堆積層滑坡在庫水位變動與降雨共同作用下的閾值研究
——以墓坪滑坡為例

高晨曦, 石長柏*, 閆 巍, 侯時平, 唐 玄, 安知利, 路永強(qiáng)

(1.湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434020; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

自三峽庫區(qū)蓄水以來,在庫水位以不同速率周期漲落和不同強(qiáng)度的降雨反復(fù)作用下,該庫區(qū)產(chǎn)生了很多新生的堆積層滑坡,也誘發(fā)了古、老堆積層滑坡的復(fù)活[1-3]。同時,隨著全國自動化監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展,三峽庫區(qū)建立起了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò),但預(yù)警信息普遍虛警率較高。如何建立科學(xué)的滑坡預(yù)警預(yù)報模型,設(shè)置合理有效的預(yù)警閾值判據(jù),準(zhǔn)確為滑坡防范與應(yīng)急處置提供及時可靠的信息成為當(dāng)務(wù)之急。

目前滑坡預(yù)警閾值判據(jù)包括位移速率、降雨量及降雨強(qiáng)度、位移加速度、臨界庫水位下降速率等等[4]。許強(qiáng)等[5]利用改進(jìn)的切線角,給出了斜坡加速變形階段的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)和滑坡臨滑預(yù)警判據(jù)。這一判據(jù)得到了廣泛應(yīng)用,但對于三峽庫區(qū)階躍型庫岸滑坡的適用性不強(qiáng)。黃曉虎等[6]以滑坡“階躍”變形曲線上的“破壞拐點(diǎn)”和“穩(wěn)定拐點(diǎn)”確定變形加速區(qū)間,以此求解前期降雨、當(dāng)次降雨以及位移速率閾值。賁琰棋等[7]對滑坡階躍區(qū)段位移與前期降雨指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析,從而確定了對滑坡穩(wěn)定性最不利的前期降雨型式下的降雨閾值。左雙英等[8]通過運(yùn)用數(shù)值模擬建立三維試驗(yàn)?zāi)Ｐ?反演臨界降雨量,并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證降雨預(yù)警閾值的合理性。宋琨等[9]研究在滑體滲透性和庫水變動條件下的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律,其結(jié)果對于庫區(qū)滑坡的監(jiān)測預(yù)警有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。尚敏等[10]運(yùn)用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對白家包滑坡變形與庫水位、降雨的相關(guān)性進(jìn)行定量計算,進(jìn)一步明確白家包滑坡變形對庫水位波動和降雨的響應(yīng)程度。張桂榮等[11]利用極限平衡理論確定了不同庫水位變化情況下滑坡失穩(wěn)的臨界降雨強(qiáng)度。

前人對庫水位變動或降雨強(qiáng)度等單要素的閾值判據(jù)做了大量研究,但對于庫水位變動及降雨強(qiáng)度兩種要素共同作用下的閾值判據(jù)研究不夠全面[12]。因此,本文在前人的基礎(chǔ)上,以堆積層滑坡——墓坪滑坡為例,基于實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),并結(jié)合數(shù)值模擬方法,對庫水位變動與降雨強(qiáng)度下的閾值進(jìn)行研究,其成果可以為墓坪滑坡的監(jiān)測預(yù)警預(yù)報工作提供依據(jù),對涉水堆積層滑坡監(jiān)測預(yù)警也有一定的借鑒。

1 典型滑坡特征

1.1 墓坪滑坡概況

墓坪滑坡位于湖北省香溪河左岸斜坡中下部,為三峽水庫后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害防治群測群防監(jiān)測點(diǎn),行政區(qū)劃隸屬峽口鎮(zhèn)白鶴村4組,S312省道從滑坡后緣穿過,交通條件較好。

滑坡主滑方向?yàn)?70°,前緣為香溪河,后緣以省道S312為界,前緣高程135 m,后緣高程213 m,相對高差78 m。其平面上呈舌形,縱剖面上為凹形,滑體縱長205 m、寬160 m、面積3.28×104m2、平均厚度8 m、總體積約26.24×104m3,為中型土質(zhì)滑坡。

