庫水位升降聯(lián)合降雨作用下白家包滑坡穩(wěn)定性評價(jià)

楊背背，殷坤龍，黃發(fā)明，周超

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北武漢430074）

庫水位升降聯(lián)合降雨作用下白家包滑坡穩(wěn)定性評價(jià)

楊背背1，殷坤龍1，黃發(fā)明2，周超1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北武漢430074）

庫水位升降和降雨通過改變?nèi)龒{庫區(qū)庫岸滑坡巖土體的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)，影響庫岸滑坡的穩(wěn)定性。為探討白家包滑坡在庫水位升降和降雨聯(lián)合作用下的穩(wěn)定性變化特征，本文首先根據(jù)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)定性分析白家包滑坡變形規(guī)律，再采用Geo-studio軟件計(jì)算4種工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，最后采用R/S分析法計(jì)算各GPS監(jiān)測點(diǎn)累積位移的Hurst指數(shù)，并將Hurst指數(shù)值與Geo-studio數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：白家包滑坡累積位移曲線呈“階躍狀”特征；滑坡穩(wěn)定性受庫水位升降和降雨的綜合影響，庫水位下降時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)減小，上升時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)增大，降雨也能在一定程度上降低滑坡穩(wěn)定性；175～145 m加降雨工況下滑坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.034，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；各監(jiān)測點(diǎn)Hurst指數(shù)均介于0.5～1之間，表明未來滑坡變形將持續(xù)加劇，與滑坡變形定性分析及穩(wěn)定性數(shù)值模擬結(jié)果一致。

白家包滑坡；庫水位升降；降雨；R/S分析；滑坡穩(wěn)定性

1 研究背景

庫水位升降和降雨是誘發(fā)水庫庫岸滑坡的重要因素［1-2］，二者主要通過改變邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)影響邊坡穩(wěn)定性［3］。國內(nèi)外由于庫水位升降引發(fā)庫岸滑坡的實(shí)例屢見不鮮。1963年意大利Vajoint水庫在持續(xù)降雨和人為調(diào)控下庫水位發(fā)生驟漲驟落，誘發(fā)了大規(guī)模庫岸滑坡，毀滅了下游的一座城市和幾個村鎮(zhèn)，成為世界上最大的滑坡事件之一［4］。2003年6月，在三峽水庫蓄水到139 m高程水位期間千將坪滑坡失穩(wěn)，導(dǎo)致24人死亡或失蹤［5-6］。因此，開展庫水與降雨聯(lián)合作用下滑坡穩(wěn)定性研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

目前，許多研究人員在庫水位升降及降雨作用下滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方面開展了大量的研究工作。張桂榮等［7］針對三峽庫區(qū)庫水位調(diào)控方案和極端降雨情況，將暫態(tài)孔隙水壓力分布用于滑坡極限平衡分析中，對不同降雨強(qiáng)度及庫水位變動條件下秭歸縣八字門滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，確定了該滑坡在不同工況下的失穩(wěn)臨界降雨強(qiáng)度。劉新喜［8］采用自編計(jì)算機(jī)程序開展了庫水位驟降與降雨耦合作用下滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算。周永強(qiáng)等［9］運(yùn)用非飽和土滲流理論和抗剪強(qiáng)度理論，以付家坪子高陡滑坡為例，采用極限平衡法，分析了庫水位變化聯(lián)合降雨工況下滑坡的穩(wěn)定性。朱鵬譜［10］在考慮三馬山滑坡區(qū)復(fù)雜水環(huán)境條件下，利用滑坡推力計(jì)算理論，分別對降雨和庫水組合的7種不同工況進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出最不利滑坡穩(wěn)定的工況。

