库水变动下水库滑坡变形演化机理

程江涛

中化地质矿山总局湖北地质勘查院，湖北 武汉 430075

水库滑坡是指在水库建设与运营期间由于水位上升、水位骤降或降雨等影响因素作用导致岸坡内地下水动力学条件改变而产生的一种地质灾害[1]，其变形失稳往往带来十分严重的后果，其危害性主要体现在两个方面[2-3]：①滑坡失稳形成的大量岩土体涌入水库内，将减少有效库容，甚至形成坝前坝，导致水库不能正常运营；②高速滑入水库内的岩土体将会产生巨大涌浪，当滑坡体位于近坝库岸时，由涌浪产生的巨大冲击荷载将可能导致大坝在瞬间内产生垮塌，同时涌浪波及范围内的城镇居民往往来不及转移，给库区人民的生命财产造成严重损失。国内外有关水库滑坡失稳的实例屡见不鲜，国外如1963年10月发生于意大利瓦依昂（Vajont）水库左岸巨型滑坡，20s内有超过2亿方的滑体以28m/s的速度飞越宽约80m的河谷，激起高出原库水位约250m的巨大涌浪，造成水库下游约2600人死亡，同时滑体将坝前1.8km范围内的库容全部填满，导致整个瓦依昂水库完全报废[4-6]；国内如1961年3月发生于湖南资水河谷柘溪水库大坝上游右岸的大型顺层基岩滑坡（塘岩光滑坡），在水库工程尚未竣工的情况下，约有165万方的滑体以高达25m/s的速度在瞬间滑入深50m的水库，激起高约21m的涌浪，造成40余人死亡[7]；2003年7月发生于三峡库区支流青干河左岸的千将坪特大型岩质滑坡，约有1500万方滑体在5分钟内滑入水库内，激起超过30m高的涌浪，导致14人死亡，10人失踪，造成的直接经济损失高达8000多万元[8-9]。以上典型事例表明，水库滑坡失稳造成的后果往往是灾难性的。三峡库区库岸作为库区移民搬迁的安置点，水库滑坡一旦失稳，将会直接影响库岸城镇居民的生命财产安全以及当地的经济发展与社会秩序。由此可见，研究水库滑坡的稳定性对于确保水电工程的顺利建设与安全运营以及库区人民的生命财产安全具有十分重要的现实意义。

水库滑坡就一直是水利水电工程与工程地质领域研究的热点与难点问题，并得到了广大学者与业内人士的高度重视[10-12]。在1992年召开的第六届国际滑坡专题研讨会议上，水库滑坡的稳定性问题被作为一个重点进行了专题讨论[13]；2002年ICOID为水库滑坡的勘察与评价建立了专门的分析指南[14]。

在已有研究中存在以下几方面问题:

①目前的研究多集中在地下水浸润线的空间分布形态方面，对渗流过程中产生的地下水作用效应及其演化规律的研究则较为少见，而该方面的研究是揭示水库滑坡变形演化机理的基础，尚需进一步进行深入研究。

②目前的研究多从定性角度分析滑坡失稳的影响因素，而对滑坡变形过程中地下水力学作用效应的强弱关系及其主导效应的演化规律则很少研究，该方面的研究则是揭示水库滑坡变形失稳机理的关键，尚需进一步进行深入研究。

③目前关于水库滑坡稳定性演化趋势方面的研究多以库水位下降过程为研究对象，而对一个完整水年内的滑坡稳定性演化趋势则很少研究，尤其是针对三峡库区实际水位调度下的滑坡稳定性演化趋势则更少，尚需进一步进行深入研究。

论文综合采用地质学、滑坡学、水文地质学、岩土力学、地下水动力学等相关学科的理论基础知识结合数理统计、非线性理论、数值模拟等数学分析方法，探讨水库滑坡的变形演化机理。

通过研究，能系统深入的揭示库水变动过程中水库滑坡的变形演化机理，同时为三峡库区水库滑坡的防灾减灾及监测预警提供了一些行之有效的方法。

1 滑坡概况和变形分区

1.1 滑坡概况

李家湾滑坡位于长江左岸斜坡地带，距三峡大坝坝址71.73km，行政区划隶属巴东县东瀼口镇旧县坪村一组。地理坐标：X：3437798，Y：37439310；纬度：31°03′34″，经度：110°21′51″。

研究区内主要的地表水系为自西向东横穿巴东县中部的长江水系，西起边域溪河口，东至牛口入秭归县境，流经县境长约38公里，多年平均流量4487.7亿m3。

滑坡区地处长江北岸，地形地貌类型属构造剥蚀中低山峡谷地貌，地势总体上呈现出北东高、西南低的空间分布特征。滑坡后缘高程300m，前缘最低高程90m左右，相对高差约210m。坡体中部200～210m高程处修筑有雷太公路，公路上部切坡地段形成4～8m高的陡坡（图1）。

