萬勝，邱振東，甘建軍，萬迪文，劉成奕，袁志輝，蔡志偉

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029；2.南昌工程學(xué)院鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099；3.江西省峽江水利樞紐工程管理局，江西 南昌 330046)

以往的降雨型滑坡監(jiān)測預(yù)警研究多集中于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)、位移時間統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)、綜合預(yù)報(bào)模型和預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)等3個方面[1-3]，而基于多要素、多情景的滑坡實(shí)時監(jiān)測預(yù)警研究較少，隨著國家災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合監(jiān)測預(yù)警戰(zhàn)略的推進(jìn)，多情景、多要素的研究越來越受到重視[4-7]。如王智偉等[8]探索利用反向傳播算法對甘肅省黑方臺黨川滑坡的多源異構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析預(yù)測；許強(qiáng)等[9]利用空-天-地相結(jié)合的技術(shù)對甘肅黑方臺滑坡進(jìn)行綜合監(jiān)測，提出了利用GNSS和裂縫計(jì)對黃土滑坡進(jìn)行變形曲線的綜合分析方法。這些方法在滑坡綜合監(jiān)測預(yù)警模型及預(yù)警系統(tǒng)方面進(jìn)行了改進(jìn)，但對水利滑坡的綜合預(yù)測的閾值及預(yù)測指標(biāo)分析方面還亟需要增強(qiáng)。

涉水滑坡由于受到降雨和水位影響，具有明顯的蠕變性特征，變形時間較長，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段難以滿足滑坡加速變形預(yù)判的需要。針對這一難題，本文結(jié)合某水利樞紐右岸滑坡的監(jiān)測預(yù)防控制數(shù)據(jù)，考慮地表變形、坡體內(nèi)部位移、地下水位、錨索應(yīng)力的綜合數(shù)據(jù)，對降雨型涉水邊坡在不同降雨作用下的變形破壞過程進(jìn)行預(yù)警分析，以期為涉水滑坡監(jiān)測預(yù)警及系統(tǒng)建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 模型分析

1.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

平面變形控制網(wǎng)共布設(shè)5個測點(diǎn)，編號從TB1至TB5,且從上游至下游編號尾數(shù)由小到大。在右岸馬道上布置了8個監(jiān)測斷面,每個斷面上設(shè)置了2～3個位移標(biāo)點(diǎn)，每個斷面不同高程布置了11個地下水位孔(滲壓計(jì)11支)，同時在利用各鉆孔布設(shè)11個測斜孔，在治理工程中分散布置了3套錨索測力計(jì)，在滑坡后緣埋設(shè)了3支裂縫計(jì)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of monitoring system layout

1.2 監(jiān)測儀器

本次監(jiān)測儀器按照監(jiān)測目的和設(shè)計(jì)選型進(jìn)行采購或定制，所有儀器均進(jìn)行了檢驗(yàn)和率定，達(dá)到規(guī)范要求后，即主要參數(shù)率定值與出廠值的相對誤差小于1%后，率定合格后正式啟用。滲壓計(jì)采用基康公司GK4500S型滲壓計(jì)；應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、裂縫計(jì)采用國電南京自動化股份有限公司的自主研發(fā)產(chǎn)品。集水孔上部所有監(jiān)測傳感器及儀器在采用連續(xù)、自動采集、遠(yuǎn)程傳輸方式，接入監(jiān)測數(shù)據(jù)庫后利用數(shù)據(jù)控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集和處理。

所有儀器埋設(shè)好后，進(jìn)行調(diào)試分析其埋設(shè)成功率和運(yùn)行狀況，當(dāng)所有儀器符合測試條件要求后開始測試。測試的頻率每周定期預(yù)測1次，汛期和雨季每天測試2～3次，并實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測[10]。

1.3 模型建立

滑坡是一個連續(xù)性的變形過程，具有不確定性，可采用數(shù)值分析法如有限元法、有限拆分方法對滑坡的變形破壞進(jìn)行分析。為了驗(yàn)證滑坡監(jiān)測效果，本文采用Madis GTS NX軟件中的滑坡分析模塊，對滑坡進(jìn)行多要素的穩(wěn)定性分析[11]。

選取該滑坡前緣剪出口、滑坡后緣水平外推20 m為水平方向左右邊界；以滑坡前緣剪出口垂直向下外推20 m為垂直方向下邊界；以滑坡表面為上自由邊界。

模型的應(yīng)力/應(yīng)變邊界考慮滑坡主要發(fā)生在滑坡體，滑床區(qū)域變形極小，故左右邊界、下邊界滑床均為固定邊界。滲透邊界以靠山側(cè)為定水頭邊界，靠建房一側(cè)為變水頭邊界?；麦w、滑床基巖、抗滑樁均為彈塑性材料，選擇摩爾-庫倫本構(gòu)模型，滑帶為界面材料[12]。

