三峡库区巫山县塔坪H1滑坡变形机制

卫童瑶，殷跃平，高 杨，李 滨,，贺 凯，唐俊刚，张天贵

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054； 2. 中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害技术指导中心)，北京 100081；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081; 4.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队，重庆 401120)

三峡库区是我国地质灾害高易发区之一，自2008 年175 m试验性蓄水以来，每年水库调度形成近30 m水位涨落，出现了大量古滑坡复活与新生库岸滑坡变形失稳现象，共发生变形加剧和新生的地质灾害灾(险)情近500 处，滑坡地质灾害防治面临巨大挑战[1-2]。水位变化强烈地改变了库区斜坡的地质环境条件，地质灾害防治面临新的考验，维护库区地质安全成为三峡水库防灾减灾的问题之一，受到了高度关注[3-4]。

针对三峡库区蓄水以后诱发的滑坡，诸多学者开展了水位涨落、降雨与滑坡形成机制方面的研究，如秭归千将坪滑坡[5-6]、秭归树坪滑坡[7]、奉节藕塘滑坡[8-9]、巫山塔坪H2滑坡[10]等。研究认为，三峡库区滑坡的变形与水位快速下降、集中降雨存在显著的相关性[11-12]。在库水位下降过程中，滑体前缘浸润线呈“上凸”状，内高外低水头差形成了动水压力，持续的降雨使得滑坡体由非饱和状态向饱和状态转化，降雨入渗造成岩土体孔隙水压力增大，基质吸力不断减小[13-14]。藕塘滑坡、凉水井滑坡等[15-16]滑坡顺层平直的滑床为相对隔水层，地下水位线抬升快，弱化了滑带和滑体的剪切强度，导致坡体稳定性不断下降。目前，由于库区每年汛期强降雨多发，与库水位波动共同影响下的顺层滑坡已经发生多起，这类滑坡的变形特征、强降雨与水位波动的诱发机制亟待关注。因此，本文重点关注强降雨与库水位波动的耦合情况，分析强降雨与三峡库水位波动下顺层岩质滑坡渗流场的变化，以及诱发滑坡变形的规律。

塔坪H1滑坡位于三峡库区巫山县曲尺乡，自2008年库水位上升和波动以来变形加剧。滑坡失稳将会直接威胁曲尺乡的居民生命财产和长江航道安全。因此，本文在对滑坡现场调查、监测数据分析和数值研究的基础上，重点分析滑坡在强降雨和库水位波动共同影响下的变形机制，以期为防治工程提供参考。

1 塔坪滑坡基本特征

塔坪滑坡位于重庆市巫山县曲尺乡的长江北岸，距巫山县城24 km。该滑坡为古滑坡，平面形态呈圈椅状，南北长1 150 m，东西宽1 000～1 100 m，面积1.26 km2，总体积约3.08×107m3，属特大型岩质滑坡。目前曲尺乡塔坪滑坡发生变形的区域为前部涉水的H1滑坡和H2滑坡体，两个滑坡分别位于塔坪滑坡前半部分的两侧(图1)。其中H1滑坡的后缘是曲尺乡场镇所在的位置，该滑坡的变形将会对居民的生活与安全造成较大的影响，是本文的重点研究区域。H2滑坡已发生大规模滑动，滑体已经解体，形成堆积体滑坡，坡体目前为果园[17]。

图1 三峡库区巫山县曲尺乡塔坪滑坡遥感图Fig.1 Remote sensing map of the Taping landslide near the Quchi Town in Wushan County in the Three Gorges Reservoir area

1.1 滑坡地貌特征

塔坪古滑坡地貌属于构造—侵蚀、剥蚀低中山河谷地貌类型。地形地貌特征受区域地质构造和岩性的控制，总体呈北部高、南部低。滑坡区位于北东东—南西西向展布的石槽背斜与龙王庙向斜之间，滑坡为顺向坡。长江呈北东东向，从滑坡区前缘经过。塔坪滑坡体后缘高程310 m，前缘最低高程约为100 m，相对高差210 m。滑坡前缘临江区域坡度17°～37°，后缘为大五谷坪坡度2°～5°，西侧中部小五谷坪(即曲尺乡场镇区域)呈平缓台阶状，坡度2°～7°。

