五尺坝地区库岸蓄水诱发型滑坡稳定分析

李 俊，林 锋，丁秀美，葛海龙

（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 引言

库岸边坡稳定问题是国内外相关学者长期关注的焦点。库区两岸斜坡的稳定与水位的波动起伏有直接关系，关系到水上航运交通及下游地区生命财产安全。Z.G.Niu等[1]研究了洪水渗透条件下堤边坡的稳定性并模拟了泄洪时二维非稳定渗流场。近年来，已有大量有关三峡库区滑坡稳定性评价的成果发表[2-4]。刘雪梅[5]研究了三峡库区万州区地貌特征和滑坡演化过程，提出地貌演化受内部营力子系统，外动力子系统及地质体子系统的综合作用。王佳佳[6]基于GIS栅格数据模型，应用信息量理论对万州滑坡开展了灾害易发性评价，建立了易发性评价指标体系。

一般认为，水库滑坡主要是由于水库蓄水或运营导致岸坡水动力条件不利而演化造成的，包括库水位的涨落以及暴雨入渗2个方面。从宏观上来看，库水位变动诱发滑坡机理主要表现为两个方面：一是水库水位变动及浸泡引起滑坡岩土体物理力学性质的改变；另一个是水库水位变动引起滑坡受力状态的变化。降雨强度和持续时间影响雨水入渗和径流排泄，会改变坡体内的力学性质。可通过计算机模拟解释降雨引发滑坡问题，戚国庆等[7]数值模拟了降雨入渗过程中，边坡非饱和区基质吸力的变化，暂态饱和区的形成、发展变化及暂态水压力的大小和分布。张培文[8]利用降雨条件下地表水入渗和产流藕合的计算程序，模拟了小降雨强度和大雨强度对地下水位变化的影响。由于斜坡的非稳定渗流模型有饱和模型和非饱和模型，浸润面以上为非饱和，以下为饱和，渗流计算时将整个几何区域作为渗流区域，计算方法简单。

五尺坝滑坡于2001年9月，在暴雨作用下，滑坡体位移变形。2008年汶川地震后，一级平台和二级平台出现裂缝，受蓄水影响，变形加剧。本文借鉴前人研究的成果，剔除了对该滑坡影响小的灾害因素，只考虑滑坡体自重、降雨和地下水三种营力作用。荷载组合工况能反映滑坡受力，评价结果符合实际情况。

1 滑坡区地理及地质环境概况

1.1 滑坡区地理位置

五尺坝滑坡位于重庆市万州区长江右 岸斜坡，紧邻新乡镇和武陵镇（图1）。

图1 五尺坝滑坡地理位置示意图Fig.1 Location of Wuchiba landslide

1.2 滑坡区地质环境条件

1.2.1 地形地貌

滑坡属侵蚀堆积河谷低山丘陵地貌，主滑方向为305o，与斜坡坡向一致，坡度10～20o，滑坡边界特征明显，坡体平面呈横长型，坡形外凸，剖面形态呈直线形，坡顶较平缓，后缘略呈弧型，该斜坡结构类型为顺向斜坡。滑坡前缘伸入长江，剪出口位于长江江岸，现已没入水下。后缘可见基岩出露，左右两侧均为山脊，中部发育一纵向冲沟，冲沟穿越整个滑体。

滑坡前缘高程120m，后缘高程255m，滑体长360m，宽1500m，坡度约20o。滑坡体上平台不发育。勘察揭露该滑坡体厚6～16m，平均厚11m，滑坡总面积54万m2，总体积594万m3。滑体后缘出露基岩壁，高程在250～210m之间。中部高程210～180m之间坡面分布大片稻田和少量民房，坡面植被发育。前缘高程180m以下至江面。

1.2.2 地层岩性

研究区发育近水平地层，出露为侏罗系中统新田沟组（J2x）砂岩、泥质砂岩互层及泥质灰岩；上覆较厚的第四系崩积、滑坡堆积成因的粉质粘土夹碎块石；滑体后缘出露基岩壁，岩性为紫红色砂岩夹灰质泥岩；中部高程210～180m之间岩性为粘土夹紫红色砂岩碎块石土。

