张　岩　陈国庆　张国峰　潘皇宋　何　舰

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)　成都　610059)

(②四川省交通运输厅交通勘察设计研究院　成都　610017)



库水位变化对观音坪滑坡稳定性影响的数值分析*

张岩①陈国庆①张国峰①潘皇宋①何舰②

(①地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)成都610059)

(②四川省交通运输厅交通勘察设计研究院成都610017)

为深入探究水库水位变化对滑坡稳定的影响，以西南地区某库岸滑坡为例，在探明滑坡工程地质条件和成因机制的基础上，通过建立三维数值模型来分析流固耦合作用下库水位变化对库岸滑坡稳定性及滑动模式的影响。通过数值计算，获得水库天然状态、初期蓄水、水位上升和下降条件下滑坡体内塑性区分布和x方向位移变化情况。结合数值计算结果和滑坡实际变形破坏规律综合分析库水位变化对库岸滑坡稳定性的影响。分析结果显示，水库初期蓄水造成滑坡体变形开裂，使坡体处于不稳定状态；水位上升对滑坡稳定性影响较小，水位下降后滑坡稳定性大幅降低，极可能发生失稳破坏；水库蓄水后坡体滑动模式由推移式向牵引式转变。

库岸滑坡水位变化三维数值分析流固耦合滑动模式

0　引　言

大型水库和水电站的建设必然会破坏区域内原有的地质环境平衡，经过长时期的地质环境调整和演化后再达到新的平衡状态。而地质环境的调整和演化往往伴随有大量地质灾害的形成及演变。随着大量水利水电工程的兴建，作为滑坡地质灾害种类之一的库岸滑坡越来越成为人们关注和研究的热点。水库蓄水通常会诱发滑坡，是形成库岸滑坡最主要原因之一，近年来，水库水位变化对库区滑坡稳定性的影响越来越受到国内外学者的关注(Schuster，1979；中村浩之等，1990；张倬元等，1994；Chen et al.，2013；陈国庆等，2014；王力等，2014)。目前，库岸滑坡的失稳机制、类型以及蓄水后的稳定性等方面已有大量研究成果，如汪斌等(2007)在流固耦合理论基础上进行工程实例的数值模拟，探讨了考虑应力场与渗流场耦合作用的库岸滑坡变形失稳机制；王志旺等(2004)在滑坡影响因素敏感性分析的基础上结合滑坡可靠度计算及位移监测结果，进行了库岸滑坡稳定性研究；殷跃平(2005)在数据统计分析的基础上系统的研究了三峡库区边坡的结构及失稳模式。关于库水位变化对库岸滑坡稳定性影响方面的研究也有很大进展，如罗红明等(2008)利用有限元数值计算，研究了库水位上升和下降对库岸滑坡稳定性的影响; 柳群义等(2008)从库水位升降速率和不同滑坡体的渗透性入手，探讨了库水位变化时滑坡体孔隙水压力的动态响应情况; 王明华等(2007)采用剩余推力法和数值模拟方法，分析了各因素对库岸滑坡的影响并对蓄水后库岸滑坡的变形模式进行了模拟分析。王俊等(2002)通过研究提出了劈楔型、倾倒型、倾倒-反翘型和卸荷型这4种边坡的变形类型和机制；吴树仁等(2006)研究提出了库岸滑坡滑体控制、滑动面控制及两者组合控制这3类宏观变形机理。刘才华等(2005)和张均峰等(2004)认为库水位的升降是致使库岸滑坡产生失稳破坏的最主要原因，库水位升降时产生的孔隙水压力作用及渗流作用是库岸滑坡发生失稳的关键因素。尽管目前已对库岸滑坡开展了较多研究，但是关于库水位变化条件下的库岸滑坡失稳破坏的三维数值模拟研究还相对较少，因此，有必要加强该方面的研究。

