不同库水位降速条件下三峡库区动水压力型滑坡稳定性研究

邓永煌, 张端淼, 庞 威, 熊 珅, 徐子一

(1.宜昌市地质环境监测站,湖北 宜昌 443000; 2.三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)

三峡库区自2003年蓄水以来,水库水位周期性变化,导致老滑坡复活并诱发新滑坡[1-2],如千将坪滑坡[3]、树坪滑坡[4]、白家包滑坡[5]等。许多学者都对三峡库区动水压力型滑坡进行了深入的分析研究,并取得了卓越成果[6-7]。三峡水库水位自175 m缓降至159 m之后,快速降至145 m,由于动水压力型滑坡岩土体的渗透性能较差,滑坡体内地下水滞后于库水位的下降,滑坡地下水与库水位形成正落差,产生指向滑体外侧方向的渗透压力,不利于滑坡的稳定,特别是库水位骤降的时候,可能引起库区滑坡失稳。三峡库区树坪滑坡为动水压力型滑坡,其稳定性主要受库水位下降的影响[7]。为了研究动水压力型滑坡对库水位波动的响应,本文以树坪滑坡为例,采用Geo-Studio软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块,研究其在不同库水位降速下的地下水和稳定性变化情况,为三峡库区动水压力型滑坡稳定性分析、监测预警和水库调度提供重要指导意义。

1 树坪滑坡

树坪滑坡[8]位于三峡库区长江南岸。滑体前缘高程约60 m,后缘高程约380～400 m,纵长约800 m,横宽约700 m,厚度约30～70 m,体积约2 750×104m3。

图1 树坪滑坡平面图Fig.1 Plane map of Shuping landslide1.第四系崩坡积物;2.第四系残坡积物;3.三叠系中统巴东组地层;4.滑坡边界;5.岩层产状;6.基岩与第四系分界线;7.侏罗系地层;8.GPS监测点及编号;9.裂缝及相对位移监测;10.下降泉;11.监测剖面及编号。

主滑区面积约35×104m2,总体积约1 575×104m3。滑体物质主要为粉质粘土和碎块石土,滑带为堆积层与基岩接触带,物质主要为粉质粘土,滑床为三叠系中统巴东组(T2b)紫红色、灰绿色中厚层状粉砂岩夹泥岩和浅灰、灰黄色中厚层状灰岩、泥灰岩。岩层产状倾向135°～205°,倾角10°～35°,逆坡向。滑坡工程地质平面图见图1、剖面图见图2。

图2 树坪滑坡Ⅱ-Ⅱ′剖面图Fig.2 Ⅱ-Ⅱ′ profile of Shuping landslide1.第四系滑坡堆积体;2.三叠系中统巴东组;3.崩坡积碎石土;4.泥灰岩;5.粉砂质泥岩;6.岩层产状;7.新增倾斜监测钻孔编号监测点及编号。

2 计算理论与方法

2.1 渗流计算理论方程

将达西定律代入连续方程,假设水体不可压缩,忽略土颗粒骨架的变形,并采用总水头作为控制方程的应变量,可得各向异性的二维 Richards 饱和非饱和渗流控制方程[9-10]。

式中:k(x,y)为不同渗透分区的渗透系数;γw为水的容重;θw为体积含水量,对于饱和区,体积含水量的变化量即为体应变(Δεv)的变化量。

流体渗流场的初始条件通常是第一类边界条件,即流场的水头分布在t=0时满足:

p(x,y,z)|t=0=fp(x,y,z)