區(qū)內(nèi)出露侏羅系下—中統(tǒng)聶家山組(J1-2n)中厚—厚層狀砂巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層,巖性較堅(jiān)硬,力學(xué)強(qiáng)度較高,地層產(chǎn)狀270°∠45°。上覆第四系殘坡積堆積物(Qel+dl)碎石土,黃褐色,結(jié)構(gòu)松散—稍密,據(jù)推測厚約6～10 m,上下薄、中間厚,土石比3∶7～4∶6,碎石成分以砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。

2021年4月在墓坪滑坡體內(nèi)布設(shè)3臺全自動GNSS地表位移監(jiān)測點(diǎn),其編號分別為GN01、GN02、GN03;在滑坡體外穩(wěn)定的山體布設(shè)1個GNSS基準(zhǔn)點(diǎn)(編號JZ1),構(gòu)成墓坪滑坡GNSS監(jiān)測網(wǎng)(圖1、圖2)。

圖1 墓坪滑坡監(jiān)測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of monitoring points for Muping landslide

圖2 墓坪滑坡1-1′剖面圖Fig.2 Geological cross section 1-1′ of Muping landslide

1.2 墓坪滑坡變形發(fā)展過程

墓坪滑坡自2021年5月開始出現(xiàn)地表宏觀變形,變形區(qū)主要發(fā)生在滑坡右后部位置。區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的拉張裂縫,隨著時間推移裂縫不斷擴(kuò)大,其前后演化對比過程如圖3所示。

圖3 滑坡全貌與典型地表裂縫特征Fig.3 Landslide panorama and typical surface crack characteristics

2021年5月滑坡右后部出現(xiàn)拉張裂縫,裂縫寬2～3 cm、長約10 m,局部坍滑變形(圖3-a);同年8月滑坡右側(cè)出現(xiàn)新的拉張裂縫,裂縫長約3～5 m、張開寬2～5 cm,局部出現(xiàn)坍滑現(xiàn)象(圖3-b);2022年3月滑坡右側(cè)中后緣出現(xiàn)多條拉張裂縫,裂縫長5～20 m、寬5～30 cm、可見深5～20 cm(圖3-c);同年6月滑坡右側(cè)中后緣裂縫走向170°,延伸方向長約5～20 m、寬25～45 cm、深約40 cm,下座陡坎高15～40 cm(圖3-d);同年9月宏觀巡查未發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)增大跡象(圖3-e)。

1.3 墓坪滑坡變形影響因素

為分析墓坪滑坡變形過程與降雨量、庫水位變化的響應(yīng)規(guī)律,將2021年5月—2022年12月期間GN01、GN02、GN03監(jiān)測點(diǎn)地表累積位移、庫水位與日降雨量的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成圖表,如表1、圖4所示。從圖表中可以看出,測點(diǎn)GN01的地表位移變形量較大,累積位移達(dá)2 504.67 mm,且呈現(xiàn)階躍變形特征。測點(diǎn)GN01累積位移曲線在2021年5—9月、2022年3—6月期間持續(xù)增長,因此,測點(diǎn)GN01變形主要發(fā)生在連續(xù)降雨與庫水位變化期間。故降雨、庫水位變化與墓坪滑坡變形之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,是導(dǎo)致墓坪滑坡變形的主要因素。

表1 墓坪滑坡GN01監(jiān)測點(diǎn)地表累積位移、庫水位、降雨量統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of surface displacement,reservoir water level and rainfall at GN01 monitoring point of Muping landslide

圖4 墓坪滑坡地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系Fig.4 The relationship between surface cumulative displacement,reservoir water level,daily rainfall and time of Muping landslide

