庫水變動下堆積層滑坡加卸載響應規(guī)律與穩(wěn)定性預測*

王魯男 晏鄂川 陸文博 柳萬里

（中國地質大學（武漢）工程學院 武漢 430074）

庫水變動下堆積層滑坡加卸載響應規(guī)律與穩(wěn)定性預測*

王魯男 晏鄂川 陸文博 柳萬里

（中國地質大學（武漢）工程學院 武漢 430074）

三峽庫區(qū)堆積層滑坡穩(wěn)定性受庫水位變動影響十分明顯，庫水變動下堆積層滑坡的演化過程與穩(wěn)定性預測研究對防災減災具有重要的指導意義?；趲焖儎优c滑坡變形的響應關系，建立庫水動力加卸載與位移速率響應耦合的加卸載響應比預測模型；建立庫水變動與滑坡穩(wěn)定系數的響應關系，進而確定庫水變動下滑坡體的滲流場類型，并以滑坡穩(wěn)定系數的變化率的正負來判斷庫水變動的加卸載作用。以黃蓮樹滑坡為例，預測其穩(wěn)定性，并對預測結果進行驗證。結果表明：黃蓮樹滑坡水平方向位移變化與庫水變動存在響應關系，且響應具有明顯的滯后性；庫水變動下該滑坡的滲流場屬于動水壓力型，每個水文年中庫水動力對滑坡有6個月為加載過程，1個月為卸載過程；滑坡監(jiān)測點的加卸載響應比在2011年出現(xiàn)整體上升并大于1，揭示滑坡趨于失穩(wěn)，對庫水變動加卸載作用的響應加強。結論得到了宏觀變形破壞跡象的驗證，說明改進的加卸載響應比預測模型具有良好的預測效果。

滑坡預測 庫水變動 加卸載響應比 黃蓮樹滑坡

0 引 言

堆積層滑坡是指發(fā)育于第四系松散堆積體中的一類滑坡，主要由崩積、洪積、冰磧等形成的砂礫石或碎石土組成（朱大鵬，2010）。其結構松散，透水性較強，多受降雨或庫水變動激發(fā)，可一次激發(fā)劇滑或多次反復緩慢蠕移。自三峽水庫正式蓄水后，各種地質災害頻發(fā)，其中以庫水誘發(fā)的堆積層滑坡災害最為典型。正是由于庫水的大幅度變動，改變滑坡體內的滲流場和巖土體應力狀態(tài)，滑坡發(fā)生局部甚至整體失穩(wěn)。因此，庫水變動下堆積層滑坡演化過程與穩(wěn)定性預測研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，滑坡預測主要采用極限平衡力學評價方法和位移時序評價預測方法（李秀珍等，2007，2009）。前者受限于巖土體物理力學參數的可靠性和模型簡化帶來的誤差，后者作為數學評價模型，缺乏對滑坡形成機理和力學成因的解釋（陳為公等，2013）。尤其對于三峽庫區(qū)的堆積層滑坡，庫水變動引起強烈、復雜、周期性的水－巖（土）相互作用，利用上述兩種方法進行滑坡預測是極為困難的。為克服兩種方法的缺陷，許強等（1995）在滑坡預測領域引入加卸載響應比理論，率先從系統(tǒng)動力響應角度對滑坡演化進行解釋，并將加卸載響應比作為滑坡中短期預報的判據；之后，賀可強等（2004，2008a，2008b）研究了加卸載響應比理論在堆積層滑坡預測中的應用，以降雨和地下水變化作為動力因子，分別建立了堆積層滑坡加卸載響應比預測模型；姜彤等（2007）基于地震作用下邊坡的響應規(guī)律，提出用邊坡系統(tǒng)整體響應的加卸載響應度代替邊坡穩(wěn)定分析傳統(tǒng)方法中的安全系數；湯羅圣等（2012）提出了一種以庫水位為加卸載參數、以滑坡加速度為加卸載響應參數的預測模型，并以八字門滑坡為例對其準確性進行驗證。綜上所述，學者們已將加卸載響應理論廣泛應用于滑坡預測中，動力因子囊括了地震、降雨和庫水等常見誘發(fā)因素。但是加卸載響應比理論提出于地震預報領域，其動力加卸載作用的劃分方法并不適合于滑坡預測，導致滑坡預測中動力加卸載作用劃分缺乏可靠的依據（如降雨以年降雨平均值為界限、庫水以坡體地下水位平均值為界限），造成加卸載響應比預測結果與實際不符。

