流固耦合作用下库岸滑坡的变形与稳定性分析

流固耦合作用下库岸滑坡的变形与稳定性分析

孙琳馗吕枪随家馨

中国地质大学（武汉）教育部长江三峡库区地质灾害研究中心湖北武汉430074

摘要：库水位变动往往对库岸滑坡的稳定性产生很大的影响，以巴东县黄土坡临江1#滑坡为例，依据非饱和流固耦合理论，结合三峡水库正常运营条件下库水位调度资料，运用MidasGTSNX数值模拟软件，建立黄土坡临江1#滑坡双层滑带模型，分析其在库水位升降下的变形及稳定性。模拟结果表明：滑坡体的变形主要集中在滑坡体前缘剪出口部位，且限制了中后缘部位的变形发展，在库水位下降期间，变形加剧，易发生塑性破坏；滑坡体稳定性系数随库水位的上升而增大，随库水位下降而减小，呈现出明显的“渗透压力型”滑坡特征，且稳定性系数变化幅度为0.021，滑坡体整体保持稳定。

关键词：库岸滑坡；库水位升降；非饱和流固耦合；MIDASGTSNX

水库型的滑坡多与水库建设、运行（水位经常大幅度上下变动）密切相关。水库正常运营条件下，库水位的变动往往会改变滑坡内部的地下水渗流场，并改变了滑坡内部的应力分布，打破了滑坡内部平衡，从而影响滑坡的稳定性。近年来，由于库水位变动而诱发的滑坡问题屡见不鲜，因此，如何准确的把握库水位波动下滑坡的失稳变形机制，是目前需深入研究的课题。

1.黄土坡滑坡的地质背景

黄土坡滑坡位于长江三峡中段西陵峡与巫峡之间的过渡地带，地貌成因类型属构造侵蚀中低山峡谷地区，山顶高程700～1230m，相对高差600～800m。长江在此段顺轴向近东西的官渡口复向斜核部偏南发育，流向自N80°E转S50°E，河谷横断面呈敞口较宽的“V”字型。滑坡总体积为6934×104m3，面积为135×104m2，分布有园艺场滑坡、变电站滑坡、临江I号崩滑体、临江II号崩滑体。

2.黄土坡临江1#滑坡流固耦合模型的建立

2.1数值计算模型的建立

如图1，模型采用黄土坡2-2’剖面，将剖面图直接导入MidasGTSNX中，进行网格剖分，网格剖分类型为四边形与三角形混合网格，按照临江1#滑坡的结构组分将其划分为5种不同材料，本构模型设定为莫尔-库伦模型，材料皆为弹塑性材料。

图1黄土坡临江1#滑坡有限元模型

3.流固耦合作用下岸坡变形与稳定性分析

3.1变形分析

由以往的监测资料显示，黄土坡临江1#滑坡变形主要受降雨与库水位升降的联合作用，因此比较难区分降雨与库水位波动单独作用下对滑坡变形的影响规律。通过流固耦合软件对滑坡体进行流固耦合分析，会使得计算结果更符合实际。库水位由初始水位开始缓慢上升时，滑坡体内部渗流场随边界条件的变化而调整，滑坡体内浸润线形态基本与库水位持平，在蓄水初始水位时，滑坡体中后部水位略高于前缘水位。在水位上升前的初始状态下，浅、深层滑带前缘、中后缘出现小变形，位移量相对较小，此时滑坡体前缘起到了“挡土墙”的作用，限制了滑坡中后部的变形发展；当随着水位逐渐抬升到175m时，由于水位上升使得滑坡体内有效应力降低以及岩土体材料强度降低，滑坡变形加剧，此时的变形主要集中在浅、深层滑带的剪出口附近，在水位保持175m稳定运营一段时间后，滑带中后缘的地下水渗流场逐渐形成稳定渗流场，使得滑坡体的变形逐步向坡外发展，此时的剪应变增量在浅、深层滑带的中部扩展；在水位下降时，滑坡体变形继续顺坡向发展，其变形主要位于浅、深层滑带前缘，以剪出口处变形最大。

3.2稳定性分析

稳定性系数的变化与库水位升降关系曲线如图所示，从图中可以看出，滑坡体稳定性与库水位的升降密切相关，随着水位的抬升，滑坡体的稳定性系数逐渐增大，这表明水位上升过程中，由于水头差的削减、渗透压力对滑坡体产生的有利作用大于滑坡体有效应力降低以及滑带抗剪强度的减弱产生的不利影响，并且，此时坡面水压力会起到一定的抗滑阻力作用，这些因素对滑坡体的稳定性是有利的；当库水位达到175m时，稳定性系数达到峰值；当水位正常运营一段时间后，稳定性系数有所回落，并随着水位下降，滑坡体稳定性系数开始出现逐步下降趋势，在水位为145m时达到谷值，且其下降幅度大于高水位稳定运营期间的回落幅度，这表明由于动水压力的增大，削弱了滑体的整体稳定性；在145m水位正常运营一段时间后，稳定性系数有所回升并逐步保持稳定；因此，库水位在一个水文年期间正常调度时，稳定性系数的波动幅值为0.021，变化幅度并不大，滑坡体整体基本保持稳定，且库水位下降对滑坡的稳定更为不利（见图2）。

图2库水位正常运营条件下滑坡体稳定性系数变化曲线

4.结论

研究表明：（1）通过大量文献资料所建立的黄土坡临江1#滑坡的双层滑带地质模型，对于评价滑坡体的整体稳定性以及局部变形具有较积极的意义；（2）一个水文年内，滑坡体的稳定性系数随水位上升而增大，随水位的降低而减小，呈现出明显的“渗透压力型”滑坡特征，稳定性系数的波动幅值为0.021，滑坡体整体基本保持稳定。需要指出的是，由于将岩土体本构模型设置为理想弹塑性模型，而监测数据显示临江I#滑坡目前处于蠕变状态，本文并没有得出临江I#滑坡随真实时间的位移变化趋势，因此，在今后的研究工作中，有必要考虑滑坡体的蠕变特性，开展滑坡在流固耦合条件下的时效变形规律研究。

参考文献：

[1]刘新喜等.库水位下降对滑坡稳定性的影响[J].岩石力学与工程学报,2005(08):1439-1444.

[2]王力等.库水下降联合降雨作用下树坪滑坡流固耦合分析[J].长江科学院院报,2014,31(06):25-31.

[3]WANGJing-e,XIANGWei，LUNing.LandslidingTrig-geredbyＲeservoirOperation:AGeneralConceptualModelwithaCaseStudyatThreeGorgesReservoir［J］.ActaGeotech，2014，9(5):771－788．

[4]SunG,ZhengH,HuangY,etal.ParameterinversionanddeformationmechanismofSanmendonglandslideintheThreeGorgesReservoirregionunderthecombinedeffectofreservoirwaterlevelfluctuationandrainfall[J].EngineeringGeology,2016,205:133-145.

【作者简介】孙琳馗（1995-），男，汉族，江西宜春人，硕士研究生学历，主要从事地质灾害的评价与治理研究。