這些研究主要是以滑坡內(nèi)部的巖土力學(xué)作用機(jī)制為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的方法探討滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律，較少結(jié)合滑坡的實(shí)際變形情況。而地表監(jiān)測位移曲線能從滑坡地表宏觀變形特征這一角度，反映滑坡真實(shí)的穩(wěn)定性變化規(guī)律。因此把數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測位移進(jìn)行對比分析，能從坡體內(nèi)部力學(xué)機(jī)制、地表宏觀變形特征兩個角度綜合評估滑坡穩(wěn)定性，將獲得更全面可靠的滑坡穩(wěn)定性特征。R/S分析法是一種描述和刻畫非線性時(shí)間序列的有效方法，針對滑坡地表監(jiān)測位移時(shí)序確定性與隨機(jī)性共存的復(fù)雜非線性特征，采用R/S分析法對滑坡的長時(shí)期位移時(shí)序進(jìn)行計(jì)算，能夠較好地預(yù)測滑坡的變形趨勢［11］。

因此，本文基于三峽庫區(qū)白家包滑坡長期位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析滑坡變形規(guī)律，在采用Geostudio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地表監(jiān)測位移時(shí)間序列的R/S分析法進(jìn)行變形持續(xù)性判定。將數(shù)值模擬結(jié)果與R/S分析結(jié)果相互驗(yàn)證，達(dá)到對滑坡穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢進(jìn)行綜合評估的目的。

2 地質(zhì)概況

白家包滑坡位于三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣歸州鎮(zhèn)向家店村2組，長江支流香溪河右岸斜坡地帶，為深層土質(zhì)滑坡。滑坡前緣剪出口高程為135 m；后緣與基巖接觸，高程約265 m；左右兩側(cè)以山脊為界?；缕矫嫔铣识躺酄?，滑體東西長約550 m，南北寬約為400 m，總體積約為9.90×106m3，其平面圖見圖1。

圖1 白家包滑坡平面圖

白家包滑坡滑體物質(zhì)主要為灰黃色、褐黃色粉質(zhì)黏土夾塊碎石及碎塊石土，其成因?yàn)楣呕露逊e體；滑帶土主要為灰黃色夾雜紫紅色可—軟塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土夾碎石角礫；滑床主要為侏羅系下統(tǒng)桐竹園組長石石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀為260°～280°∠30°～40°。白家包滑坡工程地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖2 白家包滑坡工程地質(zhì)剖面圖

滑坡區(qū)地表水主要經(jīng)由地表發(fā)育的沖溝排泄，地下水主要向香溪河排泄。地下水的主要類型為坡積物孔隙水和基巖裂隙水，且坡積物為滑坡區(qū)內(nèi)主要含水地層，滑帶為隔水層。地下水水位變動主要受大氣降雨和庫水位的影響。由于滑坡體自后緣向前緣，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)由較松散變?yōu)檩^密實(shí)，因此其滲透性表現(xiàn)為中后部較中前部好。

白家包滑坡歷史上曾發(fā)生多次滑動變形。2003年三峽庫區(qū)135 m水位蓄水前，滑坡變形微弱；蓄水后，滑坡體上發(fā)育大面積變形裂縫［12］。2003年7月下旬連降大雨，雨后白家包滑坡后緣與基巖接觸處、多處房屋、中部公路均出現(xiàn)不同程度的裂縫［13］。

3 滑坡GPS變形監(jiān)測分析

白家包滑坡于2006年9月開始實(shí)施專業(yè)監(jiān)測，坡體上共布設(shè)4個GPS監(jiān)測點(diǎn)（ZG323—ZG326），各監(jiān)測點(diǎn)位布置見圖1。根據(jù)該滑坡的累積位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與同期的降雨量及三峽水庫庫水位調(diào)度資料繪制了監(jiān)測點(diǎn)累積位移、大氣降雨量與庫水位的關(guān)系見圖3。如圖3所示，各監(jiān)測點(diǎn)累積位移均隨時(shí)間的推移不斷增加，變形趨勢基本一致，但位移變化幅度各異。其中，ZG323累積變形量最小，ZG326累積變形量最大，表明滑坡右側(cè)較左側(cè)變形強(qiáng)烈。

