Study on deformation mechanism of large expansive soil landslide under rainfall and reservoir water
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摘要:
降雨和库水是诱发滑坡发生浅层变形最常见的因素，对于大型膨胀土滑坡较少考虑到降雨与库水多重因素共同作用下的变形破坏模式，为有效探究降雨—库水共同作用下的大型膨胀土滑坡变形机理，本文以十堰市郧阳区金岗村滑坡为例，在综合分析降雨、库水位波动及自动GNSS监测等数据的基础上，结合野外地质勘查资料及宏观巡查信息，通过考虑库水位升降、降雨及其多因素叠加条件下，利用数值模拟软件对丹江口库区金岗村滑坡进行分析，研究了大型膨胀土滑坡在降雨及库水位共同作用下的变形机理。研究表明：（1）金岗村滑坡变形呈缓慢变大趋势，滑坡变形方面降雨影响明显大于库水升降；（2）降雨及库水位对膨胀土滑坡的影响呈现不同响应模式，强降雨对滑坡变形破坏起主导作用，库水位对坡体稳定性影响相对较小，且影响范围多位于前缘，当库水位与降雨因素联合作用下对稳定性破坏更为明显；（3）降雨与库水联合作用下的膨胀土滑坡持续变形受外部因素与内部强度指标减低的双重作用。
Abstract:Rainfall and reservoir water are the most common factors inducing shallow landslide deformation. For large expansive soil landslides, the combined effects of rainfall and reservoir water on deformation and failure mechanisms are often overlooked. In order to effectively explore the deformation mechanism of large expansive soil landslide under the combined influence of rainfall and reservoir water, this paper takes Jingang Village landslide in Yunyang District, Shiyan City as a case study. Based on a comprehensive analysis of rainfall, reservoir water level fluctuations, and GNSS monitoring data, combined with field geological exploration data and macro inspection information, numerical simulation was conducted for the Jingang Village landslide in the Danjiangkou Reservoir area. The simulations considered reservoir water level fluctuations, rainfall, and multi-factor interactions. The results indicate the following: (1) The Jingang Village landslide exhibitis an overall slow deformation trend, with rainfall having a significantly greater impact on landslide deformation compared to reservoir water fluctuations. (2) Rainfall and reservoir water levels show different response modes in influencing expansive soil landslides. Heavy rainfall plays a dominant role in triggering landslide deformation and failure, while reservoir water level fluctuations have a relatively smaller impact, primarily affecting the landslide's front edge. The combined influence of rainfall and reservoir water levels results in more pronounced stability damage. (3) Continuous deformation of expansive soil landslide under the combined influence of rainfall and reservoir water is affected by external factors and reduced internal strength.
