浮托减重效应对三峡库区竹林湾滑坡稳定性影响研究

吴俊峰 罗永红 周亮亮

(1. 义乌工商职业技术学院，浙江 义乌 322000； 2. 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， 成都 610059)

三峡库区历来自古以来滑坡众多，自葛洲坝水库修建蓄水以来，就发生了著名的新滩滑坡[1-2]，云阳鸡扒子滑坡[3]．据大量文献统计，三峡库区滑坡发生在侏罗系红层中的滑坡数量最多[4-6]，其总体方量也最大，这其中又以奉节县至云阳县的库岸段最为典型[7]．在三峡水库蓄水以来，该段已产生了大量的古滑坡复活，其随库水位升降的复活变形响应机制也各不相同，如比较典型的2009年5月造成较大影响的云阳凉水井滑坡[8-9]、2007年5月秭归卧沙溪滑坡[10-11]和2003年刚蓄水后一个月后产生的千将坪滑坡[12-14]等．其中有的滑坡，如树坪滑坡主要受水位下降影响[15]，而部分滑坡滑坡受水位上升的浮托减重效应影响，而目前对水库滑坡机理主要集中在水位下降的渗流效应[16]，对浮托减重效应研究较少．

水库蓄水过程中库水位上升时对滑坡体的浮托减重作用使得滑坡体本身的稳定性也呈动态变化，若浮托减重将滑坡体整体重量减小，有可能降低下滑力，使坡体相对稳定；若仅导致了抗滑段重量的降低，将进一步加剧滑坡的变形，由此，研究浮托减重效应对滑坡的影响对于评价库水位升降时滑坡的稳定性具有重要意义．为进一步深入研究浮托减重型滑坡复活变形机制及其与库水位和降雨等影响因素之间的相互关系，本文选取了典型的奉节县竹林湾滑坡，通过分析竹林湾滑坡的变形演化过程及其与降雨、库水位变动等因素的耦合关系，得到滑坡变形的关键诱发因素，同时为定量化研究水位上升对滑坡的稳定性影响效应，借助数值模拟计算滑坡体内的渗流特征和稳定性变化，得到滑坡稳定性与水位上升高度和水位上升速率的关系，为水库的运行管理提供一定参考性．

1 地质环境概况

竹林湾滑坡地处长江三峡的奉节县安坪镇的长江南侧库岸，滑坡的地理位置如图1(a)所示．滑坡所在区域，即奉节县安坪镇的降雨具有如下特征：冬季降雨稀少，在每年夏季(4～9月)特别是汛期降雨丰富，多年的平均降雨量约为1 100 mm，年最大降雨量1 352 mm[17]．这一段河谷呈不对称“V”字形，右岸顺向岸坡较左岸逆向岸坡宽缓，滑坡也更为发育，总体上属中低山切割侵蚀地貌．在地貌上，奉节县为三峡库区的分界，该地区断层褶皱发育，地层从三叠系到侏罗系再到第四系均大量出露，其中三叠系的巴东组与侏罗系红层由于其含泥岩、泥灰岩及粘土岩等易泥化的软弱夹层，因此滑坡发育密集，属于典型的滑坡易发地层，竹林湾滑坡即发育于侏罗系沙溪庙组中，其滑坡全貌如图1(b)所示．

图1 竹林湾滑坡地貌图

竹林湾滑坡右侧以冲沟为界，左侧以小规模山梁为界，前缘高程约150 m，后缘高程约为242 m，平面上整体形态呈矩形．滑坡区分布有少量缓坡平台，滑坡整体平均坡度约为10～15°，滑坡分布面积约4.6万m2，平均滑动深度约为7 m，在前缘及后缘较薄些，体积约为32万m3，属中型土质滑坡，其典型剖面图如图2所示．滑坡体由松散碎块石组成，底部基岩为中厚-厚层状紫红色泥质砂岩，产状为350°∠20°，滑坡沿基岩与覆盖层之间的软弱界面产生变形．

