拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202212050开放科学（资源服务）标识码（OSID）拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析台晓晓1，李维娜2，黄子鸣2，王宏祝2，王中梁2（1.中铁十一局集团有限公司勘察设计院，武汉430074；2.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉430074）摘要：拦河闸工程建立后，香溪河上游水位将上抬 6.07 m。由于防洪需要，水位将在 202208 m 范围内变动。水位的抬升和下降将改变岸坡原有的水土作用环境，可能引起附近冯家湾滑坡失稳。冯家湾滑坡位于郑万高铁东侧，其稳定性直接关系到高铁的安全运行。通过理论分析拦河闸工程对涉铁冯家湾滑坡的影响，再用刚体极限平衡法进行稳定性计算与评价，并通过Geostudio 对冯家湾滑坡在不同工况下的渗流耦合稳定性进行计算分析。结果表明：拦河闸蓄水后，随着水位抬升，冯家湾滑坡产生整体失稳，需采取有效的加固措施，以消除滑坡对郑万高铁运行造成的安全隐患。关键词：滑坡；稳定性；水位上升；极限平衡法；Geostudio中图分类号：U416.1+63文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)05 0201 07 0 引言水位上升诱发滑坡是普遍现象，最为闻名的滑坡事件是意大利瓦伊昂滑坡，1963 年 10 月 9 日，由于连续降雨、库区水位上升、斜坡体内地下水位升高和孔隙水压力增大等原因，2.4 亿 m3滑坡体滑入水库，导致 2 000 余人遇难1 4。檀梦皎等5对降雨和库区水位对滑坡稳定性邮箱进行研究，发现滑坡前缘的地下水水位对库区水位响应较强烈，滑坡后缘地下水水位对降雨响应较强烈；仝德富等6对三峡库区的谭家湾滑坡变形机制进行研究，得出库区水位和降雨的共同作用产生了滑坡变形；Kafle L 等7以贵州边家寨滑坡为例，进行库区水位波动与降水共同作用对边坡稳定性影响研究，表明降水和水库运行的联合作用显著影响滑坡变形，库区水位快速下降可能导致库区位移突然增大，建议定期进行地质现场检查和监测，避免发生滑坡灾害；He C C 等8通过滑坡对水库蓄水响应的物理模型试验，研究发现水库蓄水的作用缩短了滑坡的破坏时间，减小引起滑坡破坏的荷载。库区水位的抬升一定程度会改变岸坡的水文地质条件，一旦滑坡发生失稳破坏，将带来极大的经济损失，因此有必要对受库区水位影响的滑坡进行稳定性分析9。本文对冯家湾滑坡进行现场调查，并通过定性、半定量分析及基于 Geostudio 有限元数值模拟软件的渗流耦合稳定计算分析降雨和库区水位对该滑坡稳定性影响，进行综合评价，并给出加固措施建议。1 滑坡地质特征及变形情况冯家湾滑坡位于湖北省兴山县古夫镇冯家湾村附近，对应郑万铁路 D2K575+570+940 段范围内，兴山车站多线高架桥从滑坡前缘通过；对应香溪河流域古夫河段，新建有拦河闸工程。冯家湾滑坡与高铁、拦河闸位置关系，见图 1。2016 年，由于郑万高铁的修建，相关单位对冯家湾滑坡进行加固设计，见图 2，共设计施工 5 排抗滑桩，此次加固并未考虑修建拦河闸对高铁的影响，因此需对拦河闸修建过程及修建后对高铁的影响进行评估以确定是否需增设加固措施。拦河闸鹞子坪大桥兴山高铁站郑万高铁兴山车站多线特大桥冯家湾滑坡图1冯家湾滑坡与高铁、拦河闸位置关系 收稿日期：2023 03 15作者简介：台晓晓（1992），女，湖北荆州人。工程师，硕士，研究方向：滑坡稳定性。E-mail：。台晓晓，等：拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析 201 第五排桩（BZ5-1BZ5-10）249.911.752.51.752.51.752.51.752.51.752.51.752.5249.91冯 家 湾 滑 坡12341234SK-1SK-3SK-2古夫河N拦河闸55第一排桩（BZ1-1BZ1-43）第二排桩（BZ2-1BZ2-15）第三排桩（BZ3-1BZ3-12）第四排桩（BZ4-1BZ4-58）图2冯家湾滑坡加固工程平面示意 1.1 滑坡形态规模冯家湾滑坡在平面形态上呈圈椅状、短舌形。在横剖面形态上，呈负地形，陷落在两侧山脊之中，与滑坡周界地形不匹配。在纵剖面上，总体呈折线坡，后缘、前部平缓，中间和前缘陡，相对高差约 100 m，地形坡度约 16。该滑坡主轴长约 300 m，宽约 400 m，滑坡体厚度 540 m，体积约 137104 m3。