降雨與開挖聯(lián)合作用下邊坡位移矢量及速率變化分析*
——以韓江高陂水利樞紐右岸尾水渠邊坡為例

劉震濤 尚彥軍 邵 鵬 魏思宇

(①廣東省梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程建設(shè)管理處， 梅州 514011， 中國)(②中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029， 中國)(③中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國)

0 引 言

我國華南花崗巖分布區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁。據(jù)統(tǒng)計2005～2013年廣西花崗巖分布區(qū)發(fā)生滑坡208處，存在隱患點524個，易發(fā)性評價中人類工程活動的信息量值較高(許英姿等， 2016)。對邊坡垂向呈二元結(jié)構(gòu)斜坡研究發(fā)現(xiàn)其前緣、中部和后緣由于孔隙水壓力和飽和度不同而表現(xiàn)壓剪、滑動和張拉等不同破壞機理(劉艷輝等，2016)。降雨作用下滑坡滲流場、應(yīng)力場和位移場多場模擬分析中，位移量隨時間和空間的變化，表征了滑坡不同部位的變形破壞特征(高連通等， 2014)。邊坡腳開挖難免會使其產(chǎn)生變形，如疊加強降水作用而滑動破壞的實例很多。尚敏等(2019)對三峽庫區(qū)八字門滑坡2004～2017年同期的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，滑坡“階躍”時段累積位移與降雨、庫水位下降呈正相關(guān)，可用一元線性回歸模型模擬變形過程。楊帆等(2019)通過灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法計算多項因子與滑坡位移周期項的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)滑坡總位移預(yù)測值為周期項預(yù)測值與趨勢項預(yù)測值之和?；率Х€(wěn)變形為多種因素綜合作用結(jié)果，而降雨和臨空條件分別是主次滑坡發(fā)展的關(guān)鍵控制因素(馮文凱等， 2019)。地質(zhì)條件的復(fù)雜性迫使大型地質(zhì)工程開挖施工中采用動態(tài)設(shè)計和信息化施工等對策(Yang et al.，2001； 唐軍等，2017)。地質(zhì)體破壞模式的可靠性以及監(jiān)測信息全面及時性成為了保障信息化施工和安全的關(guān)鍵(殷躍平， 2010； 趙運會等， 2017)。為避免地質(zhì)信息隱蔽性及影響因素多樣性所致設(shè)計方案不合理，應(yīng)采用動態(tài)設(shè)計法對滑坡治理全程控制。其中，滑坡變形監(jiān)測是動態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)，快速決策及變更設(shè)計是動態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵(唐軍等， 2017)。

韓江高陂水利樞紐工程位于廣東省大埔縣境內(nèi)韓江中游，河流走向自北向南在區(qū)內(nèi)呈S型，河床寬200～600im，斷面呈寬U字型。壩址在大埔縣城西南約15ikm，下游距高陂鎮(zhèn)約5ikm。工程以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電和航運等綜合利用。最大壩高約50im，采用重力閘壩，河床式廠房，裝機總?cè)萘考s100iMW。有S222省道經(jīng)過壩址區(qū)右岸邊坡。右岸道路以上邊坡為永久邊坡，道路以下為廠房尾水渠擋墻基礎(chǔ)開挖臨時邊坡(圖1)。擋墻砼澆筑完成后回填至44.50im高程，與現(xiàn)有路面約46im高程基本持平。2019年2月24日右岸上壩道路樁號YSK0+140～YSK0+280(壩縱X0+120～0+250)范圍內(nèi)邊坡及擋墻、道路臨河平臺出現(xiàn)裂縫。2月28日樁號YSK0+140～YSK0+250范圍的道路開挖坡口線上方山坡95im高程發(fā)現(xiàn)后緣裂縫，道路平臺裂縫繼續(xù)擴大，廠房尾水擋墻開挖坡面土石交界處出現(xiàn)裂縫。隨即對滑坡開展變形監(jiān)測、道路封閉和坡體開挖卸荷減載等應(yīng)急搶險。本文在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上對2～7月份邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析，以還原邊坡變形破壞過程，提出降雨及開挖聯(lián)合作用對其變形影響規(guī)律，同時說明削坡卸荷等應(yīng)急搶險措施及跳槽式由外圍向側(cè)向剪出口下挖上澆的逐步合圍等工程措施的合理有效性。

