劉伊凡，盧書(shū)強(qiáng)，管 琪

(1.湖北省水電工程智能視覺(jué)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.湖北長(zhǎng)江三峽滑坡國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，湖北 宜昌 443002；3.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002)

三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)庫(kù)區(qū)人民生活造成了巨大威脅。研究發(fā)現(xiàn)，三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)滑坡變形往往是庫(kù)水位變化及降雨綜合作用的結(jié)果，同時(shí)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及人類(lèi)工程活動(dòng)等也會(huì)對(duì)滑坡穩(wěn)定性造成影響?？紤]到影響因子的模糊性和復(fù)雜性，本研究進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性研究時(shí)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)集，采用模糊交換原理和最大隸屬度原則定量處理影響因子，合理選擇閾值[1-2]，從而完成滑坡穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)，同時(shí)借助數(shù)值模擬方法對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行基于實(shí)際工況的定量評(píng)價(jià)，并結(jié)合滑坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，深度挖掘其變化規(guī)律[3]，驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谏鲜龇椒ǎ狙芯恳晕挥谌龒{庫(kù)區(qū)的白家包滑坡為例，采用模糊數(shù)學(xué)理論和數(shù)值分析兩種方法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性判斷，并結(jié)合滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)白家包滑坡的穩(wěn)定性。

1 白家包滑坡概況

白家包滑坡位于湖北省宜昌市秭歸縣歸州鎮(zhèn)向家店村，地處香溪河右岸，距香溪河入長(zhǎng)江口2.5 km?；滤谛逼碌匦纬饰紶?，其后緣坡度較大，約為25°；滑體中部較為平緩，坡度為9°～13°；前緣坡腳直抵香溪河，前緣臨江段坡度約為20°?；麦w平面形態(tài)呈不規(guī)則的扇形，兩側(cè)基巖山梁和后山陡坡形成圈椅狀，前緣呈弧形向香溪河突出?；轮骰较蚣s為82°，滑坡坡面坡度10°～15°，滑坡橫向呈上窄下寬，平均寬度約400 m。

注：1為地層巖性;2為GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn);3為雨量站;4為地表裂縫及編號(hào); 5為滑坡邊界

根據(jù)彭令等[4-5]的研究成果及對(duì)白家包滑坡進(jìn)行的實(shí)地勘測(cè)，白家包滑坡發(fā)生的主要影響因素包括：①地形地貌?；虑熬夐L(zhǎng)期受香溪河河水沖刷，形成了不利的臨空面。②地層巖性?；碌貙訛橘_系下統(tǒng)香溪組(J1x)長(zhǎng)石砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，層理及裂隙發(fā)育，軟弱地層和構(gòu)造裂隙是控制滑坡發(fā)育的重要因素。③地質(zhì)構(gòu)造。受構(gòu)造作用影響，滑坡區(qū)巖層為逆向坡結(jié)構(gòu)，巖層傾角為20°～35°，平緩的巖層有利于滑坡穩(wěn)定。④氣象水文。滑坡所在地區(qū)雨量充沛，長(zhǎng)期降雨使滑坡土體處于飽水狀態(tài)，導(dǎo)致土體質(zhì)量增加、抗剪強(qiáng)度降低，并在滑體中產(chǎn)生滲透力，降低了滑坡的穩(wěn)定性；涉水程度越大，滑坡變形受庫(kù)水位下降的影響越明顯；屬弱透水型滑坡，滑坡體的滲透系數(shù)較小，庫(kù)水位下降時(shí)滑坡體內(nèi)地下水在短時(shí)間內(nèi)不能排出，形成動(dòng)水壓力[6]，影響滑坡穩(wěn)定。⑤其他因素?；麦w上中部建有公路，常有汽車(chē)通行，汽車(chē)行駛帶來(lái)的動(dòng)荷載導(dǎo)致下滑力增加。

2 基于模糊數(shù)學(xué)理論的滑坡穩(wěn)定性分析

模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用的是模糊變換原理和最大隸屬度原則，基本思路是建立影響因素集和評(píng)價(jià)集，分析研究對(duì)象的多個(gè)影響因素，對(duì)其進(jìn)行多層次的評(píng)價(jià)分級(jí)。

