陳玉華，邱冬冬，程志偉，詹淦基，陳俊熙

(1.福州大學 環(huán)境與資源學院， 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)結構等內(nèi)在因素基礎上，受內(nèi)外動力耦合作用孕育形成，其危害性往往令人觸目驚心，尤以我國長江三峽庫區(qū)為甚。據(jù)調(diào)查，三峽庫區(qū)的數(shù)千處崩滑災害，僅小部分開展工程治理、搬遷避讓等防治措施，其余都實行監(jiān)測預警。因此，堆積層滑坡位移特征及預測研究對三峽庫區(qū)及相似區(qū)域滑坡預測預警、保護人民群眾生命和財產(chǎn)安全具有重大的實用價值。

由于滑坡深部位移監(jiān)測難度較大、精度較低及地表GPS監(jiān)測技術的成熟，且考慮到地表監(jiān)測點和滑帶巖土體位移時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)測信息進行滑坡位移預測及災害預報[1-3]。目前，已有眾多的滑坡位移預測模型被提出，極大了推動了滑坡位移預測及災害預測預警研究。這些位移預測方法主要可分為4類：

(1) 依據(jù)經(jīng)驗的曲線擬合預測方法。該方法用數(shù)學模型對位移時序曲線進行擬合，再對時間外延進行位移預測。采用的數(shù)學模型主要有灰色模型[4-6]、馬爾可夫鏈[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型[8-11]等以及多種數(shù)學模型的組合預測方法[12-15]。

(2) 考慮環(huán)境變量的曲線擬合預測方法[16-19]。該方法也是用數(shù)學模型進行位移時序擬合預測，但在擬合過程中，考慮了影響滑坡穩(wěn)定性的環(huán)境變量。

(3) 依據(jù)滑坡演化動力學的位移預測方法[20-21]。該方法依據(jù)滑坡演化機理進行位移預測，但由于影響滑坡穩(wěn)定性的各因素耦合作用導致的非線性及復雜性，目前尚難以準確建立滑坡動力學方程。

(4) 基于數(shù)值模擬的位移預測方法[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程，是有良好前景的位移預測方法，但目前的模擬方法尚存在靜力計算時步與真實時間難對應的問題。

由上可知，合理考慮滑坡穩(wěn)定性影響因素及演化動力學過程的位移預測方法仍需要進一步研究。本文以重慶奉節(jié)縣某滑坡作為三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡，基于地質(zhì)及位移資料分析，總結滑坡位移特征及主控因素；提出基于庫水運行工況概化，通過GeoStudio軟件SEEP/W模塊獲取各工況下的滑坡滲流場，并將其依次導入FLAC3D數(shù)值分析平臺，獲取滑坡位移場的位移預測方法；最后通過計算位移與實測位移的對比分析，證實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江一級支流大溪河右側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)構造以褶皺為主，滑坡處于巫山向斜NE翼，區(qū)內(nèi)次級褶皺及裂隙發(fā)育，巖體破碎?；滤幍孛矠橹械惹懈畹蜕胶庸鹊孛玻略嫉匦纹露燃s30°，坡頂與坡底高差達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

該滑坡主軸向長度約460 m，平均寬度約250 m，滑體平均厚度35 m?；卢F(xiàn)有分布面積約11.1×104m2，體積約388.5×104m3，屬二級大型堆積層滑坡?；掠覀冗吔鐬闆_溝，沖溝切割深度為50 m～80 m，左側后部邊界為山脊，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，在三峽水庫運行條件下，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，呈散體結構。碎、塊石間的充填物為粉質(zhì)黏土，含量約占30%。滑帶位于第四系滑坡堆積層與基巖接觸面，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，主要接受側向徑流補給和上部孔隙水入滲及降水補給。總體而言，在三峽水庫運行條件下，滑坡地下水滲流場受庫水位波動影響明顯，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)測設備，其中GPS監(jiān)測點2個，同時在滑坡體外布置GPS基準點2個，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

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

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

圖2 三峽庫區(qū)壩前庫水位變化曲線(2006年—2014年)

圖3監(jiān)測點總位移與庫水位變化關系圖

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

該滑坡主剖面的兩處監(jiān)測點在垂直位移、水平位移、總位移及其與庫水位波動的關系上，具有基本相同的規(guī)律特征。以滑坡前緣監(jiān)測點JCD2為例(見圖4)，隨著庫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，當庫水位從172.7 m下降到145 m過后一段時間，最大垂直位移達到近-40 mm(下降為負)，其后隨著庫水位上升，又有隆起的趨勢，表現(xiàn)出了一定的滯后性。

圖4水平、垂直、總位移與庫水位變化曲線圖

2 滑坡位移預測研究

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

本文提出的庫水型堆積層滑坡位移預測基本步驟為：(1) 將庫水位波動特征進行概化，得出合理可靠的庫水位波動曲線；(2) 基于滑坡飽和-非飽和滲流計算程序，獲取庫水位波動關鍵時間節(jié)點的滑坡滲流場；(3) 將三維地下水位面并導入有限差分程序，獲取滑坡位移場及監(jiān)測點位移；(4) 在有限差分程序中導入新的地下水位面，進行相關位移場計算，并依此類推。

