基于變形時空演化的霧江滑坡體預測預報研究

龔博，姜龍，王振華

（1.湖南涔天河工程建設投資有限責任公司，湖南永州 425500；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

引言

在大型水利水電工程尤其是高壩大庫中，庫岸再造（庫岸滑坡）現(xiàn)象時有發(fā)生。霧江滑坡體是位于涔天河水庫擴建工程庫首右岸典型的順層、牽引式古滑坡體，總體積達1 327 萬m3。長期以來，霧江滑坡體一直處于緩慢蠕滑狀態(tài)，變形仍未收斂。其變形演化趨勢和滑坡穩(wěn)定性直接影響涔天河水庫蓄水和運行安全。

現(xiàn)階段，針對蓄水期滑坡變形及穩(wěn)定性問題已取得一定進展。在滑坡監(jiān)測中，鄭萬基等[1]利用哨兵一號A 星（Sentinel-1A）數(shù)據(jù)，通過使用時域相干點目標技術（TCP-InSAR），獲取金沙江中游興培當至草可都段的滑坡結果；張國麗等[2]利用三維激光掃描技術進行小區(qū)域滑坡變形監(jiān)測的可行性；唐軍峰等[3]基于現(xiàn)場詳細的工程地質勘察資料和監(jiān)測資料，分析了堆積體邊坡的結構特征和變形特征；陳廷照等[4]基于監(jiān)測資料，分析了滑坡時空分布特征；侯炳紳等[5]收集溪洛渡水庫庫區(qū)滑坡近3 年的監(jiān)測資料，分析了庫區(qū)滑坡的時空分布特征；在滑坡數(shù)值模擬中，王林峰等[6]基于FLAC3D滲流分析模塊功能和算法對三峽庫區(qū)龍江紅巖子滑坡的機制進行研究；張振華等[7]基于流固耦合理論，采用ABAQUS 軟件分別對該岸坡在三峽水庫蓄水，降雨及兩者共同作用下岸坡的地下水滲流場和應力場進行計算；在滑坡穩(wěn)定性評價中，張永剛、張磊等[8～10]考慮降雨、庫水位等條件，進行了滑坡穩(wěn)定性及敏感性評價；在滑坡預測預報中，鄭洪、楊鵬等[11～14]，基于穩(wěn)定性成果，進行了滑坡涌浪及治理措施等方面的預測。學者們基于滑坡的變形監(jiān)測、數(shù)值模擬和穩(wěn)定性等方面，均作出了較大的貢獻，但在基于監(jiān)測成果，進行數(shù)值模擬和穩(wěn)定性評價的系統(tǒng)攻關方面略有不足。

本文基于霧江滑坡在涔天河水庫一期蓄水期間（蓄水至EL282 m）的變形監(jiān)測成果，分析滑坡時空演化規(guī)律，并以此為基礎，進行滑移面判別和選取，進而以變形特征和滑移面位置等指標，進行較為針對的滑坡體穩(wěn)定性分析和變形演化趨勢評價，提出了一套滑坡預測預報評價體系，具有工程應用價值和借鑒意義。

1 霧江滑坡現(xiàn)場踏勘及工程地質情況

1.1 現(xiàn)場踏勘

現(xiàn)場調研可知，滑坡體總體形貌如圖1 所示，其表現(xiàn)出兩個典型特點：

1）滑坡體后緣平坦，植被茂密與后緣山體高陡的地形有明顯差異。

2）滑坡體整體地貌特征表現(xiàn)為溝谷相間。從整體上來看，霧江滑坡體具有明顯的高低起伏?；聟^(qū)發(fā)育3 條沖溝，延伸較長，切割較深，其中①號沖溝位于滑坡體下游邊界，②號沖溝位于滑坡體中部，③號沖溝位于滑坡體上游邊界。這3 條沖溝的走向近似平行，與區(qū)域巖層走向近似。這3 條沖溝在地貌上形成了滑坡體的邊界線。

圖1 霧江滑坡體溝谷相間地貌

1.2 工程地質條件

霧江滑坡體大致劃分為4 個區(qū)，其中I 區(qū)又可以分為3 個亞區(qū)。其中，I 區(qū)：位于滑坡前緣，在平面上為②號沖溝——一級平臺及前緣構成的區(qū)域。主要為散體結構，局部為碎裂結構。II 區(qū)：在平面上為②號沖溝——二級平臺——③號沖溝及前緣構成的區(qū)域，后緣邊界位于二級平臺后側。表部為礫質粘土，厚0～8 m，上部為散體結構，下部為碎裂結構。III 區(qū)：②、③號沖溝之間，二級平臺后側至滑坡體后緣，表部為礫質粘土，厚0～8 m，上部為散體結構，厚18～45 m，下部為碎裂結構巖體，最厚達40 m，向兩側、向后變薄。IV 區(qū)：①、②號沖溝之間為第一期滑坡的殘留體，表部為礫質粘土，局部礫質重粉質壤土，厚3～10 m；上部大多為散體結構，底部局部含有碎裂結構巖體，厚10～40 m?；麦w地質分區(qū)及內部典型地質剖面如圖2 所示。