針對堆積層滑坡，本文以庫水為動力因子，并將庫水變動形成的滲流場加卸載變化過程作為加卸載動力過程，以滑坡的位移速率變化作為對庫水動力的響應，建立庫水動力加卸載與位移速率響應耦合的加卸載響應比預測模型。從力學角度對庫水動力加卸載作用進行判別，首先建立庫水變動與滑坡穩(wěn)定性系數的響應關系，確定庫水變動下滑坡體內滲流場的類型，然后以穩(wěn)定系數變化率（ΔFs）的正負來判斷庫水動力的加卸載作用。以黃蓮樹滑坡為例，使用其監(jiān)測點數據進行加卸載響應比計算，預測滑坡的穩(wěn)定性，并利用宏觀變形破壞跡象對改進的模型預測結果進行驗證。

1 加卸載響應比理論在堆積層滑坡預測中的應用

根據非線性科學理論，不同發(fā)展演化階段下的同一事物，對外界擾動的響應是不一樣的。在此基礎上，我國學者尹祥礎提出加卸載響應比理論，主要應用于地震預報（張文杰等，2005）。該理論核心觀點為非線性系統(tǒng)失穩(wěn)前的基本征兆之一是系統(tǒng)對加載與卸載的響應差別增大（Yin et al.，1994）。

作為一個開放的系統(tǒng)，滑坡常遭受外界因素的侵擾，這些因素產生的荷載以P來表示；在荷載作用下，滑坡系統(tǒng)產生的響應以R來表示（許強等，2008）。設荷載增量為ΔP時，所對應的響應增量為ΔR，定義響應率X為：

為定量刻畫系統(tǒng)的加載響應與卸載響應差別，令X＋與X－分別代表加載與卸載的響應率，引入無量綱的參量——加卸載響應比：

根據滑坡對外界擾動的響應規(guī)律可知，作為一種非線性系統(tǒng)，滑坡與地震有著類似的失穩(wěn)前征兆，即加卸載響應比Y增大。因此，可用加卸載響應比Y這一參量定量描述與判別滑坡的演化過程與規(guī)律，進而預測滑坡的穩(wěn)定性。具體判別標準如下：

若Y≈1，滑坡基本穩(wěn)定，巖土體介質處于彈性階段；

若Y＞1，滑坡趨于失穩(wěn)，巖土體介質處于損傷階段；

若Y?1，滑坡臨近破壞，巖土體介質近于崩潰。

2 庫水變動下堆積層滑坡的加卸載響應比預測模型

2.1 加卸載響應比預測模型的建立

建立滑坡的加卸載響應比預測模型，首先需要選取加卸載參數與響應參數，兩參數不但要能反映滑坡動力加卸載與動態(tài)響應，還要便于量測和計算。對于三峽庫區(qū)的堆積層滑坡，庫水變動是影響滑坡穩(wěn)定性的重要誘發(fā)因素，因此選擇庫水位作為庫水動力加卸載參數。鑒于滑坡監(jiān)測信息多以地表位移監(jiān)測為主，缺少其他的資料，可以通過時間－位移曲線計算位移速率作為響應參數。由此建立起以庫水位為加卸載參數、以位移速率為響應參數、以庫水動力加卸載與位移速率響應耦合的加卸載響應比預測模型。

