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1、第 23 卷 第 8 期 岩石力学与工程学报 23(8)：12801284 2004 年 4 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April，2004 2003 年 1 月 26 日收到初稿，2003 年 4 月 28 日收到修改稿。*国家自然科学基金(10202015)、教育部留学回国人员科研启动基金(106-220331)、陕西省教育厅自然科学专项基金(03JK098)和西安理工大学科技创新计算项目(106-210303)资助课题。作者 柴军瑞 简介：男，35 岁，工学博士，湖北省“楚天学者计划”特聘教授，主要从事岩体水力
2、学、水工结构方面的研究工作。三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析*柴军瑞1，2，3 李守义2(1三峡大学土木水电学院 宜昌 443002)(2西安理工大学水电学院 西安 710048)(3四川大学水电学院 成都 610065)摘要 泄滩滑坡坡体从水力学特性来看为 3 层透水性较强的岩层(坡积物、滑坡堆积物和滑坡影响带)和 2 层透水性较弱的岩层(滑带和基岩)构成的互层状结构。以此为基础，进行了三峡库区蓄水至 175 m 水平时泄滩滑坡的渗流场与应力场耦合分析，得出滑坡体内水头分布滑带底面承受的浮托力分布以及各应力分量分布。可以看出，泄滩滑坡水力学特性上的这种互层状结构不利于滑坡体的稳定，耦合
3、作用对渗流场的影响不大，但对应力场的影响较大。关键词 边坡工程，泄滩滑坡，水力学特性，渗流场，应力场，耦合分析 分类号 O 357.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)08-1280-05 COUPLING ANALYSIS OF SEEPAGE AND STRESS FIELDS IN XIETAN LANPSLIDE IN THREE GORGES REGION Chai Junrui1，2，3，Li Shouyi2(1College of Civil and Hydroelectric Engineering，China Three Gorges Universi
4、ty，Yichang 443002 China)(2College of Hydroelectric Engineering，Xian University of Technology，Xian 710048 China)(3College of Hydroelectric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065 China)Abstract The Xietan landslide body can be regarded as an interbedded structure with three permeable layers(slo
5、pe wash，landslide deposit deposit，and effected zone of the landslide)and two relatively impermeable layers(sliding zone and foundation rock)，so it is important to consider the coupling action of seepage and stress in the slide to evaluate the stability of landslide.The coupled seepage and stress fie
6、lds in the Xietan landslide are analyzed by means of the continuum model when the reservoir water level reaches elevation of 175 m.The hydraulic head distribution in the landslide，the uplift pressure distribution along the bottom of sliding zone and the distribution of stress components are obtained