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0. 引言
膨胀土是一种具有显著的胀缩性、裂隙性和超固结性的特殊性土体[1]。膨胀土富含蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，在干湿循环作用下表现出吸水软化、失水收缩开裂的形变特征[2]。在这个过程中，膨胀土坡体的内部应力发生改变，这是膨胀土滑坡失稳破坏的关键。膨胀土分布范围极广，在我国湖北、陕西、河南和云贵川等地区均有不同范围的分布，同时，膨胀土的相关研究也是工程地质领域研究的热点[3]。
位于湖北省十堰市的丹江口水库是亚洲第一大人工淡水湖，也是我国南水北调中线工程水源地。水库库区影响范围内内规模较大的膨胀土滑（边）坡失稳灾害点就有78处，对水库的长期稳定以及安全运营造成巨大威胁[4]。因此，研究降雨及库水升降作用下膨胀土滑坡的变形机制，对库区内滑坡灾害预警预报、风险评价及工程治理等防灾减灾工作具有重大实际意义[5 − 6]。
降雨和库水位波动导致的水环境变化进而引起膨胀土自身的结构特性、胀缩特性和强度衰减，是膨胀土滑（边）坡失稳破坏的主要原因[7]。同时，膨胀土滑坡常呈现浅层性、牵引性、平缓性、季节性和反复性等特征[8]。从失稳模式上，分为浅层破坏和深层滑动两种。浅层破坏主要是坡体较浅部位受含水率变化导致的膨胀变形、强度衰减和应力重分布而局部失稳。深层滑动是受膨胀土原生裂隙演化贯通导致[9 − 10]。郭永春等[11]通过室内试验对比膨胀土吸水前后的状态参数，认为膨胀土的结构对变形影响更显著，并揭示了吸水膨胀过程中结构变化规律。Qi等[12]基于非饱和土力学理论分析了膨胀土滑坡的浅层破坏特征。李晋鹏等[13]通过室内试验和数值模拟手段，认为干密度和含水率均是使膨胀土滑坡内部状态改变的影响因素。陈亮胜等[14]认为膨胀土的胀缩性与裂隙性造成的膨胀土强度的不均匀性和应力差异会引起滑坡失稳。郭瑞等[15]提出含水率是影响膨胀土膨胀变形的关键指标，并建立膨胀变形判别公式，为类似区域膨胀土变形提供参考。司光武等[16]研究指出随含水率上升土体膨胀力不断减小，表明了膨胀力与含水率的关系。程展林等[17]通过模型试验发现土的胀缩特性是膨胀土边坡浅层破坏的根本原因，进一步细化了膨胀土边坡的变形破坏机理。Khan等[18]通过现场调查和数值模拟指出由于季节性湿度变化和膨胀收缩特性，降雨后会通过裂缝快速入渗软化斜坡，当达到一定剪切强度后，会引发浅层边坡破坏。Zhang等[19 − 20]选取2018年安徽芜湖至安庆沿江高速公路的建设过程中发生失稳破坏的膨胀土边坡中的典型案例进行了研究，发现干裂诱导的优先流会影响膨胀土边坡的稳定性。目前有关膨胀土边坡的变形破坏机理研究较多，但是丹江口水库存在的一些超大型膨胀土滑坡，在受降雨及库水联合影响情况下，其失稳机制的关键尚需要进一步研究。
本文以金岗村滑坡为例，结合地质勘察以及降雨、库水位、GNSS监测等原位监测数据，在分析滑坡变形特征的基础上，通过数值模拟不同降雨及库水位条件下坡体渗流场、位移场变化，分析降雨与库水联合作用下膨胀土滑坡的变形破坏机理。研究结论对膨胀土滑坡破坏理论的研究及实际防灾减灾工作具有借鉴意义。
1. 滑坡概况
1.1 基本概况
金岗村滑坡地处十堰市郧阳区城关镇金岗村2、3组，中心地理坐标为：东经110°45′10.933″,北纬32°51′16.139″。所在区域北高南低，坡度15°～25°，高程152～220.5 m，其中152～ 170 m高度内受丹江口库水影响。纵向长约270 m，后缘宽约570 m，中前缘宽670～740 m，面积约17.2×104 m2，厚度较均匀，约12 m，规模206.4×104 m3，主滑方向185°，是一个大型土质滑坡。滑坡体上各监测点及平面图如图1所示，金岗村滑坡2-2’工程地质剖面图见图2。
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图 2 金岗村滑坡西段2-2’工程地质剖面图Figure 2. 2-2' Engineering geological section 2-2’ of the western section of Jingang Village landslide滑体主要组成物质为含砾粘土及含砾粉质粘土，岩土结构松散，透水性中等，富水性一般，土石比7∶3～8∶2。滑带土厚15～30 cm，呈浅黄色，粘感强烈，饱水、可塑。滑床主要为白垩系粉砂岩、粉土岩、砂砾岩互层，东侧局部区域滑床为震旦系白云质灰岩。