H1滑坡后缘位于曲尺场镇下部斜坡处,以零星出露的层状灰白色长石石英砂岩为界，该部分砂岩在局部区域形成了高2.0～4.5 m的砂岩陡坎，西侧以层状砂岩出露为界，东侧与塔坪H2滑坡以沙湾子沟为界。塔坪H1滑坡前缘直达长江内部，在高程100～120 m一线，以香溪组底部页岩及巴东组岩层出露为界。H1滑坡呈横长形，长约330 m，宽450 m，分布面积约1.49×105m2，平均厚度约为50 m，总方量约为6.34×106m3(图2)。

图2 三峡库区巫山县曲尺乡塔坪H1滑坡全貌Fig.2 Overall perspective of the Taping H1 landslide near the Quchi Town in Wushan County in the Three Gorges Reservoir area

1.2地层岩性

滑坡区出露地层为三叠系中统巴东组四段(T2b4)和上统香溪组下段(T3jx1)以及第四系全新统(Q4)堆积层。三叠系上统香溪组岩层上部为灰色、黄灰色厚层—巨厚层中细粒石英砂岩，灰绿色厚层泥岩与泥质粉砂岩不等厚互层；下部棕黄色长石石英砂岩夹炭质页岩和泥质页岩。三叠系中统巴东组岩性以黄灰、紫红色粉砂质泥岩夹泥灰岩为主，顶部为浅蓝灰色、黄灰色中层状泥灰岩(图3)。滑坡区后缘、前缘及坡体东侧均有出露。这种上硬下软的地层结构，受区内构造运动的影响，岩体节理裂隙发育，因此在长江水位波动过程中较易侵蚀软化，形成裂缝以及剪切面。

滑坡前缘位于龙王庙向斜近核部区域，岩层产状变化较大。滑坡前缘向斜南东翼的香溪组砂岩的岩层产状298°∠8°，滑坡区南东侧冬瓜沟沟口处香溪组底部页岩的岩层产状为147°∠16°，滑坡后缘香溪组底部页岩的岩层产状为142°∠34°，岩层总体呈后缘陡，中间平缓，前缘有略微反翘的特征。

1.3 水文地质特征

区内地下水类型为松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水及基岩构造裂隙水，主要接受大气降水和灌溉水补给，年平均降雨量1 049.3 mm，主要集中在5—9月，占全年降雨量的68.8 %。降水经短距离径流，在低洼区呈散状渗出。基岩风化裂隙水主要赋存于三叠系中统巴东组(T2b)风化裂隙中，基岩构造裂隙水主要赋存于三叠系上统香溪组(T3jx)岩屑长石石英砂岩中。区内地下水的运移受地形控制，由高向低径流，动态特征受降水影响明显。

图3 三峡库区巫山县曲尺乡塔坪H1滑坡Ⅰ-Ⅰ′剖面图Fig.3 Profile along Ⅰ-Ⅰ′ of the Taping H1 landslide near the Quchi Town in Wushan County in the Three Gorges Reservoir area

1.4 滑体及滑带特征

塔坪H1滑坡的岩体为塔坪滑坡多期次滑动形成的层状碎裂状岩体。从地表调查、钻孔及探井勘察过程中发现，H1滑坡体不同区域的岩体破碎程度也不同。总体上后缘较完整、前缘破碎，上部岩层较为完整、下部滑带附近岩体破碎。由于三叠系上统香溪组岩层为砂岩、灰泥岩与泥质粉砂岩不等厚互层，且夹多层泥质页岩并发育为泥化夹层。其中在塔坪H1滑坡中前部，探井YTJ02深43.6 m处揭露到滑带，滑面光滑，局部可见擦痕(图4)，滑面倾角约为15°～22°，滑带土呈稍湿—湿润状，岩体与滑带接触面有地下水浸出。滑带土下部为较为完整的中厚层状砂岩，该岩层向下约3 m处，在探井临江方向发现次级软弱错动带(图4)，且沿主滑方向出现拉张裂缝，多为降雨入渗及地下水渗流的优势通道。同时在探井中上部岩体井深19.5 m、28.3 m处发现软弱夹层及破碎带。