7、 based on the analysis.The results show that the interbedded structure is adverse to the stability of the Xietan slide，and the coupling action has more important effect on the stress field than on the seepage field.Key words slope engineering，Xietan landslide，hydraulic properties，seepage field，stres
8、s field，coupling analysis 1 概 况 泄滩滑坡位于长江三峡坝址上游约 45 km 处的湖北省秭归县原泄滩乡长江左岸岸坡地带。地理位置为东经 110 0550，北纬 30 0030(图 1)13。泄滩滑坡地处鄂西山区，属亚热带气候，空气湿润，雨量充沛，四季分明。长江水量丰沛，枯、第 23 卷 第 8 期 柴军瑞等.三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析 1281 图 1 泄滩滑坡位置示意图 Fig.1 Plane sketch of Xietan landslide 洪变幅大。滑坡区属构造侵蚀低中山区，山顶高程781 m，坡脚处长江水面高程 70 m左右。长江在此呈峡谷
9、型地貌，两侧斜坡陡峻，泄滩滑坡即发育于左岸斜坡上。滑坡体周围圈椅状地形非常典型，滑坡体前缘突出于江中，古滑坡的地形地貌特征非常明显。滑坡体总体地形坡度 20 35，后缘斜坡坡度约 43，中部 110 m 高程处有一简易公路横穿滑坡体，在 230 m高程附近有另一新修公路横穿滑坡体。该滑坡体上有 3 级平台，在 3 级平台上均建有大片房屋，1 级平台为泄滩乡乡政府所在地，2 级平台为泄滩中学所在地，3级平台目前住有20户居民，人口约 100 人。滑坡区内出露的地层由新至老依次为：滑坡堆积物(Qdel)，侏罗系中统聂家山组(J2n)，侏罗系下统桐竹园组(J1t)，三叠系上统沙镇溪组(T3s)，三叠
10、系中统巴东组(T2b)。泄滩滑坡位于流来观背斜的北东翼，附近未见大的断裂构造发育。泄滩滑坡平面上呈长条形的舌状，前宽后窄(图2)。纵向长度约 780 m，前缘最大宽度 460 m，后缘宽度约 140 m，平均宽度 240 m，面积约 0.2 km2。在剖面上，滑体前半段(3 级平台以下)厚度较大，最大厚度达 45 m；后半段相对较薄，一般 20 余米，平均厚度约 30 m，总体积约 894104 m3。滑坡前缘滑舌向江中突出 50 m。前缘没入江水面以下，前后缘高程分别为 60 和 380 m。滑坡产出地层为侏罗系中统聂家山组、侏罗系下统桐竹园组、三叠系上统沙镇溪组以及三叠系中统巴东组。滑坡前
11、缘临江地带见巴东组(T2b)紫红色泥岩出露，其产状为 N40W/NE20，其上依次为沙镇溪组灰绿色、灰黄色粉砂质泥岩、细砂岩夹页岩和煤线，其产状为 N63 W/NE20；桐竹园组(J1t)灰绿色、灰黄色粉砂质泥岩、细砂岩夹页岩，产状为 N80 W/NE24；聂家山组紫红色、灰绿色中厚层状粉砂岩、长石石英砂岩夹紫红色的泥岩、粉砂质泥岩，产状为 N65 W/NE39。聂家山组基本出露于滑坡后缘边界以上的部位。目前，岩土体渗流场与应力场耦合分析的研究412在理论基础、试验研究、数学建模、数值求解、工程应用等方面都取得了一定的进展。本文主要采用连续介质模型和相应的数值计算方法，进行泄滩滑坡渗流场与应力
12、场耦合分析，来更客观地反映泄滩滑坡的工程属性。图 2 泄滩滑坡地表面三维示意图 Fig.2 3D sketch of the surface of Xietan landslide 2 泄滩滑坡的结构特性与水力学特性 泄滩滑坡在剖面上，从物质组成和结构特征的角度，坡体从上到下共分为 5 层：坡积物、滑坡堆积物、滑带、滑坡影响带以及基岩(图 3)。坡积物(Qdl)主要为黄褐色、灰黄色以及紫红色的粉质粘土夹碎块石。土石比一般为 15181，粉质粘土呈可塑状态，碎块石成分主要为砂岩、粉砂岩，棱角至次棱角状，直径 10300 mm不等。在修建建构筑物的部位，此层被人工填土所替代。坡积物层的厚度为 0.
13、54.4 m不等，一般厚度为 23 m。滑坡堆积物(Qdel)主要为灰绿色、浅黄色、紫红色的碎块石土，土石比为在不同部位差别较大，从 6115不等，某些部位主要以粘土为主，而某些部位又主要以碎块石为主。土体为可塑状粘土和粉质粘土，碎石成分以粉砂岩、砂岩、粉砂质泥岩为主，棱角至次棱角状，直径一般 20220 mm，大者 300400 mm，散乱堆积，大小混杂。在 2 级平台及其以上部位可以见到聂家山组(J2n)的长石石英砂岩的碎块石，而在滑坡体的前缘可以见到紫红色巴东组(T2b)紫红色泥质粉砂岩的碎块石。滑坡堆积物最大厚度达 45 m，平均厚度约 30 m。从总体上讲，滑坡堆积物结构松散，透水性
