華小軍,樊啟祥,尚毅梓,程 建,張玉柱,劉志武

(1.中國長江電力股份有限公司,湖北 宜昌 443002; 2.中國長江三峽集團(tuán)公司,北京 100038)

我國建成運(yùn)行的高壩大庫多位于岸坡陡峻、構(gòu)造復(fù)雜、巖體破碎、軟弱地層發(fā)育、崩滑災(zāi)害體廣布等地質(zhì)環(huán)境極脆弱的地帶。由于防洪、發(fā)電等要求,水庫水位變動(dòng)頻繁,改變了庫區(qū)邊坡的水文地質(zhì)環(huán)境,加劇了滑坡等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[1-3],反過來也制約了水庫綜合效益的發(fā)揮。以三峽為例,根據(jù)2009年7月湖北省、重慶市庫區(qū)26個(gè)區(qū)縣政府上報(bào)統(tǒng)計(jì)資料及國土資源部門調(diào)查,崩塌、滑坡共5 386處,其中涉水的崩塌、滑坡1 945處,不涉水的崩塌、滑坡3 441處[4]。因此,研究三峽庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性具有重要意義。

目前,對水庫邊坡穩(wěn)定性問題的研究已經(jīng)較多。胡鐵松等[5]提出了滑坡預(yù)測的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,并將該方法應(yīng)用于清江隔河巖庫區(qū)兩個(gè)主要滑坡的預(yù)測,預(yù)測結(jié)果表明了該方法的有效性以及在滑坡預(yù)測中的良好應(yīng)用前景;賈官偉等[6]利用圖像動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)記錄了水位驟降引致滑坡的發(fā)生、發(fā)展過程和滑坡模式,為探討邊坡失穩(wěn)原因和失穩(wěn)模式提供了依據(jù);蔣秀玲等[7]采用Morgenstern-Price法對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,對三峽水庫水位變動(dòng)下的庫岸滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià);向杰等[8]研究了三峽水庫蓄水誘發(fā)神女峰庫岸破壞機(jī)制,并簡述了在庫水位變化情況下,岸坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法;韓凌風(fēng)等[9]研究了庫水位升降作用下庫岸邊坡滲流特征,分析了該庫岸邊坡的孔隙水壓力變化特征和滲流速度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為滲流與變形耦合分析提供了依據(jù);鄧華鋒等[10]提出了對庫岸邊坡分段的分析方法,從力學(xué)機(jī)理上較好的解釋了庫岸邊坡在水位上升或下降過程中安全系數(shù)先減小后增大的原因;段永祥等[11]進(jìn)行了庫岸滑坡穩(wěn)定性物理模擬研究,試驗(yàn)結(jié)果表明水庫水位升降對滑坡前緣涉水部分影響較大,對中部和后緣影響較小,降雨對滑坡前緣、中部、后緣影響相對顯著;張嘎[12]提出了巖土域的概念,認(rèn)為相鄰邊坡體的特性和變化規(guī)律具有相關(guān)性和相似性,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析概念性模型。

以上研究大多針對整個(gè)邊坡的定性評價(jià)或特定邊坡的定量分析,缺乏對邊坡整體安全性的定量分析,且對庫區(qū)邊坡群地質(zhì)資料、水文信息等數(shù)據(jù)缺乏時(shí)的研究較少。本文基于張嘎建立的邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析概念性模型,提出一種庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性分析方法。以三峽庫區(qū)一個(gè)典型邊坡群為實(shí)例,基于“實(shí)時(shí)反饋響應(yīng)、同步修正模型”的思路,對該方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

1 三峽庫區(qū)滑坡體概況

所研究的邊坡為三峽庫區(qū)某滑坡體(圖1),該滑坡體三維幾何計(jì)算模型由滑坡體、軟弱帶和基巖3部分組成,在平面上取包圍滑坡體的大約1 240 m×1 000 m的區(qū)域。有研究表明[13],從2004年1月15日起該滑坡體開始蠕動(dòng)變形,進(jìn)入滑坡發(fā)展階段,在2007年7月期間,局部地區(qū)的滑坡形變達(dá)到最大30 cm。在2009年5月至8月期間由于降雨影響和庫水位下降，該滑坡體發(fā)生了規(guī)模較大的形變,一些觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明位移量在50～550 mm之間,滑坡體往北方向滑移,局部存在偏西或者偏東方向的調(diào)整,滑坡引起的裂縫在滑坡體上隨處可見。

