库区水位变动对花莲树滑坡局部与整体稳定性影响分析

覃茂森，程圣国，刘 朝，陈 勇

(三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

三峡水库建成蓄水后，坝前水位在145～175 m之间变动。中村浩之［1］的研究表明，约49%的库岸边坡在水库蓄水初期发生失稳破坏，约30%发生在库水位下降期间。水库蓄水不仅使滑坡稳定性发生变化，滑坡的变形模式也将由推移式转变为牵引式［2］。库水位升降是滑坡变形破坏的主要诱发因素之一［3-4］。众多学者对库岸滑坡的成因机制及稳定性进行了相关研究［5-7］，林新等［8］通过室内物理模型试验，研究了均质岸坡存在水平强透水层条件下，库水位等速上升对岸坡土体内浸润线的影响，提出了在库水位等速上升的条件下浸润线的简化计算方法;张国栋等［9］以白水河滑坡为研究对象，结合地质勘察、宏观变形迹象及监测成果分析，对水库型滑坡的变形特点及水动力作用下的稳定性进行了有限元分析，研究了库水位变化、降雨对滑坡稳定性的影响;张岩等［10］以西南地区某库岸滑坡为例，通过三维数值模拟，分析流固耦合作用下库水位对库岸滑坡的稳定性结果表明，水位下降后滑坡稳定性大幅降低;向玲等［11］研究了动水压力型滑坡对库水位升降作用的响应，指出库水位升降速率越大，滑体渗透系数越小，库水位变动对滑坡渗流及稳定性影响越明显;时卫民，郑颖人［12］根据包辛涅斯克(Boussinesq)非稳定流微分方程，得到了库水位下降时坡体内浸润线的简化计算公式，在此基础上，用流网的性质来确定土条边界上的静水压力，证明了渗透力与土条中的水重和周边静水压力是一对平衡力，并用渗透力代替土条周边水压力的方法得到了滑坡稳定性评价公式，最后通过算例讨论了各因素对坡体稳定性的影响。

以上研究均是对库岸滑坡的整体稳定性进行分析，很少对滑坡的局部稳定性进行相关探索，尤其是库水位变动作用下库岸滑坡前缘的稳定性。而在实际工程中，库岸滑坡前缘经常会发生局部垮塌或塌岸，由此带来了滑坡滑动模式的变化。基于以上研究现状，本文以花莲树滑坡为研究对象，采用搜索滑移面的方法，对滑坡前缘的稳定性特征进行分析。

1 工程概况

花莲树滑坡地处重庆市奉节县永乐镇永乐村，处于巴务河向斜NE翼，位于长江一级支流大溪河左岸的斜坡地形上，地形西高东低，坡面向东倾斜，坡向与岩层倾向相反，为一反向斜坡。滑坡区内发育有2条较大且垂直于大溪河的冲沟，分别为滑坡的左、右边界。滑坡后缘高程625 m，前缘高程110 m，后缘至前缘纵长约1 800 m，滑坡宽约240～440 m，滑体平均厚度40 m，面积约72.1×104m2，总体积约2 880×104m3。滑坡体表层由粉质粘土覆盖，厚1～2 m，其下为粉质粘土夹碎、块石，滑带土物质成分主要由粉质粘土夹碎石、角砾组成。据钻孔揭露，滑带位于第四系滑坡堆积层与基岩的接触面，厚0.6～1.7 m，滑面呈折线形，滑坡后部与中部的滑面倾角基本一致，约20°，至滑坡前部，滑面倾角渐渐变缓，约7°～10°，滑床为三叠系中统巴东组泥灰岩和砂岩。

对花莲树滑坡GPS监测数据［13］整理分析时发现，在库水位变动期滑坡前缘呈现出阶跃式变形，变形程度从滑体后部至前部逐渐增大;另外，从时间上来看，每年6月～12月滑坡的变形相对较大，此时三峡库区库水位大幅变动加之汛期降雨，极易造成滑坡的局部或整体失稳。

滑坡区内按地下水赋存条件可分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水赋存于粉质粘土夹碎、块石中，主要接受大气降水的补给，受季节变化影响，动态不稳定。勘探资料显示，地下水位埋深为2.0～48.5 m，滑坡后缘地下水位埋深较浅，仅2.0 m，滑体中部地下水位埋深较大。地下水在滑坡形成的多级平台的前缘沿基岩接触面处以泉的形式排泄于地表，水量较为丰富，可供当地居民饮用。

