浅议地下水对三峡库区碎石土滑坡稳定性的影响

李 漪 樊 炼

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040)

1 地下水对滑坡稳定性的影响因素

地下水对滑坡稳定性的影响主要包括以下方面：

1)地下水对滑坡的力学作用，即孔隙水压力作用。孔隙水压力是相对于土颗粒骨架和骨架内填充的水、气等三相等组成的整体而言的，其物理意义是土体内孔隙水所承受的力，若以土颗粒骨架为作用对象，则孔隙水压力等效于浮托力和渗透力。上述两种分析对象的等效性已有学者证明[4]。

2)地下水对滑坡涉水部分的滑带土的物理化学作用导致其强度减低，土体的抗剪强度与含水量大小关系密切，相关文献[5]表明含水量对三峡库区碎石土抗剪强度的影响较大，主要表现为随着含水量的增加，碎石土的抗剪强度有较大幅度的降低，而且在塑限附近最为敏感，饱和土样的抗剪强度仅为干土样抗剪强度的2/3左右。而针对滑带土的研究表明，含水量增大时，滑带土内摩擦角变化不大，而粘聚力的降低较为明显[6]。

2 地下水对滑坡稳定性的作用规律

如果以滑体土颗粒骨架为研究对象，则地下水对滑坡稳定性的作用可分为三种因素：地下水对滑带土的物理化学作用使其强度减低、地下水对滑体的渗透力、地下水对滑体的浮托力作用。三种作用中地下水使滑带土强度减低不利于滑坡稳定。如忽略渗透力垂直于滑带方向的分力对滑坡稳定性的影响，地下水对滑坡产生的渗透力对滑坡稳定性的影响要视渗透力的方向而定。当滑坡地下水浸润线倾向坡外时，渗透力指向坡外，不利于滑坡的稳定；相反，当滑坡地下水浸润线倾向坡内时，渗透力指向坡内，有利于滑坡的稳定。地下水对滑体的浮托力作用相当于减轻了滑体的重力，这种作用对滑坡稳定性的影响可能不利于滑坡稳定，也可能利于滑坡稳定。为研究地下水对滑坡稳定性的作用规律，可对三种因素分别加以研究，以不受地下水影响时的碎石土滑坡稳定系数为基准，分别考虑碎石土滑坡地下水浸润线变化时地下水对滑带土的物理化学作用、地下水对滑体产生的渗透力、地下水对滑体的浮托力三种因素对滑坡稳定性的影响。

2.1 考虑地下水作用的碎石土滑坡稳定性计算方法

为定量分析地下水对滑坡稳定性影响的三种因素的作用规律，本文采用条分法计算碎石土滑坡的稳定系数。计算中以滑体土颗粒骨架为研究对象，将地下水对土体的作用力分为浮托力和渗透力两种因素，不考虑条块间的作用力，并假定在一个条块内渗透力方向平行于浸润线方向。滑坡条块受力如图1所示。

不考虑滑体条块间作用力时，滑坡的稳定系数FS可用下式计算：

其中，φi为第i条块的内摩擦角；Ci为第i条块的内聚力；土体重力Mi和浮托力Fi可合并为土体的有效重力Wi=(Mi-Fi)，地下水浸润线以下采用浮重度，地下水浸润线以上采用天然重度。上式变为：

其中，第i条块的渗透力Ri可用下式计算：

Ri=Si水下×γw×sinβi。

其中，Si水下为第i条块浸润线以下面积;γw为水的重度;βi为滑坡地下水浸润线的倾角，倾向坡外时为正，倾向坡内时为负。

本文选取三峡库区塘角村1号滑坡作为稳定性分析的研究对象。选择自2011年1月7日0点开始的40 d,70 d和127 d时作为分析工况，稳定性计算中选用监测频率为1 h一次的监测地下水浸润线进行分析。计算模型如图2所示，为避免不同工况下因条块划分方法引起的稳定性分析上的差别，划分条块时将滑带转折点、各工况下浸润线转折点及浸润线与滑带交点都作为条块划分的节点。

计算中，采用的物理力学参数如表1所示。

表1 塘角村1号滑坡稳定性分析物理力学参数

2.2 渗透力对三峡库区碎石土滑坡稳定性的作用规律

对三峡库区碎石土滑坡而言，大部分滑坡后缘地下水位高于库水位，因此滑坡地下水浸润线一般倾向坡外，仅在库水位快速上升时，库水波动的局部范围可能存在地下水浸润线倾向坡内的情况。因此，一般而言，渗透力是指向坡外的，不利于滑坡稳定。然而，渗透力在提供下滑力分力的同时，也加大了作用于滑带上的垂直力，从而增大了抗滑力。由渗透力引起的抗滑力和下滑力可分别用下列式子计算：