2.2 庫水變動對堆積層滑坡加卸載作用判別

現(xiàn)有研究中，庫水加卸載作用的判別方法主要有：庫水位上升對應卸載、庫水位下降對應加載（張娟，2011）；以坡體地下水位平均值為限，實際水位大于平均值為加載，小于平均值為卸載（賀可強等，2008a）；以滑坡位移（或速率、加速度）正負來判斷加卸載（湯羅圣等，2012）。

不難想象，忽視滑坡自身條件（尤其是滑體滲透性）和賦存環(huán)境，簡單地判別庫水變動對堆積層滑坡加卸載作用是缺乏依據的，將嚴重削弱滑坡預測模型的可靠性。在地震預報領域中，以基于庫侖破壞準則的庫侖破裂應力（CFS）來判斷地震的加卸載作用，取得了理想的效果（Reasenberg et al.，1992；Harris，2000）。參考地震動力加卸載作用的判別，本文從力學角度提出庫水動力加卸載作用判別方法：對滑坡穩(wěn)定性有利的動力作用視為卸載過程；對滑坡穩(wěn)定性不利的動力作用視為加載過程。

實際上，庫水變動對滑坡穩(wěn)定性影響是很難判斷的。但是根據庫水與坡體內地下水相互作用的水力學特征可知，庫水變動對滑坡體的影響主要以滲透壓力形式表現(xiàn)的動水壓力作用和以浮托力（超孔隙水壓力）形式表現(xiàn)的靜水壓力作用?；诖?，朱大鵬根據滑體滲透性等級，同時參考浸潤線與水平方向夾角的變化特征將滑坡的滲流場劃分為3類，即浮托減重型、復合型（浮托減重型＋動水壓力型）和動水壓力型滲流場，且這3種類型的滲流場在庫水位上升階段和庫水位下降階段對滑坡穩(wěn)定性的影響均不同（朱大鵬，2010），庫水位上升階段和下降階段不同滲流場作用下的滑坡穩(wěn)定性標準變化趨勢圖（圖1、圖2）。

圖1 庫水位上升階段不同滲流場作用下的滑坡穩(wěn)定性標準變化趨勢圖Fig.1 Landslide stability with different seepage field induced by reservoir water level rise a.浮托減重型；b.復合型；c.動水壓力型

綜上所述，庫水變動下滑坡體的滲流場可分為浮托減重型、復合型和動水壓力型3種類型，分別對應庫水變動對滑坡穩(wěn)定性的不同影響。因此從力學角度判別庫水動力加卸載作用，首先需要確定庫水變動下滑坡體的滲流場類型。本文利用GEO-Studio數值模擬軟件，建立庫水變動與滑坡穩(wěn)定系數的響應關系（即庫水變動下滑坡穩(wěn)定性變化趨勢圖），得出庫水變動下滑坡體的滲流場類型，并以滑坡穩(wěn)定系數的變化率（ΔFs）的正負來判斷庫水變動的加卸載作用，當ΔFs＞0時，為卸載；當ΔFs＜0時，為加載。

圖2 庫水位下降階段不同滲流場作用下的滑坡穩(wěn)定性標準變化趨勢圖Fig.2 Landslide stability with different seepage field induced by reservoir water level drawdown a.浮托減重型；b.復合型；c.動水壓力型

3 實例分析

黃蓮樹滑坡位于重慶市奉節(jié)縣境內長江干流右岸斜坡上，為一堆積層老滑坡。該滑坡平面形態(tài)呈圈椅形（圖3），斜坡坡向350°，坡度為5°～30°，前后緣相對高差120m；滑坡縱長約700m，橫寬約650m，滑體厚8～30m，面積3.77×105m2，體積7.54× 106m3?；麦w為第四系的粉質黏土夾碎石組成，埋深5～47m，其中滑坡前緣有薄層狀粉細砂層和粉質黏土層；中部為滑坡堆積碎石土，底板埋深7.90～47.00m，變化幅度大，且呈現(xiàn)自下而上埋深先減小后增大的分布特點?；瑤翞榉圪|黏土，濕－很濕，最低標高為136.3m，位于三峽水庫蓄水位175m以下?；鶐r滑床由侏羅系珍珠沖組的砂巖、泥巖互層狀出現(xiàn)。