图2 竹林湾滑坡典型剖面图(A-A′)

2 滑坡变形演化过程

2.1 宏观变形特征

据现场调查和访问，在2003年蓄水以前，人类工程活动以农耕为主，对滑坡影响较小，未发生明显变形．2006年9月后，中部民房出现变形．2007年7月居民院坝出现拉裂变形，长4.5 m,宽0.2～0.4 cm．2008年的7～9月期间发生过强降雨，滑坡上民房出现变形，但变形较小，仅几条细小裂纹，后变形停止，10月后三峡水库开始175m试验性蓄水，滑坡中部民房出现持续变形，可见民房水泥地面开裂、出现多条裂缝并与滑坡主滑方向近垂直，裂缝宽0.8～3 cm，延伸长约5～10 m，部分房屋出现挤压裂缝形成危房，地面开裂和墙体错开(如图3所示)，滑坡中后部的耕植地也发生明显下挫和张拉裂缝，前缘北侧有局部塌岸现象．

图3 滑坡中部民房墙体开裂(2008年10月)

2.2 变形监测及演化趋势

在三峡库区滑坡防治规划二期专业监测规划中，对竹林湾滑坡自2005年起实施了地表位移GPS专业监测，滑坡主要自2007年开始发生变形，其变形监测累积位移曲线如图4所示．

图4 竹林湾滑坡GPS专业监测点累积位移

在三峡水库蓄水前滑坡变形较小，特别是从2008年9月开始FJ070、FJ075、FJ078开始发生位移增加，但直到10月份，位移量都不大，均在2 cm以内，到了11月份时，该4处监测点沿主滑方向水平向位移大幅度增加，均达到了30 cm的大位移变形，其中FJ075位移量最大，高达约0.5 m，在随后的12月份中，这种变形趋势仍然持续发展，3个监测点位移量仍然在20 cm以上，仍然以FJ075位移量最大，这种变形趋势和迹象与上述地表宏观监测也非常吻合．

直到2009年3月以后，滑坡变形逐渐减弱，月位移量逐渐降到2 cm以内，但仍有局部区域持续变形，如FJ075监测点变形一直持续到7月份．在此以后，有几个变形严重的时间段，分别为2009年10月到次年的1月份，2010年的10月到次年的3月份等．到2013年以后，各监测点变形数据已趋缓，多数点在±15 mm位移内波动，滑坡处于稳定状态，未发生显著的位移变形．可以发现，滑坡变形较大的时间段分布具有一定的规律性，即在年底到次年年初这个阶段，滑坡变形位移较大的，但此阶段的降雨量并不大，因此初步可判断这种周期性的变形与库水位运行具有一定的联动特征，且具有一定滞后效应．2008年～2012年，水平位移均有较大幅度的增涨，累积位移均达到约3m，其中FJ075累积位移量最大达到5 m，可见竹林湾滑坡处于潜在不稳定状态．

3 浮托减重效应对滑坡变形的影响

影响滑坡的形成和变形的因素有很多，其主要可分为自身内部地质环境条件因素和外部诱发因素[18-19]．竹林湾滑坡在自身地质条件方面，为滑坡的变形发展提供了良好的条件，滑坡前缘受长江侧蚀、侵蚀、磨蚀等作用，临空条件较好，有利于滑坡变形，其次滑坡发育于侏罗系砂泥岩互层的地层中，而其中泥岩含量又较高，该泥岩呈紫红色，具有遇水极易发生膨胀和崩解等特性，因此在降雨和库水位作用下，水进入到坡体泥岩层中，不断发生干湿循环的物理化学过程，泥岩发生泥化和软化，滑坡发生变形，这也是该库岸段滑坡发育较多的主要原因．