滑体上的含砾粘土及含砾粉质粘土具有明显的膨胀性，呈坚硬－硬塑状态，结构致密，工程地质性质不均匀，膨胀土多分布于坡体的表层，自稳能力较差。自由膨胀率统计特征如图3所示。
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图 3 滑坡土体自由膨胀率随深度变化关系Figure 3. Variation of self-swelling rate of landslide soil with depth从图3可知，自由膨胀率在40％～60％间，膨胀潜势弱，土体膨胀性整体在5 m后随深度增加而减弱。对研究区样品进行了X射线衍射分析，结果见表1。
表 1 研究区膨胀土矿物成分及含量Table 1. Mineral composition and content of expansive soils in the study area粘土矿物 碎屑矿物 蒙脱石 伊利石 高岭石 13% 26% 6% 55% 1.2 滑坡变形特征
1.2.1 宏观变形分析
金岗村滑坡变形最早出现于1998年汛期，初期变形多分布于坡脚，随着丹江口库区蓄水及降雨，滑坡变形范围逐渐外扩至坡体中部及后缘。当库水上升到较高水平时，由于高渗透性，坡体内部地下水位显著上升，土体膨胀变形导致地面隆起，上覆建筑物破坏，且土体侧向变形，致使滑坡变形。2017年7—10月间，郧阳区遭受连续降雨，膨胀土不可避免地湿胀变形，滑坡区地面和房屋出现横向拉张裂缝，局部发生浅表滑移变形。滑坡区存在一系列走向近似，且宽度不同的拉张裂缝，如发育在滑坡中后缘附近的LF1（图4.a）、右侧边界裂缝LF2（图4.b），走向200°，长4 m，宽0.5～1 cm，下错1 cm，呈羽状分布。同时，坡体上存在由膨胀土胀缩特性引发的建筑物变形以及滑坡蠕动引起的浅层破坏。建筑物变形主要表现为房屋开裂（图4.c）、地坪隆起产生的纵长裂缝（图4.d）、挡墙变形受损等。浅层破坏主要表现为岸坡侵蚀塌岸（图4.e），中后部的局部垮塌（图4.f）。这些发育的地表裂缝会明显加快降雨后雨水的入渗速度，导致金岗村滑坡持续变形。
1.2.2 滑坡变形监测分析
为进一步对金岗村滑坡进行变形动态演化监测，于2017年布设8个GNSS地表位移监测点G1～G8、雨量计、深部位移监测等设备。金岗村滑坡自2017年12月至2020年12月的位移监测数据如图5所示。
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图 5 监测点累积位移、位移速率与降雨、库水位关系曲线图Figure 5. Relationship curves between cumulative displacement, displacement rate of monitoring points, rainfall. and reservoir water level由图5.b可知，各监测点位移数据整体均呈增长趋势，不同位置呈现不同变化量，位于坡体后缘的G1位移变形量最大，达190.9 mm，位于平缓地形的G5整体位移变形量最小，约35 mm，均处于缓慢增长状态。2018年5—7月库水基本保持在160 m运行，此时在强降雨的作用下，监测点累计位移曲线呈现出第一个“阶跃”变形特征，最大累计位移可达93.7 mm，位移速率5.06 mm/d。2019年6—9月为库水上升期，伴随强降雨的同时第二次“阶跃”特征显现，第三次“阶跃”变形发生在2020年7—10月。由此可知，每次“阶跃”均伴随强降雨，两次库水下降阶段均处于雨水不充沛季节，各监测点位移变化量较小。分析可知，由于滑坡滑体主要以含砾粉质粘土为主，透水性中等，富水性一般，在水位下降阶段，水份较好排出坡体，地下水位迅速降低，其内部孔隙水压力易于消散，产生的下滑力也随之减小，对滑坡稳定性影响不大。
G2、G5、G8监测点的位移速率变化曲线如图5.c所示。在强降雨期间，各监测点位移速率均发生明显变化，当降雨量较少时，无论库水处于任一运行阶段，各监测点位移速率一般在0刻度附近波动。分析认为，由于膨胀土的胀缩性、裂隙性，干湿循环作用下极易导致坡体产生裂缝，降雨后雨水沿裂缝更快渗入土体，吸水膨胀加速坡体变形；降雨过后雨水蒸发使膨胀土失水收缩，产生与滑坡位移方向不同的变形，从而位移速率变为负。因此初步认为目前滑坡变形受降雨影响较大，库水位影响相对较小。
2. 基于数值模拟的滑坡稳定性分析
2.1 模型建立及参数选取
根据金岗村滑坡相关资料，将滑坡典型剖面2-2’作为计算剖面，建立模型如图6。