自三峽庫區(qū)正式運營以來，除地質結構、巖性及地形外，滑坡體內地下水與庫水位存在密切的水力關系成為影響該滑坡穩(wěn)定性的重要因素。

3.1 滑坡變形與庫水變動的響應關系

圖3 黃蓮樹滑坡監(jiān)測預警平面布置圖Fig.3 Monitoring plan of Huanglianshu landslide

黃蓮樹滑坡主要監(jiān)測內容為GPS地表位移監(jiān)測和裂縫位移自動監(jiān)測，分別設置13個和5個監(jiān)測點。由于庫水變動對黃蓮樹滑坡水平方向變形的影響更加明顯，選擇水平方向位移速率作為響應參數。圖4為自2008年三峽庫區(qū)進入145～175m調度以來，黃蓮樹滑坡4個水文年的GPS監(jiān)測點水平方向位移－庫水位－時間曲線圖（其他監(jiān)測點累計位移和位移變化率都較小，本文給予忽略）。

圖4 GPS監(jiān)測點水平方向位移－庫水位－時間曲線圖Fig.4 Curves of horizontal displacement-time-reservoir water level of GPSmonitoring sites

空間分析表明，在4個水文年中，滑坡中部位移增量遠大于兩側，中部監(jiān)測點位移增量達4945mm，左側監(jiān)測點位移增量為1448mm，右側監(jiān)測點位移增量僅為476mm；同時，滑坡變形主要集中于中部，前后緣變形相對較小，這種現(xiàn)象經常出現(xiàn)在具有較陡前后緣、地勢平緩的中部（一般分布有平臺）等特征的混合式滑坡中（湯羅圣，2013），反映出滑坡不同部位對庫水變動的響應程度不同。時間分析表明，滑坡位移階躍值隨時間推移越來越小，如FJ-05監(jiān)測點在2009年的庫水下降過程中位移增量達367mm，2010和2011年庫水下降過程中位移增量分別為258mm和149mm，其他監(jiān)測點也有類似現(xiàn)象，這主要得益于滑坡自身結構的調整和能量階段性的釋放。反映出滑坡對庫水周期性變動“適應”現(xiàn)象。整體分析表明，滑坡變形受庫水上升影響較小，大變形主要出現(xiàn)于庫水位下降階段后期，表現(xiàn)出一定的滯后性。

上述分析可知，庫水變動形成周期性的加卸載動力作用，而監(jiān)測點水平方向位移作為對庫水加卸載的響應出現(xiàn)階躍變化。針對庫水變動下滑坡水平方向變形更加明顯的滑坡，建立以庫水位為加卸載參數、以水平方向位移速率為響應參數、以庫水動力加卸載與位移速率響應耦合的加卸載響應比預測模型。

3.2 庫水變動對滑坡加卸載作用判別

從2008年以來，三峽庫水位調度過程大體上是：自9月30日至10月30日，庫水位自145m回升至175m，歷時約30d，水位回升速率為1m·d－1；自11月1日至12月30日為滿庫運行期，歷時60d，水位175m；然后，自12月30日開始水位下降，至6月10日水位145m，歷時161d，下降速率約0.186m·d－1。

從力學角度判別庫水動力加卸載作用，首先需要確定庫水變動下滑坡體的滲流場類型。本文借助GEO-Studio數值模擬軟件，建立庫水變動與滑坡穩(wěn)定系數的響應關系，得出庫水變動下滑坡體的滲流場類型。根據黃蓮樹滑坡地質結構與典型剖面（圖3），建立數值計算模型（圖5）。該計算模型剖面方向為342°，基巖巖層產狀343°∠30°，模型的水平方向跨度238m，鉛直方向跨度120m。該模型共有3971個節(jié)點，3889個單元。滑坡巖土體物理力學參數采用室內土工試驗及現(xiàn)場原位測試結果（表1）。