李家湾滑坡区出露的地层主要为中生界三叠系中统巴东组第二段（T2b2）陆相层状碎屑岩地层和第三段（T2b3）浅海相碳酸盐岩地层，以及上覆新生界第四系（Q4）松散堆积层。

图1 滑坡全貌图Fig. 1 Landslide panorama

1.2 李家湾滑坡变形敏感性分区

变形敏感性是指滑坡在外界扰动因素作用下滑坡系统中各点变形偏离基准状态的趋势和程度。

敏感性程度可用扰动因素作用下的位移增量与最大位移增量的比值确定，比值越大表明测点对扰动因素越敏感，反之亦然，其计算公式如下：

式中：fi-空间上第i点的敏感性系数[15-17]；S′i-空间上第i点在扰动因素作用下的位移值；Si-空间上第i点的位移基准值；n-空间离散点的个数。

通过（1）式即可求得滑坡空间上任意一点在扰动因素作用下的变形敏感性系数。为进一步评价各点的敏感性程度，以便进行滑坡变形敏感性分区，在此采用等间距的四区间评价方法将敏感性系数划分为4个等级，即不敏感区A4（fi≤0.25）、一般区A3（0.25

选取李家湾滑坡9个地表GPS监测点在145～175～145m波动段中的水平位移监测数据为研究对象，以水库蓄水初期（2008年8月）的位移监测数据为基准状态，运用上述原理，求得李家湾滑坡在水库蓄水过程中（2009年1月）的变形敏感性分区结果（图2）以及在水库泄水过程中（2009年8月）的变形敏感性分区结果（图3）。

图2 蓄水过程中的变形敏感性分区图Fig. 2 Zoning map of deformation sensitivity during impoundment

图3 泄水过程中的变形敏感性分区图Fig. 3 Zoning map of deformation sensitivity during discharge

通过上述图2和图3可知：

水库蓄水过程中（145～175m）：滑坡变形在横向上，自东而西敏感性逐渐增强；在纵向上，自上而下敏感性逐渐增强。其中滑坡变形极敏感区A1区主要位于中前部偏西侧，占滑坡总面积的29%；变形敏感区A2区主要位于中部以及中前部偏东侧，占滑坡总面积的35%；变形一般区A3主要位于中后部，占滑坡总面积的28%；变形不敏感区A4主要位于后部偏东侧，占滑坡总面积的9%。

水库泄水过程中（175～145m）：滑坡变形敏感性区域自西向东、自下而上明显扩大，且不存在变形不敏感区。其中滑坡变形极敏感区A1区主要位于中前部偏西侧，占滑坡总面积的43%；变形敏感区A2区主要位于中部以及中前部偏东侧，占滑坡总面积的39%；变形一般区A3主要位于中后部，占滑坡总面积的18%。

这说明水库泄水较水库蓄水对滑坡的影响要大，且水库泄水对整个滑坡体的变形均产生影响，而水库蓄水仅对中部及前部滑体的变形产生影响，验证了李家湾滑坡属于典型的水库泄水主导型水库滑坡。

2 滑坡体渗透系数反演分析

李家湾滑坡体上3个地下水位监测孔的监测资料显示，滑坡前缘李9号监测孔的地下水位主要受库水变动的影响，且在库水变动过程中该监测点的地下水位与库水位具有一致性，为此渗透系数的反演主要依据李9号监测孔的地下水位监测资料。由于李9号监测孔的孔底高程为151.4m，监测的地下水位在152.2～169.4m之间，为此截取2008-10-05至2009-05-13时间段的地下水位作为反演分析的数据，并以2008-10-05时刻的地下水位作为初始条件进行渗流分析。

将李9监测孔实测的地下水位代入训练好的BP神经网络模型[18]中，求得滑体的反演渗透系数为6.44×10-6m/s，将反演得到的渗透系数输入到渗流计算模型中求得李9监测孔在不同时步的地下水位计算值与实测值的对比情况[19-20]如图4所示。

图4 计算值与实测值对比图Fig. 4 Comparison of calculated and measured values

3 滑坡变形数值模拟分析

3.1 滑坡数值计算模型的建立

滑坡几何模型、地质模型与网格模型均在ANSYS软件中完成。计算模型范围：沿剖面方向（X轴方向）长度取为520m，模型顶部最大高程320.0m，底部高程80m。然后利用自编的SMS1.0版程序将ANSYS网格剖分的单元与节点信息转化为FLAC3D的前处理数据格式，最终建立的数值计算模型如图5所示。