按滑坡物质组成分类，为土质滑坡；按滑体厚度分类，为深层滑坡；按滑体体积分类，为大型滑坡。1.2 滑坡的物质组成及结构滑坡区及其邻区上覆第四系全新统（Q4ml）碎石土，冲洪积（Q4al+pl）粗圆砾土、卵石土，滑坡堆积（Q4del）粉质黏土、粗角砾土、碎石土，坡残积（Q4dl+el）粗角砾土、碎石土；下伏基岩为志留系下统新滩组（S1x）页岩。冯家湾滑坡滑体主要由碎石土组成，滑床为志留系香溪河组页岩，滑面为岩土分界面。滑坡体物质主要由粉质黏土、粗角砾土和碎石土组成，粉质黏土为硬塑状态；粗角砾土为中密状态，粒径 2060 mm，含量约 55%60%，呈次棱角状，余为黏性土充填；碎石土为中密状态，粒径 2060 mm，含量约 55%65%，呈次棱角状，余为黏性土充填。滑坡体力学性质差，抗剪强度低，遇水易软化。1.3 岩土物理力学性质考虑到滑体土土质不均，根据冯家湾滑坡勘察推荐值，并参考经验数据来综合确定滑体重度：天然重度 22.0 kN/m3，饱和重度 22.3 kN/m3，干重度17.0 kN/m3。滑带土抗剪强度采用冯家湾滑坡勘察推荐值、反分析值，并结合当地相似滑坡经验值综合确定。冯家湾滑坡稳定性计算岩土体物理力学参数取值，见表 1。表 1 中滑体容重取值来源于 2016 年 2 月相关单位进行滑体加固时勘察得到的滑坡勘察资料。岩土体参数，见表 2。表1冯家湾滑坡稳定性计算岩土体物理力学参数取值土体状态 滑体容重/（kNm3）黏聚力c/kPa 内摩擦角/（）天然22.016.117.2饱和22.314.515.5 表2岩土体参数岩土体天然容重/（kNm3）黏聚力c/kPa 内摩擦角/（）粉质黏土19.01515碎块石土22.0342粗角砾土21.5040 1.4 水文地质特征根据现场试坑渗水试验，选择滑坡的前、中和后部 3 个位置，得出后缘数值最大 K=9.6103 cm/s，前 缘 次 之 K=5.2103 cm/s，中 部 最 小 K=2.5103 cm/s。表明滑体属于中等渗透性。为便于计算分析，按照渗透系数越小对渗透率影响越大，渗流力越大对滑坡的稳定性越不利的保守考虑，在后续渗透计算分析中，渗流计算取滑体中部最小值，K=2.5103 cm/s。渗水试验，见图 3。（a）渗水试验位置示意（b）现场渗水试验渗水试验1渗水试验3渗水试验2图3渗水试验 1.5 滑坡变形情况根据现场调查，该滑坡在近 80 年之内未发生滑动，修建 50 年以上的房屋也未发现明显变形。路基工程 202 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）另外，在有重载汽车行走的公路上，路面及公路两侧坡体也未发现明显变形。已竣工的冯家湾滑坡加固工程 1-1剖面的抗滑桩空孔段的护壁混凝土未发现开裂迹象。由此说明，近期滑坡变形不明显。但在滑坡后缘地段，可发现明显的下错砍和局部斜歪的树木。在梯田干砌挡墙、排水沟、素混凝土挡土墙上，均未发现明显的变形迹象。滑坡体上结构物变形情况，见图 4。（a）干砌挡墙：无变形迹象，排水沟无积水（b）排水沟：有两条细微裂缝（c）挡土墙：无明显变形图4滑坡体上结构物变形情况 综上，冯家湾滑坡为一古滑坡，滑坡的地形地貌特征明显，所处的地质构造、坡体结构复杂，但近年的变形迹象不明显。冯家湾滑坡前缘的香溪河流域新建一座拦河闸，正常蓄水位为 208.40 m，百年一遇洪水位210.26 m，回水长度约 1.40 km，回水末端位于古夫二桥附近。古夫河段水位由 202.33 m 上升至208.73 m。有研究表明：库水位是古滑坡复活的诱因10，库水位快速上升时将会出现局部失稳11。因此，有必要对拦河闸修建之后冯家湾滑坡的稳定性进行研究。2 拦河闸工程对冯家湾滑坡的稳定分析计算 2.1 定性分析拦河闸修建后，香溪河水位抬升 6.07 m，将导致滑坡坡体内地下水上升，使滑坡前缘阻滑段的地下水位也上升约 6.00 m。蓄水前、后地下水位浸润线变化示意，见图 5。即使不考虑滑带土抗剪强度的下降（拦河闸修建前、后滑带强度均按饱和强度考虑），也不考虑可能增大的渗透力条件下，滑体会产生较大的扬压力（浮托力），相应地减小阻滑段的正应力，从而减小阻滑 2 段的阻滑力。因此，拦河闸蓄水对冯家湾滑坡稳定性是不利的。