三峡库区三门洞滑坡稳定分析及抗滑桩模拟研究

易庆林　周瑞　梁卫　刘艺梁　曾怀恩　陈源

摘要：为研究降雨和库水作用对三峡库区三门洞滑坡抗滑桩加固的影响，通过对监测资料的分析，以降雨、库水、桩位等组合不同工况，运用有限元分析软件建立模型并模拟抗滑桩加固效果。采用強度折减法得出多种工况的抗滑桩内力分布图。结果表明：三门洞滑坡为前缘变形大于后缘变形的牵引式滑坡;库水位涨落是导致滑坡变形的主要因素，降雨加速了滑坡变形;通过模拟得到最佳抗滑桩桩位，其距离滑坡前缘剪出口245 m，且建议初步设计桩长为30 m。

关键词：抗滑桩; 强度折减法; 数值模拟; 剩余推力; 三门洞滑坡; 三峡库区

中图法分类号： P642

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.018

0引 言

中国滑坡灾害分布范围广，致灾因素多，防灾形势严峻。滑坡的防治设计受到多方面的重视，抗滑桩作为一种简单实用的防治措施，它的使用也受技术经济等诸多因素控制[1]。谢全敏等[2]提出了一种基于相似度的三角模糊数型多属性决策方法，以确定抗滑桩为主并辅以格构和排水措施的综合治理方案，最终成功应用于实际工程。前人针对抗滑桩的桩位[3-4]、桩间距[5-6]以及不同截面[7]抗滑桩等各方面有较多的研究。对于受库水位影响较大的滑坡，李邵军等[8]通过模拟库水位变化的离心模型试验，探究了滑坡推力的分布以及不同桩间距的桩-土作用机制;胡新丽等[9]根据三峡水库实际运行情况用数值模拟计算抗滑桩在不同桩位的抗滑稳定性，选出了最优桩位。针对同样是涉水滑坡的三门洞滑坡，本文通过对其专业监测资料的简要分析，对几种抗滑桩方案开展模拟，并对监测结果加以分析，选出三门洞滑坡合理的抗滑桩桩位。

1滑坡地质特征

三门洞滑坡位于湖北省秭归县沙镇溪镇梅坪村一组，为长江一级支流青干河右岸，距离沙镇溪集镇约2.5 km，距离三峡工程坝址约50 km。

根据三门洞滑坡监测平面布置图（见图1），滑坡平面形态呈舌状，整体呈圈椅状。岩层倾向与坡面角度相近，为顺向坡，东北低、西南高，由西南向东北直抵青干河。滑坡左右以陡坎和山脊为界，前缘高程140 m，后缘高程350 m，滑坡展布于此范围内。滑坡平均坡度15°，长约830 m，均宽300 m，面积约24.9万m2，平均厚度约22 m，滑坡体积约547.8万m3，主滑方向约66°。

2GPS变形监测分析

2.1总体分析

三门洞滑坡变形历史由来已久。自2003年三峡工程进入汛期135 m蓄水运行，坡体前部开始出现较大裂缝，2008年汛末，三峡工程首次进入175 m试验性蓄水期，三门洞滑坡开始进入大变形期。三门洞滑坡坡体上布置有6个GPS变形监测点ZG360、ZG361、ZG362、ZG363、ZG364、ZG365，呈三横两纵形式布置，坡体两侧分别布置两个基准点ZG232、ZG233，如图1所示。

三门洞滑坡自2006年10月开始进行专业监测，图2为累积位移-月降雨量-库水位-时间曲线图。从累积位移可以看出，每年汛期（5～9月）就会出现一个变形阶梯，使累积变形出现一段较大的突变情况，变形情况根据监测点位置具有不同位移情况，但整体都表现为阶跃型动态变形特征。位于坡体前缘的ZG365和ZG362监测点因靠近175 m水位，变形明显大于坡体中后部的监测点，且位于滑坡体中轴线附近的ZG365比ZG362变形更加剧烈。坡体中部ZG361因位于公路边，常年承受交通荷载影响，故较坡体中部的ZG363和ZG364位移大，直到2017年12月3个监测点的变形量基本趋于一致。前缘总是比后缘先变形且前缘比后缘变形大，呈现牵引式运动特征，值得注意的是，在2017～2018年的“阶梯”已达到近10 a最高，预示着滑坡变形可能进一步加剧。