圖1 三峽庫區(qū)某滑坡體30 m分辨率DEM圖

前期沒有對該滑坡體進(jìn)行勘察,信息缺乏,地質(zhì)資料、水文信息等相關(guān)計(jì)算參數(shù)都沒有提取到。這些資料需要聯(lián)系當(dāng)?shù)貒临Y源局獲取,有一定的難度,而三峽庫區(qū)滑坡體資料本身也屬于敏感信息,故根據(jù)衛(wèi)星遙感信息圖,找到一幅滑坡前的數(shù)字高程模型。運(yùn)用ArcGis遙感信息技術(shù)軟件對DEM原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取滑坡體的等高線和剖面信息,可以獲取滑坡體的形態(tài)信息見圖2。

圖2 三峽庫區(qū)某滑坡體地形地貌

2 庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析方法

2.1 巖土域相似性原理

庫區(qū)邊坡群具有相似的地質(zhì)條件和外部環(huán)境,雖然每個(gè)邊坡體的幾何特征、土層構(gòu)成及特性等要素有所不同,但也存在著明顯的共同屬性。如各邊坡體的地質(zhì)構(gòu)造與形成過程相似,因此其力學(xué)特性、滲透特性具有相關(guān)性，應(yīng)力歷史具有相似性;各邊坡體的邊界條件具有宏觀一致性,其外水位、外荷載(如地震等)等具有相等或者相似的性質(zhì);各邊坡體的變形破壞規(guī)律也有相似性。這些相關(guān)性使得庫區(qū)內(nèi)一個(gè)邊坡體的數(shù)據(jù)信息對其他邊坡體具有參考意義,因此將處于同一地域、具有內(nèi)在聯(lián)系的多個(gè)巖土體(如邊坡等)構(gòu)成的系統(tǒng)稱為巖土域。

2.2 耦聯(lián)分析概念性模型

巖土域耦聯(lián)分析概念性模型結(jié)構(gòu)見圖3。該模型包括輸入層、模型層、計(jì)算層和響應(yīng)層4個(gè)層。其中,輸入層用于收集多源數(shù)據(jù)和確定邊界條件和參數(shù)等,并傳遞到模型層;模型層用于建立單個(gè)巖土體的分析模型和相互間的耦聯(lián)關(guān)系;計(jì)算層用于多源數(shù)據(jù)的挖掘和分析,以及巖土域和所含巖土體分析模型的求解;響應(yīng)層用于匯總各巖土體的響應(yīng)及其耦聯(lián)特性,并與輸入層進(jìn)行交互。

圖3 巖土域耦聯(lián)分析概念性模型

巖土域耦聯(lián)分析概念性模型具有如下主要特點(diǎn):①模型以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主,一旦有新的數(shù)據(jù)進(jìn)入響應(yīng)層或者輸入層,分析過程就將啟動(dòng),而傳統(tǒng)方法是過程驅(qū)動(dòng);②模型具有開放性,各巖土體的模型和響應(yīng)相互獨(dú)立;③模型結(jié)果是定量的,而不是概率和可靠度分析;④數(shù)據(jù)和參數(shù)是多源的和靈活的。

2.3 庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性耦聯(lián)分析步驟

a. 輸入層。輸入滑坡體初始滑坡剖面的參數(shù)和水位。容重和強(qiáng)度參數(shù)采用取樣試驗(yàn)與工程類比后的參數(shù),水位根據(jù)水庫蓄水情況變化。

b. 模型層。采用簡化Bishop條分法建立邊坡穩(wěn)定性的分析模型,計(jì)算公式見式(1)(2),將滑坡體初始滑坡剖面實(shí)際滑坡形態(tài)導(dǎo)入耦聯(lián)分析模型。

(1)

(2)

式中:Fs為邊坡的安全系數(shù);下標(biāo)i為土條序號;b為土條的寬度;W和α分別為土條的重量和傾角;c和φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩擦角;Mc(γ)和Mφ(γ)分別為黏聚力折減系數(shù)和摩擦力折減系數(shù);γ為土條的浮容重;mαi為抗滑力矩。

c. 計(jì)算層。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、極限平衡法等分析方法進(jìn)行迭代計(jì)算,反算得出滑坡體達(dá)到極限平衡時(shí)的參數(shù)。

d. 響應(yīng)層 運(yùn)用上一步得出的參數(shù)對滑坡面進(jìn)行預(yù)測推算,如果得出的滑坡形態(tài)與實(shí)際滑坡形態(tài)不符合則自動(dòng)調(diào)整參數(shù)重新迭代計(jì)算,直至符合為止,此時(shí)的參數(shù)作為最終的計(jì)算參數(shù),運(yùn)用這些參數(shù)對滑坡體其他可能滑坡剖面進(jìn)行安全分析,得出每個(gè)剖面的安全系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場蠕動(dòng)變形痕跡,對滑坡體的各個(gè)可能滑坡方向進(jìn)行標(biāo)記,劃分9個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算分析,如圖4所示。由于滑坡體的初始滑裂面和變形體位置在剖面8處,故選取剖面8為計(jì)算基準(zhǔn)剖面。