由墓坪滑坡測點(diǎn)GN01地表位移變形速率與庫水位變化速率、日降雨量間的相互關(guān)系圖(圖5)顯示,從2021年到2022年、且在2021年5月中旬至2022年3月下旬期間,測點(diǎn)GN01地表位移變形速率超過50 mm/d,該時期伴隨著庫水位快速下降或強(qiáng)降雨等外界因素影響;在庫水位處于平穩(wěn)運(yùn)行期或庫水位上升期且降雨量較小時,測點(diǎn)GN01地表位移變形速率也相應(yīng)較小,這說明庫水位下降與強(qiáng)降雨對墓坪滑坡變形影響較大[13]。

圖5 墓坪滑坡地表位移變形速率—庫水位變化速率—日降雨量—時間關(guān)系Fig.5 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level fluctuation rate,daily rainfall and time of Muping landslide

以7天時間為區(qū)間,選取墓坪滑坡2021年5月—2022年7月期間GN01監(jiān)測點(diǎn)地表累積位移、庫水位與降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成表,如表1所示。由表中第①、③組數(shù)據(jù)可知,滑坡變形受降雨與庫水位下降因素共同影響;由第②、⑧組數(shù)據(jù)可知,滑坡變形受庫水位下降因素影響;由第④、⑦組數(shù)據(jù)可知,滑坡變形受降雨因素影響;由第⑤、⑦組數(shù)據(jù)可知,在降雨量基本相同情況下,庫水位上升速率越大滑坡變形量越小,即庫水位上升對滑坡的穩(wěn)定性是有利的;由第⑥組數(shù)據(jù)可知,滑坡僅在庫水位快速上升期間較穩(wěn)定。綜上所述:在庫水位下降、降雨期間,滑坡變形加劇。形成涉水滑坡的變形特征,與降雨有關(guān),也與庫水位快速下降引起異常的動水壓力相關(guān),導(dǎo)致滑坡出現(xiàn)階躍的變形特質(zhì),因此,判定墓坪滑坡為“降雨—動水壓力型”滑坡。

2 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值研究

2.1 變形階段選取

2021年5月—2022年12月期間,測點(diǎn)GN01的位移變形速率出現(xiàn)5次明顯的增大區(qū)間,對應(yīng)累積位移曲線的5次階躍變形,并對5處階躍段進(jìn)行編號,分別為a、b、c、d、e,如圖6、圖7所示。

圖6 墓坪滑坡測點(diǎn)GN01地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level,daily rainfall and time of Muping landslide measuring point GN01

圖7 墓坪滑坡測點(diǎn)GN01地表位移變形速率—庫水位變化速率—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level fluctuation rate,daily rainfall and time of Muping landslide measuring point GN01

2.2 降雨、庫水位閾值分析

選取2021年5月7—25日墓坪滑坡自動監(jiān)測點(diǎn)GN01地表累積位移、庫水位與日降雨量數(shù)據(jù),繪制出滑坡a階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線,如圖8所示。分析圖像可知,2021年5月10—22日庫水位由157.76 m下降至152.35 m,平均下降速率達(dá)0.42 m/d;5月11—17日出現(xiàn)連續(xù)7日降雨,累積降雨量達(dá)45.8 mm,5月15日單日降雨量達(dá)到最大,為18.9 mm;而地表累積位移在5月10—22日之間急劇增大,達(dá)277.8 mm。

圖8 滑坡a階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.8 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide a step section

選取2021年6月2—27日墓坪滑坡自動監(jiān)測點(diǎn)GN01地表累積位移、庫水位與日降雨量數(shù)據(jù),繪制出滑坡b階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線,如圖9所示。分析圖像可知,2021年6月4—23日庫水位由148.77 m下降至146.57 m,平均下降速率達(dá)0.11 m/d;6月9—19日累積降雨量達(dá)57.3 mm,6月19日單日降雨量達(dá)到最大,為21.8 mm;而地表累積位移在6月4—23日之間急劇增大,達(dá)248.6 mm。

圖9 滑坡b階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.9 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide b step section