它在开始时刻时对整个流场起支配作用,所以如果进行非稳定渗流计算或试验时,必须先求得开始时刻稳定流场的水头分布作为已知初始条件,继而进行计算。

2.2 稳定性计算方法

摩根斯坦—普莱斯法同时考虑应用广泛的力和力矩平衡。

3 数值模拟

3.1 计算工况

不同的库水位波动速率直接影响三峡库区涉水滑坡体的稳定性[11]。参考《三峡水库水位日降幅对库区地质灾害防治工程影响的调查评价研究》,确定四种计算工况,见表1。

表1 计算工况Table 1 Calculation condition

3.2 计算模型

选取树坪滑坡主滑区的Ⅱ-Ⅱ′剖面进行建模分析,将模型剖分成8 548个单元,共计8 696个节点,具体计算模型网格见图3。

3.3 计算参数

3.3.1非饱和土渗透性参数

滑体和滑带参数是通过现场试坑渗水实验及采样室内实验分析得到,见图4和图5;滑床参数是结合工程类比分析得到,见图6。

图3 树坪滑坡计算模型网格图Fig.3 Grid map of computing model of Shuping landslide

3.3.2力学参数

综合分析地质环境、物质组成、水文条件以及物理实验和反演分析成果,并类比相似工程实践经验,综合确定滑坡岩土主要物理力学性质指标参数建议值,见表2。

3.4 计算结果

结合勘查资料,确定滑坡在三峡水库水位159 m的地下水位线,并计算得到初始稳定性系数为1.049,处于欠稳定,如图7。

图4 滑体渗透性函数和土水特征曲线Fig.4 Penetration function curve of sliding body and soil water characteristic curve

图5 滑带渗透性函数和土水特征曲线Fig.5 Sliding belt penetration function curve and soil water characteristic curve

图6 滑床渗透性函数和土水特征曲线Fig.6 Sliding bed penetration function curve and soil water characteristic curve

表2 滑坡岩土体力学参数表Table 2 Table of mechanical parameters of landslide rock-soil body

位置天然饱和天然饱和容重γ/(kN·m-3)内聚力c/kPa摩擦角φ/(°)内聚力c/kPa摩擦角φ/(°)渗透系数/(m·d-1)滑体19.615.816.121.712.018.50.5滑带19.715.913.518.7 11.6 15.4 0.005滑床26.025.83 380461.0×10-20

图7 初始稳定性系数Fig.7 Initial stability coefficient

根据初始条件,分别计算四种工况的水位线和稳定系数,见图8-图11。

3.5 结果分析

(1) 滑坡在工况一坝前水位以0.6 m/d不变速率从159 m降至145 m情况下,滑坡稳定系数为1.013;滑坡在工况二坝前水位以0.8 m/d不变速率从159 m降至145 m情况下,滑坡稳定系数为1.004;滑坡在工况三坝前水位以1.0 m/d不变速率从159 m降至145 m情况下,滑坡稳定系数为0.996;滑坡在工况四坝前水位以1.0 m/d降速从159 m降至155 m,以1.2 m/d降速从155 m降至149 m和以1.0 m/d降速从149 m降至145 m,滑坡稳定系数为0.992。

(2) 滑体内地下水位线均随着库水的下降而下降,滑体渗透系数为0.5 m/d,均小于库水平均降速,地下水位线的下降滞后于库水位的下降,地下水位线呈现明显的上凸趋势,在滑坡体内外形成较高的水头差,形成向滑体外的动水压力作用。同时下降速率增大,地下水位上凸明显。

图8 工况一地下水位线及稳定系数变化规律Fig.8 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 1

图9 工况二地下水位线及稳定系数变化规律Fig.9 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 2

图10 工况三地下水位线及稳定系数变化规律Fig.10 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 3

图11 工况四地下水位线及稳定系数变化规律Fig.11 Variation of groundwater level line and stability coefficient under working conditions 4

(3) 滑坡的稳定性系数随着库水位的下降不断减小。在水头差作用影响下滑坡体内形成较大的动水压力,增大滑坡下滑力,对滑坡稳定性不利。同时,不同库水位降速对滑坡稳定性影响也不相同,库水位降速越大,水头差越高,滑坡稳定性系数越小。

(4) 滑坡随着库水位的下降,稳定性系数呈现递减趋势;随着库水位降速越快,稳定性系数降速也越快,且稳定性越小。滑坡在库水位以0.8 m/d速率从159 m降至145 m的情况下,稳定系数为1.004,滑坡处于欠稳定,接近于临界状态。库水位降速超过0.8 m/d,稳定系数从1.004逐渐减小,滑坡由欠稳定逐渐发展为不稳定;库水位降速低于0.8 m/d,稳定系数从1.004逐渐增大,滑坡由欠稳定逐渐发展为基本稳定。因此,分析认为,库水位降速对树坪滑坡影响十分明显,树坪滑坡的临界库水位降速为0.8 m/d。

4 结语

树坪滑坡属于典型的动水压力型滑坡,原因主要在于滑体物质中含有大量的粉质粘土,呈弱透水性,滑体渗透系数远小于库水位降速,地下水来不及及时排出,滞后于水库水位下降,滑坡受到了坡体内地下水向外的渗透动水压力作用,不利于滑坡的稳定。