庫(kù)水位波動(dòng)下三峽庫(kù)區(qū)典型堆積層滑坡位移特征及預(yù)測(cè)

陳玉華，邱冬冬，程志偉，詹淦基，陳俊熙

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116)

堆積層滑坡是在其自身地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素基礎(chǔ)上，受內(nèi)外動(dòng)力耦合作用孕育形成，其危害性往往令人觸目驚心，尤以我國(guó)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)為甚。據(jù)調(diào)查，三峽庫(kù)區(qū)的數(shù)千處崩滑災(zāi)害，僅小部分開展工程治理、搬遷避讓等防治措施，其余都實(shí)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。因此，堆積層滑坡位移特征及預(yù)測(cè)研究對(duì)三峽庫(kù)區(qū)及相似區(qū)域滑坡預(yù)測(cè)預(yù)警、保護(hù)人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全具有重大的實(shí)用價(jià)值。

由于滑坡深部位移監(jiān)測(cè)難度較大、精度較低及地表GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)的成熟，且考慮到地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)和滑帶巖土體位移時(shí)序具有基本相同的規(guī)律特征，研究人員主要基于地表GPS位移監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行滑坡位移預(yù)測(cè)及災(zāi)害預(yù)報(bào)[1-3]。目前，已有眾多的滑坡位移預(yù)測(cè)模型被提出，極大了推動(dòng)了滑坡位移預(yù)測(cè)及災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警研究。這些位移預(yù)測(cè)方法主要可分為4類：

(1) 依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的曲線擬合預(yù)測(cè)方法。該方法用數(shù)學(xué)模型對(duì)位移時(shí)序曲線進(jìn)行擬合，再對(duì)時(shí)間外延進(jìn)行位移預(yù)測(cè)。采用的數(shù)學(xué)模型主要有灰色模型[4-6]、馬爾可夫鏈[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[8-11]等以及多種數(shù)學(xué)模型的組合預(yù)測(cè)方法[12-15]。

(2) 考慮環(huán)境變量的曲線擬合預(yù)測(cè)方法[16-19]。該方法也是用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行位移時(shí)序擬合預(yù)測(cè)，但在擬合過(guò)程中，考慮了影響滑坡穩(wěn)定性的環(huán)境變量。

(3) 依據(jù)滑坡演化動(dòng)力學(xué)的位移預(yù)測(cè)方法[20-21]。該方法依據(jù)滑坡演化機(jī)理進(jìn)行位移預(yù)測(cè)，但由于影響滑坡穩(wěn)定性的各因素耦合作用導(dǎo)致的非線性及復(fù)雜性，目前尚難以準(zhǔn)確建立滑坡動(dòng)力學(xué)方程。

(4) 基于數(shù)值模擬的位移預(yù)測(cè)方法[22-24]。該方法能較好地考慮主控因素作用下的滑坡演化全過(guò)程，是有良好前景的位移預(yù)測(cè)方法，但目前的模擬方法尚存在靜力計(jì)算時(shí)步與真實(shí)時(shí)間難對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。

由上可知，合理考慮滑坡穩(wěn)定性影響因素及演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程的位移預(yù)測(cè)方法仍需要進(jìn)一步研究。本文以重慶奉節(jié)縣某滑坡作為三峽庫(kù)區(qū)典型堆積層滑坡，基于地質(zhì)及位移資料分析，總結(jié)滑坡位移特征及主控因素；提出基于庫(kù)水運(yùn)行工況概化，通過(guò)GeoStudio軟件SEEP/W模塊獲取各工況下的滑坡滲流場(chǎng)，并將其依次導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值分析平臺(tái)，獲取滑坡位移場(chǎng)的位移預(yù)測(cè)方法；最后通過(guò)計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移的對(duì)比分析，證實(shí)了本文方法的可行性和可靠性。