本文研究的观音坪滑坡位于金沙江左岸屏山县新安镇下游约1.2km，该滑坡于向家坝水库初期蓄水过程中形成，位于大坝上游55km处。滑坡体上有省道S307通过且与大桥相连(图1)，2012年10月，水库蓄水至初期水位354m期间，滑坡体发生变形、开裂，若该滑坡体滑动，将对省道S307、观音坪大桥以及过往的车辆、航船以及行人的安全产生较大隐患。为了研究初期蓄水后水位上升及下降对该库岸滑坡稳定性的影响，在探明滑坡区内工程地质条件及滑坡成因机制的基础上，本文结合ANSYS和FLAC3D有限元软件建立三维数值模型，探讨了库水位变化对该库岸滑坡稳定性的影响。

图1　滑坡全貌(初期蓄水)Fig.1　Landslide panorama(initial filling)

1　工程地质概况

1.1地形地貌

图2　滑坡地质平面图Fig.2　Landslide geological plan

1.2地质构造

滑坡位于近南北向展布的老林口向斜东翼，其W翼稍陡，E翼较为舒缓，向斜轴线与金沙江河段大角度相交。滑坡区岩层总体为单斜构造，岩层产状为N75°～80°E和NW∠3°～5°，局部岩层倾角较陡约为10°～15°。滑坡区岩层连续性较好，与岸坡构成反向坡，主要的结构面是层间软弱破碎夹层和节理裂隙。

1.3地层岩性

滑坡区地表覆盖层较薄，边坡与冲沟有大量基岩出露。残积物及坡积物在滑坡体地表均有分布，其主要由砂质黏土夹碎石组成，厚度为0.5～1.5m。滑坡体下伏的基岩为侏罗系遂宁组(J2sn)粉砂质泥岩夹杂少量泥质粉砂岩。滑体底部破碎带主要为厚0.2～7.9m的紫红色粉砂质泥岩碎块碎屑，边坡的工程地质剖面图(图3)。

图3　边坡工程地质剖面图Fig.3　Slope engineering geological profile

1.4水文地质条件

滑坡区域位于四川盆地亚热带气候西部边缘区，受四川盆地气候影响，雨量充沛且集中；并且由于本区自第四纪以来地壳强烈抬升，以金沙江为主的地表水系强烈深切，造成地形陡峻，河谷狭窄，地表径流条件良好，有利于地下水的循环交替，本区地下水具有水量丰富、坡降大、埋藏深的特征。

2　滑坡特征与成因机制分析

如图1所示，滑坡体坡顶高程约为445m，坡体宽约为300m，滑坡体后缘拉裂缝与大坝的初期蓄水位354m的高差约为91m，坡体前缘剪出口被库水所淹没，滑坡后缘拉裂缝(图4)。滑坡体面积约为4.68×104m2，体积约为89×104m3。水库蓄水至初期水位354m后，滑坡体周边可见弧形裂缝，滑坡体东侧的变形较西侧大，上部的变形较下部大。西侧冲沟以挤压剪切变形为主，边坡顶部及东侧以张拉变形为主。

图4　滑坡后缘拉裂缝Fig.4　Landslide trailing edge cracks

地层岩性及控制性节理面是滑坡形成的根本原因。滑坡区域最发育的一组节理基本平行于坡面，产状为N63°～85°W，SW∠45°～63°，该组节理是构成滑坡体后缘滑面的主要结构面。滑坡体区还有一组产状为N60°～87°W，SW∠25°～30°的缓倾角节理，充填方解石与少量泥膜。此外，滑坡区域粉砂质泥岩中破碎夹层较发育。滑坡底滑面由顺坡向的缓倾角节理面、层面节理以及层间破碎夹层复合构成，该滑坡失稳模式属岩质切层滑动破坏。

水库蓄水则是诱发该滑坡最直接的原因，初期蓄水后地下水位上升，受地下水软化作用，滑坡岩土体物理力学性质降低，特别是滑带，在水的作用下软化并且这种软化具有不可逆性。同时，滑坡体前缘受金沙江江水的浸泡软化、冲刷和掏蚀，岸坡后退使坡体临空面增大，事实上向家坝水库蓄水至初期水位354m时，临水库边坡就有多处塌岸，塌岸高度一般在2～5m之间，这些因素进一步增大了滑坡失稳的可能性。同时，水库蓄水会造成坡体的悬浮减重效应，坡体水下部分受浮力作用会抵消部分滑坡体的重量，导致滑坡体坡脚处的有效重量减少，使整个坡体的稳定性降低。