蓄水前地下水位蓄水前蓄水后蓄水后地下水位S1S2图5冯家湾滑坡前缘段蓄水前、后地下水位浸润线变化示意 2.2 半定量分析以滑坡最侧边剖面 1-1为例，蓄水前滑坡单宽扬压力为P1=S110 kN/m3 780 kN（1）蓄水后单宽滑坡扬压力为P2=S210 kN/m3 3000 kN（2）蓄水前、后扬压力变化为P=P2P1 2220 kN（3）因扬压力导致单宽、单位面积阻滑力下降值为：蓄水前R1=(C+n1tan)1 m1 m（4）蓄水后R2=(C+n2tan)1 m1 m（5）差值R=R2R1=(n2n1)tan1 m1 m=Ptan1 m1 m 22200.28711 640 kN（6）通过计算可见：在不考虑（c、）下降、渗透力改变的条件下，蓄水导致单宽、单位面积抗滑力下降约 640 kN。蓄水前滑体中有地下水位的宽度约 84 m，蓄水导致地下水位上升后，滑体中地下水位宽度变为 98 m；地下水位上升后涉及的滑体面积约 3 970 m2。在此范围内，因扬压力的增大导致抗滑力的下降。即拦河闸关闭蓄水后，水位抬升对冯家湾滑坡的稳定性是不利的。2.3 基于传递系数法的稳定性计算传递系数法是边坡稳定问题分析中常用的方法之一，主要是基于滑坡体处于极限平衡状态下的力学条件来构建平衡方程组，进而求解滑坡体的稳定性系数。该方法假定滑坡体为理想刚塑性材料，不考虑滑坡体的变形；将滑体进行垂直条块划分，假定条块间力的合力与上一条块底面平行；滑动面的破坏服从摩尔-库仑准则12 13。台晓晓，等：拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析 203 依据钻探结果，结合地质概况和实地调查，分析确定潜在滑动面处于基岩与上覆碎石土的岩土分界面，由此利用传递系数法对冯家湾滑坡进行量化计算。冯家湾滑坡稳定性计算工况及其荷载组合与安全系数，见表 3。选取 1-1、2-2、3-3及 4-4剖面对表 3 中各工况分别进行计算，典型剖面条块分幅，见图 6、图 7。表3冯家湾滑坡稳定性计算工况及其荷载组合与安全系数工况荷载组合安全系数1自重（拦河闸开起未蓄水）1.202自重+100年一遇暴雨1.153自重+拦河闸关闭蓄水+100年一遇暴雨1.15 140101205010090801306017040210202500290高程/m距离/m潜在滑动面地质界线地下水位线（变动前）地下水位线（变动后）隔水层130图61-1计算剖面（工况 1）1401202010060801006014040180202200260300340高程/m距离/m潜在滑动面地质界线地下水位线（变动前）地下水位线（变动后）隔水层130图72-2计算剖面（工况 1）2.3.1 计算工况及计算参数考虑拦河闸关闭蓄水和暴雨对滑坡稳定性的影响，计算工况组合如表 3，滑坡稳定性计算岩土体物理力学参数取值如表 1。2.3.2 计算结果对冯家湾滑坡主剖面（1-1、2-2、3-3及 4-4剖面）采用 LASA 程序进行稳定性计算与评价，各剖面稳定性计算结果，见表 4。根据滑坡防治工程勘查规范14，按斜坡稳定性系数确定稳定性状态。结果表明：冯家湾滑坡的 1-1剖面在工况2 和工况 3 的状态均是欠稳定，因此 1-1剖面为最不利剖面。表4滑坡各剖面稳定性计算结果剖面工况荷载组合内容安全系数稳定系数稳定状态1-11自重（拦河闸开起未蓄水）1.201.21稳定2自重+100年一遇暴雨1.151.05欠稳定3自重+拦河闸关闭蓄水+100年一遇暴雨1.151.02欠稳定2-21自重（拦河闸开起未蓄水）1.201.47稳定2自重+100年一遇暴雨1.151.25稳定3自重+拦河闸关闭蓄水+100年一遇暴雨1.151.23稳定3-31自重（拦河闸开起未蓄水）1.201.35稳定2自重+100年一遇暴雨1.151.16稳定3自重+拦河闸关闭蓄水+100年一遇暴雨1.151.08基本稳定4-41自重（拦河闸开起未蓄水）1.201.39稳定2自重+100年一遇暴雨1.151.19稳定3自重+拦河闸关闭蓄水+100年一遇暴雨1.151.17稳定 2.4 基于 Geostudio 的渗流耦合稳定性计算软件 Geostudio 是被国内外学者所认可的一套高效、准确的岩土分析软件15 16。其中 SLOPE/W模块中的 Morgenstern-Prince 法计算不同库区水位下滑坡稳定系数和滑坡推力，具有一定合理性和可行性17。此次模拟采用 Morgenstern-Prince 法进行稳定性计算。2.4.1 计算模型及参数（1）计算模型。选取冯家湾滑坡的 1-1剖面（最不利剖面）作为模拟计算剖面，由滑体、滑带和滑床组成。其中，将滑体简化为三种物质：黏性土、粗角砾土和碎块石土，滑带为粉质黏土层，滑床为不透水层。该模型剖分为 2 546 个单元，共计2 632 个节点。具体计算模型与网格，见图 8。2902702502302101901700100200300高程/m距离/m图8冯家湾滑坡计算模型路基工程 204 Subgrade Engineering2023 年第 5 期（总第 230 期）（2）计算参数。