圖2 工程地質分區(qū)圖及2 個典型剖面

2 滑坡監(jiān)測設計及成果

2.1 滑坡監(jiān)測設計

霧江滑坡體安全監(jiān)測系統(tǒng)布設在4 個典型剖面上，主要監(jiān)測項目有表部變形監(jiān)測、深部變形監(jiān)測以及地下水位監(jiān)測，共布置3 座位移工作基點、16 座表面位移測點、8 孔/60 套固定式測斜儀、8 孔地下水位測壓管/8 支滲壓計、4 孔12 支多點位移計等監(jiān)測儀器設備。安裝埋設如圖3 所示。

圖3 霧江滑坡監(jiān)測布置示意圖

2.2 滑坡變形監(jiān)測成果分析

一期蓄水期間的主要監(jiān)測成果以IN-固定測斜儀為主。

1）選取典型2#斷面，進行相對變形隨深度變化分析。監(jiān)測成果如圖4 所示。

圖4 霧江滑坡體2#剖面IN3、IN4 相對變形隨深度變化

IN3 測斜孔（低高程孔）在臨空面方向的相對變形整體呈波動狀態(tài)，向坡內變形在-7.35～-2.22 mm 之間，相對變形變化量在-0.04～4.72 mm 之間；向坡外變形在3.28～6.80 mm 之間，相對變形變化量在-6.78～-0.11 mm 之間。

IN4 測斜孔（高高程孔）在臨空面方向的相對變形整體呈波動狀態(tài)，向坡內變形在-4.57～-0.05 mm 之間，相對變形變化量在-0.97～4.06 mm 之間；向坡外變形在2.26～9.36 mm 之間，相對變形變化量在-1.54～0.74 mm之間。

從2#斷面的IN3、IN4 測斜孔不同時間節(jié)點的變形量級來看，深部潛在滑移帶相對變形在低高程處呈減小趨勢，在高高程處呈微增大趨勢；淺部潛在滑移帶相對變形在低高程處呈減小趨勢，在高高程處呈微增大趨勢。

2）選取典型2#斷面，進行累計變形隨深度變化分析。監(jiān)測成果如圖5 所示。

圖5 霧江滑坡體2#剖面IN3、IN4 累計變形隨深度變化

分析可見，2#斷面的IN3、IN4 測斜孔深部累計變形在臨空面方向變形整體呈坡外波動增加趨勢，低高程整體變形較為協(xié)調，高高程整體變形不協(xié)調。霧江滑坡體低高程存在一處明顯潛在滑移面，滑面位置較深，且滑面以上滑體呈整體運動。霧江滑坡體高高程存在兩處明顯潛在滑移面，并已產生錯動，后期需進一步加強觀測。

3 霧江滑坡穩(wěn)定性分析評價

選取滑坡體沿主滑動方向的縱1、縱2、縱3 與縱4 剖面作為典型計算剖面。各典型計算剖面的平面位置如圖6 所示，其評價參數(shù)見表1 所示。

結合典型斷面監(jiān)測成果和潛在滑移面位置情況，采用中國水科院自主開發(fā)的邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2010，對任意形狀滑裂面采用Spencer 法，圓弧滑面采用簡化Bishop 法，并采用最優(yōu)化方法搜索最小安全系數(shù)對應的臨界滑裂面，建立與監(jiān)測所揭示的潛在滑移面較為一致的穩(wěn)定性分析評價模型。經試算，庫水位282 m 工況的抗滑穩(wěn)定分析成果如表2 所示。

從計算結果可以看出：

1）EL282 m 條件下滑坡體的安全儲備不高。EL282 m 蓄水位條件下，各剖面中部至底部沿滑帶土剪出的安全系數(shù)在0.99～1.12 之間，由頂部至底部整體剪出的安全系數(shù)在0.90～1.10 之間，中下部由滑坡體內部剪出的安全系數(shù)在0.96～1.09 之間，從滑坡體內部圓弧剪出得安全系數(shù)在1.06～1.24 之間，各剖面穩(wěn)定安全系數(shù)較小。

圖6 霧江滑坡體各典型計算剖面及破壞模式

表1 霧江滑坡體巖土物理力學參數(shù)值

表2 庫水位282 m 工況的抗滑穩(wěn)定分析成果

2）降雨對滑坡體的穩(wěn)定性影響不顯著。在考慮降雨影響時的安全系數(shù)較天然狀況降低0.01 左右，表明降雨對滑坡體的安全系數(shù)影響不大。這一結果可能受滑坡體表部覆蓋層及內部布置的深排水孔的影響。