14、较好。滑带土主要为紫红色、灰黑色以及灰白色粘土、粉质粘土夹碎块石，土石比约 73，结构致密，多处滑带可见镜面、擦痕以 1282 岩石力学与工程学报 2004年 及碎块石印模，局部可见滑带土糜棱化，厚度为0.72.7 m 不等，平均 1.5 m。滑坡影响带主要为碎石土，土石比 1113，碎石挤压破碎严重，手捻成砂状，碎石的成分与相应部位的基岩的成分相同。图 3 泄滩滑坡纵剖面图 Fig.3 Longitudinal section of Xietan land slide 从钻孔资料揭露，位于 2 级平台以上的钻孔，如 ZK1，ZK5，ZK10，ZK4 等都为干孔，在孔内未见稳定的地下水位。而在
15、 2 级平台以下的大多数钻孔中，都能见到稳定的地下水位。由泄滩滑坡剖面组成及钻孔地下水位资料可以看出，在天然状态(蓄水前)下，稳定渗流场区域只占滑坡体前缘的很小范围。同时，还能明显地看出，滑动带起着相对隔水层的作用。在降雨过程及降雨后，整个滑坡体内将出现非饱和非稳定渗流场，雨水下渗后在滑动带以上的滑坡堆积物内向下流动，流入长江或以泉水的形式出露。从滑坡堆积物的结构组成、大多数钻孔为干孔以及降雨后泉水浑浊这三方面综合判定，滑坡堆积物的渗透性很强，雨水在其中的渗流速度较快。因此，中上部的滑坡体中一般不出现稳定渗流区域或者稳定渗流水头很小(这一点和滑坡体中上部的钻孔为干孔相互印证)。此外，处于滑带和
16、基岩之间的滑坡影响带也为相对透水层，由于滑带的隔水作用，此含水层不受降雨影响。在天然状态(蓄水前)下，受长江水位影响，滑坡体前缘很小范围的滑坡影响带位于地下水位之下；其余大范围的滑坡影响带处于干燥状态(降雨过程中也是如此)。综上所述，泄滩滑坡从水文地质角度来讲为 2层透水性较强的岩层和两层透水性较弱的岩层构成的互层状结构，其中分布于表部的滑坡堆积物和分布于滑带以下的滑坡影响带为透水性较强的透水层，而滑带和滑坡影响带以下的基岩均为透水性较弱的隔水层。这种互层结构使得泄滩滑坡具有两套相对独立的地下水系统，即滑坡堆积物含水系统和滑坡前缘靠近江边的破碎基岩和滑坡影响带含水系统。前者主要接受大气降雨补给
17、，在常规条件下(非暴雨或雨季)地下水水层较薄，靠近滑带，且主要分布于滑体的中前段。而后者主要受江水位控制。滑带以下的滑坡影响带虽然从结构上讲为相对透水层，但由于缺少补给源，在天然状态(蓄水前)下该透水层并不含水。3 蓄水至175 m水平后渗流场与应力场耦合分析 根据前述泄滩滑坡的物质组成和结构特性，可将整个泄滩滑坡体看成等效连续介质。为此，泄滩滑坡体内渗流与应力的相互作用及关系式见表 113。表 1 式(1)(5)中，为水的容重，H 为总水头，z 为位置水头，fJ 为水力坡度，ij 为应力张量，其余符号意义见表中。表1 泄滩滑坡体内渗流与应力的相互作用及关系式 Table 1 Interact
18、ion between seepage and stress in Xietan landslide 项目 相互作用 关系式 渗流对应 力的影响 渗流通过施加于某作用面上的渗透压力 p(面力)和在渗流区域内分布的渗流体 积力 f 而影响滑坡体的应力分布)(zHp=(1)f Jf=(2)应力对渗 流的影响 应力通过改变体积应变v 及空(孔)隙率 n而影响渗透系数K，从而影响渗流场)(nKK=(3)(vnn=(4)(vvij=(5)应用渗流场与应力场耦合分析的等效连续介质数学模型14，15对库水位为 175 m 时泄滩滑坡进行了双场耦合分析。具体采用的数值方法为运用有限元法经双场迭代进行求解，即首
19、先以初始渗透参数求解渗流场，将渗流场结果代入式(1)和式(2)求解应力场，再将应力场结果代入式(3)(5)修正渗透参数，重新求解渗流场；如此反复迭代，直至相邻两次渗流场和应力场求解结果的差值都满足精度要求(即收敛)为止。有限元网格剖分见图 4，双场耦合分析采用的参数(室内试验结果)见表 2。图 5 和 6 分别为库水位为 175 m时双场耦合分析滑坡体内渗流场和滑带底面承受的浮托力计算结果。图 79 分别为库水位 175 m时双场耦合分析滑坡体内应力分量y，x，xy的计算结果；y，x 第 23 卷 第 8 期 柴军瑞等.三峡库区泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析 1283 图 4 泄滩滑坡纵剖面有
