某水库滑坡在降雨作用下的稳定性模拟分析

王 焕 黄海峰，3

(1. 三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术研究中心， 湖北 宜昌 443002)



某水库滑坡在降雨作用下的稳定性模拟分析

王 焕1，2黄海峰1，2，3

(1. 三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术研究中心， 湖北 宜昌 443002)

水库型滑坡主要受库水位升降变化而发生变形，因此对水库滑坡的研究主要集中在库水变动影响下的滑坡变形机理及稳定性分析方面．然而通过对三峡库区滑坡调查发现，有一类水库滑坡变形主要受降雨影响，而研究这类滑坡在降雨和库水共同作用下的变形及稳定性同样具有重要意义．本文以三峡库区某水库滑坡为例，在详细调查该滑坡地质条件及变形发展过程基础上，运用数值模拟方法对其渗流场及稳定性进行了定量分析．结果表明，该滑坡由于特殊的地形条件，其变形主要受降雨影响，受库水位升降影响较小．

水库滑坡； 降雨； 渗流场； 稳定性分析

0 引 言

三峡大坝建成以后，三峡库区汛期限制水位为145 m，以便拦蓄洪水，非汛期水位最高则达到175 m[1]．因此，库水位的大幅上升和下降成为诱发水库滑坡地质灾害的主要影响因素．如世界著名的意大利瓦依昂滑坡[2-4]，我国湖南省柘溪水库的塘岩光滑坡[5]，以及三峡库区的千将坪滑坡[6]等，都是在水库蓄水期间发生的灾难性滑坡．据不完全统计，三峡库区在175 m水位范围内共有大小滑坡2 000余处，各类变形体更是广泛分布[7-8]．库水周期性波动对岸坡产生的浸泡软化、流水冲刷、浪蚀、浮力减重和动水压力作用[9]，是导致大部分水库滑坡变形失稳的主要因素．然而，调查发现，三峡库区存在一类变形主要受降雨影响的水库滑坡，研究这类滑坡受降雨影响发生变形的特征及机理同样具有重要实践指导意义．

关于降雨影响滑坡变形的作用机理，前人做了很多研究，文高原等[10]研究了降雨过程中模型边坡的变形、位移以及破坏特征，对比分析了此类边坡在有无降雨情况下边坡的破坏模式．Lee Y S等[11]表明填土边坡失稳破坏是由于降雨在坡体内部的渗流作用极大的降低了边坡内部土体的有效内摩擦角而引起的；Huang C C等[12]研究了不同降雨强度对边坡破坏模式的影响，得到了不同降雨强度下随时间变化边坡土体的含水量、滑体滑动距离的变化曲线．李邵军等[13]发现库区典型土质边坡的变形破坏呈现为牵引破坏模式，坡体变形由前缘向后缘逐渐发展．林鸿州等[14]人把降雨强度和累积降雨量联系起来，进而研究了降雨条件下雨水入渗对边坡稳定性的影响以及两种因素对滑坡发生发展的影响；巨昆仑[15]通过在边坡土体中埋设土压力盒和孔隙水压力盒，得出随着降雨的持续进行，坡内土压力和孔隙水压力不断增大，至降雨结束后一段时间趋于稳定．吴仁铣[16]发现当孔隙水压力超过某一临界值，斜坡上的岩土体就会沿潜在滑移面发生滑动；谭玲[17]分析了研究降雨诱发滑坡的机理，认为降雨诱发滑坡主要通过土体的吸力降低，孔隙水压力增大；坡体自重增大；抗剪强度参数劣化；裂缝发育产生动静水压力以及雨对坡面的冲刷等作用．

综上所述，降雨对滑坡变形影响主要表现在以下方面：一是滑坡体浅层土体迅速达到饱和，坡面形成地表径流，对坡面造成冲刷；二是渗透到坡体内部导致渗流场的变化，从而使滑坡土体的含水率增大及土体抗剪强度的降低；三是湿润锋下移导致坡体基质吸力降低，进而导致抗滑力减小，下滑力增大，直至失稳[18-20]．本文选择三峡库区某代表性滑坡，通过详细调查其地质条件及变形发展过程，并采用数值模拟方法针对稍高于研究区实际降雨量(300mm)叠加库水位变动的6种工况，对该滑坡的渗流场及稳定性进行了定量分析，得出了该滑坡的变形特征及变形机理，可以为三峡库区降雨型水库滑坡变形的相关研究提供参考．