1 滑坡位移特征分析

重慶市某滑坡處于長(zhǎng)江一級(jí)支流大溪河右側(cè)支溝紅崖溝左岸斜坡地段，行政區(qū)劃隸屬于重慶市奉節(jié)縣鶴峰鄉(xiāng)。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主，滑坡處于巫山向斜NE翼，區(qū)內(nèi)次級(jí)褶皺及裂隙發(fā)育，巖體破碎?；滤幍孛矠橹械惹懈畹蜕胶庸鹊孛?，滑坡原始地形坡度約30°，坡頂與坡底高差達(dá)160 m，坡面向東北傾斜，屬于斜交坡。該區(qū)域多年平均氣溫16.4℃，一月份平均氣溫5.1℃，七月份平均氣溫27.5℃。全年雨量豐沛，多年平均降雨量1 145 mm，月最大降雨量548.4 mm，日最大降雨量191.5 mm，降雨多集中于5月—9月。

1.1 形態(tài)及地質(zhì)條件

該滑坡主軸向長(zhǎng)度約460 m，平均寬度約250 m，滑體平均厚度35 m。滑坡現(xiàn)有分布面積約11.1×104m2，體積約388.5×104m3，屬二級(jí)大型堆積層滑坡。滑坡右側(cè)邊界為沖溝，沖溝切割深度為50 m～80 m，左側(cè)后部邊界為山脊，前部邊界為沖溝，沖溝切割深度為30 m～50 m，后緣高程290 m，為陡壁，前緣高程141 m，在三峽水庫(kù)運(yùn)行條件下，屬于涉水滑坡。

該滑坡的滑體為第四系全新統(tǒng)堆積層(Qdel 4)，巖性主要為碎、塊石夾粉質(zhì)黏土，呈棕紅色，碎石粒徑一般2 cm～18 cm，呈棱角狀、碎塊狀，在滑坡體表部可見塊石最大粒徑為450 cm，呈散體結(jié)構(gòu)。碎、塊石間的充填物為粉質(zhì)黏土，含量約占30%?；瑤挥诘谒南祷露逊e層與基巖接觸面，呈折線形，主要為粉質(zhì)黏土夾碎石、角礫，碎石角礫粒徑為0.5 cm～3.0 cm，黏粒含量較高，土石比約4∶1?；矠槿B系中統(tǒng)巴東組(T2b)泥質(zhì)粉砂巖，巖層產(chǎn)狀348°∠36°。

該滑坡的地下水可分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。前者賦存于滑坡體的碎塊石夾粉質(zhì)粘土中，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)變化影響明顯；后者賦存于三疊系中統(tǒng)巴東組泥質(zhì)粉砂巖裂隙中，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給和上部孔隙水入滲及降水補(bǔ)給?？傮w而言，在三峽水庫(kù)運(yùn)行條件下，滑坡地下水滲流場(chǎng)受庫(kù)水位波動(dòng)影響明顯，為研究該滑坡的穩(wěn)定性演化特征，在滑坡體表面布置若干監(jiān)測(cè)設(shè)備，其中GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，同時(shí)在滑坡體外布置GPS基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)，該滑坡的工程地質(zhì)主剖面圖見圖1。

圖1滑坡Ⅰ-Ⅰ′工程地質(zhì)主剖面圖

1.2 位移特征

三峽水庫(kù)自2003年試驗(yàn)性蓄水以來(lái)，每年的水位調(diào)度過(guò)程基本相似且都具有“驟升緩降”的特點(diǎn)(見圖2)，即每年的8月—11月為水位驟升段，大約歷時(shí)3個(gè)月，而每年的11月至次年6月為水位緩降段，大約歷時(shí)8個(gè)月。

為了準(zhǔn)確全面地對(duì)滑坡位移特征進(jìn)行研究，本次選取滑坡監(jiān)測(cè)初始的約2.5個(gè)水文年作為代表性時(shí)間段(見圖3)。分析該滑坡位移與庫(kù)水及降雨間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，該滑坡的位移明顯增加現(xiàn)象并非發(fā)生在強(qiáng)降雨時(shí)期，而是庫(kù)水位強(qiáng)烈波動(dòng)時(shí)期。由此可知，該滑坡的主控外因是庫(kù)水位波動(dòng)，即在后續(xù)數(shù)值模擬研究中，忽略降雨對(duì)滑坡變形的影響是合理的。