图5 滑坡数值计算模型Fig. 5 Numerical calculation model of landslide

模型边界：x=0m左侧边界约束x方向位移；y=80m底边界为固定约束边界；模型前后两侧边界约束z方向位移；坡面设为自由边界。在初始条件计算过程中，仅考虑自重应力产生的初始应力场。

滑体、滑带和滑床均采用理想弹塑性材料模型，其破坏准则遵从库仑-莫尔屈服准则。数值计算中所需的参数主要有粘聚力c、内摩擦角φ、体积模量K、剪切模量G和抗拉强度，具体参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数取值表Table 1 Table of physical and mechanical parameters of rock and soil mass

3.2 蓄水过程滑坡变形响应分析

将SEEP/W模块中模拟的地下水浸润线导入FLAC3D数值计算模型中进行应力应变计算。模拟结果说明，库水位上升过程对滑坡变形的影响较小，而蓄水稳定过程则对滑坡变形的影响较大，且变形敏感性区域主要位于库水变动的影响区域；对滑坡剪应变的影响较小，而蓄水稳定过程则对滑坡剪应变的影响较大。库水位上升有利于滑坡的稳定，这是由于库水压力效应大于孔隙水压力效应所致；蓄水稳定过程则不利于滑坡的稳定，这是由于库水压力效应小于孔隙水压力效应所致，该结论与刚体极限平衡法求解的稳定性演化趋势具有一致性。

3.3 泄水过程滑坡变形响应分析

将前述SEEP/W模块中模拟的地下水浸润线导入FLAC3D数值计算模型中进行应力应变计算。模拟结果说明，库水位下降过程对滑坡变形的影响较大，而泄水稳定过程则对滑坡变形的影响较小；对滑坡剪应变的影响较大，而泄水稳定过程则对滑坡剪应变的影响较小。库水位下降不利于滑坡的稳定，这是由于孔隙水压力效应大于库水压力效应所致；泄水稳定过程则有利于滑坡的稳定，这是由于孔隙水压力效应小于库水压力效应所致，该结论与刚体极限平衡法求解的稳定性演化趋势具有一致性。

4 滑坡变形演化机理研究

4.1 滑坡渗流场演化特征

以145.80m稳定水位作为初始计算条件，根据建立的李家湾滑坡渗流计算模型与计算参数，利用瞬态渗流计算模式，求得水库蓄水过程中李家湾滑坡在不同时刻的地下水浸润线分布特征[21-23]（蓝色线条）如图6所示，泄水过程的如图7。

从蓄水过程中地下水浸润线的形态特征上看：蓄水过程中岸坡地下水浸润线在坡面纵深范围内均出现了“倒流”现象，浸润线形态呈“凹”型，即坡体内地下水位滞后于库水位，并且库水上升速度越大，这种滞后现象就越明显。这主要是由于李家湾滑坡体的渗透系数较小，库水补给滑坡内地下水需要较长时间所致。

从泄水过程中地下水浸润线的形态特征上看：泄水过程中岸坡地下水浸润线在坡面纵深范围内均出现“顺流”现象，浸润线形态呈“凸”型，即坡体内地下水位滞后于库水位，且库水下降速度越大，这种滞后现象越明显。这主要是由于李家湾滑坡体的渗透系数较小，坡体内地下水向外排泄需要较长的时间所致。

图6 蓄水过程中浸润线分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of phreatic line during water storage

图7 泄水过程中浸润线分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of phreatic line during sluicing

4.2 滑坡变形演化机理研究

4.2.1 李家湾滑坡变形分析计算模型

对于潜水含水层水库滑坡而言，可通过研究浮力效应[24]、渗透力效应[24-26]和滑带土的干湿效应引起的剩余下滑力来揭示水库滑坡在库水变动过程中的变形演化机理。采用不平衡推力法研究上述三种地下水力学作用效应的计算模型如图8所示。

图8 滑坡稳定性计算条分图Fig. 8 Slice diagram of landslide stability calculation

4.2.2 李家湾滑坡变形演化机理

以BDT-37号地表位移监测点所在的条块为研究对象（第10个条块）。该条块在李家湾滑坡划分的条块中，变形特征典型，具有很强的代表性，并且在该条块位置处也布置了监测点，数据来源及分析结果更为真实可靠，因此该条块变形可代表整个李家湾滑坡。求得该条块在库水变动过程中由上述三种地下水力学效应产生的总的剩余下滑力如图9所示；条块总剩余下滑力与监测点位移对比分析图如图10所示；条块总剩余下滑力变化速率与监测点位移速率的对比关系如图11所示，图中正值表示剩余下滑力的作用方向指向坡外（促进滑坡变形展），负值表示剩余下滑力的作用方向指向坡内（抑制滑坡变形展）。

