三峡库区某古滑坡稳定性数值模拟研究

王浩宇 于永强

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081； 2.昆山市水利设计院有限公司 昆山 215300)

三峡库区内存在古滑坡数量达到4 000多处，由于受库水位涨落和降雨的影响，部分古滑坡存在复活滑动的风险[1]，如千将坪滑坡[2]、安乐寺滑坡[3-4]等。诸多学者采用不同的理论和方法对库区古滑坡进行了研究和分析。

采用数值模拟方法，胡致远等[5]发现受库水波动影响，藕塘古滑坡主要发生浅层滑坡，而其深层滑坡主要是受降雨长期作用的影响；基于工程地质力学和地貌学的理论，代贞伟等[6]研究了库区古滑坡滑动变形的主控因素和变形机制，发现古滑坡具有分区破坏的特点；周云涛等[7]提出超孔隙水压力是诱发古滑坡复活的重要因素，进而提出了考虑超孔隙水压力的大型古滑坡安全系数计算公式。

上述研究已对库区古滑坡的稳定性研究做了许多工作，但对古滑坡产生深层和浅层2种滑动的分析仍然较少。本文以三峡库区某古滑坡为研究对象，采用数值模拟手段研究此古滑坡可能产生深层和浅层滑动的多种工况，进一步分析其稳定性。

1 滑坡概况及计算剖面选取

所研究古滑坡位于三峡库区，其滑坡体上覆较厚土层。在三峡水库蓄水之后，受到库水位升降及降雨作用的影响，此古滑坡出现再次复活的迹象。该滑坡主要由H1、H2 2个滑坡体组成，其中H1滑坡上有一较大村镇为曲尺场镇，有大量居民居住，因而分析其滑坡的稳定性显得尤为重要，进而H1滑坡为此古滑坡防治和监测的重点对象。

H1滑坡平面见图1，沙湾溜滑体和果园场滑坡2个次级滑体位于H1滑坡前缘。

图1 滑坡H1滑坡平面图

取H1滑坡的III号剖面作为本文数值模拟的研究对象，其剖面图见图2。

图2 滑坡III号剖面

由图2可见，H1滑坡坡面后缓前陡，后缘较缓部位坐落有曲池场镇，且该部分暂时未见显著变形，前缘较陡部位为果园场滑坡，正处于相对较缓慢变形状态。通过现场勘测数据可得，H1滑坡体主要由粉质黏土组成，其内夹砂岩碎裂岩体和碎块石。可分为3层：最下层为碎裂岩，前部较薄，其厚度为1.0～7.1 m，其中后部的厚度可达15～58 m；中间层与最上层分别为碎块石土及粉质黏土夹碎块石，其厚度为3.4～15.2 m，厚度从前缘往后缘呈减小趋势。碎裂岩之下为T3xj砂岩，为该滑坡的滑床基岩。该滑坡存在深层和浅层2个滑带：深层滑带位于基岩与碎裂岩的交界面(见图2中①)，浅层滑带是果园场滑坡的滑动面，其位于碎裂岩与碎块石土交界面(见图2中②)，2个滑带形状均为后陡前缓，且H1老滑坡剪出口与果园场滑坡重合。三峡水库库水位的波动范围为175～145 m，库水位变动带正好包含了H1滑坡剪出口所在位置，图2中虚线为滑体内的勘测地下水位，其对应的库水位为168.7 m。

如图2所示，共有4个监测点设置于剖面III上，其中平面位移较大的21号监测点设置于滑坡前缘靠近剪出口位置；43号监测点位于民房附近，22号监测点位于抗滑桩之上。现场调查显示：民房内出现多处开裂，且在43号监测点后方地面发现断续裂缝，推测其为果园场滑坡后缘。位于曲尺场镇后方的23号监测点基本没有发生位移。

2 滑坡稳定性计算

基于上述H1滑坡III号剖面的典型代表性，通过软件Geo-slope的slope/w模块对其进行数值模拟，分析研究滑坡的稳定性。首先根据地质结构和实测地形进行建模，然后赋予相应的地质参数于各地层。参数取值见表1。