1.2.3 水文地质条件

长江水位高于滑坡前缘剪出口，属于涉水滑坡，滑坡体内地表水系不发育，汇集雨水通过冲沟迅速排入长江。滑坡上建有堰塘，有蓄水。地下水类型以松散层孔隙潜水为主，主要由大气降水补给，沿斜坡向下经短途径流，向长江排泄或在坡体前缘低洼处向外渗出，排泄途径畅通。地下水动态主要受大气降雨的影响，变化较大。

2 滑坡成因机制分析

五尺坝滑坡两侧宽大冲沟发育，后缘为基岩陡壁出露，有较好的发育滑坡的边界条件。滑坡前缘临空涉江，江水常年侵蚀坡脚，削弱坡体前缘阻滑段强度，滑体中部发育纵向冲沟，地表水易汇集在冲沟中软化坡体。自水库运行后，水位上升使坡体浸水面积增大，进一步加剧了坡体强度的弱化，从滑坡变形的时间和变形现象上看，滑坡的发生与库水的运行在同一时期，滑坡变形迹象也集中在坡体前缘，中后部不明显。所以，诱发滑坡的直接因素是库水的周期性变化。

通过调查分析，推断该滑坡属于蠕滑-拉裂破坏模式，经历了如下三个变形破坏发展阶段（图2）。

（1）随着长江的下蚀，斜坡前缘临空面坡体沿下伏泥岩夹层产生剪应力集中，向临空方向发生蠕动变形，潜在滑移面产生（图2a）。

（2）受降雨等影响，剪应力集中带附近泥岩软化、抗剪强度下降，后缘裂缝产生，地表水下渗，产生静水压力，滑体饱水加载，稳定性急剧下降（图2b）。

（3）滑移面孔隙水压力增加，上覆滑体沿滑动面产生滑动变形，失稳、解体、运动至坡脚停积，并在后期地质营力、人类活动改造下，逐渐形成了现地貌特征（图2c）。

图2 五尺坝斜坡变形破坏发展阶段Fig.2 Evolving stage of deformation and failure in Wuchiba slope

3 滑坡渗流及稳定性分析

3.1 剖面及参数选取

五尺坝滑坡前期勘查布置有四条纵剖面，从滑坡左侧的Ⅰ—Ⅰ′剖面至右侧Ⅳ—Ⅳ′剖面（图3）。根据前期钻探资料和水文资料，确定滑带的位置和地下水位情况，监测发现Ⅱ—Ⅱ′剖面和Ⅲ—Ⅲ′剖面出现变形，中段、北东段未见明显变形迹象，因此选取这两个剖面进行分析。计算参数取值见表1。

表1 五尺坝滑坡渗流、稳定分析参数取值汇总

3.2 方案设计

计算采用Geostudio2007软件中的SEEP/W模块进行渗流场模拟，计算根据勘察时期的地下水位155m作为初始水位建立稳态工况，以它为初始状态依次建立渗流工况。先进行库水位上升过程的模拟计算，然后再以上升后的稳定水位作为初始水位进行库水位下降过程的模拟计算，库水位每上升或下降到一个高度，将保持这一水位继续计算十天内的稳定系数。渗流计算时，模型左右两侧采用定水头边界。模型剖分后有853个节点，1572个单元。

本文研究认为滑体自重、库水位升降、降雨是该滑坡失稳的主要原因，综合各种影响因素，计算工况如表2所示。

表2 稳定性计算工况及荷载组合

图3 五尺坝滑坡监测工程平面布置Fig.3 Plane layout of monitoring project in Wuchiba landslide

考虑水库蓄水对滑坡地下水的影响，地下水位线以上的堆积体采用天然重度进行计算，以下的采用饱和重度，库水位以下的堆积体采用浮重度进行计算。水位升降速率为2m/d，当库水位从155m升到175m时，需要10天，在此基础上再设置10天的从瞬态到稳态的渗流期，则渗流计算共20天。从175m降至145m需要15天，加上10天稳定渗流期则为25天；同理145m升至175m加上10天稳定渗流期则为25天。于是前三个工况总天数共计70天。根据三峡库区情况，选取降雨强度为220mm/d，降雨分两次，即水位下降至165m和再次从145m上升时开始降雨，两次降雨历时均为3天。