圖2 三峽庫(kù)區(qū)壩前庫(kù)水位變化曲線(2006年—2014年)

圖3監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移與庫(kù)水位變化關(guān)系圖

該滑坡Ⅰ-Ⅰ′主剖面的兩處地表總位移數(shù)據(jù)與庫(kù)水位的關(guān)系見圖3。由圖3可知，在庫(kù)水位第1次從145 m蓄水到156 m及后續(xù)下降到145 m的過(guò)程中，兩處總位移呈波動(dòng)式上升，但并不明顯；當(dāng)?shù)?次從145 m蓄水到172.7 m時(shí)，兩處總位移都有較為明顯的增加，尤其是庫(kù)水位從172.7 m下降到145 m時(shí)，兩處總位移增加明顯，后緣JCD1監(jiān)測(cè)點(diǎn)總位移達(dá)到107.5 mm，前緣JCD2總位移達(dá)到91.3 mm?？傮w而言，該滑坡變形受庫(kù)水位波動(dòng)影響明顯，尤其是對(duì)庫(kù)水位下降較為敏感。

該滑坡主剖面的兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在垂直位移、水平位移、總位移及其與庫(kù)水位波動(dòng)的關(guān)系上，具有基本相同的規(guī)律特征。以滑坡前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCD2為例(見圖4)，隨著庫(kù)水位的周期性上升與下降，水平位移持續(xù)增大，總位移與水平位移具有基本同步變化的特征，表明滑坡以水平位移為主，垂直位移曲線總體呈現(xiàn)震蕩且逐漸下沉的特征，且前期振幅在15 mm左右，當(dāng)庫(kù)水位從172.7 m下降到145 m過(guò)后一段時(shí)間，最大垂直位移達(dá)到近-40 mm(下降為負(fù))，其后隨著庫(kù)水位上升，又有隆起的趨勢(shì)，表現(xiàn)出了一定的滯后性。

圖4水平、垂直、總位移與庫(kù)水位變化曲線圖

2 滑坡位移預(yù)測(cè)研究

本文選取關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，開展局部時(shí)段的水-力耦合數(shù)值模擬研究，以期兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。

本文提出的庫(kù)水型堆積層滑坡位移預(yù)測(cè)基本步驟為：(1) 將庫(kù)水位波動(dòng)特征進(jìn)行概化，得出合理可靠的庫(kù)水位波動(dòng)曲線；(2) 基于滑坡飽和-非飽和滲流計(jì)算程序，獲取庫(kù)水位波動(dòng)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的滑坡滲流場(chǎng)；(3) 將三維地下水位面并導(dǎo)入有限差分程序，獲取滑坡位移場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移；(4) 在有限差分程序中導(dǎo)入新的地下水位面，進(jìn)行相關(guān)位移場(chǎng)計(jì)算，并依此類推。

2.1 庫(kù)水位波動(dòng)曲線概化

基于該滑坡位移特征分析可知，其在2008年8月至2009年9月間的位移明顯，因此，選取該時(shí)段作為本文滑坡位移預(yù)測(cè)研究的對(duì)象。由于實(shí)際水位調(diào)度曲線具有一定波動(dòng)性，為了更方便且合理地進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)三峽水位調(diào)度曲線進(jìn)行概化，忽略局部微小波動(dòng)，最終將該時(shí)段的水位調(diào)度簡(jiǎn)化為以下8種計(jì)算工況(見表1)。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況表

2.2 滲流場(chǎng)特征

該滑坡的滑體由碎塊石土組成，為強(qiáng)透水介質(zhì)，滑床由巴東組泥灰?guī)r組成，為相對(duì)隔水層。因此，在滑坡滲流場(chǎng)計(jì)算中，可僅考慮庫(kù)水對(duì)滑體內(nèi)地下水位的影響。本文基于Ⅰ-Ⅰ′主剖面，利用GeoStudio軟件SEEP/W模塊建立滲流計(jì)算模型(見圖5)。該模型共6 153個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 850個(gè)單元。其中，以庫(kù)水位上升穩(wěn)定階段的水位145.75 m作為初始條件，最高庫(kù)水位(172.70 m)之上的坡面節(jié)點(diǎn)設(shè)置為零流量邊界，最高庫(kù)水位之下的坡面節(jié)點(diǎn)設(shè)為隨時(shí)間變化的動(dòng)水頭邊界(與表1對(duì)應(yīng))，滑面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置為零流量邊界。

