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        三峽庫(kù)區(qū)“階躍”型滑坡變形機(jī)理與預(yù)警模型

        2022-11-04 04:04:12黃曉虎鄧茂林易慶林陳建偉陳陸軍
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:庫(kù)水八字階躍

        郭 飛,黃曉虎,鄧茂林,易慶林,張 鵬,陳建偉,陳陸軍

        1. 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; 2. 三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002

        三峽庫(kù)區(qū)是滑坡災(zāi)害的高發(fā)區(qū)[1]。這些滑坡對(duì)三峽大壩的運(yùn)營(yíng)、航道和庫(kù)區(qū)居民等構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。水庫(kù)蓄水經(jīng)常引起滑坡失穩(wěn)。1963年10月9日發(fā)生在意大利的瓦伊昂滑坡就是最典型的案例[2-4]。近年來(lái),三峽庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害依然頻發(fā),例如2003年7月13日發(fā)生的千將坪滑坡[5-6]、2017年9月2日發(fā)生的杉樹(shù)槽滑坡[7-8]、2019年12月10日發(fā)生的卡門(mén)子灣滑坡[9]、2021年8月28日發(fā)生的小巖頭滑坡等。這表明,三峽庫(kù)區(qū)依然要重視滑坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和治理工作。目前,已查明三峽庫(kù)區(qū)存在的滑坡或潛在滑坡就達(dá)5000余處[10]。如何識(shí)別這些滑坡變形失穩(wěn)的誘發(fā)因素,并盡可能早地預(yù)測(cè)滑坡的穩(wěn)定性,進(jìn)而建立合理精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)預(yù)警模型,是避免出現(xiàn)重大損失的重要舉措[11]。因此,自2003年6月以來(lái),三峽庫(kù)區(qū)首先將這些滑坡或潛在滑坡納入群測(cè)群防管理,并對(duì)其中的250個(gè)具有較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的滑坡實(shí)施地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè),采用了諸如裂縫計(jì)、人工和自動(dòng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)監(jiān)測(cè)、深部位移、下滑力以及各種觸發(fā)因素(降雨、水庫(kù)水位和地下水水位)等監(jiān)測(cè)手段。其中位于三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)首段的八字門(mén)滑坡,自2003年就開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)測(cè),目前已獲取了18年的人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和5年的全自動(dòng)GNSS位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文在精細(xì)化分析這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合地質(zhì)勘查和野外宏觀巡查資料,首先分析了八字門(mén)滑坡的變形特征,闡明了庫(kù)水、降雨對(duì)滑坡變形的影響機(jī)理,并獲取了八字門(mén)滑坡“階躍”變形的庫(kù)水位、庫(kù)水下降速率、降雨及變形速率閾值,并設(shè)計(jì)了合理的預(yù)警模型,為該滑坡的穩(wěn)定性分析和預(yù)警預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

        1 滑坡工程地質(zhì)概述

        1.1 滑坡概況

        八字門(mén)滑坡(110°45′E,30°58′N(xiāo))位于三峽庫(kù)區(qū)湖北省秭歸縣歸州鎮(zhèn),長(zhǎng)江北岸支流香溪河右岸河口處?;鲁属せ钫共加诎镀缕履_,分布高程65~280 m,受三峽水庫(kù)蓄水影響,前緣145 m以下區(qū)域已不可見(jiàn)。整體西高東低,向東傾斜,滑體地面坡度10°~30°,呈階梯狀起伏?;律洗嬖?39~165 m和220~230 m兩級(jí)平臺(tái)。兩側(cè)以同源沖溝分界,后緣邊界為巖土接觸面,平面形態(tài)呈箕形,剖面形態(tài)為階梯形。前緣臨空面為長(zhǎng)江支流香溪河,滑坡體長(zhǎng)380 m,寬100~500 m,厚10~35 m,體積約200×104m3,主滑方向112°,如圖1、圖2所示。

        圖1 八字門(mén)滑坡航拍全貌Fig.1 Aerial view of Bazimen landslide

        圖2 八字門(mén)滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of monitoring site of Bazimen landslide