滑坡变形诱发因素分析通常是将诱发因素变化与变形演化过程进行耦合分析，而诱发因素主要为外界环境因素，如降雨、地震、人类工程活动等．为分析竹林湾滑坡变形的诱发机制，叠加其变形位移随库水位升降以及降雨等因素随时间的变形演化过程如图5所示．

图5 竹林湾滑坡累积与影响因素随时间演化过程

从前文分析和图中可知，滑坡发生几次较大的位移均处于库水位上升以及高水位运行阶段，如滑坡位移量最大的2008年11月与12月，而这正是三峡水库首次进行175 m试验性蓄水，也是库水位历史上首次上升至175 m，恰恰这一时期降雨量很少，因此充分证明了滑坡复活变形的主要诱因是库水位上升．

与此相似的变形过程发生在2009年10月到次年1月，库水位再次上升至175 m，滑坡再次发生较大变形，且随库水位上升的滞后时间不到一月，对此因素较为敏感，表明了该滑坡位移变形与库水位上升之间具有十分显著的相关性．值得注意的是在2007年与2009年5～7月汛期阶段，各监测点也持续性的发生了小幅度位移，表明持续的强降雨对滑坡也有一定影响，但值得注意的是，并不是历次降雨都有变形产生，只有在累积降雨量足够大时滑坡才有一点变形，通过滑坡位移与降雨的相关性分析可知，当月降雨量达到150～200 mm时，滑坡会出现小幅度位移增加，该情况出现于某些年份的6～9月汛期，而该阶段水库处于低水位或库水下降阶段，因此滑坡变形量很小，由此可得降雨对滑坡变形影响强度较弱，而库水位上升是滑坡变形的最为关键的诱发因素．

由此可见，滑坡变形位移与库水位上升，特别是升至历史最高水位时紧密相关，滑坡对其变形响应十分敏感．在库水位上升阶段，库水淹没滑坡坡脚，滑坡坡脚受到库水产生的向上的浮托力作用，减小了坡脚压力，即降低滑坡的坡脚抗滑力，导致下滑力大于抗滑力而稳定性降低产生变形，同时由于坡脚正应力的降低，根据有效应力原理，土体之间的抗剪能力降低，这也导致其稳定性下降．而当库水位下降时，由于浮托力及时消散，抗滑段的正应力增大，使得滑坡稳定性逐渐提高，因此变形较小．而在降雨期间，由于坡体表面排水不畅，形成积水，直接浸泡表层土层，使得土体自重增加，增大下滑力；加之坡体表部的岩土体结构松散，存在较多孔隙，为雨水提供了优势渗流通道，当水下渗顺坡向长江排泄时，形成了具有一定水力梯度的动水压力和静水压力，而下渗到达已经存在的滑带处时，滑带土遇水软化，抗剪强度急剧降低，改变岩土体的受力情况．

4 稳定性分析与评价

4.1 滑坡模型与工况

本次滑坡稳定性计基于极限平衡理论，采用M-P极限平衡法[20]，运用GEO-Studio软件进行渗流与稳定性的计算分析，根据滑坡变形演化特征选取典型剖面作为计算断面，建立相关数值计算模型如图6所示，渗流分析计算是采用有限元方法，并对模型进行网格化．具体计算参数依据工程地质类比法以及参数反演法确定，见表1．

图6 竹林湾滑坡计算地质模型

表1 滑坡稳定性计算参数取值

基于上文对滑坡复活变形机理的认识，在设置库区涉水滑坡的计算工况时，主要考虑水库水位的变动和降雨的组合．本次数值模拟计算考虑非汛期在库水位设计上涨幅度的滑坡稳定性的计算，将水库在汛期末，即8月中旬水位上涨至10月底的水位上升速率定位0.4～2 m/d，分为145～159 m与159～175 m两个阶段，奉节县非汛期50年一遇3日暴雨按180 mm计算，平均为60 mm/d，具体计算工况以及稳定性计算结果见表2．

