降雨及库水位耦合作用下柏堡滑坡稳定性分析.pdf

2023年6 月3 0 日铁路地质与路基2023年第1期总第10 5期降雨及库水位耦合作用下柏堡滑坡稳定性分析刘维（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉4 3 0 0 6 3）摘要】长江流域三峡库区地质情况复杂、降雨频繁，尤其是库区蓄水运行以来，降雨及库水位耦合作用下，区域地质灾害多发。为深入研究三峡库区柏堡滑坡的稳定性，结合现场地质勘察、监测、滑坡历史资料，构建了柏堡滑坡“上推下托+软化泥垫”的地质力学模型，运用GeoStudio数值模拟软件分析了降雨和库水位对滑坡稳定性的影响。研究表明：降雨和库水位变化及二者耦合作用都会降低柏堡滑坡的稳定性，库水位变化对其稳定性影响相对较小，降雨比库水位变化的影响大得多，降雨及库水位耦合极大降低了滑坡的稳定性，Fs降幅达3 3.4%，致使滑坡发生失稳。【关键字三峡库区耦合地质力学模型滑坡具有多发性、不确定性、随机性等复杂特征，成为了危害程度仅次于地震的自然地质灾害，滑坡灾害的数量平均约占地质灾害总数的6 9.0 2%2 ，造成了严重的生命财产损失和生态环境破坏。长江流域三峡库区山峦众多，山高谷深、地质构造发育、地层岩性复杂，不同岩性交替分布且多含泥质软弱夹层3，再加上降雨频繁，特别是库区蓄水运行以来，库水位升降使得山体的水文地质及岩体力学性质发生不利变化，使得地质灾害多发，造成了巨大的人员伤亡和经济财产损失。持续降雨所引发的滑坡越来越多，占诱发因素的4 0%左右。库水位变化所引发的滑坡也不胜枚举，如举世瞩目的意大利瓦依昂滑坡。库区滑坡灾害成为了世界性的重点研究课题。现阶段已有大量学者对库水位变化、持续性降雨以及地下水位变化诱发滑坡进行了大量研究分析，尤其是在对降雨和库水位耦合作用下的库岸滑坡稳定性研究有了丰富的研究成果。连志鹏等4 研究了西壤坡滑坡在十年一遇降雨条件下和库水以2 md-的速度上升的工况下的渗流稳定分析，郑慧等5数值模拟稳定性运用数值模拟分析了二者耦合情况下的暂态渗流场变化规律。张桂荣等建立了地质气象耦合的滑坡预警模型，Brand等7 对香港地区滑坡与累计降雨量的关系进行了统计分析。向玲等8 、罗红明等9 和魏学勇等10 运用数值模拟分析，都得出库水位变化不利于滑坡的稳定性。Hendron等研究了瓦依昂水库库岸的稳定性在库水抬升情况下降低了约20%。卢书强等12 以树坪滑坡为例，认为库水位下降产生的指向坡外的渗透动水压力会导致滑坡稳定性降低。滑坡灾害防治预警早已成为库区地质灾害防治工作的重中之重，刻不容缓。探究降雨及库水位等致滑因素对库岸坡体稳定性的影响具有重要的现实意义。本文基于“三峡库区秭归县柏堡滑坡勘察设计”项目，结合现场地质勘察、监测、滑坡历史资料，构建柏堡滑坡的地质力学模型，采用数值模拟对其在降雨及库水位作用下稳定性进行深人分析，对三峡水库此类滑坡的实时监测、防治预警具有一定的工程和学术指导意义。43中国1滑坡工程地质概况柏堡滑坡位于宜昌市秭归县郭家坝镇王家岭村1组（三峡库区屏障区），地理坐标110404 2 E，3 0 550 1N，于2017年10 月3 日发生险情，秭归县人民政府第一时间组织并开展了应急处置预案。滑坡处童庄河右岸桐树湾大桥桥头，距三峡大坝坝址约3 3 km，距千将坪、杉树槽滑坡约8km（如图1所示）。滑坡区有S334省道、村道通过，交通较为便利。滑坡整体平面形态呈“长条口袋状”，剖面形态呈折线型（如图2 所示）。滑坡左周界以岩质陡坎为界，右周界以罗家沟为界，后缘以高程3 0 5m处的岩质陡坎为界，前缘位于17 5m淹没线以下、直抵童庄河河床，高程约150 m。该滑坡纵长约400m，后缘宽约8 0 m，前缘宽约17 0 m，面积约4.7 10*m，平均厚度约15m，体积约7010m。勘察表明3 1，滑坡区的地层岩性主要为第四系残坡积层（Q&dldl）、崩坡积（Qa l t d l）、人工堆积（Q4m）和滑坡堆积湖北省归县武汉湖北省巴东县温乡干将拌滑坡自州镇青干河一沙镇溪镇柏堡滑坡三峡水库图1柏堡滑坡地理位置图层（Q4del）形成的碎块石、含碎石黏土及块裂岩体，厚约0 5m，渗透性较好；以及侏罗系下中统聂家山组（Ji-2n）泥质粉砂岩，呈紫红色，其岩层倾向约3 4 0，倾角4 0 7 0。