3.3 稳定性分析

数值模拟库水位工况组合旨在获得滑坡稳定性系数在外界因素影响下的变化趋势。在只考虑自重的天然斜坡，坡体内的孔隙水压力为负，负的孔隙水压力可理解成基质吸力，它能产生增大斜坡稳定性的表观粘聚力[9]，引起坡体内块石土抗剪强度的增加。对于完全处于饱和状态的斜坡土体，基质吸力的消减会极大地减小斜坡的稳定性，从而可能引发坡体失稳破坏。由图4和图5可以看出，库水位经历了两次上升和一次下降过程，且稳定系数的增减与库水位的升降呈现一致性变化规律。降雨明显降低了稳定系数，其中，Ⅱ-Ⅱ′剖面受降雨影响稳定系数平均降低了0.05，Ⅲ-Ⅲ′剖面平均降低了0.06。总的来说，Ⅲ-Ⅲ′剖面受降雨影响程度要大于Ⅱ-Ⅱ′剖面。滑坡稳定特征具体分析如下：

图4 剖面Ⅱ-Ⅱ′稳定系数随时间的变化Fig.4 Change of stability coefficient versus time for profile Ⅱ-Ⅱ′

图5 剖面Ⅲ-Ⅲ′稳定系数随时间的变化Fig.5 Change of stability coefficient versus time for profile Ⅲ-Ⅲ′

（1）后缘基岩水位稳定和无降雨的条件下，蓄水从145m至175m过程中，其位移、土压力和孔隙水压力的变化主要受库水位控制。滑坡在工况一至工况三情况下，Ⅱ-Ⅱ′剖面的稳定系数介于1.143～1.287之间，Ⅲ-Ⅲ′剖面的稳定系数介于1.097～1.198，两个剖面均处于稳定状态，只是Ⅲ-Ⅲ′剖面的稳定性略差一些。库水位的上升，滑坡前缘不断被库水浸没，水面下的前缘部分相当于受到了指向坡体的静水压力；此外，地下水从库岸渗入斜坡，地下水位的上升滞后于库水位的上升，所以稳定系数增大。库水位急剧降落，斜坡内容易产生超孔隙水压力，再加上斜坡趾部的坍塌，易引起斜坡大面积移动，降低稳定系数。

（2）工况四从第5天开始连续降雨3天后，稳定系数呈下降趋势，两个剖面降雨后的稳定系数变化范围分别为1.074～1.228和1.051～1.157，最后都趋于定值，且都没有低于安全系数1.05。由于滑坡后缘临近石质陡坡，降雨在后缘聚水，抬升基岩裂隙水水位，降雨与库水的耦合效应表现在滑体内地下水水位的变动，即饱水面积比变化。若浸润线愈陡则动水压力愈大，基岩水位抬升后与库水连同，将对具有相对隔水地板滑坡产生承压作用。这一系列的变动和起伏都会给滑坡的稳定性造成不良影响。

（3）工况五第1天连续降雨3天后，稳定系数也下降了，但当水位回升到155m时，稳定系数又开始增加，两个剖面最终都分别趋于一个定值，且这个最终值以Ⅱ-Ⅱ′剖面居较大。现场勘查结果显示，滑体自重+暴雨+库水位175m降到145m时，滑坡变形最大，位移具有明显的分区特征，主要分布滑坡后缘和一级平台、二级平台之间，出现在滑坡前缘坡肩处。短期内的集中降雨，可以在较短时间内，使坡体内的地下水位迅速抬升，孔隙水压力迅速增加，坡体抗剪强度降低，从而使滑坡的稳定性条件迅速恶化。另一方面，降雨渗入使土体产生物理化学效应，软化滑面，不利于滑坡的稳定。