圖1 高陂水利樞紐右岸邊坡工程地質(zhì)圖Fig. 1 Engineering geological map of the right banking slope at Gaobei Key Water Control Projecta. 平面圖； b. 剖面圖(6-6′)

1 工程地質(zhì)條件及變形破壞特征

壩址區(qū)地形以中低山丘陵為主，地勢北高南低，主要以高程200～400im花崗巖侵蝕地貌為主。北部山脈走向NE，南部山脈走向NW，與本區(qū)的兩組構(gòu)造線一致。區(qū)域構(gòu)造上發(fā)育有NE走向蓮花山斷裂東束(大埔—海豐)的楓林斷裂以及NW走向饒平—大埔斷裂的下桃子峯斷裂(劉殿左， 1971)。前者穿過九龍村的長大溝谷，性質(zhì)為壓扭性(左行剪切)，走向40°～50°，傾向SE，傾角40°～70°，是活動性斷裂(張修杰， 2010)； 后者控制了韓江段在水利樞紐工程處的北西向展布，走向320°，傾角近直立，基本與右岸控制滑坡后緣拉裂縫的斷裂F8一致。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)風化花崗巖邊坡地形緩傾而發(fā)育U型風化槽，滑坡未表現(xiàn)出圈椅狀特征而是兩側(cè)非對稱變形，前緣只見有豎向裂縫而未見滑坡舌和鼓張裂隙等新生滑坡形態(tài)特征。邊坡坡向(340°)與坡腳尾水渠擋土墻開挖面傾向(35°)斜交，坡度18°～20°。邊坡坡形及地質(zhì)構(gòu)造中等復(fù)雜。

圖3 前后設(shè)立6批55個監(jiān)測點平面分布關(guān)系圖Fig. 3 Distribution of 55 motoring points in the plane coordinate

圖2 右岸邊坡變形破壞情況(2019-03-17，鏡頭朝向：S)Fig. 2 Deformation and failure occurred in the left bank of the Han River

邊坡道路以上順坡向平面長145im，路下方邊坡長80im，邊坡總斜長約250im，高差80im，平均坡角18°。鉆孔揭露滑動面基本位于強風化和弱(中)風化界面，巖芯出現(xiàn)飽水軟泥或強烈破碎，顯示的滑面埋深一般為8～12im，鉆孔完成后不久即發(fā)生錯位，監(jiān)測儀器無法下放孔中。滑坡體積約20×104im3。邊坡中下部西側(cè)緣陡立裂隙發(fā)育，且在路內(nèi)側(cè)坡腳及擋土墻開挖基坑坡腳呈現(xiàn)側(cè)緣裂縫與分支裂縫交叉的入字型結(jié)構(gòu)(圖2b)。西側(cè)緣上部與道路以下的邊坡陡立邊界剪裂縫走向夾角約23°(走向分別為16°和39°)，顯示出受上游西側(cè)斑狀花崗巖的阻擋而呈順時針壓扭特征(圖2a， 圖2c)。