圖5滑坡滲流計(jì)算網(wǎng)格模型

以Van Genuchten模型作為土-水特征曲線擬合及非飽和滲透系數(shù)估算的模型，并忽略水的體積壓縮。該模型的參數(shù)基于文獻(xiàn)[25]提出的各類型土的建議值及滑坡勘察報(bào)告測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合確定，其取值情況見圖6和圖7。

通過(guò)上述建立的滲流計(jì)算網(wǎng)格模型、定義的滲流計(jì)算參數(shù)以及設(shè)置的初始條件和邊界條件，計(jì)算得出各工況的滑坡地下水浸潤(rùn)線，見圖8和圖9。

由各工況下滑坡滲流計(jì)算結(jié)果可知：庫(kù)水位上升階段浸潤(rùn)線在滑坡體內(nèi)呈“倒流”現(xiàn)象，浸潤(rùn)線基本為直線，且隨著庫(kù)水位上升速率的增大，斜率逐漸增大；在庫(kù)水位下降過(guò)程中地下水浸潤(rùn)線呈“順流”現(xiàn)象，基本呈直線狀，且?guī)焖幌陆邓俾试酱蟮慕?rùn)線越陡。這說(shuō)明滑坡地下水的補(bǔ)給或者排泄需要一定的時(shí)間。

圖6 滑體土體積含水率與基質(zhì)吸力關(guān)系圖

圖7 滑體土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系圖

圖8 庫(kù)水位上升過(guò)程各計(jì)算工況下的地下水浸潤(rùn)線

圖9庫(kù)水位下降過(guò)程各計(jì)算工況下的地下水浸潤(rùn)線

2.3 位移場(chǎng)特征

本文將該滑坡的物理介質(zhì)概化成滑體土與滑床基巖兩種介質(zhì)，基于FLAC3D數(shù)值分析平臺(tái)和該滑坡的幾何形態(tài)特征，構(gòu)建的數(shù)值模型如圖10所示。其中，滑體表面的102、100號(hào)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著JCD-1、JCD-2地表GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖10滑坡三維數(shù)值計(jì)算模型

基于該滑坡的勘察報(bào)告，確定出巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。其中，設(shè)置的碎塊石土的抗拉強(qiáng)度不為0的原因在于：若抗拉強(qiáng)度為0，則在剛開始計(jì)算時(shí)就會(huì)有并在后續(xù)計(jì)算中一直存在大量的拉破壞，這與滑坡的實(shí)際變形破壞情況不符，并且，碎塊石土經(jīng)過(guò)壓實(shí)后，具有一定的抗拉強(qiáng)度，這已被該滑坡及三峽庫(kù)區(qū)同類滑坡取樣試驗(yàn)所證實(shí)。

提出的水庫(kù)型堆積層滑坡位移預(yù)測(cè)的關(guān)鍵計(jì)算過(guò)程為：首先，將工況1的主剖面處二維地下水位面拓?fù)渫卣篂檎麄€(gè)滑體的三維地下水位面，各處滑體前緣的浸潤(rùn)線位置與主剖面基本一致(受庫(kù)水位影響所致)，而在除主剖面外的其它滑體內(nèi)部，浸潤(rùn)線位置主要依據(jù)與地面、滑面的相對(duì)比例關(guān)系；然后通過(guò)Water table face命令將其導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值程序，生成無(wú)滲流模式下的孔隙水壓力場(chǎng)，并在滑坡前緣施加相應(yīng)的庫(kù)水反壓力，將該工況計(jì)算到收斂為止，無(wú)需校核時(shí)步與真實(shí)時(shí)間的關(guān)系，獲取滑坡位移場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移；再將滑坡現(xiàn)有原有孔隙水壓力場(chǎng)清除，應(yīng)力應(yīng)變信息保持不變，用相同方式導(dǎo)入工況2的三維地下水位面，并計(jì)算獲得滑坡位移場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移；按上述方式，依次導(dǎo)入后續(xù)地下水浸潤(rùn)面進(jìn)行計(jì)算，獲取相應(yīng)的位移場(chǎng)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移。由此獲得不同庫(kù)水位波動(dòng)條件下滑坡位移特征。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

