许 倩，周 瑞，陈 源，李世贵，刘艺梁

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 湖北 宜昌 443002； 2.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 湖北 宜昌 443002；3.湖北省鄂西地质工程勘察院，湖北 宜昌 443000)

三峡库区具有复杂地质结构，岩体变形强烈，河谷严重切割，历来多发生地质灾害[1]。莫伟伟等[2]在库岸边坡水岩相互作用机理基础上，现有的滑坡稳定性分析方法进行总结分析，包括渗流场与应力场耦合分析，刚体极限平衡法及有限元强度折减法。郑颖人等[3]分析库水下降速度及土的渗透系数，并比较研究浸润面位置解析解和数值解对滑坡稳定性影响进行分析。董建军等[4]通过耦合应力场和非饱和-饱和渗流场，进行数值模拟降雨入渗坡体的孔压变化规律，进而分析降雨后边坡安全系数变化，坡体的稳定状态。张珂峰[5]分析库水位不同速率骤降并且在不同时刻拟合降雨,探讨滑体不同位置的孔压伴随时间的变化,分析探讨滑坡的渗透特性,认为当库水位骤降联合降雨会使滑体最危险。江强强等[6]以大型物理模型试验为手段，从时间空间两方面揭示库水位消落与降雨作用机制下，库岸滑坡失稳破坏，揭示三峡库区库岸滑坡的演化规律及孕灾机理。江儒洪等[7]则认为土体在危险面的基础上沿着滑动带发生失稳破坏。张龙飞等[8]则分别研究库水、降雨以及库水联合降雨对滑坡变形特征和稳定性影响，进而得出滑坡各个部位的运动特征。赵志阳等[9]重点研究三峡库区万州段区域的库岸边坡稳定性，建立Scoops 3D模型，基于库水位匀速变动情况，计算库岸水位线，探讨边坡稳定性时空分布。缪信等[10]通过研究库水位变动情况下浸润性的变化趋势，探究水位变动条件下滑坡变形稳定性。卢书强等[11]认为卧沙溪滑坡变形前期表现为牵引式、变形后期表现为推移式，重点分析其失稳机理。尚敏等[12]模拟降雨渗流场变化，量化降雨与滑坡体内的孔隙水压力的相关关系，进而探讨坡体变形机制与降雨强度的关联性，为极端降雨条件下，滑坡的变形研究提供借鉴。范庆来等[13]和薛聪聪等[14]分别研究了库水联合降雨作用下三门洞滑坡和绿草码头滑坡渗流场运动规律及稳定性分析。

库水位突变对滑坡体地下水渗流场和应力场产生影响，形成动水压力。本文从地质条件入手，采用理论分析和数值模拟计算方法，以白家包滑坡为研究对象，结合现场勘查监测资料,运用GeoStudio建立模型，用SEEP/W模块进行地下水渗流场求解计算，导入SLOPE/W模块求解其稳定性系数；导入SIGMA模块 建立耦合孔隙水压力变化的弹塑性模型求解分析，全面研究在库水位消落作用下滑坡渗流场、位移场以及滑坡体稳定性情况。

1 白家包滑坡的工程概况

白家包滑坡相距三峡大坝41.2 km，位于长江支流香溪河的右岸。滑坡发育于两山脊之间，整个滑坡呈现西高东低的趋势，剖面凹陷。白家包滑坡平面形态喇叭状，面积大约为22×104m2。后缘以基岩为界，高程约270 m，纵向长度约550 m，前缘呈弧形向香溪河突出。滑坡剪出口高程约126 m；平均厚度约45 m，体积约990×104m3；属于大型堆积体滑坡(见图1)。

图1 滑坡工程地质平面图

滑体主要由崩、坡积物及滑坡堆积物组成，包括粉质黏土及块碎石和碎块石土，呈现不规则状交替出现，其结构致密。滑带主要为粉质黏土混合碎石角砾，碎石成份以灰黄色砂岩和紫红色泥岩为主，含量为25%～30%，软—可塑，且含明显的磨光泥岩颗粒。从坡面边坡看起伏波动小，基岩产状260°∠30°。滑床的主要物质组成为泥岩和长石石英砂岩。

2 变形特征与诱发机制分析

2.1 变形特征

近年，基于对此滑坡的工程地质调查与专业监测，蓄水前期滑坡主要的变形集中在后缘出现弧形裂缝。自2009年之后，滑坡的变形集中在前部右侧的秭兴公路，路面出现拉裂变形，多次整修，路基下沉，形成凹形陡坎；前部右侧的消落带区域，形成小规模坍塌。2012年之后，滑坡左侧边界出现裂缝并不断新张，最终与滑坡后缘裂缝逐渐连接，并且延伸至前缘消落带。