高中生所面临的学习任务繁重且时间过渡漫长，与此同时学生将大量时间都投入课堂学习，因此课堂成为学生获取知识并提升自身学习能力的主要场所之一.分析当前的高中化学课堂，大部分学生对于高中化学的学习抱有“言听计从”的态度，即面对教师提出来的观点和理论并没有自主深入探究的意识.优秀的学生不仅要具备良好的学习习惯，同时还应有自我约束和自我管理的能力.自我管理能力在课堂学习中显得尤为重要，能否合理管理自身注意力、自身学习态度等对课堂学习质量影响深远.因此教师要尝试在课堂教学中唤醒学生的自我管理意识，进而逐步引导他们在课堂上实践自我管理能力.

表1　数值计算参数

Table 1　Numerical calculation parameters

地层天然密度/kN·m-3弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/MPa渗透率/m2·Pa-1·sec-1孔隙率天然状态饱和状态天然状态饱和状态滑坡体25.80.850.2920.3170.20.1127×10-110.35滑带24.80.750.2918150.10.069×10-110.40风化层26.51.050.2624.221.80.350.251×10-110.25基岩27.040.1540—2———

3　基于流固耦合的三维数值模拟分析

3.1建模及计算

为了进一步分析验证边坡变形破坏机制，探究水库蓄排水对边坡稳定性的具体影响，本文运用FLAC3D开展了流固耦合作用下库水位变化对库岸滑坡稳定性影响的三维数值模拟分析。在应用FLAC3D的流固耦合模块计算时，岩土体被视为多孔介质，流体在孔隙介质中的流动在依据Darcy定律时同样满足Biot方程。计算时首先采用渗流程序模块计算单场的渗流场，再用应力场程序模块进行迭代计算，然后再将应力场的计算结果代入到渗流场中来进行流固耦合计算，这样就得到了应力场影响下的渗流场。经过这两个模块程序的交互式反复迭代，最终获得双场收敛条件下的应力场及渗流场。

利用ANSYS软件建立滑坡区域三维模型，划分网格后导入FLAC3D，采用摩尔-库仑准则进行计算。如图5所示，模型尺寸顺河流方向取宽度530m(X方向)，临河方向取长360m(Y方向)，最大高度254m(Z方向)，模型网格划分为四面体，共60516个节点，332718个单元。模型边界条件为侧面和底面法向约束，上表面自由。

图5　滑坡区域三维数值计算模型Fig.5　Three-dimensional numerical calculation model of landslide area

图6　监测剖面及测斜孔布置Fig.6　Monitoring section and dip hole layout1.滑坡体；2.滑带；3.风化层；4.基岩

图7　不同水位坡体塑性区分布图Fig.7　Plastic to distinguish the different water level slope layouta.天然状态(工况1)；b.初期蓄水354m(工况2)；c.正常蓄水380m(工况3)；d.水位从380m下降到354m(工况4)

为了便于分析滑坡体内部的变形破坏，取滑坡体中部y=250m剖面作为分析剖面，在剖面上滑坡体后缘和前缘分别布置测斜孔ZK1、ZK2(图6)。根据实际情况，考虑以下4种工况进行计算，工况1：水库未蓄水时的天然非饱和状态；工况2：库水初期蓄水354m；工况3：库水位从初期蓄水水位354m骤升至正常蓄水水位380m；工况4：库水位从380m骤降至354m。结合地质资料，数值计算参数(表1)。

3.2计算结果分析

根据数值计算结果，获取4种工况下塑性区分布情况(图7)及安全系数变化图(图8)。由图7a可知，工况1条件下，水库未蓄水，边坡处于天然非饱和状态。此时，滑带的塑性区零星出现，此工况下的滑坡稳定安全系数为1.67，边坡整体处于稳定状态。