在滑坡体上布设有1条监测剖面。其中，GPS监测点4个、倾斜孔4个、推力孔4个、水文孔4个，同时，在滑坡体外稳定岩层上布置GPS基准点2个。

2 监测结果

2.1 变形特征

从2007年6月开始实施监测到2009年12月期间，4个GPS监测点中，位于滑坡后部的FJ3021、FJ3022累积位移量达到80 mm，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024累积位移量达到160～180 mm，且4个监测点的累积位移量距离河流越近位移量越大，其中滑坡前缘的FJ3024累计位移量高达180 mm。

此外，4个监测点的累积位移具有一定的分段同步特征，即位于滑坡中后部的2个监测点具有较好的同步性，而位于滑坡中前部的FJ3023、FJ3024同步趋势更明显。并且，这些监测点的位移特征还表现出较为明显的三次阶跃型变形:即在2007年6月～9月、2008年7月～12月、2009年9月～12月地表位移明显变大，位移速度变快;而在其他时段，地表位移变化处于相对平稳状态。

2.2 蓄水对滑坡变形的影响

结合奉节年降雨量特征以及三峡库区水位运行特征来看，每年5月～9月正值库区雨季并且库水位处于低位145 m运行，而9月～11月为库水位上升期，此期间花莲树滑坡上各GPS监测点出现快速阶跃式变形。具体来看，2007年6月～9月，库水位下降至145 m同时叠加降雨;2008年7月～11月，先是经历了库水位下降至145 m低位运行叠加汛期降雨(7月～10月)，后又经历了大幅度的水位上涨至172 m附近(10月～12月);2009年的变形特征与2008年非常相似。以上分析可以看出，花莲树滑坡同时受到降雨与库水位变动的影响，相对来说，前缘受库水位大幅升降的影响更大，表现为累积位移增加更快。

综上所述，花莲树滑坡变形具有比较典型的牵引式滑坡特征，即滑坡前部的累积变形量大于滑坡后部。此外，滑坡的稳定性主要受降雨及库水位升降的联合影响，且滑坡前缘受库水位升降的影响更为显著。

3 库水位升降作用下滑坡数值模拟

3.1 计算模型

选取Ⅱ-Ⅱ'主滑面作为整体稳定性计算剖面，滑动面确定为覆盖层与基岩面的最软弱层面。根据花莲树滑坡地质剖面图建立相应的计算模型。节点数3 567个，单元数为3 447个。网格模型见图1。

图1 网格模型

3.2 计算参数

根据野外取样进行的室内试验数据，再综合分析当地工程经验，对滑坡计算参数进行综合选取。计算参数见表1。

表1 计算参数

3.3 计算工况

为探究库水位升降速率对滑坡地下水浸润线及稳定性的影响，结合库区库水位实际运行特征，设计了以下工况:①库水位以1.5、1、0.6 m/d速率从145 m水位上升至175 m;②库水位以1.5、1、0.6 m/d速率从175 m水位下降至145 m水位。

4 计算成果及分析

4.1 地下水位线变化规律

现场监测结果表明，滑坡后缘的地下水位较为稳定，受库水位升降及降雨影响并不显著。鉴于此，本文重点研究滑坡前缘地下水位在设计工况下的变化情况。库水位以1.5、1、0.6 m/d速率从145 m水位上升至175 m水位周期内地下水浸润线变化见图2。从图2可知，库水位以1.5 m/d速率上升时，滑坡前缘浸润线呈现出左低右高形态，均有向左弯曲、外凸的趋势，地下水位的变化明显滞后于库水位的上升，产生“倒流”现象;库水位上升速率越小，地下水位线外凸现象越不明显，与库水位上升的同步性更好。

图2 库水位上升时地下水浸润线(高程:m)

库水位以1.5、1、0.6 m/d速率从175 m水位下降至145 m水位周期内地下水浸润线变化见图3。从图3可知，库水位以1.5 m/d速率下降至145 m水位，20 d时地下水位线与库水位形成了较大的水位差，浸润线呈现出左高右低、内凹现象，浸润线曲率较大，较于库水位的跌落，地下水位线的变化呈现出明显的滞后性;库水位下降速率越大，地下水位线内凹现象越明显，曲线斜率越大，与库水位形成的落差也越大。

图3 库水位下降时地下水浸润线(高程:m)