滑坡右侧的变形大于左侧变形，左侧的前缘强度较高，由于节理裂隙的存在渗透系数也比较大，库水快速消落则形成的动水压力较小，并且左侧的阻滑段大于右侧，而右侧边界有较强的的砂泥岩堆积体，并且滑坡右侧的公路内侧存在汲水坑，因而有更大的孔隙水压力，有效应力相对减小，所以滑坡右侧变形大于左侧。

2.2 GPS监测数据分析

(1) 2017年10月以来，白家包滑坡实施自动监测，滑坡纵轴线上分别布设ZD1、ZD2、ZD3三处自动GPS变形监测点和一个基准点，如图2所示为自动监测点ZD1、ZD2、ZD3累积位移与库水位的关系曲线图(因2019年8月，监测点解算出现故障，缺失部分数据，图2中显示断开部分)。

(2) 根据自动监测数据(见图2)显示，监测点ZD1、ZD2、ZD3的位移变化与三峡库区水位消落有着积极的响应关系。自2017年10月自动监测初测到2019年10月，监测点ZD1、ZD2、ZD3累计位移分别达到125 mm、147 mm、210 mm。当库水位上涨与平缓运行阶段，滑坡相对较为稳定，位移没有明显的幅度改变。特别受库水位消落的影响，2018年与2019年6月份，滑坡位移变形剧烈的跳跃式抬升，表现为累积位移的陡坎段，位移增幅达到50 mm～120 mm；而库水位消落自每年2月份开始，分析认为滑坡体具有较弱的渗透性，使得滑坡呈现较为明显的滞后性变形。

图2 自动监测累计位移曲线

3 滑坡的数值模拟基于不同库水位消落速度

3.1 基本理论

SEEP/W的理论基础基于饱和与非饱和渗流的达西定律[15]：

q=ki

(1)

式中：q为单位渗流流量；k为渗透系数；i为水头梯度。

SEEP/W有限元公式中的控制方程为：

(2)

SLOPE/W模块能够考虑孔隙水压力的条件，通过Morgenstern-Price法，运算边坡的稳定性系数。

SIGMA/W模块选取弹塑性本构模型，材料模型设置为摩尔-库仑模型耦合孔隙水压力变化，模拟不同库水降速下滑坡体的应变变化。

3.2 计算模型参数的选取

根据工程地质特征，选取I-I′主纵剖面作为计算断面，其长度约为730 m，高度约为300 m(见图3)。对计算模型进行有限元网格划分，对滑坡设置网格属性，全局单元尺寸6 m，单元数为18 263个，单元节点数为18 202个。对滑带区域设置单元边界尺寸长度为1 m，滑带网格更为密集(见图4)。

图3 滑坡剖面图

图4 滑坡计算模型图

3.3 计算参数

依据滑坡勘察资料，类比附近滑坡相似岩土体，适当修正后确定滑坡的物理力学参数见表1。滑体基质吸力与体积含水率曲线如图5所示。

表1 滑坡物理力学参数

3.4 计算并分析工况

依据三峡库区库水位运行资料，考虑河谷的宽度不同使得水库容量不同，设定模拟工况如表2所示。通常情况下，第一阶段每年1月—5月，库水位由175 m消落至160 m，历时116 d；第二阶段库水位由160 m迅速下降到145 m。本文主要模拟库水位下降时，滑坡的渗流场以及稳定系数的变化，分析其位移变化。

图5 滑体非饱和渗透系数曲线

表2 库水位降落模拟工况

4 求解结果分析

4.1 滑坡渗流场分析

采用SEEP/W模块对不同工况下的渗流场进行模拟，计算模拟出库水位下降的渗流场变化，各个工况下浸润线变化如图6,图7所示。

图6 不同工况下浸润线的变化

图7 工况4浸润线随时间的变化

图6整体看，库水下降过程中，滑坡体前部浸润线明显下降而中后部的浸润线变化很小，滑坡体前缘受库水位下降影响较大。坡体内浸润线在库水位由175 m下降时开始出现弯曲。其中库水位175 m～160 m的坡体内浸润线弯曲倾斜度相较于160 m～145 m更缓一些，库水位由160 m降至145 m的坡体内浸润线更陡。据渗流模型模拟坡体内浸润线显示，库水位160 m～145 m消落阶段，库水位降速增大浸润线外凸趋势更为明显。滑体物质组成多为孔隙介质，以土质为主，透水性弱，孔隙水难以消散，地下水渗流受岩体阻碍排除缓慢，滑坡体前缘浸润线与库水位自由水面高程存在一定高差，在坡体内外水头差的作用下，坡体内的地下水不断向外渗流，对滑坡产生动水压力，形成瞬态渗流场，饱和度增加，基质吸力减小，黏聚力减小，抗剪强度下降，渗流流量增加，渗透力增加，浸润线外凸，稳定性降低。