Ri抗Si水下×γw×sinβisin(βi-αi)tanφi；

Ri下=Rix=Si水下×γw×sinβicos(βi-αi)。

因此，渗透力对滑坡的作用力可用Riz表示：

Riz=Si水下×γw×sinβi[cos(βi-αi)-sin(βi-αi)tanφi]。

对一般情况，有βi-αi<45°，且φi<45°，因此Riz一般大于0，即渗透力不利于滑坡稳定，这和上面的分析是相符合的。

表2为基于地下水浸润线监测信息的塘角村1号滑坡稳定性分析结果，可以发现，在三种工况下，渗透力使得滑坡稳定系数分别减小了0.18,0.22,0.26。三种工况下，第127天时，渗透力作用最为明显，这是因为随着库水位的下降，地下水浸润线倾角越来越大，从而使其沿下滑方向的分力越来越大。

表2 渗透力对塘角村1号滑坡稳定性的影响

可以发现，渗透力对三峡库区碎石土滑坡稳定性的作用大小主要决定于浸润线的高程及其倾角的大小，当浸润线倾角一定时，浸润线位置越高，滑体水下面积越大，产生的渗透力越大。为分析渗透力对滑坡稳定性影响的大小程度随滑坡地下水浸润线倾角的关系，对上式求关于βi的微分，为简化分析，假定Riz与滑动面倾角αi、滑坡内摩擦角φi无关。有：

令上式=0，有:

所以有：

2.3 浮托力对三峡库区碎石土滑坡稳定性的作用规律

表3为浮托力对塘角村1号滑坡稳定性的分析结果，可以发现，浮托力的作用较小，且在40 d时，浮托力利于滑坡稳定，在127 d时浮托力不利于滑坡稳定。

表3 浮托力对塘角村1号滑坡稳定性的影响

地下水对碎石土滑坡的浮托力相当于减小了浸润线以下部分滑体的重度，即减小了浸润线以下部分滑体在整个滑体中的“权重”。因此，当浸润线以下部分滑体相对于整个滑体起“牵引”作用时，浮托力将有利于整个滑坡的稳定；当浸润线以下部分滑体相对于整个滑体起“阻滑”作用时，浮托力将不利于整个滑坡的稳定。三峡库区内大部分碎石土滑坡主要是滑坡前缘受库水位波动的影响，其地下水浸润线变幅较大。滑坡前缘滑体在整个滑坡的形成演化中起到“阻滑”作用时，通常称其为“推移式滑坡”；滑坡前缘滑体在整个滑坡的形成演化中起“牵引”作用时，通常称其为“牵引式滑坡”。因此，地下水对碎石土滑坡的浮托力有利于“牵引式滑坡”的稳定，而不利于“推移式滑坡”的稳定。总体而言，浮托力对塘角村1号滑坡的影响较小。

2.4 地下水导致滑带土强度降低对三峡库区碎石土滑坡稳定性的作用规律

表4为塘角村1号滑坡稳定性的分析结果，地下水导致滑带土强度减低使得塘角村1号滑坡的稳定系数降低了0.12～0.16不等。

表4 滑带土强度减低对塘角村1号滑坡稳定性的影响

地下水导致滑带土强度减低对滑坡稳定性的作用大小主要受滑带土特征、浸润线变化特征和滑面倾角大小等影响。当滑带土对地下水作用敏感、浸润线变化幅度大时，地下水的作用会更大。滑面倾角也会影响地下水导致滑带土强度减低对滑坡稳定性的作用大小，当滑面倾角较大时，一定的地下水浸润线变幅下，浸润线波动范围内的滑带较少，从而影响较小；当滑面倾角较小时，一定的地下水浸润线变幅下，浸润线波动范围内的滑带较多，从而影响较大。

3 结语

如果以滑体土颗粒骨架为研究对象，则地下水对滑坡稳定性的作用可分为三种因素：地下水对滑带土的物理化学作用使其强度减低、地下水对滑体的渗透力、地下水对滑体的浮托力作用。

若忽略渗透力垂直于滑带方向的分力对滑坡稳定性的影响，当滑坡地下水浸润线倾向坡外时，不利于滑坡的稳定；相反，当滑坡地下水浸润线倾向坡内时，有利于滑坡的稳定。渗透力对三峡库区碎石土滑坡稳定性的作用大小主要取决于浸润线的高程及其倾角的大小，当浸润线倾角一定时，浸润线位置越高，滑体水下面积越大，产生的渗透力越大。当浸润线倾角βi>0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))时，随着βi的增大，渗透力产生的滑体下滑趋势不断减小；当βi<0.5arctan((sinαitanφi+cosαi)/(cosαitanφi-sinαi))时，随着βi的增大，渗透力产生的滑滑体下滑趋势不断增大。

地下水对滑体的浮托力有利于“牵引式滑坡”的稳定，而不利于“推移式滑坡”的稳定。