2.2库水涨落影响分析

图3为库水位变化-库水位变化速率-位移速率的关系，剔除几乎不受库水位变化影响的监测点ZG360和ZG363，库水位变化速率以库水位上升为正，下降为负。库水位下降的时候，变化速率曲线波动幅度较小，相反库水位上升的时候波动幅度很大，所以三峡水库的运行采用的是缓降陡升的模式。再结合月变形速率，库水位日变化速率波动幅度越小，变形速率波动也越小，库水位波动幅度越大，同样波动的幅度，越在前缘的监测点变形速率波动越大。结合图2的库水位变化曲线，可以发现每当库水位快速消落时，累积位移曲线就会出现一个变形阶梯，当库水位上升时或平稳运行时，累积位移曲线开始也会呈现平稳趋势，库水位变化与滑坡变形有着较强的相关性。

2.3降雨影响分析

图4为月位移速率-库水位-降雨的关系。因为库水位和累积变形具有较强的相关性，其中特别排除了对库水位影响较大的ZG365和ZG362监测点。从图中可以看出每年的位移速率峰值均对应降雨集中期，即汛期5～9月，回顾图2也能发现每年累积位移发生突变的时候也处在降雨集中期。根据监测资料可知，处在坡高地陡的ZG363监测点曾在多年变形速率中达到最高，在2017年10月达到历史峰值196.05 mm/月，同时中部的ZG364监测点也达到峰值181.6 mm/月。与此同期月降雨量为218.7 mm，并不是全年降雨量最大的。在变形最大的7，8月份，通常降雨量都是全年较大月份，但降雨量大不一定会直接激发位移速率的增加，如2008年10月和2010年10月降雨量甚至超过300 mm，但并没有与之对应的较大并行速率，故降雨对三门洞滑坡变形的相关性相对库水位对滑坡变形的相关性要小，降雨在一定程度上促进了滑坡位移的增加，但库水涨落对滑坡变形的影响更明显。

3滑坡抗滑桩加固数值模拟

三门洞滑坡滑体狭长且均匀，前后缘高差将近110 m，平均厚度22 m，左侧为基岩山脊，右侧为陡坎临空面，两侧高中间低，呈“圈椅状”，且为前缘变形大于后缘变形的牵引式滑坡。结合抗滑桩、锚杆（索）、挡土墙、削方减载、回填压脚等加固方案的分析，认为锚杆（索）适用于较深的岩土体，支护范围不大，所以大量使用显然会对土地利用造成困扰;削方减载和回填压脚方案则会因周围地形原因导致挖方无法存放，前缘变形大于后缘变形的牵引式情况则无法“压脚”，有可能导致前缘进一步滑动;而抗滑桩在一定程度上占地面积小，施工扰动小，布置灵活，有着较好的加固效果，且挖孔过程中还能进一步校核前期的地质勘察情况。因此，基于降雨和库水两大影响因素，本文选择在降雨和库水组合工况下模拟抗滑桩加固后的稳定性变化情况，选出加固效果最好的桩位。

3.1强度折减法

强度折减法最初由Dawson[10] 和Griffiths[11]等提出。它通过逐步按比例削弱土壤的强度参数黏聚力c、内摩擦角φ，从而得到削弱后的强度参数c′、φ′值。直到不能获得收敛解的时候，推断系统超出了极限平衡点，即系统发生“失效”，此时的折减系数就是滑坡的安全系数。强度折减法系数用下式表示：

SRF=tanφ′tanφ′f=c′c′f

式中：SRF为强度折减系数（strength reduction factor）;c′f和φ′f为失稳时土的强度参数。

本文先用seep/w渗流分析模块在不同桩位的工况下，分别得到仅库水作用和降雨库水同时作用时的渗流场，再通过sigma/w进行原位分析和应力重分布分析[12]。土的强度是人为降低的，而土中不可能产生超应力，超出的应力最终还是会转移到相邻单元，因此需要重新分配应力，通过得到的应力场模拟桩的作用效应，最后结合slope/w计算安全系数。