图4 探井揭露的滑带特征Fig.4 Characteristics of the sliding zone exposed by conduit pit(a)次级滑带；(b)内部软弱滑带及碎裂岩体；(c)滑带土特征

根据探井揭露的岩体可知，滑体内部存在多处软弱错动带，且滑体主体的岩性为碎裂岩体，这些特征共同说明该区域地层发生过多次滑动。

2 塔坪H1滑坡变形监测

2.1 滑坡监测设备

塔坪H1滑坡自2008年三峡库区175 m试验性蓄水以来，滑坡中前部地表出现多条裂缝，根据前期勘察资料显示，H1滑坡从场镇前缘到临江岸坡出现2 条大的横向拉张裂缝。塔坪滑坡专业监测工作开始于2009年11月，根据裂缝及变形特征的分布情况，在塔坪滑坡区域内部署了地表位移监测、深部位移监测、地下水位监测、降雨量监测。在H1滑体共布设地表变形监测点12 个，其中H1滑坡中前部变形区监测点9 个，曲尺场镇内监测点3个，各监测点布设见图5。

2.2 滑坡地表位移监测分析

滑坡后缘曲尺场镇的三个监测点JC09、JC11和JC12均没有明显位移，表明H1滑坡后缘曲池场镇目前相对稳定。塔坪H1滑坡中前缘变形区的JC01～JC08监测点均有明显的位移，累计位移量均达到50 mm以上，其中JC03、JC05、JC07监测点位移量超过170 mm，表明该滑坡前缘有持续变形。

图5 三峡库区巫山县曲尺乡塔坪H1滑坡监测点布置图Fig.5 Map showing the monitoring point map of the Taping H1 landslide near Quchi Town in Wushan County in the Three Gorges Reservoir area

2009—2017年塔坪H1滑坡前缘JC01～JC10监测点地表位移与库水位周期变化、降雨的关系曲线如图6，可以发现，每年5—7月份地表变形呈阶跃式变形，尤其在2015年变形量较大。每年5月开始地表变形增加， 6月份出现明显的增加(6月14日—7月1日)。在7月1日的监测结果中部分监测点出现了超过200 mm的突变，但突变之后各监测点的变形速率均有所放缓。说明每年此时段的滑体位移快速增长；其它时间滑体位移较小。结合监测点位移与库水位及降雨数据，可以发现：滑坡位移的突变对应于水库的低水位时期，同时该时间段为暴雨集中期；而滑坡变形速率放缓的阶段对应于水库高水位阶段，并且该时段内雨量较少。由此可知，库水位下降及汛期强降雨与滑坡的变形规律有紧密的联系。

针对2009—2017年的地表监测结果发现：滑坡的地表监测位移量从后缘至前缘不断增加，并且根据监测位移量可将塔坪H1滑坡分为三个区域：位移量较大的滑坡前缘消落带区域，处于缓慢变形状态的曲尺场镇前部变形区，后部相对稳定的曲尺场镇区域。

2.3 滑坡深部位移监测分析

为了进一步研究滑坡变形趋势，2017年6月开始在塔坪H1滑坡增加地下深部位移监测点，共设置了10 个位移监测点，其中位于滑坡主剖面的三个监测点有明显错动变形，见图3。其中监测点SB01位于滑坡前缘175 m水位线处；监测点SB02位于滑坡前缘强变形区的后部；监测点SB03位于滑坡缓慢变形区的中部。由图7可知，位于滑坡前缘消落带175 m水位线处的SB01监测点变形错动量最大，在孔深54～57 m具有一个明显的错动带，57 m以下无明显位移。钻孔表明，在孔深57 m处岩性由长石砂岩变化为香溪组底部的页岩层，为软弱夹层，表明滑坡沿层间滑带滑动。位于滑坡中部的SB02监测曲线表明在孔深63～66 m之间具有明显错动，为滑坡滑带，66 m以下相对稳定；在孔深38～40 m也有一处错动，该处为滑坡内部的次级层间剪切带。从SB03监测孔可以看出，滑坡内部有多处错动变形，其中最为明显的错动带在孔深43～49 m处，并且在10 m、38 m处也有剪切错动现象。这一现象与该区域三叠系碎屑岩沉积地层有关，为砂泥岩互层，存在多套泥化的层间剪切带，为隔水层和滑体滑带地层。