1 滑坡特征及变形机制分析

1.1 基本地质特征

滑坡位于长江左岸，平面形态总体呈舌形(图1、图2)，剖面形态呈凹形(图3)．滑体后缘位于高程290 m基岩陡坎下部；前缘高程145 m，没于长江；左侧边界以陡缓相接凹状地形为界；右侧以土体与基岩接触面为界，以形成土体贯穿裂缝为依据．

图1 滑坡全貌照片

图2 滑坡工程地质平面图

图3 滑坡剖面图

滑体物质为第四系松散堆积碎块石土，平均厚度10 m，黄褐色、紫红色，土石比5∶5，土体结构松散，碎块石成分主要为粘土质粉细砂岩，块石粒径多为20～50 cm，碎石粒径多为2～15 cm，碎石多呈次棱角形，不规则排列．滑带物质为碎石土，土石比8∶2．滑床基岩岩性为侏罗系下统香溪群(J1x)中厚层粘土质粉细砂岩，岩层产状为倾向17～45°，倾角23～32°．发育一组节理裂隙，倾向160～190°，倾角60～70°．

斜坡体前缘直抵长江，地下水类型主要为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水．由于滑坡区地势低洼因此易汇集地表径流，地表水入渗形成松散堆积层孔隙水．地下水除了接受一定量的大气降水的面状垂直渗透补给外，还受滑坡后缘西部高陡剥蚀低山区的基岩裂隙地下水补给，由于坡度较陡，排水条件通畅，主要沿坡面向水库排泄；同时在蓄水期间斜坡前部地下水接受库水补给．据现场渗水试验结果表明，滑坡体渗透系数为7.67×10-4～4.08×10-2cm/s，属弱-中等透水．

1.2 变形过程及特征

该滑坡从2007年至2014年间，不断发生地表变形，表1总结了滑坡变形过程及特征，其变形裂缝分布如图2所示．

表1 滑坡变形过程及特征统计表

图4 中部公路下张拉裂缝

图5 左侧边界裂缝照片

图6 前缘左侧塌岸

总体来看，裂缝变形具有以下规律：

1)从空间上来看，裂缝首先出现在滑坡东部前缘，随时间推移，向西侧中部延伸，中部和后部公路依次下座，接着滑坡后缘出现明显张拉裂缝，并向两侧延伸扩展形成边界．

2)从时间上来看，滑坡每次发生明显变形时，库水位多在150 m左右，即库水淹没滑体范围极少，但之前均出现了强降雨过程．

3)从变形程度来看，裂缝水平位移一般由初始的5～8 cm后逐渐增大到10 cm以上，而后缘边界裂缝甚至达到1 m；裂缝垂直位移一般由初始的2～10 cm增大到20 cm左右；而最长裂缝的长度由初始的40 m不断延伸增长到400 m．

1.3 变形机制分析

滑坡物质为周边山体的崩坡积物长期堆积所形成的碎石土，结构松散．当堆积物超过一定程度，打破原有平衡状态，加之坡体前缘受长江河谷下切以及库水不断冲刷作用，形成良好临空条件，最终形成滑坡．从滑坡变形过程及特征来看，滑坡多次变形主要表现为前缘塌岸与滑坡中后部的大量裂缝．而每次滑坡的明显变形均伴随有前期出现的连续强降雨或极端降雨过程．例如，2007年8月2日滑坡体东部出现变形，雨量记录显示8月2日前后出现连续大幅降雨；2008年8月5日，紧邻东部变形区的西侧坡体出现变形，资料显示连续出现多天大幅降雨，而当月降雨量甚至接近220 mm，等等．同时，变形时间对应的库水位却一般保持在150 m左右，由于滑坡前缘高程为145 m，可见此时库水淹没下的滑坡体积很小．综合以上分析认为，该滑坡变形主要与降雨密切相关，而与库水位变动关系不大．