圖4 三峽某滑坡體選取斷面標(biāo)記

將剖面8實(shí)際滑坡形態(tài)導(dǎo)入耦聯(lián)分析模型,模型運(yùn)用極限平衡分析方法進(jìn)行迭代計(jì)算,反算得出滑坡體達(dá)到極限平衡時(shí)的參數(shù)。運(yùn)用此參數(shù)對滑坡面進(jìn)行預(yù)測推算,如果得出的滑坡形態(tài)與實(shí)際滑坡形態(tài)不符合則自動(dòng)調(diào)整參數(shù)重新迭代計(jì)算,直至符合為止,得出主要計(jì)算參數(shù):土層容重為10 kN/m3,黏聚強(qiáng)度為28 kPa,內(nèi)摩擦角為25°。剖面8的安全系數(shù)為1.126,計(jì)算出的剖面8滑坡形態(tài)見圖5。

圖5 耦聯(lián)分析模型模擬的剖面8滑坡形態(tài)

將圖5與Wang等[14]的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比可知運(yùn)用耦聯(lián)分析模型得出的滑坡形態(tài)與該滑坡體的實(shí)際滑坡形態(tài)基本一致,可得出最終的計(jì)算參數(shù)。運(yùn)用最終的計(jì)算參數(shù)對其他可能滑坡剖面進(jìn)行安全分析計(jì)算,剖面1～7和剖面9的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別為0.828、1.276、0.906、2.204、1.144、1.252、1.194、1.064,耦聯(lián)分析模型計(jì)算出的剖面1滑坡形態(tài)見圖6,其他類似。

圖6 耦聯(lián)分析模型模擬的剖面1滑坡形態(tài)

計(jì)算結(jié)果顯示,最危險(xiǎn)的剖面為剖面1、剖面3、剖面5、剖面9,其中剖面1、剖面3為欠穩(wěn)定狀態(tài)(本次計(jì)算將安全系數(shù)小于1.15視為潛在危險(xiǎn)滑裂面),預(yù)測的主要滑坡趨勢集中在北北方向,如圖7所示。實(shí)際滑坡位移矢量圖見圖8。整體上看,滑坡體作近北方向滑移,局部地區(qū)移動(dòng)方向有偏西或者偏東的調(diào)整,平均位移在30 cm左右。滑坡體的頭部區(qū)域是位移量相對較大的區(qū)域,箭頭方向顯示這個(gè)區(qū)域從東南向西北方向順山坡從高處向低處滑移,最大位移接近70 cm。坡體的運(yùn)動(dòng)方向在靠近長江的舌部順著地勢發(fā)生改變,西邊沿北北西滑動(dòng),東邊沿北北東滑動(dòng)。這個(gè)形變場特征和該滑坡體的地形特征吻合甚好,位移大小和方向與李小凡等[13]對滑坡體的野外觀測結(jié)果基本吻合,預(yù)測的主要滑坡趨勢軌跡方向與實(shí)際趨勢形態(tài)吻合良好。

圖7 預(yù)測滑坡趨勢標(biāo)記

圖8 實(shí)際滑坡位移矢量圖

4 結(jié) 語

基于提出的巖土域概念,將巖土體分析擴(kuò)展到巖土域分析,通過利用其他巖土體數(shù)據(jù),采用耦聯(lián)分析、大數(shù)據(jù)挖掘等手段提高了邊坡穩(wěn)定的分析精度。

提出了一種庫區(qū)邊坡群穩(wěn)定性分析方法,以三峽庫區(qū)一個(gè)典型邊坡群為實(shí)例,在邊坡群資料不全、信息缺乏的情況下,利用遙感信息技術(shù)提取相關(guān)特性,計(jì)算了該邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明預(yù)測的滑坡體位移大小和方向與野外觀測結(jié)果基本吻合,預(yù)測的主要滑坡趨勢軌跡方向與實(shí)際趨勢形態(tài)吻合良好,驗(yàn)證了本文方法的有效性。

本文只對水位固定狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析,后期可以將此耦聯(lián)模型應(yīng)用于水位變化條件下的邊坡穩(wěn)定性耦聯(lián)過程分析。