根据实际监测资料可知，塔坪H1滑坡目前发生位移的是H1滑坡的前缘变形区。在前缘变形区中间裂缝的前后两侧变形特征不同，结合地表变形以及内部滑带滑动特征可将中前缘变形区分为强变形区和缓慢变形区。曲尺场镇所处的滑体后部目前较为稳定。

3 塔坪H1滑坡变形机理分析

3.1 数值模型建立

依据塔坪H1滑坡工程地质勘察和监测数据，可以看出滑坡变形主要发生在每年6—9月，这一时间段是三峡库区水位波动和强降雨的时期，直接影响滑坡的变形。本文采用数值模拟方法，分析库水波动和强降雨对塔坪H1滑坡变形的影响。

图7 塔坪H1滑坡中前部深部位移变形监测曲线Fig.7 Curves of displacement versus depth indicated in the middle and front of the Taping H1 landslide

根据滑坡的地质调查和勘察资料，本文以H1滑坡的Ⅰ-Ⅰ′剖面为分析剖面，利用GeoStudio模拟软件，分析滑坡的渗流场和稳定性。塔坪滑坡数值模型见图8，滑坡数值分析的工程地质参数见表1。

图8 塔坪H1滑坡数值模型图Fig.8 Numerical model for the Taping H1 landslide

表1 塔坪H1滑坡数值模拟参数

塔坪H1滑坡体为三叠系碎屑岩顺向滑坡，但滑坡整体岩体结构较为完整，滑体为多级块体滑动，因此模型中考虑中前部两级滑体的后部拉张裂缝。基岩层为泥岩、泥质灰岩及页岩层，渗流场模拟分析中将该层作为不透水层。本次模拟以1 d为一个步长，模拟从2009年11月15日—2017年6月1日共2 760个步长。水头初始边界设置为2009年11月15日实际库水位高度171.7 m，将单位流量设为每日实际降雨量。实际水位与降雨量见图6。

本文选择2014年12月—2015年12月一个水文年进行分析，考虑暴雨时裂缝快速入渗对坡体的影响，选择2015年4月12日、6月4日、7月1日三次强降雨事件进行分析，按降雨强度在拉张裂缝中设置压力水头，并设置水头压力监测点A、B、C、D进行监测分析。

3.2 滑坡体渗流场变化

(1)监测点水头压力差

图9 塔坪H1滑坡不同监测点的水头差-时间曲线Fig.9 Curve of water head difference-time at different monitoring points of the Taping H1 landslide

图9为2014年12月15日—2015年12月15日一个完整水文年滑坡坡体内监测点的渗流场变化模拟结果。在2015年4月12日、6月4日、7月1日出现三次强降雨，对应监测点间的水头差均出现了不同程度的升高，其中B与C监测点间的水头压力差变化最明显，这说明降雨通过拉张裂缝快速入渗，并形成水压力差，影响坡体的渗流场变化；监测点C与监测点D的水头差变化受库水位波动的影响最明显，与库水位变化趋势相反，表明坡体前部地下水压力差变化主要受库水位涨落因素控制，坡体后部地下水压力差变化主要受强降雨快速入渗充填大型拉张裂缝影响，表现为快速上升或下降。

(2)渗流场年度变化规律

选取2014年12月15日—2015年12月15日一个完整水文年研究滑坡内部渗流场的变化规律。2014年12月库水位从175 m开始下降，至2015年4月12日库水位从175 m下降到166 m，此阶段库水位下降速度相对缓慢，平均下降速率为75 mm/d(图10)。在4月12日滑坡坡体内地下水位明显下降，坡体内的渗流场指向坡外。由于滑坡岩体的渗透速度小于库水的波动速度，滑坡中后部地下水渗流状态没有明显变化。