2.1 建立滑坡穩(wěn)定性評(píng)判模型

采用層次分析法確定影響滑坡穩(wěn)定性的因素及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，選取地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、其他因素等5個(gè)一級(jí)指標(biāo)及13個(gè)二級(jí)指標(biāo)，建立了白家包滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模糊數(shù)學(xué)多層次多指標(biāo)評(píng)判模型。

表1 白家包滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 確定各影響因素的隸屬度

隸屬函數(shù)是用來(lái)定量描述影響因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性等級(jí)隸屬程度大小的函數(shù)，是確定隸屬度的關(guān)鍵。本研究量化指標(biāo)選用模糊擬合中的“升半梯形”線性隸屬函數(shù)，采用SAATY提出的標(biāo)準(zhǔn)度原則[7]，將每個(gè)影響因子進(jìn)行兩兩比較，確定同一層各個(gè)因素與上一層因素的相對(duì)重要性，最終將各個(gè)影響因子的貢獻(xiàn)程度用一個(gè)數(shù)值表示，完成定性到定量的轉(zhuǎn)化。隸屬函數(shù)μ(x)的計(jì)算公式為

式中：xi為指標(biāo)的實(shí)際值；ai為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的下限值；bi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的上限值。

為了便于統(tǒng)一計(jì)算，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 處理后的滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

綜合分析白家包滑坡工程地質(zhì)狀況和變形特征，結(jié)合勘察資料得到滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，將實(shí)測(cè)值帶入各自所屬的隸屬函數(shù)進(jìn)而得到關(guān)于白家包滑坡穩(wěn)定性各個(gè)等級(jí)的隸屬度，得到模糊矩陣R。

根據(jù)白家包滑坡穩(wěn)定性影響因子的實(shí)際情況，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)度準(zhǔn)則確定各個(gè)因子對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的貢獻(xiàn)，對(duì)各個(gè)因子賦予不同的權(quán)重W=(0.015,0.030,0.125,0.055,0.065,0.056,0.040,0.061,0.043,0.102,0.135,0.156,0.117)；進(jìn)一步計(jì)算可得模糊綜合評(píng)判集B，B=W×R=(0.036,0.416,0.437,0.145)，即白家包滑坡穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定各個(gè)級(jí)別的隸屬度，可得出白家包滑坡欠穩(wěn)定等級(jí)的隸屬度最大，達(dá)0.437，屬于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3 基于數(shù)值分析法的滑坡穩(wěn)定性分析

白家包滑坡屬典型的動(dòng)水壓力型滑坡，庫(kù)水位下降時(shí)滑坡穩(wěn)定性下降，故本研究?jī)H分析庫(kù)水位下降時(shí)期的滑坡體內(nèi)滲流場(chǎng)變化情況，以探究庫(kù)水位降速與滑坡穩(wěn)定性的關(guān)系。采用數(shù)值分析法，借助GeoStudio軟件Seep/W模塊及Slope模塊[8-9]，選用代表性工程地質(zhì)剖面1—1′，進(jìn)行滲流場(chǎng)分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際庫(kù)水位情況進(jìn)行對(duì)比。

3.1 滲流模型

根據(jù)工程概況和具體地質(zhì)特征，選取1—1′縱剖面為計(jì)算剖面(圖1、2)。根據(jù)勘察資料中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)建議值和反演獲得的滑體黏聚力和內(nèi)摩擦角，白家包滑坡體主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3。采用極限平衡理論，遵循摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，視滑坡滑床為剛體，不考慮滑床的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，依照具體的滑動(dòng)面與位置進(jìn)行條分。

圖2 1—1′縱剖面滲流計(jì)算模型

滑坡結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)/(cm·s-1)彈性模量/MPac/kPaφ/(°)容重/(kN·m-3)滑體0.0516.214.317.922.4滑帶0.0228.318.010.823.1滑床1.0×1051.0×105650.028.527.6