3.4 最不利工况组合分析

考虑到五尺坝滑坡地质条件，结合以上数值模拟分析，认为触发五尺坝滑坡的降雨强度在220mm/d以上。该区历史统计的一次降雨过程累积降雨量从未超过660mm，因此单一降雨因素触发五尺坝滑坡失稳的可能性较小。为了评价极端条件下滑坡的稳定情况，计算中设定降雨强度达到特大暴雨级别250mm/d，水位升降降速率为3m/d，降雨历时62天，其它方案设计同工况四和工况五。

图6 最不利工况下稳定系数随时间的变化Fig.6 Change of stability coefficient versus time under the worst condition

图6显示两个剖面的稳定系数与库水位变化趋势相同。可以看出，当库水位降落速率突然增大至3m/d时，稳定系数在很短时间内急剧减小。Ⅱ-Ⅱ′剖面当库水位降落至145m时，稳定系数减至1.054，接近临界安全系数1.05；而Ⅲ-Ⅲ′剖面的稳定系数在水位还没降落至最低时，已经低于了临界值，且水位回升到175m时才到达警戒值以上。库水位升降速率的加快对滑体内超孔隙水压力有很大影响。滑体内超孔隙水压力消散的时间决定了稳定系数的大小，时间越长，则最低水位时的稳定系数与计算初期的稳定系数之差值越大。

所以可以认为在极端条件下，五尺坝斜坡存在失稳的危险。应加强库水位变化动态监测和滑坡位移监测，并做好地面的排水措施。

4 结论

（1）五尺坝滑坡地貌类型为侵蚀堆积河谷低山丘陵地貌，所处地层局部上覆较厚的第四系崩积、滑坡堆积成因的粉质粘土夹碎块石，由于库水的浸泡和运动，使滑坡体前缘处于周期性的干湿变换环境，土体中的土颗粒或胶结物质被带走，使土体的力学参数发生变化。

（2）五尺坝滑坡为蠕滑-拉裂破坏模式，后缘基岩陡壁，前缘临空涉江，在水的营力和后期人类改造下形成了现今地貌。

（3）瞬态渗流分析了两个剖面在水位升降和降雨条件下滑坡的稳定性，这两种影响因素都会降低此滑坡的稳定性，两种因素共同作用更会加剧稳定系数的丧失，但对整体稳定性影响不大。降雨与库水位升降导致的滑体内孔隙水压力的增减决定了稳定系数的变化趋势。

（4）为了应对极端条件滑坡灾害，评价了人为设定的工况组合引起的滑坡失稳条件，并提出了预防措施。

[1]NIU Zhi-guo，LU Jun，YOU Ri，et al.The stability analysis of the dike slope in Bdg reservoir underthe seepage of flood[J].Procedia Engineering，2011，15：5264-5267.

[2]尚柟吉，周勇，张元才，等.三峡库区云阳青术滑坡成因机制及稳定性评价研究[J].甘肃水利水电技术，2010，46（8）：12-16.

[3]秦凯旭，石豫川，刘汉超，等.三峡库区某滑坡体成因机制分析与稳定性评价[J].水土保持研究，2006，13（5）：84-86.

[4]卢书强，易庆林，易武，等.三峡库区卧沙溪滑坡变形失稳机制分析[J].中国地质灾害与防治学报，2013，24（2）：21-24.

[5]刘雪梅.三峡库区万州区地貌特征及滑坡演化过程研究博士学位论文][D].武汉：中国地质大学，2010.

[6]王佳佳，殷坤龙，肖莉丽.基于GIS和信息量的滑坡灾害易发性评价——以三峡库区万州区为例[J].岩石力学与工程学报，2014，3（4）：798-808.

[7]戚国庆，黄润秋，速宝玉，等.岩质边坡降雨入渗过程的数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2003，22（4）：625-629.

[8]张培文.降雨条件下饱和—非饱和土径流渗流耦合数值模拟研究[博士学位论文][D].大连：大连理工大学，2002.

[9]Vandamme J, Zou Q.Investigation of slope instability induced by seepage and erosion by a particle method[J].Computers and Geotechnics，2013，48：9-20.