勘查區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計(jì)水平地震加速度為0.05g。因勘察區(qū)降雨量大，根據(jù)形成原因、機(jī)制及斜坡變形的特點(diǎn)，選擇暴雨工況對不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行整體驗(yàn)算：荷載組合為自質(zhì)量+降雨，采用飽和重度、飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。

本次計(jì)算根據(jù)勘測資料，治理前滑坡可分為上層礫質(zhì)粉質(zhì)黏土和壤土夾碎石，不穩(wěn)定滑坡體主要位于紅色黏土與強(qiáng)風(fēng)化灰綠色絹云母千枚巖交界。而治理后則考慮減小了降雨入滲對滑體的影響，由于滑體下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化絹云母千枚巖，巖土混合質(zhì)滑坡相對變形較小，在開展MIDAS/GTS軟件來計(jì)算時，把強(qiáng)風(fēng)化絹云母千枚巖當(dāng)作剛度和抗剪強(qiáng)度較大的基礎(chǔ)底座，做適當(dāng)綜合和簡化來進(jìn)行模擬。

數(shù)值模型中網(wǎng)格劃分采用高次的平面四邊形單元。單元尺寸按照梯形播種的方式，軟弱部位及變形可能較大的區(qū)域按照0.5 m劃分，其他影響較小部位采用較大尺寸的單元?；w、滑床及坡腳的材料參數(shù)，見表1。

表1 某水利滑坡巖土參數(shù)表Tab.1 Rock and soil parameters of a hydraulic landslide

2 結(jié)果分析與對比

2.1 地表變形分析

圖2所示為該滑坡地表變形的地表水平位移-時間關(guān)系曲線?？梢钥闯?，右岸邊坡1斷面的水平位移總體較為穩(wěn)定，測值的不斷波動均在小幅范圍內(nèi)。大多數(shù)測點(diǎn)的測值均在±30 mm的范圍內(nèi)變化，最大變形約為40 mm。水平位移與降雨量具有一定的相關(guān)性，汛期時位于滑坡前緣的測點(diǎn)SA1-1的水平位移變化幅度最小，而位于滑坡中后緣的SA1-2及SA1-3測點(diǎn)的水平位移相對較大，表明該滑坡是由后緣推動前緣的推移滑坡，其中2014年7—9月及2016年4—10月期間，出現(xiàn)較大負(fù)的位移，表明位移計(jì)受極端降雨而引起的土擠壓作用。

日期圖2 地表水平位移與降雨關(guān)系曲線Fig.2 Surface horizontal displacement and rainfall relationship curve

圖3為右岸邊坡各測點(diǎn)實(shí)測的裂縫變形過程線?？芍?，K1、K2、K3各測點(diǎn)裂縫變形在2011年6月—2015年12月間總體均隨著時間的增加而逐漸增大，裂縫變幅范圍為-0.5～55 mm。其中K1及K3測點(diǎn)在至2014年7月份后增幅較小，表明測點(diǎn)裂縫趨于穩(wěn)定(圖3(a))。由于位移接近滿程，2016年4月后更換了K1、K2、K3測縫計(jì)，重新埋設(shè)的3支測縫計(jì)實(shí)測變形過程線可以看出，2016年4月—2017年10月，K1及K2測點(diǎn)的裂縫變形過程線變化平穩(wěn)，最大變形增量小于4 mm(圖3(b))。

日期(a) 裂縫變形曲線

日期(b) 裂縫變形曲線圖3 裂縫變形與時間關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve between fracture meter displacement and time

圖3表明在2016年4月5日前位于滑坡的裂縫總變形相對大小順序是K2>K1>K3，其中位于滑體中部的中間裂縫K2監(jiān)測點(diǎn)最大累計(jì)變形接近55 mm，這與現(xiàn)實(shí)調(diào)查的現(xiàn)象吻合。