4.2 滑坡前缘与整体稳定性变化

4.2.1 稳定性系数

库水位上升工况下的稳定性系数变化见图4。从图4可知，库水位按不同速率抬升过程中，稳定性系数的变化规律相同，均会经历一个稳定-下降-上升的过程，稳定性系数也都会达到一个极小点，然后逐渐升高。但稳定性系数减小的幅度较小，最大减小值为0.027。当库水位抬升到175 m时，稳定性系数达到最大，库水位抬升速率越大，稳定性系数增大的幅度越大，曲线上升段斜率也最大。库水位在0.6、1、1.5 m/d的抬升速率过程中稳定性系数虽有一定波动，但仍处于稳定状态。滑坡前缘与整体稳定性变化趋势相似，但是变化幅度很小，最大波动仅为0.03，整体稳定性对库水位响应不甚显著。

库水位下降工况下的稳定性系数变化见图5。从图5可知，库水位在跌落过程中，稳定性系数先下降后上升，在156 m水位时稳定性系数达到最小值，随着库水位的继续跌落，稳定性系数开始逐渐增大。3种不同工况的计算结果显示，库水位跌落速率越大，稳定性系数下降速率越大，减小的幅度也越大。当库水位跌落速率达到1.5 m/d时，滑坡整体稳定性较好，但此时滑坡前缘的稳定性系数最小值已经低于临界值1，极有可能发生失稳破坏。库水位在1、0.6 m/d跌落速率过程中，滑坡整体与局部均处于稳定状态。

图4 库水位上升工况下滑坡稳定性系数变化

图5 库水位下降工况下滑坡稳定性系数变化

4.2.2 稳定性分析

当库水位抬升时，滑体前缘部分被河水淹没，向上的浮托力使得滑坡水下部分滑体重力减小。如果浮托力作用在阻滑段，滑坡阻滑力减小，滑坡稳定性降低;如果浮托力作用在下滑段，滑坡下滑力减小，滑坡稳定性增大［14］。

钻孔勘探资料表明，滑体物质主要为粉质粘土，含少量砂粒和碎石，土体结构较密实，渗透性差。库水位从145 m抬升时，滑体前缘被库水淹没的部分会受到库水的浮托作用，阻滑力减小，滑坡的稳定性也相应减小。库水位达到160 m时，由于受到滑体土渗透性差的限制，地下水位的抬升已经明显滞后于库水位的上升，出现了指向坡体内部的水力梯度，有利于滑坡的稳定性，安全系数开始逐渐增大。库水位从175 m跌落时，同样受到滑体土渗透性差的限制，滑体内部的水来不及排出坡外，与库水位形成了较大的水位差，产生了流向坡外的渗流，指向坡外的水力梯度增大了滑坡下滑力，滑坡稳定性降低。因此，在库水位升降作用下，滑坡前缘呈现阶跃式变形特征，也验证了在库水位变动期，滑坡前缘GPS监测点出现快速阶跃式变形的现象，说明监测数据可靠。

以上分析发现，库水位的升降对滑坡前缘局部稳定性的影响更为显著，滑坡前缘会先于整体而发生局部的失稳、塌岸，一定程度上对滑坡的大范围失稳起到了预警作用。

4.2.3 滑坡发展趋势

2010年10月，三峡水库水位到达175 m，滑坡前缘已被库水淹没。由于受到长期冲刷、浸泡，其变形可能会加速。随着三峡水库的高水位运行，库区水位停留在175 m的时间加长，约3～5个月，全年水位淹没滑体前缘坡脚达35～65 m。在水的长期作用下，土体的抗剪强度相应减小，从而降低了滑坡的稳定性。此外，从时间上来看，每年6月～12月滑坡的变形相对较大，这是由于受到库水位的大幅度变动并叠加汛期降雨的影响，这种影响可能最先引起滑坡前缘局部失稳。滑坡前缘失稳后，形成较大的临空面，阻滑段失效，之后滑坡受到牵引，从前向后变形逐渐加大。

5 结语

从花莲树滑坡GPS位移监测点所获得的数据分析，该滑坡变形程度从滑体后部至前部有逐渐增大的特征，具有比较典型的牵引式滑坡特征。库水位上升时，滑坡稳定性前期有所下降，在156 m水位时达到极小值，但处于基本稳定状态。库水位下降时，滑坡前缘地下水位线呈现出内凹现象，稳定性系数先下降后上升，库水位下降速率越大，稳定性系数下降越快;当库水位下降速率达到1.5 m/d，稳定性系数低于临界值1，将会发生局部失稳破坏，应尽可能避免库水位下降速率过大。

滑坡前缘稳定性较整体稳定性受库水位变动影响更显著，前缘会先于整体发生失稳，一定程度上起到了预警作用。在分析滑坡稳定性时，不应忽略局部的稳定性。同时，也说明了库水位升降是牵引式滑坡的一个重要诱发因素。

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