三峽大壩自2008年9月開始175 m試驗(yàn)性蓄水，白家包滑坡變形呈明顯“階躍狀”特征。每年的4—9月，各監(jiān)測點(diǎn)累積位移-時(shí)間曲線呈明顯上升趨勢，即各監(jiān)測點(diǎn)位移速率增大；而在每年10月至次年3月，各監(jiān)測點(diǎn)累積位移—時(shí)間曲線則相對趨于平穩(wěn)。庫水位下降及低水位運(yùn)行時(shí)段，滑坡變形明顯；相反，庫水位上升及高水位運(yùn)行期，滑坡變形相對微弱。說明庫水位下降對滑坡穩(wěn)定性的影響大于庫水位上升的影響。此外，庫水位下降時(shí)三峽庫區(qū)正處于多雨期，降雨也能夠在一定程度上影響滑坡的穩(wěn)定性。降雨的季節(jié)性及庫水位變動的規(guī)律性使白家包滑坡的變形和穩(wěn)定性狀態(tài)也存在著周期性變化規(guī)律。

圖3 白家包滑坡累積位移-大氣降雨量-庫水位-時(shí)間關(guān)系曲線

4 數(shù)值模擬與R/S分析原理

4.1 穩(wěn)定性計(jì)算原理

4.1.1 滑坡飽和與非飽和滲流模型庫水位以上滑坡體處于非飽和狀態(tài)，庫水位以下處于飽和狀態(tài)。庫水位升降和降雨入滲導(dǎo)致滑坡體內(nèi)地下水位不斷變化，土體在飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，屬于飽和與非飽和滲流問題［14］。以水頭h作為控制方程的因變量，則飽和-非飽和滲流控制方程為：

式中：kx、ky分別為水平方向和垂直方向的飽和滲透系數(shù)，m/s；ρw為水的密度；g為重力加速度；mw為比水容重，

在得到巖土體的土水特征曲線和滲透性函數(shù)曲線之后，并附加邊界條件和初始條件，即可得到滑坡體的瞬態(tài)滲流場。

4.1.2 極限平衡法Morgenstern-price法（簡稱M-P法）是一種常用的極限平衡法，由于該方法在滑裂面的形狀、靜力平衡以及多余未知數(shù)的迭代方面不做任何假定，因而可以確定任意滑裂面的邊坡穩(wěn)定性，也能較好地反映出最危險(xiǎn)滑面各條塊間相互作用力的情況［9］。本文采用M-P法計(jì)算不同工況下白家包滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

4.2 R/S分析R/S分析法（重標(biāo)極差分析法）能夠通過判斷時(shí)序的分形特征與長程相關(guān)性，確定時(shí)間序列趨勢性的持續(xù)和強(qiáng)度［11，15-16］。由R/S分析法建立的Hurst指數(shù)可作為判斷時(shí)間序列數(shù)據(jù)遵從隨機(jī)游走程度的指標(biāo)。R/S分析的一般步驟如下所示：

分別計(jì)算每個子區(qū)間Ia的標(biāo)準(zhǔn)差SIa、累積均值離差序列{}xk，a、極差RIa，有

研究表明：H=0.5時(shí)，時(shí)間序列在各尺度上均相互獨(dú)立；H=1時(shí)，時(shí)間序列完全正相關(guān)；0.5＜H＜1時(shí)，時(shí)間序列具有持續(xù)性，過去和將來的變化趨勢為正相關(guān)，且H越接近1，表明持續(xù)性越強(qiáng)；0＜H＜0.5時(shí)，時(shí)間序列具有反持續(xù)性，過去和將來的變化趨勢為負(fù)相關(guān)，且H越接近0，表明負(fù)趨勢性越強(qiáng)。因此，Hurst指數(shù)可以用于判斷滑坡未來的變形趨勢。

5 穩(wěn)定性綜合評價(jià)

采用M-P法和地表監(jiān)測位移時(shí)間序列的R/S分析法，探討該滑坡在庫水位升降聯(lián)合降雨作用下的穩(wěn)定性現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