由图7b可知，工况2条件下，水库初期蓄水高程为354m时，滑带中下部的塑性区较明显并且已贯通滑坡前缘，滑坡剪出口位于库水位以下，滑坡前缘有明显的下滑趋势，滑坡后缘处于张拉状态，这与前文中分析的滑坡成因机制是一致的。此工况下的滑坡稳定安全系数由工况1的1.67骤降至1.27，降幅为30%。这是因为初期蓄水后，滑坡地下水位上升，滑坡土体受地下水软化及悬浮减重作用发生变形开裂并处于欠稳定状态。可见，库区初期蓄水会较大地降低坡体的稳定性，需引起注意。

由图7c可知，工况3条件下水库蓄水至正常水位380m后，滑带的塑性区向滑坡体后缘发展，滑坡体中部水位以下的滑体出现塑性区，滑体前缘下滑带没有出现塑性区，滑坡后缘存在拉裂区。这是因为坡体的地下水位线随着水位上升而上升，进而使得滑坡中部的滑体和滑带进一步软化。而坡体前缘则由于库水产生的较大静水压力反压坡脚，使滑坡前缘的下滑趋势受阻，故滑坡塑性区主要集中在坡体中后部。此工况下的滑坡稳定安全系数由工况2的1.27略增至1.29，增幅为1.6%。可见，水位进一步上升对滑坡体后缘稳定性不利，对滑坡体前缘稳定性有利，对滑坡体整体稳性影响较小。在水库蓄水至正常水位后，滑坡后缘和中部可能出现局部失稳，滑坡前缘相对稳定。

由图7d可知，工况4条件下水位从正常蓄水高程380m下降到初期蓄水354m后，整个坡体的塑性区几乎完全贯通，形成贯通的滑带，滑坡顶部出现拉裂缝区。这是因为水位骤降时坡体地下水位线下降滞后，作用在滑坡中部的静水压力消失，这使得坡体内部的超孔隙水压力和渗透力指向坡外，产生向外的拖拽力，对滑坡体稳定性十分不利。此工况下的稳定安全系数为由工况3的1.27骤降至1.06，降幅为17%。可见，水位骤降对滑坡体稳定性降低作用明显，此时滑坡体的安全系数接近临界值，随时会出现整体失稳。

图8　不同工况下安全系数变化图Fig.8　The safety factor variation under different conditions

为进一步分析库水位升降对滑坡的影响，根据测斜孔监测数据，得到库水位由354m上升至380m(工况2)和库水位由380m下降至354m(工况3)时坡体X方向水平位移增量随深度变化曲线(图9)。可以看出，滑坡体在孔深20m处有明显的滑移，据此可推断滑坡滑面位于孔深20m附近处；水库初期蓄水后，库水位上升引起的滑坡体水平位移增量很小，且滑坡后缘较滑坡前缘位移增量较大。即水位上升对滑坡后缘位移影响大于滑坡前缘，但总体上引起的位移很小；库水位下降引起的滑坡体水平位移增量较大，且滑坡前缘水平位移增量远大于滑坡后缘，即水位下降对滑坡体位移影响较大，且滑坡前缘水平位移增量大于滑坡后缘，这很可能导致滑坡体失稳破坏。

图9　测斜孔X水平方向位移增量Fig.9　Dip hole horizontal displacement on the X deltaa.ZK1；b.ZK2

综合以上分析可以看出：滑坡体由天然状态到蓄水后状态其稳定性会大幅度的降低；相同水位情况下，库水位上升对滑坡体的稳定性影响较小，相反，库水位下降则会较大幅度降低滑坡稳定性。可见，水库初次蓄水及库水位骤降情况下极有可能引起滑坡的整体失稳破坏，需要特别注意和及时防范。