表2 竹林湾滑坡工况组合及其稳定性系数值

4.2 渗流分析与稳定性评价

采用Geo-Studio中SEEP/W模块对建立的稳定性计算模型首先进行渗流分析，在各工况下模拟水库水位上升的全过程，以工况2-5为例，60 mm/d的降雨量从155 m(35 d)库水位开始降雨3 d，其库水位上升过程的地下水位线及其渗流特征如图7所示，计算结果表明滑坡体前缘是受水位升降的主要部位，当水位上升时，由于滑坡体渗透系数低于水位的上升速率，滑坡体内部形成了向内凹的饱和渗流场，但由于坡体渗透性良好，内凹的差异不是很显著，当经过一段的滞后时间后内凹逐渐变得平稳．

图7 工况组合2-5中(A)145 m稳态地下水位线与(B)175 m渗流场特征

绘制出不同工况下库水位下降期间全过程稳定性变化曲线如图8所示，库水位从145 m上升至175 m过程，在库水向内渗流，浮托减重效应影响范围逐渐扩大，滑坡稳定系数随着库水的上升而不断减小，库水上升到175 m时滑坡稳定性系数下降到最低值．此外，水位上涨越快，滑坡的稳定性下降就越快，稳定性变化曲线的斜率越大，反之亦然．从总体数据上可以看出，库水位上升对滑坡稳定性起到了明显降低效果，特别是在水位上升至175 m时，浮托减重效应达到峰值区，稳定性系数也达到最小值，呈潜在不稳定状态，因此，库水位在水位上升期间应该适当控制水位上升速率，以免对此类受浮托减重效应影响的滑坡产生较大影响，导致变形增加．

图8 工况组合1(A)与组合2(B)中稳定性系数变化

对比工况组合1和组合2发现，在叠加降雨后，其稳定性状态出现下降，但降低幅度不大，表明降雨对滑坡稳定性影响较小．但同样都叠加降雨的情况下，库水位上升速率越大，稳定性下降越明显，表明库水位上升速率对稳定系数影响更为敏感．库水位上升速率越大叠加不同强度降雨，滑坡稳定系数越小且有滞后下降趋势，库水位以2.5 m/d上升且叠加降雨为最危险工况．

5 结 论

1)奉节安坪库岸段为三峡库区中十分典型的滑坡发育密集带，其特殊的地质环境为滑坡发育提供了良好条件，其中泥岩含量较高的砂泥岩互层的地层岩性为滑坡发育提供了物质基础，其次前缘受长江侵蚀形成的有利的临空面、边界沟谷发育等微地貌提供了地形条件．

2)滑坡变形位移与三峡水库蓄水之间有着显著的相关性，滑坡首次大变形即发生于水库首次蓄水至历史最高水位175 m，在其后的3个蓄水周期中，滑坡每次大的位移变形均发生于每年11月至次年1月这一库水位上升及高水位运行阶段，其变形随库水位变化表现出了明显的周期性和间歇性．而在其他时间段滑坡位移量较小，因此造成滑坡累积位移曲线具有一定的阶跃型特征．竹林湾滑坡的变形演化过程表明其主要受水位上升影响，浮托减重效应是造成滑坡变形的最为关键诱发因素，其为典型的浮托减重型滑坡．

3)借助于数值模拟，得到不同水位及不同水位上升速率条件下滑坡体内的渗流特征和稳定性变化．在水位上升至175 m时滑坡稳定性最小，水位为145 m时滑坡稳定性最大．总体上看在各个工况条件下滑坡的稳定性系数均大于1，其暂时不会整体失稳下滑，但由于其在历次受库水位上升的浮托减重效应影响，在库水位上升阶段稳定性总体趋势逐渐下降，在降雨条件下下降幅度更为明显，因此在水位快速上升且叠加降雨的情况下，需引起重视并加强滑坡变形监测工作，这也为三峡库区水库运行调度提供了一定参考和依据．