5.1 白家包滑坡地質(zhì)模型選取白家包滑坡A-A主剖面為計(jì)算剖面，建立Geo-studio［17］計(jì)算模型，見圖4。滲流計(jì)算邊界條件設(shè)定基巖面為隔水零流量邊界；坡體表面為降雨入滲邊界；庫水以下坡體為庫水位邊界。初始地下水位線的擬合結(jié)果以SK1監(jiān)測孔地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)（圖5），具有可靠性。

5.2 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)白家包滑坡巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要根據(jù)勘察資料以及前人已有的研究成果綜合獲取［12］，具體參數(shù)取值見表1?；麦w飽和滲透系數(shù)取8.7×10-5m/s，其滲透系數(shù)曲線見圖6，飽和體積含水量取0.3，本文所用的土水特征曲線是Van-Genuchten模型擬合而成，結(jié)果如圖7所示。

圖4 穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

圖5 SK1號監(jiān)測孔水位—時(shí)間關(guān)系曲線

表1 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)表

圖6 滲透系數(shù)曲線

圖7 土水特征曲線

5.3 計(jì)算工況依據(jù)庫水位實(shí)際調(diào)度情況，將一年劃分為4個時(shí)段：T1為10月份；T2為11月至次年4月；T3為5月初至6月中旬；T4為6月中旬到9月［18］，由庫水位調(diào)度方案曲線（圖8）設(shè)定庫水上升速率為1 m/d，庫水位下降速率設(shè)定0.67 m/d。

根據(jù)秭歸縣2007年1月～2012年12月降雨情況統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定T1時(shí)段（10月）降雨強(qiáng)度值為50 mm/d，T3時(shí)段（5月初至6月中旬）降雨強(qiáng)度為120mm/d，連續(xù)3天降雨作為降雨入滲計(jì)算初始條件。降雨發(fā)生在最初往往比發(fā)生在最末更危險(xiǎn)［9］，因此設(shè)置從第4天起連續(xù)降雨3天。計(jì)算工況見表2。

圖8 庫水位調(diào)度方案示意圖

表2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算工況

5.4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果采用Geo-studio軟件中的Seep/W模塊模擬白家包滑坡在不同庫水位和降雨工況下的地下水位線，將滑坡體中的暫態(tài)孔隙水壓力代入到slope/W中，根據(jù)M-P法計(jì)算滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。不同工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線如圖9所示。

隨著庫水位上升，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增大，這是由于庫水位上升為滑坡提供了支撐力，相當(dāng)于增大了滑坡的抗滑力。當(dāng)庫水位下降時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)減小，主要原因是庫水位下降過程中，隨著滑坡體內(nèi)地下水的滲流，滲透壓力（動水壓力）普遍作用于滲流場中的所有土粒上，但由于該滑坡體透水性弱，坡體內(nèi)地下水位的變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上地表水（庫水位）的調(diào)整速度，地下水位的水力梯度明顯增大，動水壓力明顯增強(qiáng)；同時(shí)，大部分坡體飽和度仍然較大，其重度也較大，從而導(dǎo)致滑坡整體穩(wěn)定性降低。因此庫水位下降對該滑坡穩(wěn)定性更為不利，這也與GPS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。

庫水位升降聯(lián)合降雨的工況與庫水位單獨(dú)作用時(shí)相比，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)均有所減小，分析原因主要是降雨入滲會使滑體物質(zhì)軟化而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低，同時(shí)使處于非飽和狀態(tài)的滑坡土體的飽和度增加，導(dǎo)致下滑力增大，這些作用都不利于滑坡穩(wěn)定。

175～145 m加降雨工況下最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.034，低于要求的最低安全系數(shù)值1.05，說明白家包滑坡在該工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。庫水位下降作用下穩(wěn)定性系數(shù)降幅為0.112，而增加降雨條件時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)下降0.131，僅相差0.019，說明該滑坡受庫水和降雨的綜合影響，但以庫水下降影響為主。由于白家包滑坡為深層土質(zhì)滑坡，長期連續(xù)降雨才能有效抬升其地下水位進(jìn)而改變坡體穩(wěn)定狀態(tài)。降雨量及降雨歷時(shí)對白家包滑坡穩(wěn)定性的影響還需進(jìn)一步探討。