3.2计算模型

本文选择变形最大的监测剖面A-A′为计算剖面。图5为滑坡剖面图，图 6为剖面模型及桩位示意图。边界设置中以175 m以下为水头边界，175 m以上为潜在渗流面，底部为隔水边界。应力分析中，采用有效应力（排水）参数，滑体和滑带的材料模型采用摩尔-库伦准则为本构模型，滑床为基岩且视为理想线弹性模型。

3.3桩位选取及嵌岩深度确定

考虑库水位消落范围的影响，设置桩位1位于145 m库水位附近之上，设置桩位2位于175 m库水位附近之下，桩位1，2，3均以等距离设置，桩位4考虑滑坡相关地形地貌适当调整设置。根据雷文杰[13]、杨光华[4]等对涉水滑坡抗滑桩桩位确定的相关研究，建议桩位应位于滑坡体中部往下部分，故将桩位5设于滑坡中部，根据距离推算，设置5个桩位较合适。在图6中从下至上为桩位1～5，分别距离滑坡前缘剪出口115，180，245，315，414 m。

为把滑坡推力通过抗滑桩传递到稳定的基岩中，首先是抗滑桩自身强度要足够，再是基岩不被破坏，而基岩的强度是不变的，则需要一定的嵌岩深度。根据DZ/T 0219-2006《滑坡防治工程设计与施工技术规范》[14]：抗滑桩桩长宜小于35 m;抗滑桩嵌固段应嵌入滑床中，约为桩长的1/3～2/5。根据以上依据，故对每个桩位的嵌岩深度都选择10 m。

3.4參数选取

该滑坡物理力学参数结合室内试验、原位试验以及相似滑坡类比综合取值如表1所列。

抗滑桩采用梁单元模型，采用文献[12]推荐的参数，

其中，截面积0.1 m2，惯性矩0.01 m4，弹性模量10 000 MPa，上述参数允许张拉和压缩，且能达到加固效果而不被破坏。

3.5工况设置

根据对多年三峡水库运行和降雨量资料的统计分析，未发现年际间有较大差异，为尽可能分析滑坡的稳定性现状，采用最近1 a（2018年）的数据。如图7为2018年三峡工程水位调度运行和降雨量情况。选取仅有库水位和既有库水位又有降雨两种情形作为外部作用。针对监测资料所得每到汛期（5～9月）就出现变形阶梯这一情况，库水位作用采用汛期末时的渗流场，降雨采用2018年与库水位同期的降雨量，将这两种外部作用分别施加在5种不同桩位的滑坡体上，组成10种工况。

4成果分析

4.1桩内力分布

图8为仅在库水作用下的桩内力分布图，图9为降雨和库水共同作用下的桩内力分布图。从曲线形态上看，两图相差无几，根据上述监测资料分析，这反映出降雨的影响较小，所以有必要将一些极值点标注于图中。从图8（a）和图9（a）的剪切力图来看，桩1的剪切力突变值仅增长个位数量级，桩2的突变值开始增长到两位数量级，从桩位3开始削弱，削弱量为小数点后一位，桩位4开始削弱至个位数量级，桩位5由于值太小，认为基本不变。进一步看图8（b）和图9（b）的弯矩，以及图8（c）和图9（c）的挠度，虽然在数量级上的增长和削弱各不相同，但总体规律是一致的：抗滑桩的内力从桩位1，2开始增长，且增长率从个位数量级到两位数量级，随后到桩位3时开始减少，一直削弱到桩位5基本不变，但削弱率持续减缓;其最大正弯矩先从桩位1增长至桩位2后开始减小，最大负弯矩所对应的深度从桩位1增长至桩位3后开始减小;最大挠度所对应的深度从桩位1增长至桩位3后开始减小;从所有桩内力图能看出，当曲线经历一两次突变后都会归零，即存在有效利用点，桩长到达一定深度后，超出的长度已经不受力，在设计的时候，当桩长满足抗滑能力或规范要求时，可以适当的减少桩长，从而有效利用和节省工程造价。