選取2021年8月9日—9月6日墓坪滑坡自動監(jiān)測點(diǎn)GN01地表累積位移、庫水位與日降雨量數(shù)據(jù),繪制出滑坡c階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線,如圖10所示。分析圖像可知,2021年8月9—31日庫水位由146.17 m上升至157.14 m,平均上升速率達(dá)0.5 m/d;8月18—27日累積降雨量達(dá)89.8 mm,8月26日單日降雨量達(dá)到最大,為41.6 mm;而地表累積位移在8月9—25日持續(xù)增加、8月26—31日之間急劇增大,達(dá)198.5 mm。在2022年9—10月,庫水位快速上升期間,測點(diǎn)GN01地表累積位移變形量較小,故c階躍段地表位移變形主要受降雨的影響。

圖10 滑坡c階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.10 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide c step section

選取2022年3月15日—4月2日墓坪滑坡自動監(jiān)測點(diǎn)GN01地表累積位移、庫水位與日降雨量數(shù)據(jù),繪制出滑坡d階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線,如圖11所示。分析圖像可知,2022年3月20—29日庫水位由165.28 m上升至165.39 m,平均上升速率達(dá)0.012 m/d;3月20—25日累積降雨量達(dá)84.6 mm,3月20日單日降雨量達(dá)到最大,為45.1 mm;而地表累積位移在3月20—29日之間急劇增大,達(dá)256.6 mm。

圖11 滑坡d階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.11 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide d step section

選取2022年5月12日—6月8日墓坪滑坡自動監(jiān)測點(diǎn)GN01地表累積位移、庫水位與日降雨量數(shù)據(jù),繪制出滑坡e階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線,如圖12所示。分析圖像可知,2022年5月15日—6月3日庫水位由164.04 m下降至147.41 m,平均下降速率達(dá)0.83 m/d;5月18—28日累積降雨量達(dá)22.3 mm,5月25日單日降雨量達(dá)到最大,為8.5 mm;而地表累積位移在5月15日—6月3日之間急劇增大,達(dá)520.9 mm。

圖12 滑坡e階躍段地表累積位移—庫水位—日降雨量—時間關(guān)系曲線Fig.12 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide e step section

將滑坡監(jiān)測點(diǎn)階躍變形階段的位移、降雨量、庫水位指標(biāo)匯總成表,如表2所示。階段a:4～10 d累積降雨量為45.8 mm,庫水位平均下降速率為0.42 m/d,測點(diǎn)GN01地表位移產(chǎn)生較大變形,故該階段受降雨量與庫水位下降的共同影響;階段b:4～10 d累積降雨量為57.3 mm,庫水位平均下降速率較小,為0.11 m/d,測點(diǎn)GN01地表位移產(chǎn)生較大變形,故該階段主要受降雨量影響,庫水位下降速率對滑坡影響較小;階段c:4～10 d累積降雨量為89.8 mm,庫水位平均上升速率為0.48 m/d,測點(diǎn)GN01地表位移變化量較庫水位下降期間小;階段d:4～10 d累積降雨量為84.8 mm,庫水位平均上升速率較小,為0.011 m/d,測點(diǎn)GN01地表位移變化量較階段c大,故在降雨量基本相同的情況下,庫水位上升速率越大地表位移變形量越小;階段e:4～10 d累積降雨量較小,為22.3 mm,庫水位平均下降速率為0.83 m/d,測點(diǎn)GN01地表位移產(chǎn)生較大變形,故該階段主要受庫水位下降速率的影響。

表2 滑坡監(jiān)測點(diǎn)階躍變形階段的位移、降雨量、庫水位指標(biāo)統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of displacement,rainfall and reservoir water level indicators during the step deformation stage of landslide monitoring points

綜上所述,在庫水位變化與降雨共同作用下滑坡變形閾值在庫水位下降期間如下:①當(dāng)庫水位下降速率介于0.11～<0.42 m/d、4～10 d累積降雨量≥57.3 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形;②當(dāng)庫水位下降速率介于0.42～<0.83 m/d、4～10 d累積降雨量≥45.8 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形;③當(dāng)庫水位下降速率≥0.83 m/d、4～10 d累積降雨量≥22.3 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形。