4 霧江滑坡體應力變形規(guī)律

4.1 蓄水至282 m 驗證工況

依據(jù)EL282 m 蓄水工況，建立三維數(shù)值模型（見圖7）。模型底部高程選擇為120 m 高程，上下游方向以及邊坡傾向方向分別取滑坡體邊界向外延伸50 m 以上。將順河床上下坡方向設為x 向，以指向坡里（上坡）作為正方向；將豎直方向設為z 向，以向上為正方向；沿河流方向為y 向，順水流方向為正方向。模型的底部邊界采用全約束，其它四個豎直邊界采用法向約束?；瑒訋葐卧叽绮淮笥? m，滑坡體內單元尺寸不大于5 m，單元以六面體單元和三棱柱單元為主，個別部位為四面體單元，中間以金字塔單元過度，基巖以六面體為主。單元數(shù)約為63.5 萬個，節(jié)點數(shù)約為43.6 萬。

在EL282 m 條件下，選取霧江滑坡體潛在滑移面附近的12 個監(jiān)測代表點，用于邊坡實測位移與應力變形對比分析。分析計算位移與安全監(jiān)測數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計如表3 所示。

分析可見，各個剖面監(jiān)測點計算位移與監(jiān)測位移基本具有良好對應關系，除了剖面2-2 監(jiān)測點2 和3外，其它誤差均小于10%。因此，該計算使用的巖土體參數(shù)取值較為合理。

圖7 霧江滑坡體三維計算模型

表3 監(jiān)測結果與應力變形計算結果對比統(tǒng)計表

霧江滑坡體在庫水位EL282 m 條件下的整體和典型代表剖面的塑性區(qū)分布和位移增量見圖8 和圖9所示。

圖8 庫水位EL282 m 工況總體塑性區(qū)分布

分析可見，1-1、2-2、3-3 剖面塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致，坡腳處剪切塑性屈服、中間存在一段未發(fā)生屈服區(qū)域、深部弧形塑性屈服區(qū)；4-4 剖面深部塑性屈服區(qū)較為集中，是形成兩個弧形變形區(qū)的主要原因。邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區(qū)；塑性區(qū)分布范圍較大，存在局部塑性區(qū)貫通趨勢，邊坡安全裕度不大。

圖9 庫水位EL282 m 工況邊坡增量總位移

4.2 蓄水至313 m 預測工況

霧江滑坡體在涔天河水庫蓄水至正常蓄水位EL313 m 條件下的整體塑性區(qū)分布和位移增量見圖10和圖11 所示。

圖10 庫水位EL313 m 工況總體塑性區(qū)

圖11 庫水位EL313 m 工況總體位移增量分布

分析可見，邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定；塑性區(qū)分布范圍較大，存在局部塑性區(qū)貫通趨勢，邊坡安全裕度不大。其數(shù)值模擬成果與滑坡體抗滑穩(wěn)定性分析的結果基本一致，滑坡體整體失穩(wěn)可能性較小，但仍存在局部滑塌現(xiàn)象。

另外，滑坡體內代表監(jiān)測點在蓄水至313 m 預測工況相對基礎和驗證工況的模擬變形值如表4 所示。

表4 各工況典型測點在臨空面方向模擬位移統(tǒng)計表

當水庫從282 m 蓄水至313 m 高程時，對剖面1-1、剖面2-2 變形影響較大，如剖面1-1 測點2 的位移從14.26 mm 增大至28.35 mm；剖面3-3、剖面4-4 的變形仍增大，但量級相對較小，趨勢趨于緩和。

5 結論

1）霧江滑坡體具有明顯的從前緣到后部的逐步牽引式特點，整體存在兩個潛在滑移帶。深部潛在滑移帶相對變形整體呈減小趨勢，淺部潛在滑移帶相對變形整體呈微增大趨勢。

2）ELE282 m 蓄水位條件下，各種滑移模式下的各剖面穩(wěn)定安全系數(shù)較小，安全裕度不大。坡體設置深部排水孔，在考慮降雨影響時的安全系數(shù)較天然狀況降低0.01 左右，表明降雨對滑坡體的安全系數(shù)影響不大。

3）水庫蓄水至313 m 高程，對滑坡體剖面1-1、剖面2-2 變形影響較大，對剖面3-3、剖面4-4 的變形影響相對較小。

4）邊坡變形中包含了部分塑性變形。邊坡表面和內部整體均未形成貫通塑性區(qū)，邊坡整體穩(wěn)定。塑性區(qū)分布范圍較大，存在局部塑性區(qū)貫通趨勢，邊坡安全裕度不大?；麦w整體失穩(wěn)可能性較小，但仍存在局部滑塌的可能。