2.2 坡體內(nèi)部位移分析

坡體內(nèi)部位移是反映滑體地表變形空間發(fā)展特性所展示出來的變形特性，人們常用測斜儀或多點(diǎn)位移計(jì)來進(jìn)行觀測。圖4所示為CL2-1及CL2-2所測點(diǎn)位移與時間的監(jiān)測曲線?？芍?，位于滑坡坡腳左側(cè)的測點(diǎn)CL2-1位移隨著深度的加深位移量逐漸減少為零，最大位移為2017年5月5日，這與該測點(diǎn)的反翹現(xiàn)象吻合。而位于滑坡中部的CL2-2測點(diǎn)，位移隨著深度變化在正負(fù)之間相關(guān)擺動，表明該點(diǎn)的位移受到氣候變化及地下水位等外界因素的影響較大。

(a) CL2-1深孔累積合成位移曲線

(b) CL2-2深孔累積合成位移曲線圖4 坡體深部位移曲線Fig.4 Deep displacement curve of slope body

分別選擇1、5、9、14、19 m深度處的位移對時間求導(dǎo)，得到位移速率與時間的關(guān)系曲線，具體如圖5所示?？芍?，CL-1監(jiān)測孔不同深處的位移速率大小不同，但變化規(guī)律基本一致；隨著時間的延續(xù)，變形呈現(xiàn)勻速增加的特征，2016年4月12日以后，監(jiān)測點(diǎn)的變形開始迅速增加，呈現(xiàn)接近90°的斜角加速，表現(xiàn)出滑坡出現(xiàn)大幅度的變形破壞。

t/d圖5 坡體深部位移速率與時間曲線(CL-1)Fig.5 Curve of deep displacement rate and time of slope body (Cl-1)

2.3 地下水位分析

利用水位計(jì)對不同時期、不同部位的滑坡地下水位進(jìn)行監(jiān)測研究。共布設(shè)8個測點(diǎn)主要分布在高程為81 m及71 m馬道上，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理作出水位與時間的變化關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可知，位于右岸高程81 m及71 m馬道上8個測點(diǎn)的地下水位過程線變化一直比較平穩(wěn)，其微小的波動主要與降雨等因素有關(guān)，但即使降雨期間變化也較小，無地下水位過大的突升與突降，位于右岸96 m高程馬道上2個測點(diǎn)測值有些波動，其微小的波動主要與降雨等因素有關(guān)，位于右岸61 m高程馬道P2-1測點(diǎn)測值有些波動,低水位時約50 m高程，高水位時約54 m高程，水位變化約4 m，水位變化幅度不大。各測點(diǎn)的地下水位在晴天均較穩(wěn)定，水位變化幅度很小，地下水位正常，但部分測點(diǎn)在雨天測值偏高，仍應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)觀測。

日期(a) 右岸96馬道地下水位

日期(b) 右岸81馬道地下水位

日期(c) 右岸81馬道地下水位

日期(d) 右岸71馬道地下水位

日期(e) 右岸61馬道地下水位圖6 滑坡地下水位監(jiān)測成果圖Fig.6 Results of landslide groundwater level monitoring

2.4 錨索應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

錨索應(yīng)力監(jiān)測主要用于滑坡治理效果的評價，由于該滑坡屬于治理工程的監(jiān)測，故同時對治理工程的錨索進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。各測點(diǎn)錨索應(yīng)力變化過程線如圖7所示?？芍?，孔號21、孔號22兩支錨索應(yīng)力計(jì)測值變化一直比較平穩(wěn)，應(yīng)力基本成緩慢減小趨勢，錨索應(yīng)力從卸頂后初次測值505、503 kN,應(yīng)力很快減損并穩(wěn)定在460～480 kN左右，錨索應(yīng)力屬正常變化。

日期圖7 錨索應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between anchor cable stress and time

但孔號46錨索應(yīng)力卸頂后開始一段時間呈較快下降趨勢，由2011年8月3日的581.3 kN下降到2012年3月20日的452.9 kN，處于應(yīng)力折損加快錨索松弛的階段，變化狀況正常，但自2012年3—5月錨索應(yīng)力又增至約520 kN，自2012年6—2015年5月測值一直在平穩(wěn)增加,變化范圍基本在520～580 kN。這表明隨著時間的推進(jìn)，滑體及錨索在滑體滑動過程中出現(xiàn)自適應(yīng)效應(yīng)，原來由孔單個錨索承擔(dān)較大反力作用逐漸轉(zhuǎn)為整體性錨固。