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

滲流場(chǎng)模擬結(jié)果表明：隨著庫(kù)水位的下降，地下水瞬時(shí)水力梯度逐漸增大，之后隨時(shí)間的推移逐漸減小，直至形成穩(wěn)定的滲流場(chǎng)；滑體滲透系數(shù)較小，特別是在庫(kù)水位下降再疊加強(qiáng)降雨條件下，滑坡體內(nèi)地下水不能很快排出，滑體內(nèi)外產(chǎn)生水頭差，在滑體內(nèi)形成向外的動(dòng)水壓力，不利于滑坡穩(wěn)定。

利用Slope/W模塊對(duì)2006—2018年滑坡安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：白家包滑坡的安全系數(shù)變化呈一個(gè)較為規(guī)律的特征，即在每一個(gè)水文年內(nèi)，滑坡從基本穩(wěn)定變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)，隨后又由欠穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比庫(kù)水位變化和滑坡累計(jì)位移變形數(shù)據(jù)可得：①庫(kù)水位升降趨勢(shì)與滑坡的安全系數(shù)變化趨勢(shì)接近，當(dāng)庫(kù)水位下降時(shí)，滑坡的安全系數(shù)降低，特別是當(dāng)庫(kù)水位快速下降或疊加強(qiáng)降雨時(shí)，滑坡安全系數(shù)下降最為明顯。②在庫(kù)水位下降至145 m左右的一段時(shí)間內(nèi)，滑坡的安全系數(shù)又有所提升。

圖3 2006—2018年滑坡安全系數(shù)變化曲線

4 滑坡監(jiān)測(cè)

根據(jù)白家包滑體上4個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(ZG323、ZG324、ZG325、ZG326)2009—2017年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析滑坡變形特征，結(jié)果見(jiàn)表4和圖4?？梢钥闯?，2006年以來(lái)，滑坡變形表現(xiàn)出階躍型的動(dòng)態(tài)變形演化特征，最大位移都是出現(xiàn)在庫(kù)水位下降時(shí)期，而不是在庫(kù)水位上升期間。因?yàn)閹?kù)水位上升過(guò)程中，滑坡體內(nèi)地下水會(huì)出現(xiàn)“倒流”現(xiàn)象[10]，且?guī)焖簧仙蟮母咚粚?duì)滑坡的前緣水頭有較大的靜水壓力。在庫(kù)水位不同降速的情況下，滑坡位移形變的速率也有所不同：庫(kù)水位下降速率增大時(shí)，滑坡的變形速率也增大，且大部分情況下庫(kù)水位下降速率峰值與滑坡變形速率峰值同步。

表4 白家包滑坡GPS專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)滑坡變形分析 mm

5 結(jié) 論

(1)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論評(píng)價(jià)影響白家包滑坡穩(wěn)定性的13個(gè)因子，并引入多級(jí)多層次模糊結(jié)構(gòu)模型，建立影響因子權(quán)重評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得出白家包滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)論。

(2)運(yùn)用GeoStudio軟件模擬白家包滑坡2006—2018年的滲流場(chǎng)變化情況，得出滑坡穩(wěn)定性受庫(kù)水位下降和強(qiáng)降雨影響較大，呈典型的階躍型動(dòng)態(tài)變形演化特征，滑坡穩(wěn)定性隨庫(kù)水位變動(dòng)呈周期性變化，即

圖4 2006—2018年三峽水庫(kù)庫(kù)水位-滑坡位移關(guān)系曲線

6—10月變形加大，其他月份變形減緩。

(3)自三峽水庫(kù)2008年周期性蓄水開(kāi)始，壩前水位呈175—145—175 m周期性變化，隨庫(kù)水位變化白家包滑坡累計(jì)位移曲線呈現(xiàn)出階梯狀且逐年增加的變化特征。白家包滑坡在庫(kù)水位上升期處于穩(wěn)定性增加的狀態(tài)，由欠穩(wěn)定變?yōu)榛痉€(wěn)定，而在庫(kù)水位下降期滑坡穩(wěn)定性下降，由基本穩(wěn)定變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也在一定程度上說(shuō)明了上述兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。