表1 滑坡的物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the landslide

以實際庫水變動為邊界條件，利用GEO-Studio軟件SEEP、SIGMA、SLOPE進行耦合計算得出庫水上升階段和下降階段與黃蓮樹滑坡穩(wěn)定性系數的響應關系（圖6）。對比圖1、圖2可知，庫水變動下滑坡的滲流場屬于動水壓力型。同時，這種簡單的響應關系在每個水文年都是相同的，這與實際是明顯不符的，因此該關系僅僅反映一種變化趨勢，是無法用來判斷庫水周期性變動下滑坡穩(wěn)定與否的。為了預測庫水變動下滑坡穩(wěn)定性，本文采用加卸載響應比理論將滑坡響應規(guī)律與實際監(jiān)測數據進行有機結合。

圖5 滑坡數值計算模型Fig.5 Numericalmodel of the landslide①耕植土；②碎石土；③粉質黏土；④滑帶土；⑤滑床

圖6 庫水變動與滑坡穩(wěn)定性系數的響應關系Fig.6 Relationship between reservoir water level fluctuation and stability coefficient curve a.庫水上升階段；b.庫水下降階段

3.3 滑坡加卸載響應比與穩(wěn)定性預測

根據圖6所示庫水變動與黃蓮樹滑坡穩(wěn)定性系數的響應關系，選取一個水文年的加卸載區(qū)間，以滑坡穩(wěn)定性系數變化率（ΔFs）的正負來判斷庫水變動的加卸載作用，當ΔFs＞0時，為卸載；當ΔFs＜0時，為加載；當庫水位穩(wěn)定時，無加卸載作用。一個水文年內庫水變動加卸載作用劃分（表2）。

表2 一個水文年庫水變動加卸載作用劃分Table 2 Load-unload interval differences in one year

加卸載響應比預測模型計算方法如下：每月的庫水位和水平方向位移速率與上1個月的庫水位和水平方向位移速率差的絕對值就是加卸載參數和響應參數，一個水文年的加載過程持續(xù)6個月，而卸載過程為1個月，因此加載參數和加載響應參數取6個月的平均值（表3）；根據表3的結果，引入式（1），求得每個水文年的加卸載響應率，帶入式（2）可得到4個水文年監(jiān)測點加卸載響應比（圖7）。

圖7 加卸載響應比變化曲線Fig.7 Curves of load-unload response ratio

可以看出，監(jiān)測點FJ-04的加卸載響應比一直較大，這說明該點附近巖土體變形劇烈；2009年滑坡監(jiān)測點FJ-04和FJ-05的加卸載響應比相對較大，這對應于滑坡中部出現(xiàn)明顯變形，而FJ-08和FJ-09加卸載響應比處于1左右，說明滑坡整體上依然處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；2011年4個監(jiān)測點的加卸載響應比都大于1，滑坡趨于失穩(wěn)，預示著變形具有進一步加劇的趨勢，即滑坡對庫水變動加卸載作用的響應加強。

上述研究從時間的角度分析滑坡的變形演化過程，同時也可以通過滑坡宏觀變形破壞跡象，尤其是地表裂縫的變形特征，從空間的角度反映滑坡的變形演化過程。監(jiān)測資料顯示，滑坡體上大部分裂縫的出現(xiàn)始于2007年，主要分布在滑坡中前部；2009年坡體局部出現(xiàn)明顯新的裂縫和垮塌（此時一部分監(jiān)測點加卸載響應比大于1，另一部分依然處于1左右）；之后一年未出現(xiàn)明顯的變化（監(jiān)測點加卸載響應比處于1左右）；到2011年，原裂縫開始擴展并產生新裂隙（監(jiān)測點加卸載響應比大于1，滑坡趨于失穩(wěn)）；至2012年5月（庫水加載階段），滑坡變形增大，后緣裂縫貫通、整體下錯，形成面積為6.25×104m2、體積約80×104m3的滑動區(qū)，滑動過程中前部滑坡體解體，中后部滑坡體形成縱橫交錯裂縫，橫向出現(xiàn)多條貫通裂縫（胥勛劍等，2014），反映滑坡對庫水變動的響應加強。