图7为工况4在不同时段坡体内浸润线，水位下降初期，浸润线基本与库水位同步下降，当库水位到达160 m时，浸润线略显得滞后，向坡外倾斜。当库水降至145 m时，浸润线明显滞后于库水位下降，库水下降越快则坡内浸润线滞后于库水位线的变化越明显，其滞后性与库水位下降速率为正相关。坡体前缘浸润线与库水位自由水面高程存在一定高差，表明库水位下降速率大于坡体内地下水的渗流速度，坡内浸润线对库水位变化的响应存在一定的滞后，在坡体内外水头差的作用下，坡体内的地下水不断向外渗流，地下水位与库水位差增大，破坏了滑体系统渗流场与应力场维系的动态平衡关系，增加坡体重量或者下滑力，不利于滑坡稳定性。

4.2 稳定性模拟分析

通过SEEP计算得到的坡体内浸润线，模拟相应的渗流场，基于渗流求解导入SLOPE/W计算各个工况下的稳定系数。模拟结果(见图8)表明，滑坡稳定性系数减小与库水位下降密切相关。其中第一阶段175 m～160 m库水位降速均为0.13 m/d，持续116 d，稳定系数缓慢下降，由1.086降至1.019；第二阶段库水位到达160 m后，可以看出第二阶段稳定系数斜率明显大于第一阶段，稳定系数减幅增大。由此可见库水位消落速度越快，稳定系数曲线斜率越大。稳定系数降低加剧，整体堆积体稳定性计算结果最低达到0.973，滑坡由基本稳定演变为不稳定，因此对增大降幅后的堆积体稳定性应给予充分重视。库水位下降，坡体受到地下水排出而产生挤压坡体的压力，从而降低滑坡的有效应力与抗剪强度，同时库水位下降产生黏滞力向下牵引带动坡面土体，对前缘坡体进行侵蚀、浸泡、反复循环作用下，也会使滑坡稳定性降低。

图8 不同工况下滑坡稳定性变化

4.3 位移场的模拟分析

选取工况4，进行对比分析滑坡体的位移场。如图9、图10所示，为库水下降持续90 d(175 m～160 m库水位)时滑坡降速为0.13 m/d和120 d(160 m～145 m库水位)时滑坡降速为1.2 m/d滑坡的位移场。

图9 库水下降持续90 d滑坡位移场变化图

图10 库水下降持续120 d滑坡位移场变化图

由模拟结果可以得看出:随库水消落加速，则滑坡位移变形的范围增大。滑坡体前缘产生局部变形，在前缘高程180 m左右滑坡出现坍塌下滑，最大下滑位移约达到12 m，滑坡前缘150 m左右出现隆起。下部基岩没有位移，处于稳定。滑坡后部的位移主要出现在剪出口。当库水位骤降时，引起水位线下降使岸坡土体应力状态发生明显改变，打破原有的岸坡堆积平衡；同时作用在滑坡体的水荷载短时间减小，使得局部土体产生变形，形成不可恢复的屈服区域。滑坡体的消落带长期在库水的周期性浸泡下，库水影响水位以下的岩土体使其软化，抗剪强度降低，致使相应的岸坡位移逐渐增大。

5 结 论

(1) 白家包滑坡的地形地貌，物质组成是滑坡发生发展的基础，库水位周期性涨落，以及降雨等对滑坡的复活产生激励作用。其滑坡体结构致密，渗透性差，为其动水压力的形成创造了条件。

(2) 坡体内水的渗流相较于库水位下降呈现较强的滞后性，库水位消落越快则其滞后性越明显， 短期内形成较大水力梯度，渗流作用对滑坡体形成 “拖拽力”，同时库水下降改变滑坡体力学性质，降低滑坡的抗变形、抗破坏的能力；库水位消落速度增快，坡内浸润线滞后库水位消落幅度加大，较容易引起高渗透压力，滑坡稳定系数下降幅度越大。

(3) 滑坡体前缘是滑坡局部变形重点部位，与渗流分析中坡体内浸润线的变化相吻合，滑坡体的前缘消落带在库水位骤降的条件下，形成较强动水压力，且材料抗剪强度参数降低，打破原有的岸坡堆积平衡，岸坡局部土体产生变形，相应的岸坡位移逐渐增大。