非饱和渗流计算两个重要参数是土体的土水特征曲线（即 SWCC）与非饱和渗透曲线。土水特征曲线是描述土的体积含水量与基质吸力之间的关系曲线，表明有多少水由于负孔隙水压力的作用而克服重力保持在土体中。非饱和土的渗透系数反映了土体在非饱和区倒水的快慢，是非饱和土含水量与基质吸力之间的关系函数。冯家湾滑坡的滑体饱和渗透系数（2.46 m/d）由现场试坑渗水试验（图 3）得到，滑带的饱和渗透系数（8.60104 m/d）参考刘红豪18的研究结果。稳定性计算所采用的岩土体参数如表 2。2.4.2 计算工况综合考虑降雨和水位因素，滑坡区分以下工况：拦河闸修建前：工况 1，常水位 202.33 m；工况 2-1，受 100 年一遇暴雨影响，导致水位上升至208.73 m。拦河闸修建后：工况 2-2，受 100 年一遇暴雨影响，水位从 202.33 m 上升至 208.73 m；工况 3：蓄水至 208.40 m；工况 4：蓄水后受 100 年一遇暴雨影响 208.40 m 水位上升至 210.26 m；工况 5：极端情况，拦河闸被破坏导致水位骤降，水位从210.26 m 降至 203.00 m（水排空的最低水位线，历史 1、3、6 天）。滑坡稳定性计算工况，见表 5。表5计算工况水闸运行工况荷载组合内容水位升降速率/（md1）历时/d安全系数静止水位1自重（常水位202.33 m）1.202-1自重+100年一遇5日降雨51.15水位升降2-2自重+100年一遇5日降雨+水位从202.33 m升至208.73 m1.28051.153自重+水位从202.33 m升至208.40 m1.00061.204自重+100年一遇5日降雨+水位从208.40 m升至210.26 m0.37251.155-1自重+水位从210.26 m降至203.00 m7.26011.205-22.42031.205-31.21061.20 2.4.3 渗流分析工况 4 水位 208.40 m 暴雨第 1、第 5、第 10 日渗流云图，见图 9。取计算结果中工况 4 暴雨作用第 1、第 5、第 10 天的渗流场，可看出降雨入渗首先影响滑坡表层的岩土体，随时间的推移，影响深度随之增大。雨水在重力和水力梯度的影响下，开始向滑带方向运动，随之沿着滑带向滑坡前缘方向运移。说明随着拦河闸关闭水位抬升，滑坡前缘处可看出孔隙水压力曲线明显上扬，与定性分析结果一致。2902702502302101901700100200300高程/m距离/m2902702502302101901700100200300高程/m距离/m2902702502302101901700100200300高程/m距离/m8060 kPa6040 kPa4020 kPa200 kPa020 kPa2040 kPa4060 kPa6040 kPa4020 kPa200 kPa020 kPa2040 kPa4060 kPa6080 kPa6080 kPa80100 kPa100120 kPa120140 kPa140160 kPa160 kPa180 kPa80100 kPa100120 kPa120140 kPa140160 kPa160180 kPa6040 kPa4020 kPa200 kPa020 kPa2040 kPa4060 kPa6080 kPa180 kPa80100 kPa100120 kPa120140 kPa140160 kPa160180 kPa（a）第1日（b）第5日（c）第10日图9工况 4水位 208.40m 暴雨第 1、第 5、第 10 日渗流场 2.4.4 稳定性计算结果各工况稳定性系数及变化率，见表 6。台晓晓，等：拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析 205 表6各工况稳定性系数及变化率工况100年一遇暴雨50年一遇暴雨模拟天数/d稳定性系数Fs变化率/%稳定性系数Fs变化率/%11.106 1.001.106 1.002-11.0761.721.0871.72502-21.0693.351.0713.168031.0980.721.0980.725041.0524.881.0584.34805-11.1000.541.1000.541005-21.1000.541.1000.541005-31.1000.541.1000.54100 由表 6 可见：最危险的工况为工况 4（蓄水后暴雨引起水位上升至 210.26 m），滑坡的稳定性系数 Fs最终降至 1.052，相对初始状态（常水位202.33 m）降低了 4.88%。