2.1 庫水位波動曲線概化

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，選取該時段作為本文滑坡位移預測研究的對象。由于實際水位調(diào)度曲線具有一定波動性，為了更方便且合理地進行數(shù)值模擬，對三峽水位調(diào)度曲線進行概化，忽略局部微小波動，最終將該時段的水位調(diào)度簡化為以下8種計算工況(見表1)。

表1 數(shù)值模擬計算工況表

2.2 滲流場特征

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

圖5滑坡滲流計算網(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[25]提出的各類型土的建議值及滑坡勘察報告測試數(shù)據(jù)進行綜合確定，其取值情況見圖6和圖7。

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

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

圖6 滑體土體積含水率與基質(zhì)吸力關系圖

圖7 滑體土滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關系圖

圖8 庫水位上升過程各計算工況下的地下水浸潤線

圖9庫水位下降過程各計算工況下的地下水浸潤線

2.3 位移場特征

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)值分析平臺和該滑坡的幾何形態(tài)特征，構建的數(shù)值模型如圖10所示。其中，滑體表面的102、100號點分別對應著JCD-1、JCD-2地表GPS監(jiān)測點。

圖10滑坡三維數(shù)值計算模型

基于該滑坡的勘察報告，確定出巖土體的物理力學參數(shù)如表2所示。其中，設置的碎塊石土的抗拉強度不為0的原因在于：若抗拉強度為0，則在剛開始計算時就會有并在后續(xù)計算中一直存在大量的拉破壞，這與滑坡的實際變形破壞情況不符，并且，碎塊石土經(jīng)過壓實后，具有一定的抗拉強度，這已被該滑坡及三峽庫區(qū)同類滑坡取樣試驗所證實。

提出的水庫型堆積層滑坡位移預測的關鍵計算過程為：首先，將工況1的主剖面處二維地下水位面拓撲拓展為整個滑體的三維地下水位面，各處滑體前緣的浸潤線位置與主剖面基本一致(受庫水位影響所致)，而在除主剖面外的其它滑體內(nèi)部，浸潤線位置主要依據(jù)與地面、滑面的相對比例關系；然后通過Water table face命令將其導入FLAC3D數(shù)值程序，生成無滲流模式下的孔隙水壓力場，并在滑坡前緣施加相應的庫水反壓力，將該工況計算到收斂為止，無需校核時步與真實時間的關系，獲取滑坡位移場及監(jiān)測點位移；再將滑坡現(xiàn)有原有孔隙水壓力場清除，應力應變信息保持不變，用相同方式導入工況2的三維地下水位面，并計算獲得滑坡位移場及監(jiān)測點位移；按上述方式，依次導入后續(xù)地下水浸潤面進行計算，獲取相應的位移場及監(jiān)測點位移。由此獲得不同庫水位波動條件下滑坡位移特征。

表2 巖土體物理力學參數(shù)取值表

數(shù)值模擬結果表明：滑坡變形主要集中在中前部，特別是右側中部(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，較危險工況)?；谏鲜?個工況下的數(shù)值模擬結果推斷，該滑坡在庫水位作用下將發(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

為檢驗數(shù)值計算結果的可靠性，將兩處地表GPS監(jiān)測點的計算位移與實測位移進行對比分析(見圖12和圖13)，可得以下基本認識：

(1) 兩處滑坡監(jiān)測點的計算位移比實測位移偏小，但總體來說，計算位移與實測位移較為吻合，預測效果較好，且無需考慮計算時步和真實時間對應問題，表明本文提出的庫水位波動下堆積層滑坡位移預測方法是可行、可靠的。

圖12 JCD-2監(jiān)測點計算位移與實測位移對比圖

圖13 JCD-1監(jiān)測點計算位移與實測位移對比圖

(2) JCD-2監(jiān)測點實測位移與計算位移間的差異比JCD-1監(jiān)測點更小，說明JCD-2監(jiān)測點對庫水更為敏感，位移受庫水位變化影響更大，而監(jiān)測點JCD-1由于受到大氣降雨等其他外界干擾，導致其對庫水位變化的敏感性相對較差。

(3) 在數(shù)值模擬靜力計算中，對于收斂解而言，滑坡孔隙水壓力場與應力場是同步進行的。而實際水庫型滑坡演化過程中滲流場與應力場的耦合作用具有時間效應，實測位移波動相比庫水位波動、降雨等具有一定的滯后性。這些將導致數(shù)值計算位移與實測位移難以同步變化。

3 結 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)值模擬進行了滑坡位移預測并檢驗了其可靠性，主要獲得了以下結論：

(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。該滑坡位移受庫水位波動影響明顯，尤其是對庫水位下降較為敏感。

(2) 提出了基于庫水位運行工況概化，通過GeoStudio軟件SEEP/W模塊獲取各工況下的滑坡滲流場，并依次將其導入FLAC3D獲取滑坡位移場的水庫型堆積層滑坡位移預測方法。

(3) 該滑坡實測位移與計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力場-滲流場全過程耦合作用。

(4) 受基礎理論和技術手段的限制，目前準確預測滑坡位移仍無法做到，但在實際滑坡災害預測中，除滑坡位移值本身外，滑坡位移的增量特征和規(guī)律對于滑坡災害的預測預報同樣具有重要意義。