20、限元网格图 Fig.4 Finite element mesh for Xietan landslide 表2 耦合分析参数表 Table 2 Parameters for coupling analysis 分区 滑坡体 滑带 滑坡影响带 弹模/MPa 3 000 1 500 5 000 泊松比 0.34 0.3 0.28 容重/MNm3 0.023 0.02 0.025 初始渗透系数/ms1 105 1010 105 初始孔隙率 0.245 0.196 0.245 图 5 耦合分析滑坡体内渗流场水头等值线 Fig.5 Hydraulic head distribution by coupl
21、ing analysis 图 6 耦合分析滑带底面承受的浮托力分布 Fig.6 Uplift distribution by coupling analysis 为有效应力值，且以压应力为负。由以上计算结果可以看出，由于滑坡体内应力水平较低(图 79)，因此，应力场对渗流场的影响不大，双场耦合分析滑坡体内渗流场和滑带底面承受的浮托力计算结果(图5和6)和渗流场单场分析结 图 7 耦合分析滑坡体内y等值线 Fig.7 y distribution by coupling analysis 图 8 耦合分析滑坡体内x等值线 Fig.8 x distribution by coupling anal
22、ysis 图 9 耦合分析滑坡体内xy等值线 Fig.9 xy distribution by coupling analysis 果相比，基本没有变化。但对于应力场来说，由于同时考虑了渗透静水压力与渗透动水压力(渗流体积力)的作用，双场耦合分析计算结果(图 79)不同于应力场单场分析结果。4 结 论 (1)泄滩滑坡具有两套相对独立的地下水系统，即滑坡堆积物含水系统和滑坡影响带含水系统，这是进行渗流场和应力场耦合分析的物质基础。(2)由库水位为 175 m 时泄滩滑坡渗流场与应力场耦合分析计算结果可以看出，滑带底面承受的浮托力对滑坡稳定性不利；由于滑坡体内应力水平较低，耦合作用对应力场的影响大
23、于对渗流场的影响；必须同时考虑渗透静水压力与渗透动水压力(渗流体积力)的作用来分析滑坡体的稳定性。致谢 本文曾得到过四川大学刘浩吾教授、王 琛博单位：m 单位：MPa 单位：MPa 单位：MPa 1284 岩石力学与工程学报 2004年 士，成都理工大学许 强教授等人的协助，在此一并表示感谢。参 考 文 献 1 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室.泄滩滑坡 GMD 模型初步研究R.成都：成都理工大学，2001 2 田陵君，王兰生，刘世凯.长江三峡工程库岸稳定性M.北京：中国科学技术出版社，1992 3 苏恺之，李方全，张伯崇等.长江三峡坝区地壳应力与孔隙水压力综合研究M.北京
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27、学家钟大赉，中国科学院研究生院教授、中国科学院院士、固体地球物理学家石耀霖，西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队总工程师、教授级高级工程师、中国工程院院士、水文地质与环境地质学家多吉等4 位科学家获荣誉奖；核工业地质局 216 大队教授级高级工程师王保群等 7 位地质工作者获野外地质工作者奖；中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院副院长、教授级高级工程师、石油地质学家赵文智等 5 位地质工作者获地质科技研究者奖；中国地质大学(武汉)教授、博士生导师、地质史学和岩相古地理学家、地质古生物学家刘本培获教师奖。中共中央政治局委员、国务院副总理曾培炎出度颁奖仪式并讲话。曾培炎说，新中国成立后特别
28、是改革开放以来，我国地质事业取得了举世瞩目的成就，为我国工业化和现代化建设做出了巨大贡献。广大地质工作者要继承和发扬李四光热爱祖国、创新求实和服务社会的精神，献身地质，艰苦奋斗，开创地质工作新局面，为实现全面建设小康社会的宏伟目标做出更大的贡献。曾培炎强调，随着改革开放的深入，我国地质工作的运行机制、研究领域、服务功能、技术手段也面临着新的挑战，发展地质事业要努力实现“四个转变”，一是从适应传统体制向适应社会主义市场经济体制转变；二是从单一研究地质问题向综合研究地球系统科学转变；三是从主要提供资源保障向资源保障和环境保障并重转变；四是从主要依靠国内资源、国内市场向充分利用国内国外“两种资源、两个市场”转变。全国政协副主度徐匡迪、原副主度朱光亚等出度了大会。国土资源部部长孙文盛主持了颁奖仪式。(摘自 2003 年 12 月 12 日科学时报)