最有利的工况为工况 5，水位下降在一定程度上有利于对滑坡稳定。以冯家湾滑坡的 1-1剖面为研究对象，运用Geostudio 渗流耦合稳定性计算得出：降雨对冯家湾滑坡影响作用明显，随着降雨的进行，稳定性系数快速下降，然后下降速度减缓。可见，降雨对冯家湾滑坡稳定性不利；拦河闸修建后，当关闸蓄水，随着水位的抬升，滑坡稳定性急剧下降，尤其是蓄水水位抬升的 10 天内，由此，需警惕蓄水初期滑坡的稳定性；拦河闸修建后，当开闸放水，从高水位下降至低水位时，滑坡的稳定系数逐渐增大，滑坡稳定性增强。3 影响分析地表水位的抬升导致滑坡地下水位的上升，即使不考虑滑带土抗剪强度的下降，也不考虑可能增大的渗透力条件下，滑体会产生较大的扬压力（浮托力），相应地减小阻滑段的正应力，从而减小阻滑段的阻滑力。因此，拦河闸关闭蓄水对冯家湾滑坡稳定性是不利的。经计算得出：降雨对冯家湾滑坡影响作用明显，降雨导致滑坡稳定性系数快速下降；拦河闸关闭蓄水，随着水位的抬升，滑坡稳定性急剧下降，稳定系数下降 1.72%4.88%。拦河闸开起放水后，与不修建拦河闸相比，滑坡稳定系数下降0.50%；但从高水位下降至低水位时，滑坡的稳定系数逐渐增大，说明冯家湾滑坡为退水同步型滑坡。定性和定量分析表明：从机理上，冯家湾滑坡为暴雨+浮托减重型滑坡，水位上升对滑坡稳定性不利，稳定性系数降低 1.7%6.9%，需采用加固措施予以补偿，以达到安全之目的。4 结语拟建拦河闸工程关闭闸门后常水位条件下，将抬升水位 6.07 m，导致冯家湾滑坡地下水补给、径流和地下水位浸润线发生变化。经定性和定量分析认为：（1）降雨和拦河闸关闭蓄水对冯家湾滑坡影响作用明显，均导致滑坡稳定性下降。（2）冯家湾滑坡为暴雨+浮托减重型滑坡，拦河闸关闭蓄水及降雨均可能诱发滑坡启动复活。因此，有必要进一步对滑坡进行加固，以抵消抗滑力变化带来的影响，并应加强高铁桥墩位移监测、滑坡变形监测，以消除滑坡给郑万高铁运行带来的安全隐患。参考文献(References)：1 Paronuzzi P,Bolla A,Pinto D,et al.The clays involved in the1963 Vajont landslide:genesis and geomechanical 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Slope.Fengjiawan Slope is located in the east of ZhengzhouWanzhou High-speedRailway,whose stability is directly linked to the safe operation of the high-speed railway.In this paper,atheoretical analysis is made on the influence of the barrage project on Fengjiawan Slope,then the rigid limitequilibrium method is used to calculate and evaluate the stability,and the seepage-stress coupled stability ofFengjiawan Slope under different working conditions was calculated and analyzed by Geostudio.The resultsindicate that the overall instability of Fengjiawan Slope occurs with the rise of water level due to the water storedby the barrage project.Effective reinforcement measures should be taken to eliminate the potential safety hazardscaused by the landslide to the operation of ZhengzhouWanzhou High-speed Railway.Keywords:landslide；stability；rising water level；limit equilibrium method；Geostudio台晓晓，等：拦河闸蓄水和降雨对冯家湾滑坡稳定影响分析 207