本穩定狀態，最大位移分別為51.04，21.35 mm，位移累計量分別為332.16，85.16 mm；工況3時金雞嶺滑坡穩定系數為1.047，整體處于欠穩定狀態，最大位移為75.35 mm，位移累計量489.56 mm。綜上，在強降雨作用下，金雞嶺滑坡處于欠穩定狀態，可能發生失穩破壞現象。

圖7 1-1’剖面各工況云圖Fig.7 Cloud diagram of each working condition in the 1-1’ profile

由圖7（g）（i）可以看出，考慮地下水時，由于金雞嶺滑坡地下水位較高，整體的孔隙水壓力值和總水頭值都較高，十分不利于坡體穩定性，金雞嶺滑坡容易沿著第四系崩坡積土層發生失穩變形破壞；推測金雞嶺滑坡會穿過第四系崩坡積土層，沿著T2b2中的泥化夾層與T2b1之間的巖層界面發生滑動?？紤]地下水與暴雨時耦合時，由圖7（h）（j）明顯看到滲流加強，地下水位線上升，金雞嶺滑坡坡體內部整體滲流加劇，總水頭和孔隙水壓力增加，向下的滲透力增高，同時由于降雨含水量增加，坡體重度增加，極大削弱其抗剪強度，十分不利于坡體的穩定性。

排干地下水工況（工況2）下，含水率大大降低，金雞嶺滑坡穩定系數為1.264，整體處于基本穩定狀態，與工況1、3對比，排干地下水大大降低了坡體的孔隙水壓力和水頭，對坡體穩定性提高十分有效。

通過已有的現場踏勘、探槽、鉆孔、水平位移與深部位移監測、數值模擬等綜合分析得出：金雞嶺滑坡分為整體深層滑動以及其上分布的潘家嶺滑坡及后梆滑坡的次級滑移。受金雞嶺滑坡整體牽引，導致原后梆滑坡變形加劇，其變形速率與滑坡整體基本一致；潘家嶺滑坡屬土質滑坡，受滑坡整體滑移影響，土體裂縫呈圈椅狀發生變形，次級滑移特征較為明顯。金雞嶺滑坡地下水位淺，受地下水長期浸泡，滑體、滑帶抗剪強度降低，滑動面漸趨貫通，在暴雨條件有可能產生整體失穩滑移。

4 成因機制及其治理措施

結合鉆探、物探、相關監測數據、數值模擬，綜合分析金雞嶺滑坡成因機制，推測滑坡的形成和發展受外部誘發因素與內部決定條件共同控制。

外部誘發因素主要為降雨和人類工程活動。根據走訪調查、位移監測及對暴雨工況的數值模擬，該滑坡區的變形加劇與強降雨密切相關。坡體變形開始于2018年“6·18”大暴雨，強降雨使巖土體吸水飽和，坡體重量增加，下滑力增大；此外，降雨也使滑坡的巖土體發生軟化和泥化現象，物理力學性質顯著降低，抗滑力下降，滑坡穩定性降低?；虑安柯访骈_挖，形成較高臨空面，為滑坡的滑移剪出提供條件，也是金雞嶺滑坡失穩變形的關鍵因素。由于多條沖溝在龍洞溝被回填，不僅形成后緣堆載，也導致地表水排泄通道受阻，地表水向地下水轉換致使金雞嶺滑坡伴有地下水位上升，最終加劇了滑坡的整體失穩變形。

內部決定條件包括金雞嶺滑坡獨有的地形地貌、地質構造和地層巖性，為滑坡的形成和發展提供了物源和場地條件，從根本上決定了滑坡的規模和形態。在地形地貌上，滑坡區為圈椅狀地形，多條沖溝匯集，地形條件為地表水及地下水向滑坡區內匯集創造了條件。在地質構造上，金雞嶺滑坡區發育向斜構造，由于構造擠壓，滑坡區內巖體極其破碎，易于雨水及地下水入滲、匯集。在地層巖性上，滑坡區地層巖性結構松散，淺表主要為碎塊石土，結構松散，滲透性好，大氣降雨和地表水入滲快；下部基巖為T2b2泥巖，受構造擠壓，巖體節理、劈理、裂隙極其發育[22?23]，利于地下水的運移及賦存；泥巖含有多層軟弱夾層，力學性質差，易于產生多期次不同深度的滑移。泥巖下伏T2b1泥灰巖相對完整，但其上部多呈全風化狀，含多層泥化夾層，形成相對隔水面，使得上部T2b2地層的地下水位較高。

目前，已對金雞嶺滑坡進行的治理措施包括：在龍水路設置排水平硐入洞口，在黑梁子安置房外側、龍水中學、龍水小學區域進行削方減載。黑梁子區域在潘家嶺滑坡中前部、中醫院后部龍水路2標段外側變形區布置抗滑樁支擋。治理后，金雞嶺滑坡處于穩定狀態。

5 結論與建議

（1）金雞嶺滑坡圈椅狀的地形、多條沖溝匯集地形地貌、地層巖性結構松散、局部向斜地質構造是滑坡形成的物源和場地條件，“6·18”大暴雨和人類工程活動是滑坡形成的外在誘發因素，工程建設形成的高陡臨空面，破壞了滑坡本身的自穩狀態，使坡體穩定性進一步降低，耦合暴雨條件是金雞嶺滑坡失穩破壞的觸發因素。

（2）金雞嶺滑坡在現狀工況下整體處于基本穩定狀態；在排干地下水工況下整體處于基本穩定狀態；在暴雨工況下整體處于欠穩定狀態，并可能發生失穩破壞；金雞嶺滑坡屬于推移式滑移和淺表土質次級滑移變形，變形破壞從局部到整體，由淺表到深層的發展趨勢；數值模擬結果進一步驗證已進行的相關排水治理措施是可靠有效的。

建議密切關注“治水”措施，尤其是地下水位埋深淺和地表水豐富的滑坡，應該加強地表排水，防止地表水入滲。加強對滑坡后期持續性監測，視情況及時調整措施。在有多個潛在剪出口和滑移面時，建議采用有限元強度折減法進行分析。