图10 2014年12月15日—2015年12月15日塔坪H1滑坡渗流场变化Fig.10 Seepage fields of the Taping H1 landslide from December 15, 2014 to December 15, 2015

4月12日—6月4日库水位快速下降至150.6 m，坡体内地下水继续向外渗流。但由于连续降雨，坡体拉张裂缝处的水位迅速抬升，降雨沿裂缝向坡体内入渗，裂缝区域的渗流强度比地表区域更高。

6月4日—7月1日库水位下降至最低水位，7月1日出现了该年度的最大降雨，降雨量达132.4 mm/d。模拟显示在降雨入渗和低水位的共同作用下，塔坪H1滑坡的渗流强度达到了最高值。

在7月1日—10月23日期间，库水位不断上升，降雨减少，坡体内的渗流强度随之降低。整个模拟过程显示，坡体的渗流场均是由内向外，坡体受降雨影响，整体渗流场变化明显，坡体前缘部分渗流强度随着库水位的波动不断变化。可见库水位的变动对坡体内渗流强度有着主导作用，而强降雨起到了促进作用。

3.3 稳定性分析

图11为一个完整水文年滑坡稳定性的模拟结果。滑坡安全系数整体变化受库水位升降和降雨的影响明显。其中库水位下降时滑坡安全系数降低，库水位上升时滑坡安全系数升高，同时库水位涨落速度越快滑坡安全系数的增减速度和变幅也越大。此外，本年度由于三次集中强降雨，滑坡的安全系数也出现不同程度的短时降低。

图11 2014年12月15日—2015年12月15日塔坪H1滑坡稳定性变化曲线Fig.11 Curves of safety factor of the Taping H1 landslide from December 15, 2014 to December 15, 2015

2014年12月15日—2015年4月10日，库水位以较慢的速度下降，平均75 mm/d，整体维持在高水位状态，滑坡安全系数变化很小。2015年4月10日—4月26日，受降雨影响，库水位升高至168 m，安全系数回升。4月26日以后，库水位加速下降，坡体内渗透压力增大，滑坡安全系数快速下降，最低下降至1.038。6月4日和7月1日两次超过120 mm/d的降雨均使滑坡稳定系数快速下降。7月1日的强降雨导致滑坡中前部安全系数达到最低值为1.038，该时间与2015年7月1日实际监测结果中滑坡位移发生突变的时间吻合。8月15日—11月1日库水位上升，滑坡安全系数随之升高。11月1日之后，库水位稳定在约173 m，滑坡安全系数趋于稳定。

在整个计算过程中，滑坡安全系数的变化趋势与库水位升降规律基本一致，可见库水位的涨落对塔坪H1滑坡安全系数的影响起主导作用。短时强降雨会使滑坡的安全系数发生短时间的急剧降低。由此可见，库水位下降期间和强降雨叠加出现是塔坪H1滑坡最危险的时期。

4 结论

(1)塔坪H1滑坡为塔坪古滑坡变形形成的次级滑动区域，受古滑坡运动的影响，该区域的岩体已发展成为似层状的碎裂岩体，节理裂隙发育。其滑体的岩性为三叠系香溪组软硬相间的砂岩、泥页岩，岩层间夹多套软弱夹层，形成了多级滑带控制坡体变形，滑动方向为顺岩层倾向。

(2)塔坪H1滑坡的变形现象逐渐加剧。根据目前的变形特征，将滑坡分为三个区域：位移量变形最大的滑坡前缘消落带区域、处于缓慢变形状态的曲尺场镇前部区域和后部相对稳定的曲尺场镇区域。

(3)库水位周期性波动及低水位期的强降雨叠加是诱发滑坡复活变形的主要因素。滑坡变形陡增均发生在每年6月中下旬，库水位到达最低值和强降雨同时出现的时期。库水位下降，导致坡体前缘渗流场变化，强降雨在坡体大型裂隙内产生静水压力，导致滑坡在降雨与水位变动耦合下产生阶跃式变形。库水位周期性波动控制着前缘变形区的稳定性变化，强降雨在短期内对前缘变形区的稳定性产生较大影响。目前塔坪H1滑坡中前部处于持续变形期，亟需开展滑坡防治工程。