根据勘察资料将滑体设置为含砾粘土，滑带设置为粘土，滑床设置为砂砾岩。在考虑膨胀力对滑坡稳定性的影响时，运用Geostudio软件，通过对条块施加线荷载的方式，实现膨胀力对滑坡稳定性计算的影响。假定在均质膨胀土滑坡中，膨胀力沿深度均匀分布，滑带部位产生垂直于滑面向上的膨胀力；将滑体划分为多个条块后，由于块体侧向约束较大，对相邻条块之间因膨胀变形产生的膨胀力起到一定抑制作用，因此将其考虑为内力，此时滑坡中的膨胀力仅考虑垂直于滑面的部分。因此模拟过程中，当滑带处于饱水状态时，设置垂直滑面向上的应力边界条件（如图6），以此模拟膨胀力pe对滑坡稳定性的影响，膨胀力取值26 kPa，物理力学设置参数见表2。
表 2 金岗村滑坡数值模拟设置参数Table 2. Parameters for numerical simulation of Jingang Village landslide参数名称 滑体 滑带 滑床 含水率w（%） 19.4 23.4 － 泊松比v 0.30 0.30 0.25 弹性模量E（MPa） 17.74 13.63 6.5×104 粘聚力c（kPa） 27.0 5.4 1100 内摩擦角φ（°） 17.0 10 33.0 重度γ（kN/m3） 18.9 18.9 25.3 变形模量E0（MPa） 17.7 13.6 6.5×104 为进一步分析库水和降雨对坡体的影响，在滑坡内部设置孔隙水压力监测点K1～K9，位移监测点D1～D3，监测点布设如图6所示。
为进一步考虑土的膨胀性特点，通过在不平衡推力法中加入膨胀压力来考虑膨胀土滑坡的稳定性，修正后的计算公式，表示如下：
$$ {R_i} = ({W_i}\cos{\alpha _i} - {R_{Di}} - {p_e}{l_i})\tan{\varphi _i} + {c_i}{l_i} $$ (1) $$ {T_i} = {W_i}\sin{\alpha _i} + {T_{Di}} $$ (2) $$ {F_s} = \frac{{\displaystyle\sum _{i = 1}^{n - 1}[({W_i}\cos{\alpha _i} - {R_{Di}} - {p_e}{l_i})\tan{\varphi _i} + {c_i}{l_i}]{\psi _i}{\psi _{i + 1}}\cdots{\psi _{n - 1}} + {R_n}}}{{\displaystyle\sum _{i = 1}^{n - 1}({W_i}\sin{\alpha _i} + {T_{Di}}){\psi _i}{\psi _{i + 1}}\cdots{\psi _{n - 1}} + {T_n}}} $$ (3) 其中：
$$ {R_{Di}} = {r_w}{h_{iw}}{l_i}\tan{\beta _i}\sin({\alpha _i} - {\beta _i}) $$ $$ {T_{Di}} = {r_w}{h_{iw}}{l_i}\tan{\beta _i}\cos({\alpha _i} - {\beta _i}) $$ $$ {\psi _i} = \cos({\alpha _i} - {\alpha _{i + 1}}) - \sin({\alpha _i} - {\alpha _{i + 1}})\tan{\psi _{i + 1}} $$ 式中：$ {W}_{i} $——单位质量（kN/m）；
$ {\alpha }_{i} $——条块滑动面的倾角；
$ {\varphi }_{i} $和$ {c}_{i} $——内摩擦角和黏聚力；
$ {p}_{e} $——条块膨胀力；
$ {l}_{i} $——条块的滑面长度；
$ {R}_{Di} $——渗透压力产生的垂直滑面分力；
$ {T}_{Di} $——渗透压力产生的平行滑面分力；
$ {r}_{w} $——水的重度；
$ {\beta }_{i} $——地下水流向与水平方向夹角；
$ {h}_{iw} $——浸润面以下滑块高度。
2.2 工况设计
为了进一步分析库水与降雨对大型膨胀土滑坡变形的影响，根据监测数据中三次“阶跃”变形特征所体现的库水及降雨量等相关参数，参考实际工程中库水位与降雨因素的影响，设置120 mm/d的极端降雨与1.68 m/d库水位升降速率的五种工况，详见表3。
表 3 模拟工况Table 3. Simulated operating conditions工况 降雨量 库水位变化 1 —— 水位以1.68 m/d从150 m→170 m→150 m
循环三次（第一次170 m时静止20 d）2 120 mm/d 水位以1.68 m/d从150 m→170 m后施加降雨 3 120 mm/d 水位以1.68 m/d从150 m→170 m时叠加降雨 4 120 mm/d 水位以1.68 m/d从170 m→150 m时叠加降雨 5 120 mm/d 水位以1.68 m/d从170 m→150 m后施加降雨 2.3 模型结果与分析讨论