數(shù)值模擬結(jié)果表明：滑坡變形主要集中在中前部，特別是右側(cè)中部(高程170 m～200 m)位移明顯較大，且前部位移比中部位移要大，另外局部后壁也出現(xiàn)了較大的位移，詳見圖11(工況6，較危險(xiǎn)工況)?；谏鲜?個(gè)工況下的數(shù)值模擬結(jié)果推斷，該滑坡在庫(kù)水位作用下將發(fā)生前緣蠕滑、后緣拉裂、中部剪斷的三段式破壞模式。

圖11工況6(169.30 m～159.80 m)下的滑坡位移云圖

2.4 可靠性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性，將兩處地表GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比分析(見圖12和圖13)，可得以下基本認(rèn)識(shí)：

(1) 兩處滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算位移比實(shí)測(cè)位移偏小，但總體來(lái)說(shuō)，計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移較為吻合，預(yù)測(cè)效果較好，且無(wú)需考慮計(jì)算時(shí)步和真實(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)問(wèn)題，表明本文提出的庫(kù)水位波動(dòng)下堆積層滑坡位移預(yù)測(cè)方法是可行、可靠的。

圖12 JCD-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比圖

圖13 JCD-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移對(duì)比圖

(2) JCD-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)位移與計(jì)算位移間的差異比JCD-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)更小，說(shuō)明JCD-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)庫(kù)水更為敏感，位移受庫(kù)水位變化影響更大，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)JCD-1由于受到大氣降雨等其他外界干擾，導(dǎo)致其對(duì)庫(kù)水位變化的敏感性相對(duì)較差。

(3) 在數(shù)值模擬靜力計(jì)算中，對(duì)于收斂解而言，滑坡孔隙水壓力場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)是同步進(jìn)行的。而實(shí)際水庫(kù)型滑坡演化過(guò)程中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用具有時(shí)間效應(yīng)，實(shí)測(cè)位移波動(dòng)相比庫(kù)水位波動(dòng)、降雨等具有一定的滯后性。這些將導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算位移與實(shí)測(cè)位移難以同步變化。

3 結(jié) 論

本文以重慶市某滑坡作為典型堆積層滑坡，分析了該滑坡位移特征，基于數(shù)值模擬進(jìn)行了滑坡位移預(yù)測(cè)并檢驗(yàn)了其可靠性，主要獲得了以下結(jié)論：

(1) 該滑坡以水平位移為主，總位移與水平位移具有基本同步變化的特征。該滑坡位移受庫(kù)水位波動(dòng)影響明顯，尤其是對(duì)庫(kù)水位下降較為敏感。

(2) 提出了基于庫(kù)水位運(yùn)行工況概化，通過(guò)GeoStudio軟件SEEP/W模塊獲取各工況下的滑坡滲流場(chǎng)，并依次將其導(dǎo)入FLAC3D獲取滑坡位移場(chǎng)的水庫(kù)型堆積層滑坡位移預(yù)測(cè)方法。

(3) 該滑坡實(shí)測(cè)位移與計(jì)算位移不完全吻合的原因主要在于未考慮降雨等外界因素及應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)全過(guò)程耦合作用。

(4) 受基礎(chǔ)理論和技術(shù)手段的限制，目前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滑坡位移仍無(wú)法做到，但在實(shí)際滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)中，除滑坡位移值本身外，滑坡位移的增量特征和規(guī)律對(duì)于滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)同樣具有重要意義。