2 邊坡變形監(jiān)測點分布及監(jiān)測時段

2月下旬出現(xiàn)裂縫后隨即對邊坡展開了基于地表變形監(jiān)測和信息快速反饋支撐為主的動態(tài)設(shè)計和信息化施工工作。在現(xiàn)場出現(xiàn)裂縫的邊坡上分階段設(shè)立變形監(jiān)測點，分布在滑坡體內(nèi)和側(cè)緣邊界外，包括沿滑坡中部省道S222路面線形分布的監(jiān)測點(圖3)。前期監(jiān)測點在邊坡卸載開挖中大部分被破壞而在下一期重新建立。第1批25個監(jiān)測點分別建立于2月下旬～3月初： 1～5號測點2月21日建立、6～7號測點2月25日建立、8～15號測點2月26日建立、16、17號測點3月2日建立、18～25號測點3月3～13日建立； 第2批增加的6個監(jiān)測點(N1～N6)設(shè)立于4月8日； 第3批5個監(jiān)測點(M7～M11)于4月20號建立； 第4批9個監(jiān)測點(T1～T9)設(shè)立于5月8日； 第5批5個監(jiān)測點(A1～A5)設(shè)立于6月8日; 第6批5個監(jiān)測點(Z1，Z3～Z6)設(shè)立于7月19日。這樣，在4個月時間里分6批設(shè)立了不同部位和高程的55個監(jiān)測點，其平面投影分布位置見圖3。

監(jiān)測點位置坐標采用西安坐標體系，X軸為壩縱(走向平行河流流向)，Y軸為壩橫(走向垂直河流流向，與壩軸向70°一致)。每個監(jiān)測點測得X、Y和Z3個方向位移矢量。X值負值向上游、正值向下游，Y值負值向左岸、正值向右岸。海拔高程系統(tǒng)采用珠江基準。豎向Z軸向下為負值。

圖4 不同監(jiān)測點X初始坐標與位移速率關(guān)系圖Fig. 4 Relation of initial X coordinates of monitoring points with displacement rate

3 位移矢量隨時間變化特征

將監(jiān)測到的沿X軸和Y軸方向的位移分量合成，得到平面位移矢量。考慮到這些監(jiān)測點是在不同時段設(shè)立，監(jiān)測起始和結(jié)束時間不同，即監(jiān)測時間長短不等，這里按平面位移量與監(jiān)測時間的比值即日均位移速率來統(tǒng)一分析。由圖4可見，位移速率總體變化情況是邊坡上部比中下部大，中間比兩側(cè)大，西半部比東半部大。西側(cè)緣外的點(點20， 點24等)坐標位置基本未變，而東側(cè)緣外的點(點2， 點3等)有較小位移，說明前者比較固定或抵抗牽引變形能力強，而后者受牽引變形能力弱。從不同批設(shè)立的點看第4批監(jiān)測點(T系列)普遍位移速率較大，同擋土墻塊1#、2#和7#等較多塊體基坑向深部開挖有關(guān)。同一批點靠近公路上方和上游的點位移速率較大。同時第6批7月19號設(shè)立的點(Z系列)位移速率普遍接近于0，說明擋土墻所有塊體7月下旬澆筑完工后(圖5)，邊坡已趨于穩(wěn)定。如果說4月以前大規(guī)模削方完成之前是按滑坡來評價和處置，那么大規(guī)模削方10多萬方的4月之后屬于多臺階開挖的工程邊坡(圖5b)。將其監(jiān)測信息及時反饋給了施工方，從而保證了信息化施工的順利實施。

圖5 不同時期設(shè)立的監(jiān)測點及邊坡開挖情況Fig. 5 Layout of monoitoring points with slope excavation at different stagesa. 第1批2月下旬～3月初設(shè)立的25個監(jiān)測點； b. 第4批5月8日設(shè)立的T系列監(jiān)測點； c. 第6批7月19日設(shè)立的Z系列監(jiān)測點(數(shù)字為尾水渠擋墻塊編號)

從變形過程看，X/Y比值從開始1～5id的上升然后趨于穩(wěn)定，最后各點的結(jié)果趨于相等即X/Y值近于一致(圖6)，反映了變形早期向壩縱X軸負方向(壩上游)的變形由小變大再到小，然后變化到以向壩橫Y軸負方向(左岸)的變形為主，坡體各點位移方向趨于穩(wěn)定。同時從圖6觀察到X/Y比值在穩(wěn)定后仍小于1，說明變形中后期以向壩橫Y軸負方向的變形為主。值得注意的是，在3月初、7月下旬小變形情況下X與Y方向的位移比值變得比較大，顯示小變形情況下受到尾水渠擋墻約束，邊坡向河流上游方向的位移略為明顯。