2.3.1 渗流场分析
如图7所示的是工况一第一次循环的孔隙水压力变化云图，库水升降对坡体影响多体现在前缘，且地下水位变化与库水位变化规律一致。
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图 7 工况一（库水位首次升降）孔隙水压力云图Figure 7. Pore water pressure cloud map for condition 1 (cyclic rise and fall of reservoir water level)库水上升阶段，坡体前端地下水入渗速率小于库水上升速率，造成前端入渗的单位流量大于其他时期，浸润线呈凹状向内弯曲（图7.b）；库水静止阶段，水体不断向坡体内渗入，饱和区域逐渐增大，此时孔隙水压力等值线呈现一种较缓的凹形态（图7.c）；库水下降阶段，由于下降速度大于坡体渗透系数，使得坡体内地下水排出存在一定的滞后效应，同一高程下坡面附近的孔隙水压力低于坡体内，因此前缘孔隙水压力等值线呈圆弧状凸向坡外（图7.d）。同时，多次库水循环升降对坡体的影响均仅在坡体前端出现，中后部保持原状。
图8为库水下降20 d后施加降雨（工况五）不同部位监测点的孔隙水压力与时间变化曲线。在前期库水静止及下降阶段，前缘监测点K1、K2、K3的孔隙水压力变化趋势与库水位变化基本一致，孔隙水压力随库水位的下降逐渐降低，中后部监测点K4～K9在库水变化阶段基本保持不变，前缘监测点孔隙水压力与库水位变化呈正相关。
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图 8 工况五孔隙水压力与时间变化曲线Figure 8. Pore water pressure and time variation curve for condition 552 d后开始施加降雨，随后中后部各监测点的孔隙水压力均开始响应，中后部监测点K4～K9在降雨因素加入后，浅层监测点K4、K7迅速响应，变化明显，下部监测点响应速度随深度增加逐渐递减。这是由于入渗路径长度不同，因此响应速度由上至下依次递减。随着雨水持续向坡内入渗，孔隙水压力逐渐增大。64 d降雨停止后，坡体水分逐步流失，孔隙水压力逐渐降低，由于水体流失的时间效应，内部监测仍保持缓慢上升状态，呈现的一定的滞后性，大约滞后6 d。而前缘监测点K1～K3由于在地下水位以下，处于饱和状态，降雨因素对其无明显影响。
根据以上模拟结果可以看出，库水变化仅对坡体前缘的孔隙水压力产生影响，其变化趋势基本与库水变化保持一致，而降雨对坡体中后部的孔隙水压力有明显影响。施加降雨后整体变化量明显大于库水变动时期，降雨条件下孔隙水压力的变化情况根据入渗路径不同，响应速度也存在一定差异。
2.3.2 位移场分析
图9为各工况在不同条件下的位移云图，降雨是坡体变形的主要控制因素，库水产生的影响较小。
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图 9 模拟结束时各工况位移云图Figure 9. Displacement cloud maps for various operating conditions at the end of simulation由各工况计算结果绘制位移与时间变化曲线如图10所示。
由图10可知，库水循环升降条件下（工况一），仅位于滑坡前缘的D1监测点有变化，库水上升及静止时变化微小，在32 d库水下降时发生明显位移，位移量为12.72 mm，速率为1.06 mm/d。
库水上升后施加降雨条件下（工况二），前期库水上升及稳定运行阶段位移量均无明显变化，32 d开始施加降雨后，各监测点位移量呈现明显增长状态，在此期间后缘监测点D3变化量最大，12 d产生了23.39 mm的位移，位移速率达1.95 mm/d；库水上升时叠加降雨条件（工况三）作为上述工况对照组，前缘监测点D1在初期稳定运行阶段依旧无明显变化，而20 d库水上升阶段由于同时施加了降雨因素，其位移变化显著，位移变化量增加了24.82 mm。数据显示，仅有库水因素改变时，只有坡体前缘存在少量变形。不论是在库水上升后还是在库水上升时叠加降雨，则坡体在中后部产生显著位移，且位移量远大于仅有库水影响时。这表明，库水上升阶段叠加降雨作用下的坡体变形特征更加明显。
工况四与工况五的库水下降阶段（20～32 d）对比分析可知，由于仅库水下降的工况五前缘监测点D1的位移量为11.72 mm，而在这期间叠加了降雨作用的工况四前缘监测点D1位移量为26.37 mm。同样的，中后部的监测点D2、D3的工况四大于工况五。另外，工况五库水下降至150 m一段时间后，施加12 d降雨，该阶段是模拟仅有降雨对滑坡的影响，此时D1、D2、D3分别产生了27.02 mm、15.5 mm、76.01 mm的位移增量，变形量明显大于仅库水升降工况的变形量。