表1 Geo-slope模型计算参数

模型中库水位取2009年10月15日所测高程168.7 m，地下水位取实测值。考虑库水位变化在坡脚消落带的水压力作用。

在一般工况条件下，采用Geo-slope软件的M-P法对该剖面进行滑动面自动搜索，结果见图3，该图为软件计算自动搜索得出的3种安全系数小于1.2的滑动工况：其中图3a)的安全系数为1.074，其为最危险潜在滑动面，滑动面后缘位于浅层滑带附近，滑动面剪出口位于基岩与滑体的界面位置，处于欠稳定状态。此状况下，滑动面与勘测资料中果园场滑坡的数据及形态基本吻合。图3b)显示的滑坡的安全系数为1.124，同样处于欠稳定状态。沿图3c)中搜索的潜在滑动面滑动时，滑坡的安全系数为1.198，地下水位面附近为此滑动面剪出口，处于基本稳定状态。

图3 Geo-slope自动搜索滑动面情况

人工指定滑动面位置的情况见图4，该滑面沿着碎块石土与碎裂岩的交界面。其中图4a)计算所得的边坡安全系数为1.103，对应的是坡体完全沿浅层滑带下滑时的情况；图4b)计算所得边坡的安全系数为1.057，显然坡体处于更不利的状态。此结果说明在人工指定滑面后，自后缘张裂面开始可自动搜索出最危险的潜在滑动面。

图4 人工指定滑动面情况

综上所述，可知碎裂岩与碎块石土的交界面为H1滑坡的最危险潜在滑动面，其为浅层滑带，同时也是果园场滑坡的滑动面。由于该滑面安全系数为1.057，处于欠稳定状态，滑坡可能沿此滑面发生滑动，因而应采取相应的防治措施，并加强对滑坡位移的监测。除此之外，当该滑面安全系数为1.198时(图3b))，虽处于基本稳定状态，但鉴于曲尺场镇位于此时滑坡的后缘位置，直接影响该镇居民的财产及生命安全，故也应实施相应的监测措施。

3 滑坡FLAC3D数值模拟分析

该滑坡的整体变形情况采用FLAC3D软件进行模拟分析研究，其模型见图5。根据地下水位、地质结构与实际地形建立III号剖面边坡模型，赋予各地层相应的地质参数，参数取值见表2。模型底面沿Z方向约束位移，两侧面沿Y方向约束位移，后缘沿X方向约束位移，为模型前缘水位以下部分所受库水压力，在此部分施加水平方向应力边界条件。

图5 FLAC3D数值模型

表2 FLAC3D模型计算参数

设置最大不平衡力比后，采用solve命令对模型进行计算，较短时间内即收敛，说明该边坡并未滑动，仍然处于稳定状态。为获得边坡的安全系数，采用强度折减法对其进行计算，得到此边坡的安全系数为1.15，因而其略微高于Geo-slope求解的最小安全系数值，但其稳定性相对较低。

滑坡体内的剪应变增量见图6(边坡稳定工况时的计算结果)，该图显示坡体内存在2条剪应变变形带。其中深层和中部滑带与深层变形带前缘位置一致，后缘位置与Geo-slope中搜索得到的深层滑动带后缘位置基本一致；浅层变形带正好处于浅层滑带位置，且后缘剪应变相较于前缘稍小。以上均说明此边坡可能正沿着深层和浅层2个滑动带发生变形。

图6 剪应变增量云图

为研究边坡发生滑动时的变形特征，采用强度折减法将模型材料的强度参数进行连续折减，直到边坡失稳，发生滑动。边坡失稳时的总位移见图7。由图7可见，边坡的前缘位置发生了主要的变形特征，位移较大；粉质黏土与碎块石土内发生了位移的突变部分。说明该滑坡为牵引式破坏，滑动主要发生于果园场滑坡坡体之内，此坡体位于滑坡前缘的碎块石土层之中。除此之外，曲尺场镇前缘部分处于滑坡变形影响范围之内，滑坡发生滑动时，曲尺场镇前端可能发生一定的变形。