图9 总剩余下滑力分析图Fig. 9 Analysis chart of total residual sliding force

图10 剩余下滑力与监测点位移对比图Fig. 10 Comparison of residual sliding force and displacement of monitoring point

图11 总剩余下滑力变化速率与监测点位移速率对比图Fig. 11 Comparison between the change rate of the total residual sliding force and the displacement rate of the monitoring point

从库水变动过程中地下水力学作用的综合效果上看：浮力效应产生的剩余下滑力始终指向坡内，滑带土的干湿效应产生的剩余下滑力始终指向坡外，渗透力效应产生的剩余下滑力在水库蓄水期间指向坡内，而在泄水期间则指向坡外。由此可见，库水上升的t=0～30d时段条块总的剩余下滑力（正值）是受地下水的浮托软化效应控制的；库水上升的t=30～47d时段条块总的剩余下滑力（负值）是受地下水的渗透力效应控制的；蓄水稳定的t=47～127d时段条块总的剩余下滑力（负值）是受地下水的浮托软化效应控制的；水库泄水过程中条块总的剩余下滑力（负值）则始终是受渗透力效应控制的。

从BDT-37监测点的位移与条块剩余下滑力的相关性上看：滑坡体的变形与条块的剩余下滑力是密切相关的，当地下水作用产生的剩余下滑力指向坡内时，滑坡变形处于稳定，当剩余下滑力指向坡外时，滑坡变形得到发展。

综上所述，李家湾滑坡前缘BDT-37监测点在水库蓄水过程中产生变形的原因是由于滑带土的浸泡软化效应产生指向坡外的剩余下滑力所致；在水库泄水过程中产生变形的原因是由于渗透力效应产生指向坡外的剩余下滑力所致；采用剩余下滑力来解释库水变动过程中的滑坡变形演化机制是可行的。

4.2.3 李家湾滑坡稳定性演化趋势

李家湾滑坡在水库蓄水过程的稳定性演化趋势属于复合型水库滑坡的稳定性演化模型，水库泄水过程中的稳定性演化趋势则属于渗透力主导型水库滑坡的稳定性演化模型。水库蓄水初期（t=0～47d）滑坡稳定性呈现出减速上升的原因，主要是由渗流区条块的渗透力效应产生指向坡内的剩余下滑力所致，由于该过程中渗透力效应呈减速上升趋势，故其稳定性呈减速上升趋势；水库蓄水后期（t=47～127d）滑坡稳定性呈现出加速下降的原因，是由于渗流区条块的浸泡软化效应导致指向坡内的剩余下滑力减小所致；库水位下降过程中（t=127～265d）滑坡稳定性呈现加速下降的原因，是由渗流区条块的渗透力效应产生指向坡外的剩余下滑力所致，由于该过程中渗透力效应呈加速上升趋势，故其稳定性呈加速下降趋势；泄水稳定过程中（t=265～303d）滑坡稳定性略有上升的原因，是由于渗透力效应产生指向坡外的剩余下滑力减小所致。根据上述分析，建立的李家湾滑坡在库水变动过程中的稳定性演化机理如图12所示。

图12 稳定性演化机理Fig. 12 Stability evolution mechanism

5 结论

（1）滑坡变形与库水变动过程中地下水作用产生的剩余下滑力是密切相关的，当地下水作用产生的剩余下滑力指向坡内时，滑坡变形趋势稳定；当地下水作用产生的剩余下滑力指向坡外时，滑坡变形得到发展。李家湾滑坡前缘BDT-37监测点在蓄水过程产生变形的原因是由滑带土的浸泡软化效应产生指向坡外的剩余下滑力所致；泄水过程中产生变形的原因是由渗透力效应产生指向坡外的剩余下滑力所致；库水变动过程中监测点位移变化速率与地下水作用产生的剩余下滑力变化速率具有同步性，进一步验证了利用剩余下滑力指标揭示滑坡变形演化机理的可行性。

（2）蓄水过程中李家湾滑坡稳定性呈现出先减速上升后加速下降的演化特征，符合“渗透力+浮托软化”型水库滑坡在蓄水过程中的稳定性演化模型，蓄水初期稳定性呈现出减速上升是由渗流区条块的渗透力效应产生指向坡内的剩余下滑力所致，蓄水后期稳定性呈现出加速下降是由渗流区条块的浸泡软化效应产生指向坡外的剩余下滑力所致；泄水过程中李家湾滑坡稳定性呈现出加速下降的演化特征，符合“渗透力”型水库滑坡在泄水过程中的稳定性演化模型，泄水过程中稳定性呈现出加速下降由渗流区条块的渗透力效应产生指向坡外的剩余下滑力所致。