5.5 監(jiān)測位移R/S分析采用R/S分析方法，計(jì)算白家包滑坡4個GPS監(jiān)測點(diǎn)2007年1月至2012年12月累積位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的Hurst指數(shù)，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示各監(jiān)測點(diǎn)Hurst指數(shù)均介于0.5～1之間，表明各監(jiān)測點(diǎn)位移時(shí)間序列具有正持續(xù)性，且趨勢是增強(qiáng)的。預(yù)測白家包滑坡的變形位移將持續(xù)增大，其整體穩(wěn)定性欠佳。根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)Hurst指數(shù)與1的接近程度可以判斷增量位移序列的趨勢強(qiáng)度。其中ZG326的Hurst指數(shù)最大，推測白家包滑坡右前緣更易發(fā)生變形破壞。

表3 累積位移Hurst指數(shù)計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

（1）白家包滑坡呈現(xiàn)出明顯的“階躍狀”變形特征，且滑坡右側(cè)較左側(cè)變形強(qiáng)烈。降雨的季節(jié)性及庫水位變動的規(guī)律性導(dǎo)致滑坡變形和穩(wěn)定性狀態(tài)也存在周期性變化規(guī)律。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示該滑坡受庫水和降雨的綜合影響，但以庫水位變動影響為主。庫水位下降時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)減小，庫水位上升時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)增大。175～145 m加降雨工況下滑坡最小穩(wěn)定性系數(shù)為1.034，滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）R/S分析結(jié)果表明各監(jiān)測點(diǎn)的Hurst指數(shù)均介于0.5～1，預(yù)示白家包滑坡變形有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與R/S分析結(jié)果保持一致，綜合評價(jià)白家包滑坡欠穩(wěn)定，在庫水位下降和強(qiáng)降雨條件下，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測并及時(shí)采取防災(zāi)措施。

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Stability analysis of Baijiabao landslide under reservoir water level fluctuation and rainfall

YANG Beibei1，YIN Kunlong1，HUANG Faming2，ZHOU Chao1
（1.Engineering Faculty，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan430074，China；
2.Geological Survey，China university of Geosciences（Wuhan），Wuhan430074，China）

Reservoir water level fluctuation and rainfall can influence landslides stability by changing the shear strength and stress state.In order to explore the landslide stability characteristics under the combina?tion effect of water level fluctuation and rainfall，the paper analyzes the deformation features of Baijiabao landslide based on GPS monitoring displacement data.Then Geo-studio software is used to calculate the safety factor of Baijiabao landslide in four working conditions.Finally，R/S method is used to calculate the Hurst index of four GPS monitoring points and is compared with stability analysis result.The results show that Baijiabao landslide with step-style displacement characteristic is affected by reservoir water level fluctu?ation and rainfall.The landslide safety factor decreases with water level drawdown and increases with water level rise.Rainfall can also reduce the landslide stability to a certain extent.In the condition of 175-145m water level and rainfall，the minimum safety factor of Baijibao landslide is 1.034 and means that the land?slide lacks stability.Besides，the Hurst index of four GPS monitoring point are all between 0.5 and 1，sug?gesting that the landslide deformation will be continuous，which is consistent with the results of stability analysis.

Baijiabao landslide；reservoir water level；rainfall；R/S analysis；landslide stability

P642.22

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.010

1672-3031（2016）06-0460-08

（責(zé)任編輯：李琳）

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41572292，41572289）

楊背背（1990-），女，山東濟(jì)寧人，博士生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究。E-mail：cugyangbeibei@163.com

殷坤龍（1963-），男，安徽當(dāng)涂人，博士，教授，主要從事滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究。E-mail：yinklong@163.com