4　库水位变化对滑动模式的改变

水库蓄水会改变坡体的滑动模式(朱冬林等，2002；罗晓红等，2003；包太等，2004；卢永兴等，2014)。水库蓄水前，大多数滑坡的抗滑段位于下部，上部由于后缘失稳等原因会向下滑动并推动下部岩体滑动，形成推移式滑坡，表现出滑带变形由后缘向前缘传递的特征。水库蓄水后，滑坡下部的抗力锁固段由于悬浮减重作用发生滑动变形，滑体上部由于失去支撑而变形滑动，形成牵引式滑坡，表现出滑带变形由前缘向后缘传递的特征(图10)。

图10　蓄水后滑动模式改变Fig.10　Sliding mode change after the impoundmenta.推移式；b.牵引式

为探究库水位变化对滑坡滑动模式的改变情况，文中分别对4种工况下滑坡体X方向位移等值线云图(图11)进行分析。可以看出，蓄水前(工况1)坡体处于天然非饱和状态，此时坡体变形主要集中于滑坡后缘，以张拉破坏为主，表现出推移式滑坡变形由后缘向前缘传递发展的特征。蓄水后(工况2、工况3和工况4)，坡体前缘受水体软化和悬浮减重效用影响，变形由后缘转移到前缘，滑动模式由推移式转为牵引式。可见，水库蓄水后滑坡体的前缘部位将会成为影响坡体整体稳定性的关键部位，在滑坡监控量测及治理过程中应该着重考虑。

图11　蓄水前后坡体X方向位移等值线图Fig.11　The X direction displacement of slope body contour map before and after impoundinga.未蓄水(工况1)；b.初期蓄水354m(工况2)；c.正常蓄水380m(工况3)；d.水位从380m下降到354m(工况4)

分析滑坡体X方向的最大位移量变化情况(图12)，可以看出，滑坡未蓄水(工况1)时X方向的最大位移量为4.1cm，位于滑坡后缘；蓄水至354m(工况2)后，X方向的最大位移量出现在坡体前缘为3.6cm；水位由354m升至380m(工况3)时X方向的最大位移量为3.4cm，相比工况2有所降低，降幅为5.6%，这与图7中由工况2到工况3时安全系数略微增加的变化情况相符合，都是由于库水位上升导致坡体所受静水压力增加进而反压坡脚所致；水位由380m骤降至354m(工况4)时X方向的最大位移量骤增至6.9cm，相比工况3大幅增加，增幅达51%，这也与图8中由工况3到工况4时安全系数较大幅降低的情况相符合，都是由坡体内部的超孔隙水压力和渗透力产生的指向坡外的拖拽力导致。

总体来看，水库蓄水与否对滑坡滑动模式有很大影响，通常蓄水前为推移式滑坡，而蓄水后会转变为牵引式滑坡。库水位骤降对滑坡稳定性的影响大于库水位上升的影响。

图12　4种工况下X向最大位移变化图Fig.12　The X direction maximum displacement variation in four conditions

图13　岸坡前缘受库水侵蚀破坏Fig.13　Frontal bank slope by water erosion

5　讨　论

与普通滑坡相比，库岸滑坡最大的特点是其受水的作用影响较大，基于这种考虑，本文从水这一主导因素入手，在库岸滑坡稳定性分析中，应用流固耦合的模拟方法对水-岩的相互作用进行数值计算，将水作用耦合到滑坡岩土体的力学计算中来探究库岸滑坡的破坏机制和演化机理。

库水和库岸滑坡的相互作用机制是十分复杂的，受不同水文环境和工程地质情况的影响，库岸滑坡受库水的影响也不尽相同(邓宏艳，2011)，具体表现在：

(1)库水对库岸滑坡体的浅表改造作用。库岸滑坡前缘坡体位于库水位涨落变化带上，受库水冲刷及浪蚀作用影响，坡体前缘部位不断发生坍岸破坏，致使岸坡前缘不断向后缩减，导致滑坡前缘临空面不断增大，进一步加大了坡体失稳的概率。

(2)库水对库岸滑坡体岩土性质的弱化作用。水位线以下部位的坡体受水长期浸泡处于饱和状态，滑坡岩土体的物理及化学性质产生较大变化：受库水作用，岩土体会产生泥化及软化效应；由于可溶性盐的遇水溶解，滑坡岩土体会发生潜蚀及溶蚀；特殊性质的岩土体如高岭土及黏土等会在水中产生崩解及膨胀。同时，处于饱和状态的岩土体其孔隙水压力一般较高，受此影响，岩土体的有效应力也会大幅下降。因此，库水对滑坡岩土体性质的大幅弱化会导致库滑坡的发生。