3 基于數(shù)值模擬的閾值研究

3.1 模型建立

基于墓坪滑坡地質(zhì)資料,以滑坡1-1′剖面作為計算剖面,建立二維有限元網(wǎng)格計算模型(圖13),采用Geostudio軟件分析滑坡的滲流場、變形場,確定不同工況下滑坡的閾值大小。計算模型長265 m、高225 m,計算域包括滑體、滑帶和滑床3個區(qū)域[1]。根據(jù)附近滑坡的地質(zhì)勘查資料類比確定墓坪滑坡計算參數(shù)值,如表3所示。

表3 墓坪滑坡數(shù)值模擬參數(shù)Table 3 Numerical simulation parameters of Muping landslide

圖13 墓坪滑坡數(shù)值模型Fig.13 Numerical model of the Muping landslide

3.2 模擬工況設(shè)計

由前文表2分析可知,墓坪滑坡變形階段主要發(fā)生在165 m庫水位以下,故設(shè)置工況時,庫水位變化區(qū)間設(shè)置在165～145 m之間。庫水位變化速率分別設(shè)置為1.2、0.8、0.4 m/d。2021—2022年單日最大降雨量為45 mm,以此為依據(jù),將連續(xù)3日累積降雨量設(shè)置為50、100、150 mm。在庫水位下降期間,控制變量,改變降雨量或庫水位下降速率,具體工況見表4。

表4 庫水位下降階段降雨量、庫水位工況設(shè)計Table 4 Design of rainfall and reservoir water level conditions during the drawdown stage of reservoir water level

3.3 計算結(jié)果分析

按上述工況進(jìn)行穩(wěn)定性模擬分析,結(jié)果如圖14所示。由圖14可知,庫水位下降速率及降雨強(qiáng)度均對墓坪滑坡的穩(wěn)定性有較大的影響。當(dāng)降雨強(qiáng)度不變時,隨著庫水位下降速率的增大,墓坪滑坡失穩(wěn)所需的時間更少,如當(dāng)降雨強(qiáng)度為連續(xù)3 d累積降雨量150 mm不變,庫水位以0.4、0.8、1.2 m/d速率下降時,墓坪滑坡穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)第一個拐點(diǎn)的時間分別為14、9、5 d。當(dāng)庫水位下降速率不變時,隨著降雨強(qiáng)度的增大,墓坪滑坡的穩(wěn)定系數(shù)易隨之降低,即穩(wěn)定性降低。綜合分析,當(dāng)庫水位下降速率≥0.4 m/d、且連續(xù)3 d累積降雨量≥100 mm時,墓坪滑坡易發(fā)生變形。

圖14 相同庫水位變化速率下改變降雨量大小的滑坡曲線Fig.14 Curve of landslide with varying rainfall under the same rate of change of reservoir water level

4 結(jié)論

(1) 墓坪滑坡變形主要發(fā)生在連續(xù)降雨與庫水位下降期間。降雨量、庫水位下降與墓坪滑坡變形之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性,是導(dǎo)致墓坪滑坡變形的主要因素。

(2) 通過數(shù)據(jù)分析在庫水位下降期間所得閾值為:①當(dāng)庫水位下降速率介于0.11～<0.42 m/d、4～10 d累積降雨量≥57.3 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形;②當(dāng)庫水位下降速率介于0.42～<0.83 m/d、4～10 d累積降雨量≥45.8 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形;③當(dāng)庫水位下降速率≥0.83 m/d、4～10 d累積降雨量≥22.3 mm時,墓坪滑坡測點(diǎn)GN01處地表位移易發(fā)生變形。

(3) 通過數(shù)值模擬所得閾值為:當(dāng)庫水位下降速率≥0.4 m/d、且連續(xù)3 d累積降雨量≥100 mm時,墓坪滑坡易發(fā)生變形。

(4) 本文僅以墓坪滑坡為例,研究結(jié)果普適性不強(qiáng)。因此,如何尋找一個普遍適用的閾值判據(jù)還需進(jìn)一步研究。