綜合實(shí)時裂縫變形和地表變形監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)查的痕跡現(xiàn)象可知，該滑坡治理后，地表位移與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系，降雨后緣裂縫仍有持續(xù)增加的趨勢，但在2016年4月12日以后裂縫變形趨于平穩(wěn)，表明該滑坡從力學(xué)機(jī)制上屬于牽引式的蠕動滑坡。而通過深部位移和地下水位監(jiān)測可知，該滑坡前緣在治理后仍然發(fā)生了反翹現(xiàn)象，而滑體中部的受降雨、水位漲跌的影響，深部位移表現(xiàn)出正負(fù)交替的現(xiàn)象，說明滑體受外部環(huán)境的影響較大。而從錨索應(yīng)力監(jiān)測來看，各測點(diǎn)的應(yīng)力變化幅度經(jīng)過初期的拉伸作用以后，錨索逐漸發(fā)揮錨固作用，使應(yīng)力的變化趨于平滑。綜上所述，該斜坡在治理后初期仍然有一定程度的繼續(xù)運(yùn)動，但滑坡治理系統(tǒng)逐漸發(fā)揮其作用，使該牽引式滑坡趨于穩(wěn)定。

3 數(shù)值模擬對比分析

滑坡治理工程完工時間為2010年12月，工程監(jiān)測最后時間擬到2017年5月。降雨量以峽江縣多年平均降雨量149 mm/3 d，連續(xù)降雨3 d為例，采用Midas軟件的降雨-滲流-穩(wěn)定分析模塊進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 滑坡治理前變形云圖Fig.8 Deformation cloud map before landslide treatment

連續(xù)降雨72 h后該滑坡的剖面的水平位移云圖。圖8為該滑坡治理后水平位移云圖。由上述2圖對比可知，滑坡治理前的水平位移最大值為193.7 mm，變形最大值位于滑坡中前部，其中坡趾位移值最大，表明該滑坡是由于人工切坡引起前緣臨空面率先剪出，產(chǎn)生了較大的變形破壞，進(jìn)而帶動后緣下滑，最終引起的牽引式滑坡。經(jīng)過治理后，在同一降雨強(qiáng)度、降雨歷時作用下，滑坡最大的位移值下降為13.2 mm，最大變形值下降了93%。通過數(shù)值模擬，可知治理之前滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)Fs為1.10，而治理后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到了2.36，增大了1.15倍，說明治理加固效果非常明顯。治理后滑坡變形值比較均勻，變形主要發(fā)生在邊坡新近開挖平臺淺表。為確保斜坡的穩(wěn)定性，杜絕該處地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，新開挖的坡表面需要做壓實(shí)護(hù)坡，防止其發(fā)生新的整體性破壞。

圖9 滑坡治理后變形云圖Fig.9 Deformation cloud map after landslide treatment

從數(shù)值模擬分析結(jié)果可以看出，該邊坡因水利樞紐開挖形成臨空面，斜坡開始變形，屬于降雨、水位變化和開挖式人工切坡共同作用引起的大型牽引式類土質(zhì)滑坡，剪出口位于高程50.3～51.2 m的位置，主滑方向?yàn)?11°。

對監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，滑坡治理前后應(yīng)力應(yīng)變的位置及大小均發(fā)生了顯著變化，其變化的特征與監(jiān)測反映的數(shù)據(jù)基本吻合。特別是由坡前開挖拉動引起的應(yīng)力集中，在治理后，滑體中前緣得到加固和提高，這與裂縫計(jì)和深孔位移監(jiān)測的變形隨著時間趨于穩(wěn)定的規(guī)律基本吻合，從另一角度印證了監(jiān)測的有效性。

4 結(jié)論

1)治理后降雨入滲后斜坡后緣裂縫增大至55 mm，具有梯級增加的趨勢。在設(shè)置了排水措施的斜坡中部，裂縫位移和深部位移值與降雨密切相關(guān)，具有一定的滯后效應(yīng)；而坡體前出口，雨水匯聚、地下水位抬升使坡體前緣形成反翹現(xiàn)象。

2)監(jiān)測結(jié)果表明，該坡體剪出口位置變形幅度最大，坡體中部的馬道變形幅度次之，滑坡后緣最小，反映滑坡受到坡前人工切坡影響，在降雨入滲和地下水位變化等作用下牽引滑體向下滑動。因此，滑坡的監(jiān)測預(yù)警應(yīng)以深部位移的變化速率與時間的拐點(diǎn)當(dāng)作預(yù)警指標(biāo)。

3)通過Madis軟件對滑坡治理前后的有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，滑坡在極端降雨作用下變形幅度達(dá)到193.7 mm，遠(yuǎn)沒有達(dá)到現(xiàn)有監(jiān)測時的最大位移值，表明滑坡后期將持續(xù)變形，必須及時治理；而治理后模擬結(jié)果表明，最大變形值降低至13.2 mm，安全系數(shù)提高了1.26，表明治理效果較好。