(3)库水对库岸滑坡体地下水的影响。库水会通过渗流的方式对坡体的地下水位产生影响。库岸滑坡的地下水位会随着库水位的升降而升降，但存在一定的滞后效应，其滞后时间的长短取决于滑坡体渗透性的强弱程度。当地下水位上升时，坡体受其托浮力影响而抗滑力下降，进而滑坡体整体稳定性也降低；当地下水位下降时，其下降速率明显滞后于库水位，会在坡体内形成指向坡外的水力梯度，产生向外的拖拽力，同时也会形成渗流，造成岩土体颗粒的流失及强度降低，降低滑坡体的稳定性。

实际上，因库水位上升及下降产生的滑坡均有案例可循，而库水位上升和下降对坡体稳定性的影响究竟那个占主导地位，那个占次要地位，或者是共同联合作用都要视每个滑坡具体的岩土性质、水文地质和工程地质情况而定，不能一概而论。就本文而言，库水位下降是影响滑坡稳定性的主导因素，远大于库水位上升对其影响。

库岸滑坡在水作用下的形成过程情况各异，十分复杂，目前的研究大多还停留在定性分析的阶段，如何能定量分析这一问题，还有待进一步的研究。

6　结　论

(1)地层岩性及控制性节理面是形成该滑坡的内在因素，而水库蓄水则是诱发该滑坡最直接的原因。库水位骤降对滑坡稳定的影响大于库水位上升的影响。

(2)水库蓄水前，滑带位置零星出现塑性区，坡体处于稳定状态；初期蓄水354m后，滑坡中下部滑带塑性区发展，滑坡的安全系数大幅降低，处于欠稳定状态；从初期水位上升至正常水位时滑带塑性区向滑坡后缘发展，滑坡前缘塑性区消失，滑坡体稳定性安全系数略微增大；从正常水位下降至初期水位时，整个滑带塑性区几乎完全贯通，滑坡体稳定性安全系数大幅降低，滑坡体很可能出现整体失稳。

(3)水库蓄水会改变坡体的滑动模式，蓄水后，受软化和悬浮减重等作用影响，坡体滑动模式由推移式向牵引式转变。

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NUMERICAL ANALYSIS OF INFLUENCE OF WATER LEVEL VARIATION ON GUANYINPING LANDSLIDE STABILITY

ZHANG Yan①CHEN Guoqing①ZHANG Guofeng①PAN Huangsong①HE Jian②

(①State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059)

(②Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu610017)

In order to explore the influence of landslide stability by the change of reservoir water level，a reservoir bank landslide in Southwest China is researched.According to the engineering geological conditions and genetic mechanism of landslide，the effect of variation of water level impacting on the landslide stability and sliding mode based on fluid-solid coupling is analyzed through a three-dimensional numerical model.The plastic zone distribution and X-displacements under nature state，initial impoundment，water level rise and water level fall are obtained through numerical calculation.The stability of reservoir bank landslide under different water levels is analyzed comprehensively.The results of numerical calculation and actual deformation features are also taken into account in the analysis.The results show the follows.The landslide deformation due to the first water storage of reservoir can cause the slope into unstable state.The water level rise has little influences on the landslide stability.The landslide stability is reduced sharply and the slope is likely to occur instability damage when the water level falls.The failure mode of landslide would be diverted from push mode to drag mode after the water storage of reservoir．

Reservoir bank landslide，Variation of water level，3D numerical analysis，Fluid-solid coupling，Sliding mode

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.003

2015-05-25;

2015-10-07.

国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB733202)，国家自然科学基金项目(41272330，41572283)资助.

张岩(1988-)，男，硕士生，主要从事岩土体稳定性及工程效应方面的研究.Email: 1012929420@qq.com

P642.22

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