圖6 平面位移X/Y比值隨時間變化圖Fig. 6 Variation of X/Y with dates

如將處于兩直角邊的位移比值(X/Y)換算它們的弦角，可得不同點最終平面位移的最大矢量方向與X軸負方向的夾角。從圖7可見，滑體西側(cè)緣之外邊坡以負角度為主。這表明，在坡體西側(cè)緣外的不動坡體小的變形位移以向下游方向位移為主(這些負角度值點的位置見圖3和圖5)； 滑體東側(cè)以偏向河道或局部向下游方向變形為主； 滑體中部以向上游方向變形為主(位移矢量夾角50°～70°)，且隨著監(jiān)測點的位置(X軸坐標)向上游靠近，角度也有所變大。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，滑坡上部的西側(cè)緣裂縫走向16°，而中下部西側(cè)緣裂縫走向39°，偏轉(zhuǎn)角達23°。不同于一般的圈椅狀滑坡邊緣形態(tài)所反映的滑體線性變形為主。圖7結(jié)果揭示了滑體運動受控于順時針扭動滑移機制。這種滑體壓扭滑移變形機制一方面有利于減小或抵消部分下滑力，另一方面也給滑體變形預(yù)測帶來一定困難(殷躍平， 2010； 高連通等， 2014)。向河流下游方向位移的點與X負軸夾角為負值或鈍角，這里都統(tǒng)一簡化為絕對值小于90°的數(shù)值。

圖7 平面位移矢量與X負軸夾角隨壩縱X坐標變化圖Fig. 7 Variation of angle between displacement vector with X axis negative direction with coordinates of X

4 位移與降水及開挖擾動關(guān)系

梅州滑坡主要發(fā)生在雨季，且花崗巖地區(qū)的坡體滑動面大多是沿著巖土界面(羅迎新， 2007)。對高陂鎮(zhèn)氣象站2～7月份記錄的日降水量分析發(fā)現(xiàn)， 3月8日和7月21日共2id分別出現(xiàn)了暴雨，而出現(xiàn)強度為大雨的天氣有10id。在2月24日裂縫出現(xiàn)之前1id的2月23日為大雨。從累計降雨量曲線看，有兩次較集中的幅度達120～150imm的快速上升段，即3月4～9日和6月8～13日，而其余時段以階段性小幅上升為主，單幅一般不大于70imm(圖8)。在7月降雨強度仍不少，出現(xiàn)了雨強第5個高峰段。

圖8 日降水分布直方圖及累計降水量變化曲線Fig. 8 Histogram of daily precipitation and variation curve of accumulated daily precipitation(降雨強度級別劃分參考劉艷輝等(2016)； (1)～(5)為降水高峰段編號)

圖9 邊坡監(jiān)測點位移矢量隨時間累計變化曲線圖Fig. 9 Cumulative curve of displacement vector of monitoring points with datesa. 平面(X和Y軸合成)； b. 沿壩縱X軸; c. 沿壩橫Y軸; d. 沿垂向Z軸

考慮到監(jiān)測點設(shè)立是為邊坡變形明顯加大階段的安全和信息化施工提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在不同時段有不同變化特征，因此有必要將相同時段的降水量和位移曲線對比。將所示的累積降水量隨時間的變化和圖9所示的坡體累積變形位移量隨時間的變化進行對比發(fā)現(xiàn)，兩者可劃分出變化較大且集中的4個時段(圖8，圖9a)。這4個時段中，第1、2和第4曲線斜率對應(yīng)較好，而第3時段曲線斜率對應(yīng)相對較差，盡管在4月份有多次間斷性降雨包括兩次大雨。在雨強較大的第5個階段即7月下旬，邊坡累積位移已很小而可忽略不計(圖9a中階段(5))。