结合前人研究成果，分析降雨影响滑坡变形的主要作用机理包括：1)雨水入渗使滑坡体由不饱和向饱和状态发展，降低土体的抗剪强度参数c及φ值，进而降低抗滑力；2)增加坡体自重，增加下滑力；3)形成动、静水压力，对滑坡体产生向外的推力．

综上，该滑坡受高水位浸泡和降雨作用影响，变形则包括前缘局部塌岸和中后部坡体裂缝．其中，坡体裂缝变形是该滑坡的主要宏观变形迹象，而降雨是主要影响因素．

2 滑坡渗流场及稳定性数值模拟

2.1 非饱和渗流与孔压应力耦合理论[21]

基于饱和、非饱和土的渗流理论，将滑坡简化为各向同性材料的饱和、非饱和问题，渗流控制方程为

式中，kx、ky为x、y向的渗透系数；H为总水头；Q为施加的边界流量；mw为比水容量．

方程显示了同区域同时段流入、流出的总净流量与体积含水率增量相同．边界条件需要满足：

求解以上3个方程，得到渗流计算的孔压变化量后，相应于孔压改变的体积变化接着被计算，涉及到的耦合方程为

式中，[L]为耦合矩阵；Δd为增量位移；Δu为孔压增量．

2.2 数值模型建立

本文基于饱和、非饱和土的渗流理论采用岩土软件GeoStudio中的SEEP/W和SLOPE/W进行滑坡渗流及稳定性模拟分析．具体过程为：首先采用SEEP/W进行渗流分析，以得到流场的水头分布；然后将渗流场的水头值输入到边坡稳定性计算软件SLOPE/W中，再在该软件中用条分法计算滑坡的稳定性系数[20]．

根据野外现场地质调查及收集资料分析，选取滑坡体的主剖面I-I'(图3)为计算剖面，建立相应的有限元计算模型．其中节点数为4 703，单元数为4 697，最终的网格模型如图7所示．

图7 计算模型

Seep/W中渗透系数曲线、土-水特征曲线可分别由饱和体积含水率、土体的渗透系数实现．由于未测试本滑坡土样的土-水特征曲线，因此采用样本函数方法进行估算．渗透系数方程则是根据渗透系数和土-水特征曲线，采用Fredlund法得出[13]．最终得到的滑坡体土-水特征曲线和渗透性函数(如图8～9所示)．

图8 滑体土水特征曲线

图9 滑体的渗透函数

同时，根据野外现场调查、类比三峡库区其它类似滑坡，并结合地下水位和变形实测资料反演，最终确定的岩土体物理力学参数见表2．

表2 滑体物理力学参数表

该滑坡在水库蓄水和降雨条件下的变形破坏是其在既定的三峡水库运行期水位波动的条件下，耦合致灾的结果．为了确定滑坡的稳定性变化规律，必须找到使得该滑坡在水库运行期水位波动工况条件或者是在水库运行期水位波动条件下的成灾降雨过程．

据相关资料显示，宜昌地区全年最大月平均降雨量为222.8 mm(如图10所示)．为了分析降雨对滑坡的影响情况以及预测滑坡在增大降雨强度情况下的稳定性变化，本次计算工况选取稍大于最大月降雨量，即300 mm的降雨强度进行叠加计算．按照3 d平均分配，每天降雨强度值为100 mm．降雨添加时间为库水位变动155～151.4 m区间内．结合该滑坡的工程地质条件、水文地质条件，设置见表3．

图10 1981～2010年宜昌地区月平均降雨量(资料来源：据中国气象数据网)

工况水位从175m降至159m水位从159m降至145m降雨情况10.13m/d0.6m/d无20.13m/d0.8m/d无30.13m/d1.0m/d无40.13m/d0.6m/d降雨强度为300mm/3d50.13m/d0.8m/d降雨强度为300mm/3d60.13m/d1.0m/d降雨强度为300mm/3d