不同监测剖面位移变化量曲线特征表明库水波动的影响多体现在滑坡前缘（图10，工况一），通过D1监测点曲线的变化情况来看，相较于库水上升和静止，库水下降时对坡体破坏更明显。而一旦降雨条件加入，不论库水上升或者下降，变形量皆随降雨持续不断增大，但水位下降时产生的变化幅度大于上升时期。
在库水和降雨共同作用时，随着降雨不断持续，坡体前、后缘均出现显著破坏区。位移量变化曲线数据显示，滑坡后部D3位移变化量最大，中部D2监测点最小。前缘的D1受库水下降影响更加明显，与监测数据变化趋势基本相符。
综上，库水下降、降雨均是诱发滑坡变形的主要因素，降雨对滑坡变形的影响大于库水下降对滑坡变形的影响，同时两者共同作用时坡体的变形会更加明显。
2.3.3 稳定性分析
为了进一步定量化库水和降雨对滑坡稳定性的影响，对不同工况下滑坡稳定性进行分析。不同工况下稳定性系数变化见图11。
由图11可知，工况一至工况五对应的滑坡稳定性系数变化幅度分别为0.014、0.021、0.022、0.061、0.056。只有库水循环升降作用的工况一稳定性系数变化幅度最小，稳定性系数变化趋势与库水位周期性升降变化趋势基本保持一致。这是由于在库水位从150 m上升到170 m时，由于浮托减重和动、静水压力作用下使稳定性略微增大；库水平稳运行阶段，稳定性系数基本保持不变；库水下降阶段，抗剪强度降低，坡脚出现局部牵引性破坏，稳定性逐渐降低。在后续循环阶段，因库水快速升降，坡体内地下水未完全排出便被库水上升再次反压，稳定性整体呈逐渐降低状。
当叠加降雨作用后，滑坡的稳定性均有不同幅度下降。如图11中工况二曲线所示，尽管库水上升时使稳定性略微增大，施加降雨后稳定性系数明显降低；工况三在降雨阶段稳定性系数降低幅度显著。这是由于随着降雨持续进行，雨水从坡表渗入坡体，造成坡体内部渗流场变化，滑坡体重度增加，在中后部相当于加载作用，抗滑力不断减弱下滑力不断升高，进一步降低稳定性系数。对比工况四、五可知，在库水降低的同时施加降雨对稳定性的影响更大，这也是工况四稳定性系数略低于工况五的原因。同时对比工况三和工况四曲线可知无论库水上升或者下降，施加降雨条件后稳定性均随降雨的持续而不断降低，但水位下降时产生的变化幅度大于上升时期。
对于膨胀土滑坡而言，降雨作用下土体吸湿膨胀变形，在前缘最先发生浅层局部破坏，上部土体在坡脚浅层滑塌后失去支撑，从而发生牵引式滑动。在干湿循环作用下，坡体发生反复多次滑动，逐渐垮塌直至破坏，这也符合膨胀土滑坡的牵引性、浅层性和反复发生性。在滑坡变形破坏过程中，库水循环，主要是库水下降阶段，对滑坡的整体稳定性有一定影响，但是降雨会显著加剧这一影响。持续的外部因素影响与内部强度指标衰减双重作用下，是受降雨与库水位控制的大型膨胀土滑坡变形失稳的关键。
3. 滑坡变形机理分析
通过原位监测、宏观巡查资料及数值模拟手段对金岗村滑坡变形机制进行分析，主要有以下三个方面：
第一，金岗村滑坡滑体中的的粘性土具有明显的膨胀性，其“吸水膨胀、失水收缩”的特性会导致坡体产生大量裂缝，为雨水提供良好的入渗通道，吸水后饱和产生膨胀变形，并改变内部应力状态。
第二，金岗村滑坡位于丹江口库区，其前缘涉水区域受库区水位周期性变化控制。监测数据及模拟结果均表明，库水位下降对滑坡稳定性有一定的影响。通过渗流场、位移场等变化可以看出当仅有库水位快速升降时，仅前缘坡体孔隙水压力和位移呈周期性变化，中后缘监测点均无反应。由于滑坡前缘涉水，当库水循环升降坡体会循环产生指向坡内和坡外的动水压力，使得坡脚处土体应力状态不断发生变化，这种变化会持续产生少量的变形。
第三，降雨是诱发膨胀土滑坡失稳的主要诱发因素。监测数据及模拟结果均显示，降雨会进一步放大库水下降对坡体稳定性的影响。因膨胀特性产生的裂缝为雨水提供了良好的入渗途径，降雨后快速入渗坡体内部，导致坡体自重增加，同时降雨入渗抬升地下水位，浸泡软化土体，抗滑力减弱，下滑力快速增大。连续降雨使土体饱和，弱化土体抗剪强度，饱水后c、φ值快速降低，当下滑力增大至超过极限平衡状态后，坡脚的局部变形逐渐向中后部扩展。对比5组工况可以看出，仅有库水作用下的变形远小于降雨影响。丹江口水库蓄水后，水土相互作用强烈，后因库区内膨胀土特性产生的裂缝为雨水入渗提供良好路径，加剧变形。因此当库水位波动后施加强降雨，变形更为显著。
4. 结论
本文对降雨和库水位因素影响下大型膨胀土滑坡的变形破坏机理进行研究，分析得到其多重因素下的变形机理，主要结论如下：
（1）金岗村滑坡变形整体呈缓慢增长趋势，滑坡后部变形大于前部大于中部，滑坡变形受降雨影响明显大于库水位升降影响。
（2）数值模拟结果显示，库水下降、降雨均是诱发滑坡变形的主要因素，两者在对膨胀土滑坡的影响上呈现不同的响应模式，降雨对滑坡变形的影响大于库水下降对滑坡变形的影响，且库水影响范围多位于前缘，同时两者共同作用时坡体的变形会更加明显。