岩体较破碎，发育两组垂直结构面，产状分别为4 3 L90和10236。下部中风化岩体结构紧密有一定的隔水性，岩体完整性较好，具有良好的隔水性，强度较高，但遇水易软化，易风化破碎（如图3 所示）。N010长江峡大坝稀妇县宜昌市A3#后源拉张装2#1#拉裂卡制烈20Qdel滑坡堆积体Qelld残坡积士Jn保罗系裁家山纽滑坡边界及编号44童QESQ!变形推测鲜出口袋缝交形漫动方间剂面线145浴层产状175水位线区焗树汽大桥A教驻方向河175m水位线图2 柏堡滑坡工程地质平面图庄高程(m)A300280260240220图例200合薛石秸士碎装光180泥质粉砂光160滑动面滑坡前缘水位线14050滑坡区处亚热带季风气候区，气候温润，雨量充沛，年平均气温18，年平均降雨量14 3 9.2 mm。滑坡区为构造侵蚀中、低山地貌类型，根据测绘调查，滑坡所处区域地下水含水岩组，且滑坡区为一较封闭汇水地形。滑坡区地震基本烈度为VI度，受人类工程活动较为强烈。2滑坡地质力学模型构建2.1内在地质致滑分析参考三峡库区地质资料可知，侏罗系红层遍布三峡库区，红层软岩特点是遇水易软化，崩解泥化形成泥化夹层软弱结构面，工程性质劣化4，这构成了顺层岸坡沿层滑动的“泥垫”。顺层滑坡地质灾害常见于罗系地层中，如库区的千将坪滑坡、杉树槽滑坡、树坪滑坡等。柏堡滑坡的地层岩性为侏罗系聂家山组泥质粉砂岩，暴雨期或持续降雨期，降雨下渗至松散土类与基岩接触面时，由于透水性的差异，可能会在基岩面产生浮托力，形成滑带。在地下水的侵蚀浸泡作用下，泥质软岩不断破碎并泥化，最终形成泥化夹层，形成软化“泥垫”。加上滑体松散堆积物，平均厚度约15m，含有较多的碎块石，结构较松散、透水性强，利于地下水人渗，增加坡体自重、软化土体，促使坡N11E后缘拉裂缝实测水位线100高程（m)A300280260240220$334200软弱夹层滑带制树造大桥水位160完整基岩滑床(342237)150200图3柏堡滑坡典型工程地质剖面图体变形。柏堡滑坡区属中低山构造侵蚀河谷滑坡地貌，上缓下陡，平均坡度3 0，处在顺向坡之上。滑坡前缘为童庄河，多雨季节沟内水流急，掏蚀滑坡前缘，形成利于失稳的有效临空面。滑坡左右两侧长期受流水冲蚀形成深切沟，造成滑坡左边界无侧向约束，前缘边界无阻挡，逐渐形成了陡立悬空的自由边界，后缘又发育有四条大型贯穿裂缝，这些为滑坡失稳提供了有利的地形条件。2.2外在环境致滑分析气象资料显示，滑坡前长期持续的强降雨使得地表水人渗，使得滑体和滑带近乎饱和，贯通裂隙充水，导致了滑体重度增加，裂隙持续发展，滑带土基质吸力消失，抗剪强度大大降低，同时孔隙水压力增大、渗透力增大，后缘张裂隙中形成静水压力推动滑体滑动，后部滑带与隔水层接触面形成上顶的扬压力托起滑体从而产生下滑力。滑坡体内地下水位线因库水位上升而急剧上升，在后缘裂缝处形成很大的静水压力。与此同时，被库水淹没的前缘阻滑段滑体受到的浮托力增大，减小了阻滑段的阻滑力。长江水位一般在156 m左右，蓄水水位为17 5m，防洪水位为14 5m。在水库正常运45180140250300350400行下，滑坡大部分处14 517 5m水位急剧变幅带内，库水浸泡下使得岩层软化，且动水压力不断发生变化，对滑坡稳定性均不利。12010080(）喜里刻日6040200ST/61/661/6IZ/6/6SZ/6LZ/66z/61/OTE/OTS/OTL/OT日期（月/日）图4 柏堡滑坡发生前后降雨监测数据由图4、图5滑坡发生前后降雨和库水位统计数据可知，累计降雨量增速最快且达到了3 3 3.6 mm的同时库水位累计上升6.5m，且在滑坡开始失稳变形的当天（2 0 17/10/3）的库水位上升值（+1.6 m）和日降雨量（9 9.7 mm）同时达到最大值。