2.3 滑坡渗流场变化特征

1)175 m降至159 m水位(无降雨)渗流场模拟

1～3工况下渗流场边界条件设置如下：首先以175 m水位作为稳定水头，右边界设置190 m的稳定水头边界，下边界与左边界考虑为不透水边界，通过SEEP计算出175 m水位稳定以后的地下水位线，如图11所示．然后把该水位线设置为初始水位线，水位以下为水头边界，设置为不同工况下的库水位变动．

图11 以不同速率下降至145 m时的地下水位线

由上图可以看出，库水位分别以不同速率从175 m水位降至145 m水位时刻，某滑体内中前部的地下水位线随着库水的下降而下降，库水缓慢渗出滑体，滑坡体内地下水位线的下降滞后于库水位的下降，滑坡体内外形成一定的水头差，地下水位线呈现一定上凸趋势．为了能直观的分析，将前缘渗流场进行局部放大，分析发现，库水位下降速率越大，地下水线上凸效果越明显．水位下降过程中，渗透压力指向坡外，将对滑坡稳定性产生一定不利影响．

2)175 m降至145 m水位(降雨强度300 mm/3 d)渗流场模拟

由库水位下降与降雨同步进行渗流场模拟可知，降雨作用对地下水渗流场作用明显，尤其是在滑坡前缘部分(如图12所示)．具体来看，降雨前地下水位在滑坡体表面以下3.2 m左右；降雨期间，地下水位线与滑坡体表面重合，滑坡体浅层部分达到暂饱和状态．

图12 降雨引起的地下水位变化图

3)库水位降速为1.0 m/d

连续降雨3 d之后的滑坡体孔隙水压力分布情况如图13所示．

图13 孔隙水压力分布图

4)孔隙水压力分布图(kPa)

对于1～6工况，选取滑坡体的A点处进行孔隙水压力分析，时间为降雨前一天至降雨后的6 d，结果如图14所示．

图14 孔隙水压力变化曲线

由图可知，对于6种工况，滑坡体A点在降雨前一天的孔隙水压力均为-300 kPa左右．降雨发生以后，孔隙水压力逐渐增大，即基质吸力逐渐减小(负孔隙水压力即为基质吸力)．降雨第一天基质吸力为127 kPa，至降雨第3 d孔隙水压力值变为0，此时土体达到暂饱和状态．对于工况1～3，曲线几乎水平，说明库水位以不同速率下降对于A点处的基质吸力影响很小．对于4～6工况，曲线变化一致，都呈现先迅速下降，然后缓慢回升，降雨作用对滑坡体的基质吸力影响显著．

2.4 稳定性分析

利用Geo-slope软件得出戴家坪滑坡的滑定性系数变化如图15～16所示，其中，1-6工况下的稳定性系数最小值依次为1.001 1，1，0.999 1，0.993，0.991，0.989 1．

图15 175 m降至159 m的稳定性系数曲线图

图16 159 m降至145 m的稳定性系数图

从以上结果可以看出，各工况下库水位以0.13 m/d从175 m下降到159 m的过程中，各工况下的稳定性系数曲线重合，变化趋势为稳定性系数与库水位呈正相关，随着库水位下降而下降，由1.027降至1.016，稳定性系数下降0.011．主要是由于库水位下降改变滑坡的渗流场，是动水压力指向坡体外侧，增大下滑力，进而降低滑坡的稳定性．

库水位从159 m下降至145 m的过程中，稳定性系数曲线图特点主要为：1)工况1、2、3的最小值，依次递减，相差最大为0.002．2)降雨前，工况1、2、3分别与4、5、6曲线重合．降雨作用以后，工况1、2、3与4、5、6的曲线开始分开，随着时间的推移，稳定性系数差值越来越大．由表3可以看出，稳定性系数最小值相差0.008 1．工况2和工况5的稳定性系数最小值相差0.009．工况3和工况6的稳定性系数最小值相差0.01．3)6种工况对应的稳定性曲线都表现出先下降后上升，最后趋于稳定的特点．