（3）降雨与库水联合作用下的膨胀土滑坡持续变形受外部因素（库水下降、降雨）与内部强度指标减低的双重作用。库水位下降在坡体前缘形成指向坡外的渗透压力，对滑坡稳定性不利。持续性的强降雨会沿着坡表入渗至坡体内部，抬升地下水位，同时在地下水较长时间的浸泡软化作用下滑带土强度持续降低。这两者的持续作用是大型膨胀土滑坡持续变形的关键。
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图 2 金岗村滑坡西段2-2’工程地质剖面图
Figure 2. 2-2' Engineering geological section 2-2’ of the western section of Jingang Village landslide
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图 3 滑坡土体自由膨胀率随深度变化关系
Figure 3. Variation of self-swelling rate of landslide soil with depth
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图 5 监测点累积位移、位移速率与降雨、库水位关系曲线图
Figure 5. Relationship curves between cumulative displacement, displacement rate of monitoring points, rainfall. and reservoir water level
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图 7 工况一（库水位首次升降）孔隙水压力云图
Figure 7. Pore water pressure cloud map for condition 1 (cyclic rise and fall of reservoir water level)
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图 8 工况五孔隙水压力与时间变化曲线
Figure 8. Pore water pressure and time variation curve for condition 5
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图 9 模拟结束时各工况位移云图
Figure 9. Displacement cloud maps for various operating conditions at the end of simulation
表 1 研究区膨胀土矿物成分及含量
Table 1 Mineral composition and content of expansive soils in the study area
粘土矿物 碎屑矿物 蒙脱石 伊利石 高岭石 13% 26% 6% 55% 
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表 2 金岗村滑坡数值模拟设置参数
Table 2 Parameters for numerical simulation of Jingang Village landslide
参数名称 滑体 滑带 滑床 含水率w（%） 19.4 23.4 － 泊松比v 0.30 0.30 0.25 弹性模量E（MPa） 17.74 13.63 6.5×104 粘聚力c（kPa） 27.0 5.4 1100 内摩擦角φ（°） 17.0 10 33.0 重度γ（kN/m3） 18.9 18.9 25.3 变形模量E0（MPa） 17.7 13.6 6.5×104
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表 3 模拟工况
Table 3 Simulated operating conditions
工况 降雨量 库水位变化 1 —— 水位以1.68 m/d从150 m→170 m→150 m
循环三次（第一次170 m时静止20 d）2 120 mm/d 水位以1.68 m/d从150 m→170 m后施加降雨 3 120 mm/d 水位以1.68 m/d从150 m→170 m时叠加降雨 4 120 mm/d 水位以1.68 m/d从170 m→150 m时叠加降雨 5 120 mm/d 水位以1.68 m/d从170 m→150 m后施加降雨
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