总体来看，随着桩位从坡脚上移，即桩位数增大，桩身正向和负向剪切力均呈减小趋势，直到桩位5时成为一条“直线”，正向和负向剪切力突变值总是在薄弱层区域滑带内。有限元法考虑了桩土相互作用，即桩前土体的剩余推力[13]，当抗滑桩位于桩位1时，桩前土体较少，所提供的抗力也相对较小，随桩位上移，桩前所能提供的抗力也越大，但在坡体某处存在一个临界位置，即剩余推力为零处，桩前土体已不能提供足够的抗力或桩前土体已有自由滑动的风险，尽管桩位继续上移，也只是起到阻止桩后部分土体的作用，已达不到整体抗滑的效果。经过以上分析，桩位3能有效起到抗滑效果。因滑体均厚约22 m，嵌岩深度10 m，以及规范建议桩长宜小于35 m，结合桩内力图内力值归零处所对应的桩长综合取值，故建议初步设计桩长为30 m。

4.2稳定性分析

各桩位稳定性计算结果列于表2，仅库水作用下的安全系数从桩位1开始增加到桩位3的最大值1.070，降雨和库水共同作用下的安全系数从桩位1开始增加到桩位3的最大值1.066，随后数值都开始下降。将稳定性结果拟合后绘制成不同桩位的安全系数变化曲线（见图10），两条曲线都呈上凸型，曲线间距数值并不大，进一步说明了降雨对稳定性的影响较小。通过观察拟合后桩位3所在点两侧，可以发现从点左侧至右侧，斜率开始减小，斜率为零处即安全系数最高点在桩位3所在点左侧，也就是说，通过桩内力分析确定了桩位3附近为最佳桩位，通过稳定性分析可以进一步确定最佳桩位还可以在桩位3处往坡脚前移数米。

找到最佳桩位是一方面，提高桩自身参数也能增加安全系数，最佳的桩位结合经过经济合理设计的抗滑桩，才能得到最优的安全系数。不同计算方法下的安全系数具有差异性，抓住安全系数的变化规律是可行的，但不能一味地提高安全系数。单根抗滑桩提供的效力范围有限，而微型桩群[15]的应用则有更好的抗滑承载力，加固范围广。

抗滑桩布设后对滑体内地下水渗流有一定的阻碍作用，进而增大了桩后滑体的自重。桩位3中下部分仍受175 m水位入渗影响，为保证抗滑桩的长期稳定性，从内部来看，要提高抗滑桩自身抗渗性，在长期使用中能保证耐久性要求;从外部作用考虑，要减少地表径流入渗，同时考虑库水在运行区间会反向入渗坡体，特别是库水下降给滑体造成的牵引作用，需要在前缘布设单向水平排水孔，在整体上布设坡面疏水、坡体排水相关措施[16]。

5结 论

本文通过对监测资料的分析，认为三门洞滑坡为前缘变形大于后缘变形的牵引式滑坡，其中库水与滑坡稳定性具有较强的相关性，而降雨相关性较小。在库水和降雨的共同作用下，呈现周期性的阶跃特征，在近2 a中出现了最大一次阶跃，预示着滑坡滑动可能进一步加剧。

通过对桩内力的分析，桩位3为最佳桩位，距离前缘剪出口245 m，且建议初步设计桩长为30 m。进一步通过稳定性分析发现，最佳桩位尚可往坡脚前移数米。

本文着重对安全系数的变化规律展开了研究，但未求解出最优的安全系数;本文在工况设置中仅采用实际已发生资料，未进行拓展;在数值模拟上二维平面的模拟方法忽略了实际布桩时桩间的土拱效应。因此当出现极端气候以及多方位治理时的加固效果还需要进一步研究。

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（编辑：郑 毅）

Abstract：In order to study the effect of rainfall and reservoir water on anti-slide pile reinforcement of Sanmendong landslide，based on the analysis of monitoring data，we use finite element analysis software to establish a numerical model and simulate the anti-slide pile reinforcement under different working cases considering combination of rainfall，reservoir water and pile position.The internal force distribution diagram of anti-slide pile under various working conditions was obtained by strength reduction method.Combing with the analysis of monitoring data，we concluded that Sanmendong landslide was a traction type landslide that the deformation of front edge was greater than that of rear edge，and the fluctuation of reservoir water level was the main factor leading to landslide deformation.Rainfall accelerated the deformation of landslide;the best pile position was pile position 3，where was 245 m away from the landslide front edge，and the preliminary design pile length was suggested to be 30 m.

Key words：anti-slide pile;strength reduction method;numerical simulation;residual thrust;Sanmendong landslide;Three Gorges Reservoir area