综合以上分析，可以得出：1)库水位下降速率越小，稳定性系数降幅越小．主要是由于库水位下降时间越长，越有利于滑坡体中的地下水排出，使动水压力降低，基质吸力增大，从而有利于滑坡的稳定性．2)降雨工况与无降雨工况对应的滑坡稳定性系数差值范围为0.008～0.01．而不同库水位下降速率对应的滑坡稳定性系数差值最大为0.002．并且无降雨工况对应的稳定性系数都大于1，而降雨之后稳定性系数均小于1.由原来的稳定转为不稳定状态．可见降雨是影响该滑坡的主要因素．3)稳定性系数先下降后上升主要由于随着时间推移，经过库水浸泡过的土体水分得以蒸发或者流出土体，使得滑坡体中的孔隙水压力降低，基质吸力增大，稳定性得到提高．

3 结 论

本文以三峡库区某降雨型水库滑坡为例，根据滑坡变形过程及特征，结合数值模拟分析方法，对该滑坡的变形机理及稳定性进行了系统研究，主要获得以下认识：1)滑坡变形过程及特征表明，该滑坡变形主要表现为中后部产生大量裂缝以及前缘部分塌岸，主要影响因素应该是降雨．2)渗流场模拟表明，该滑坡体主要受降雨入渗作用引起渗流场变化，从而引发滑坡主要变形；库水位变化对滑坡的变形影响范围有限；3)稳定性分析表明，该滑坡在某些降雨条件下，稳定性明显下降；而库水对其稳定性影响较小．4)综合分析表明，该滑坡虽然是水库滑坡，但由于滑体组成为周边山体的崩坡积物长期堆积所形成的碎石土，结构松散，加之滑坡区地势低洼因此易汇集地表迳流，雨水入渗使滑坡体由不饱和向饱和状态发展，加重土体自重，降低土体的抗剪强度参数c及φ值以及基质吸力，促使滑坡失稳向下滑移，产生微裂缝，裂缝的产生又加剧了雨水入渗，进而降低了滑坡的稳定性．

本文研究表明，虽然库水变化是诱发绝大多数水库滑坡变形的主要因素，但降雨的影响也不容忽视．由于本文在数值模拟时没有考虑滑坡体裂缝，库水位的连续周期性变化，以及数值模拟本身的局限性，所得的渗流场变化及稳定性变化可能较实际情况偏小，但是足以反映其变化规律．通过连续的地质调查和数值模拟分析，有利于揭示和掌握该类滑坡变形机理，为其他同类滑坡的稳定性分析起到重要的参考意义．

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[责任编辑 周文凯]

Simulation Analysis of Reservoir Landslide Stability under Rainfall Condition

Wang Huan1,2Huang Haifeng1,2,3

(1. National Field Observation & Research Station of Landslide in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River，China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards & Eco-Environment in Three Gorges Area, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 3. Hubei Engineering Research Center of Geological Hazards Prevention, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

The deformation of reservoir landslide is mainly affected by water level changes; so the study of reservoir landslide mainly focuses on the mechanism of landslide deformation and stability analysis under the influence of reservoir water level changes. However, by investigating the landslide in Three Gorges area we found that there is a certain type of reservoir landslide whose deformation is mainly influenced by rainfall; so researching the deformation and stability of this type under the influence of both rainfall and reservoir water level change will be of great importance.Taking a reservoir landslide in Three Gorges area for example, using numerical simulation method to analyze the seepage field and stability quantitatively based on detailed investigations of the geology and deformation process of the landslide. The results indicate that the landslide due to the special topographical conditions, the deformation is mainly affected by rainfall, less affected by the reservoir water level fluctuation.

reservoir landslide; rainfall; seepage field; stability analysis

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.05.009

2016-04-24

国家自然科学基金项目(41302260)；湖北省科技支撑计划项目(2015BCE070)；湖北省自然科学基金创新群体项目(2015CFA025)；湖北省水电工程智能视觉监测重点实验室开放基金(2014KLA11)资助

黄海峰(1978-)，男，副教授，博士，主要从事滑坡灾害监测、3S技术应用等方面的研究． E-mail： hhf@ctgu.edu.cn

P642.22

A

1672-948X(2016)05-0046-07