图7 总位移云图

图8为滑坡变形时的水平向位移，其趋势与总位移云图大致相同，坡体的水平位移于滑坡前缘的表层部分最大，水平向位移的变化规律和分布与监测数据较为接近，向坡体前缘呈递增趋势。

图8 X方向位移云图

图9、图10为滑坡变形时的Z方向(竖直向)位移及Z方向位移突变部位示意图，其位移主要集中于滑坡中部陡缓交接部位与中前部坡体凸起部位，见图10中圆圈所示。滑坡中部竖直位移集中部位正好位于民房下方，由此可以解释此处房屋出现多处的开裂及地基下沉等现象。监测资料显示JC22的竖直位移略大于JC43，而JC22的水平位移略小于JC43，这与数值分析所得现象有所出入，猜测可能的原因为其受抗滑桩的影响作用(监测点JC22处于抗滑桩之上)。

图9 Z方向位移云图

图10 Z方向位移突变部位示意图

边坡产生明显位移时的剪应变率见图11。当坡体产生较大位移时，浅层滑动带位置主要集中呈现有剪应变区。随着滑坡体浅层滑带发展一直延伸至果园场滑坡的后缘，为坡体的主要塑性区，而其发生贯通后，边坡即达到失稳状态。

图11 剪应变率云图

综上所述，滑坡存在深层和浅层2个滑动带，滑坡的变形、破坏都将沿着这2个滑带发生。当变形不断发展，或滑坡体强度发生损伤劣化后，该滑坡的塑性区将首先沿着浅层滑带发展并最终贯通失稳。滑坡滑动时总位移与横向位移均为前缘较大并向后缘逐渐递减，而垂直位移则主要集中于滑坡中部陡缓交接部位及中前部坡体凸起部位。

4 结语

本文通过Geo-slope软件自动计算指定滑动面，并采用M-P算法进行安全系数的计算；结合FLAC3D软件，采用强度折减法进行稳定性计算，根据两者计算结果相互对比，验证了计算结果的可靠性。根据2009年10月份库水位168.7 m，以及H1边坡实测地下水位，在不叠加降雨条件下，对此滑坡III号剖面进行变形数值模拟和稳定性计算研究，所得结论如下。

1) H1边坡的最小安全系数为1.057，处于欠稳定状态。最危险潜在滑面与浅层滑带位置一致，其剪出口位于滑体与基岩接触面，后缘位于碎块石土与碎裂岩界面附近，与实际观测到的宏观断续裂缝位置接近。

2) 除最危险滑面外，另一条较危险滑面也值得注意，该滑面位于碎裂岩层内，其剪出口位于地下水位面附近，而后缘延伸至曲尺场镇的前缘部分，若边坡沿此滑面下滑会影响到曲尺场镇的安全。边坡此时处于基本稳定状态，其对应的安全系数为1.198。

3) 滑坡体内存在2条剪应变变形带，其位置分别位于浅层滑带与深层滑带附近，与搜索得到的最危险潜在滑面及后缘伸入曲尺场镇的潜在滑面位置大致重合。边坡的变形极有可能正沿着这2个滑动带发生。

4) 通过对强度参数进行折减，使滑坡发生滑动，发现滑坡的水平位移于滑体前部最大，向后缘逐渐减小；而竖向位移的最大值主要集中在滑坡的前部凸起部位与中部陡缓交接部位，而滑坡中部竖向位移集中部位正好位于民房下方，由此可以解释此处房屋出现的多处开裂及地基下沉等现象。

5) 由于曲尺场镇前缘部位处于深部变形带附近，且当滑坡沿浅层滑面发生滑动时，该区域也位于变形影响区范围内。所以在果园场浅层滑坡发生滑动后，曲尺场镇的前缘部分有可能会出现较大变形甚至失稳。

6) 监测建议。对果园场滑坡的变形进行重点监测，尤其是该滑坡前缘部位的水平位移及居民住宅附近的竖向位移；监测措施和工作主要应该针对于滑坡后缘断续裂缝的发展情况；加强对曲尺场镇前缘部分的变形监测，若该区域出现位移突变，应及时采取预警措施；建议开展至少1个剖面(3个孔)的深部变形监测。