通過時空演化的有機結合，宏觀變形破壞跡象驗證了改進加卸載響應比預測模型的準確性。對比現(xiàn)有加卸載響應比預測模型，張娟（2011）針對堆積層滑坡的加卸載作用判別與本例相同，但是本例僅針對動水壓力型滑坡，而對于浮托減重型和復合型堆積層滑坡的加卸載作用判別必然不同，可見改進的加卸載響應比預測模型具有更廣泛的適用性。

表3 滑坡加卸載計算結果Table 3 Load-unload computation results of the landslide

4 結 論

（1）三峽庫區(qū)堆積層滑坡的變形與失穩(wěn)受庫水變動控制明顯，其位移變化規(guī)律與庫水變動具有明顯滯后性的響應關系，且響應關系是隨著滑坡演化階段不同而變化的；庫水動力的加卸載參數可以用庫水位表示，與之對應的響應參數為位移速率，進而建立以庫水動力加卸載與位移速率響應耦合的加卸載響應比預測模型。

（2）以黃蓮樹滑坡為例，確定庫水變動下滑坡的滲流場屬于動水壓力型，即庫水上升階段，滑坡穩(wěn)定系數增大；庫水下降階段，滑坡穩(wěn)定系數減小。以穩(wěn)定系數變化率（ΔFs）的正負來判斷庫水動力的加卸載作用，得到1個水文年中有6個月為加載過程，1個月為卸載過程。

（3）在2008～2010水文年，黃蓮樹滑坡大部分監(jiān)測點的加卸載響應比處于1左右，表明滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；到2011水文年，黃蓮樹滑坡4個監(jiān)測點的加卸載響應比出現(xiàn)整體上升并大于1，揭示滑坡趨于失穩(wěn)，對庫水變動加卸載作用的響應加強。其預測結果與宏觀變形破壞跡象相符，證明改進的加卸載響應比預測模型具有較好的預測效果。

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LOAD-UNLOAD REPONSE OF COLLUVIAL LANDSLIDESW ITH RESERVOIR WATER LEVEL FLUCTUATION AND STABILITY PREDICTION

WANG Lunan YAN Echuan LUWenbo LIUWanli
（Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074）

The stability of colluvial landslides in the Three Gorges Reservoir is obviously influenced by the fluctuation ofwater level.So studying the evolutionary process and stability prediction of colluvial landslides under the reservoir water level fluctuation is significant to provide references for disaster management and construction planning.The load-unload response prediction model in which reservoir water level was treated as the load-unload parameter and landslide displacement rate，as the load-unload response parameter was established.Themodel was based on the relationship between landslide deformation and reservoir water level fluctuation.And the type of landslide seepage field under the reservoirwater level fluctuation was determined by revealing the relationship.Then the load-unload interval differenceswere evaluated by the rate of stability coefficient.Taking Huanglianshu landslide for example，themodel was used to predict the development trend.The results show that the relationship betweenhorizontal displacement of the landslide and reservoir water level fluctuation has an obvious hysteretic nature.The hydrodynamic pressure landslide has a loading process of six months and an unloading process of one month.The load-unload response ratio ofmonitoring sites raises and ismore than 1.It reveals that the landslidewill be instable and the load-unload response ismore obvious due to reservoir water level fluctuation.The application results show that the prediction is well coincident with the macroscopic deformation evidence.Thus the improved model is feasible in the stability prediction of landslides.

Landslide prediction，Reservoir water level fluctuation，Load-unload response prediction，Huanglianshu landslide

P642.22

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.002

2015－08－11；

2015－10－20.

國家自然科學基金（41172282），國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）（2011CB710605）資助.

王魯男（1988－），男，博士生，從事巖土體穩(wěn)定性與地質災害預測預報研究.Email：wln2014＠qq.com

晏鄂川（1969－），男，博士，教授，博士生導師，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價和保護設計研究.Email：yecyec6970＠163.com