持续强降雨和库水位快速上升两种情况的同时出现，比单高程(m)300A280260240220图例200含碎石粘土士碎装岩180泥质粉砂岩160滑动面滑坡静缘水位线14003滑坡数值模拟分析3.1数值模型构建持续强降雨和库水位变化及二者耦合作46因素强降雨或库水位快速上升更大程度地改变了滑坡的地下水渗流状态，从而改变了滑坡整体的受力状态，致使滑坡发生失稳。2176一口变化量一库水位6001.599.70477.1一降用量（mm）-累计降雨量（mm）333.6运缘拉裂缝静水压力扬压力50100图6柏堡滑坡失稳地质力学模型剖面示意图用对柏堡滑坡失稳的影响程度到底有多大，这个问题值得进一步分析探明。在构建的地质力学模型基础上，结合滑坡发生前后3 0天内的实际降雨数据和库水监测资料（如图17417250017040013000.52000100-0.56/01I/OT渗透力软弱夹层清带完整基岩滑床(342/37)150200(u)168166164162160日期（月/日）图5柏堡滑坡发生前后库水位变化数据综上所述：柏堡滑坡的失稳具有内在的软化“泥垫”和两个外在动力源，如图6 所示。松散滑体易集水渗水，前缘库岸陡坎和右侧深切冲沟构成的两面临空地形边界、含软弱泥化夹层的“泥垫”，两组相互垂直的结构面切割岩体；持续降雨（秋汛）和库水骤升的联合作用下改变了滑坡的地下水渗流状态，从而改变了滑坡整体受力状态，诱发柏堡滑坡失稳。N1IEQ.，亚力J小i.2n250高程（m)A300280260240220S331200180160140300350400月2 日连续的强降雨，7 d内累计降雨量达289.3mm，使稳定性系数F,降低了0.3 4 7，接下来10 多天持续低强度间断降雨，稳定7所示），根据非饱和渗流理论和非饱和土抗剪强度理论，运用GeoStudio数值模拟软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块，研究降雨和库水位对滑坡稳定性的影响。根据前文所建立的柏堡滑坡地质力学模型，简化建立渗流稳定性分析数值模型（如图8 所示）。设置三种工况：降雨工况、库水位变化工况、降雨及库水位耦合工况，进行滑坡稳定性定量动态分析。1201降雨量（mm）100一库水位（m）(m）吾里日806040200S1/6图7柏堡滑坡发生前后降雨及库水位变化数据330330310310290290270270250250(）甜(山）材料2230210190170150130模型中岩土材料为，材料I为坡积层碎石土滑体，材料为碎裂岩体滑体，材料为泥化夹层滑带，材料IV为完整基岩滑床。通过现场原位试验、室内土工试验以及工程地质类比和参数反演综合确定滑坡岩土体的物理力学参数，如表1所示。3.2降雨工况下稳定性分析由模拟可得累计降雨量与滑坡稳定性关系图，如图9 所示。在降雨单因素的影响下，柏堡边坡的稳定性系数F，随着累计降雨量增长而减小，且降低幅度较大。前10d内零星降雨稳定性系数F由1.4 9 6 降表1岩土体物理力学参数材料I天然重度21.8/(kN/m)饱和重度/(kN/m)粘聚力/kPa内摩擦角/（）35弹性模量/MPa80176泊松比174172170168166164162L1/661/650图：柏堡滑坡数值模拟模型IV251922.325.5183038900.350.30饱和体积含水率0.286残余体积含水率0.025饱和渗透系数1.75E-059.65E04至1.4 8 9，降幅极小，仅为0.4%，未对滑坡稳定性产生大的影响。但9 月2 6 日至10/6Sz/6L/662/6时间（月日）达科林料41001502619.526.520352240501000.320.250.2330.3670.0150.1365.8E-07E/OTS/OTL/OT200250距离(m)6/01I/OT300/01350SI/OT性系数F继续降低，降至近最小值1.0 2 1，此时滑坡处于欠稳定状态。1.62302101901701501304006001.55001.4400(uu)1.3333.61.2一稳定性系数1.1-累计降雨量（mm）10.90.8+ST/6L1/661/61亿/6忆/6SZ/6LZ/662/6I/OT/OTS/OTL/OT6/0T日期（月/日）图9累计降雨量与滑坡稳定性关系图3.3库水位变化工况下稳定性分析由模拟可得库水位变化与滑坡稳定性关系图，如图10 所示。