第3階段5月4～15日邊坡位移值較大但實際降雨并不大，是因為當時開挖尾水渠擋土墻塊體3#，后來3#暫停改為先施工上游的1#～2#(圖5c)。從下游向上游這些塊體的基本開挖高程是滑坡前緣最大為負值，向上下游兩側(cè)逐漸升高。

從圖9還可看出，各個時段的監(jiān)測點X方向位移值較接近，而Y方向和Z方向位移值都有一定差異，且差別發(fā)生一定的反轉(zhuǎn)，如處于公路外邊坡的監(jiān)測點T6和T9，前者Z向位移較大而后者Y向位移較大，說明已近滑坡前緣的T9處向河左岸水平位移更為明顯。

將上述4個時間段的日均降水率mm·d-1與日均位移速率對應(yīng)數(shù)據(jù)提取出來如表1所列。在第2、第3時段日均降水量均為5～6imm，但這兩個時段的位移速率卻相差近5倍，反映了第3時段擋土墻基部開挖的影響?？傮w看這7個對應(yīng)數(shù)據(jù)對在4個監(jiān)測時段的日均位移速率與日均降水率的擬合曲線的相關(guān)系數(shù)并不高(圖10)。

表1 4個不同時段位移速率與日均降水率關(guān)系表Table 1 Relation of displacement rate and daily precipitation in 4 stages

圖10 日均降水量p與位移速率v關(guān)系曲線Fig. 10 Daily precipitation versus displacement rate

圖11 西側(cè)緣裂縫斷面擦痕顯示發(fā)生過兩次斜滑運動Fig. 11 Scratches on the fracture section of the western margin show two oblique sliding events

路面上坡體西側(cè)緣剪切裂縫(位置在點7和點8之間，見圖3)走向47°，其面向下游的斷面有清晰的兩次斜滑痕跡，顯示了第1和第2次運動的方向基本一致，擦痕側(cè)伏向40°，側(cè)伏角22°，可見斜距分別為60.67icm、25.2icm，即在此處測得的兩次滑動總量不小于80icm(圖11)。這些現(xiàn)象基本都發(fā)生在4月底至5月初的滑坡削方完成向多臺階工程邊坡轉(zhuǎn)化期(圖5b)。

5 結(jié) 論

作為受地質(zhì)構(gòu)造控制的風化花崗巖邊坡，高陂水利樞紐右岸邊坡不同時段的變形監(jiān)測曲線與日降水量變化曲線對照表現(xiàn)出4個時段。第1和第2時段坡體位移受強降水影響，而第3時段主要反映的是擋墻基坑開挖后的坡體位移加速變化。日均降水量和日位移速率擬合曲線顯示出兩者呈對數(shù)關(guān)系的變化規(guī)律。

監(jiān)測點的位移速率不同揭示了坡體不同部位的位移變化，相對而言，高處和中部坡體變形較大。以X軸和Y軸兩方向變形量比值及其與X負軸夾角顯示的變形過程分析表明，監(jiān)測點初期變形量較小時以向壩縱X負方向為主，后期以向河谷左岸為主，最終平面位移矢量與X軸負方向夾角發(fā)生偏轉(zhuǎn)和角度增大，反映出坡體變形從上游為主轉(zhuǎn)為向下游增大偏轉(zhuǎn)的變化趨勢。不同位置和高程的監(jiān)測點坡體變形隨時間的變化過程說明邊坡發(fā)生了順時針壓扭的滑移運動，與地質(zhì)構(gòu)造控制下邊坡的傾向與開挖臨空面不一致而導(dǎo)致旋鈕運動的定性判斷一致。

致 謝本項工作得到梅州市大埔韓江高陂水利樞紐工程各參建單位領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的大力支持和協(xié)助。邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和邊坡鉆孔等資料來源自廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院等單位的技術(shù)報告。在此謹致謝忱。