库水位在16 0 17 5m之间按照实时统计水位变化时，仅在库水位单因素影响下，稳定性系数F。总体变化幅度都很小。前10 d库水位由16 3 m升至16 6 m时，日上升速率为0.3 md，变化较慢，473002001.02110001T/OT/OT/OT稳定性系数F由1.4 8 9 下降至1.4 4 7，降幅较小，为2.8%。库水位的上升速率从第11天开始慢慢加快，最快上升速度达到1.6 2md-时，5d时间库水位累计上升6.54 m，稳定性系数F迅速降低为1.3 9 7，滑坡仍处于稳定状态。因为滑坡前缘剪出口高程为160m，且前缘滑体较薄，因而滑坡稳定性受库水位变化影响程度较小。1.6172.351.5一稳定性系数一库水位1.31.2图10 库水位变化与滑坡稳定性关系图3.4降雨及库水位耦合工况下稳定性分析由模拟可得降雨及库水位耦合与滑坡稳定性关系图，如图11所示。分析可知在降雨和库水位耦合作用下，稳定性系数F。相对于单因素影响下的稳定性系数降幅下降速率更快且降幅更大。在前15d滑坡稳定性情况大致与仅考虑降雨影响下的稳定性差别不大，但9 月2 9 日至10 月5日持续一周时间内，尤其是在10 月3 日这一天，单日降雨量达到了9 9.7 mm，库水位日上升速度达到1.6 2 md-l。由于强降雨与库水位快速上升相互耦合作用，且单日二者均达到峰值，使得滑坡稳定性系数F急剧下降，且下降速率很大，累计降低达0.4 9 4，降幅为33.4%，F。急速降至0.9 8 6，达到不稳定状态，滑坡整体发生失稳。4结论本文结合相关资料对三峡库区柏堡滑坡进行了深人研究，构建了其地质力学模型，在降雨与库水位变化作用下对滑坡稳定性进48行了数值模拟分析。所得结论如下：600500400300200100176S/61741721701.397168166164162日期（月/日）1761741.481.4391.3251.292一累计降雨量（mm）一库水位（m）一稳定性系数6Z/6图11降雨及库水位耦合作用与滑坡稳定性关系图（1）柏堡滑坡具有红层性质岩性，发育有两组相互垂直结构面切割完整岩体，且构造裂隙发育，促进了有效临空面的形成，加上持续降雨及库水位变化不利因素的诱导，为滑坡失稳创造了有利条件。（2）在研究柏堡滑坡工程地质条件、物质组成、空间形态、周界、结构特征以及变形发展史的基础上，分析滑坡发生前后的内在地质致滑因素和外在环境致滑因素，构建了诱发滑坡的“上推下托+软化泥垫”地质力学模型，柏堡滑坡为推移式中型/厚层/顺层/岩土质/浮托力+强降雨诱发型/库岸滑坡。（3）降雨和库水位变化及二者耦合作用都会降低柏堡滑坡的稳定性，库水位变化对其稳定性影响较小，降雨比库水位变化的影响大得多，两种因素的耦合更加降低了滑坡的稳定性，F.降低达0.4 9 4，降幅达33.4%，导致滑坡发生失稳。（4）随着柏堡滑坡后续应急治理工程施工逐步的开展，库水位的周期变化，以及降雨、人类工程活动等因素的影响，建议加强其实时监测、稳定性分析、预报预警工作，最大限度的减小滑坡破坏对生命财产安全造成的威胁。参考文献：1张友谊，胡御文，朱海勇.滑坡与降雨关1721701.1991681.0921.0010.9860.985L7/667/6时间（月日）166164162L/O16/一ST/OT系研究展望.自然灾害学报，2 0 0 7,16(1):104 108.2 中华人民共和国国家统计局.2 0 17 中国统计年鉴M.北京：中国统计出版社，2 0 17.3 杨文琦，周成，王林，等降雨作用下考虑膨胀推力的膨胀土边坡稳定性分析.防灾减灾工程学报,2 0 18,3 8(5):8 7 4-8 8 0.4 连连志鹏，谭建民，闫举生，等.库水位变化与降雨作用下库岸斜坡稳定性分析J.安全与环境工程,2 0 11(2):14 -17.5 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