        滑坡發(fā)育于侏羅紀(jì)下統(tǒng)沙溪廟組(J1s)紫紅色砂頁(yè)巖、粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖及燧石礫石組成的逆向坡中,該巖層構(gòu)成滑坡的滑床,巖層產(chǎn)狀為292°∠29°。

        滑體主要為黃褐、紫紅色夾深灰色的碎塊石土層,由塊石、碎石及粉質(zhì)黏土組成,土石比為4∶6。碎塊石粒徑一般5~10 cm,大者20~50 cm,呈次棱角—棱角狀,碎塊石成分主要為長(zhǎng)石石英砂巖以及少量的泥質(zhì)粉砂巖和紫紅色粉砂質(zhì)泥巖。

        滑帶為角礫土,紫紅色、灰綠色,角礫呈次棱—次圓狀,直徑0.2~5 cm,局部表面具磨光面、擦痕,成分以砂巖、泥巖為主;充填粉質(zhì)黏土,呈軟塑—可塑狀,土石比為6∶4~5∶5。根據(jù)鉆探資料揭露,前部存在兩層滑帶,上部為次級(jí)滑面,主滑帶在滑體底部與滑床界面之間連續(xù)分布,滑面傾角中后部較陡,約為20°~30°,前部平緩,其厚度變化區(qū)間為0.9~3.6 m。淺井中接近基巖面位置見(jiàn)滑動(dòng)鏡面,產(chǎn)狀130°∠23°,如圖3(c)所示,鉆孔ZK2中35.8 m處揭露的滑動(dòng)面,傾角28°,其中黏性土可見(jiàn)明顯及擠壓揉皺,如圖3(d)所示。

        圖3 八字門(mén)滑坡工程地質(zhì)剖面Fig.3 Engineering geological section of Bazimen landslide

        1.2 滑坡歷史變形特征

        八字門(mén)滑坡自1982年復(fù)活,在高程80~125 m處發(fā)育4條長(zhǎng)60~80 m,走向180°~320°,近平行于香溪河的裂縫,目前其變形部位已淹沒(méi)于庫(kù)水位以下,不可見(jiàn)。1983年再次出現(xiàn)裂縫,1987年長(zhǎng)江洪峰期間,在高程155 m處建筑物被撕裂,公路變形。自2003年6月三峽水庫(kù)開(kāi)始蓄水以來(lái),變形持續(xù)不止,主要發(fā)生在2003年7月、2005年7—10月、2009年6月、2010年6—7月、2011年7月、2012年6月、2013年6月、2014年7月、2015年6月,裂縫主要展布于公路、后緣、滑坡兩側(cè)和庫(kù)水消落帶等位置(圖2(a)—(d),圖3(a)—(b))。這些裂縫寬1~15 cm,長(zhǎng)約50~200 m,下錯(cuò)0.5~1.5 m,走向170°~330°。這些裂縫破壞公路、擋土墻等構(gòu)筑物。顯然,八字門(mén)滑坡每年出現(xiàn)新的變形都在6、7月,基本是庫(kù)水位下降至145 m時(shí),也就是庫(kù)水位下降過(guò)程的中后期。

        2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)結(jié)果

        2003年,滑坡上建立了ZG110、ZG111共兩個(gè)人工GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2013年,新建立了GSC1、GSC2、GSC3、GSC4、GSC5、GSC7、GSC8及GSC9共8個(gè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2016年在滑坡體上布置了GSCX3、GSCX5和ZGX111等3個(gè)自動(dòng)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖2所示。

        2.1 人工GNSS監(jiān)測(cè)

        圖4顯示,2003年建立的人工GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZG110、ZG111累積位移分別為2 141.2、2 930.1 mm。2013年建立的人工GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積位移在554.9~1 170.4 mm之間。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移方向近似均在100°~126°之間(圖2)。滑坡位移主要發(fā)生在每年5—9月,其中5—7月位移速率最大。此時(shí),庫(kù)水位已經(jīng)下降至159 m,由159 m下降至145 m的過(guò)程中,滑坡變形曲線出現(xiàn)突躍,滑坡的單月位移量達(dá)到最大值,滑坡累積曲線呈現(xiàn)典型的“階躍”特性。而在每年8月到第二年4月期間,滑坡的變形曲線趨于平緩。從年位移上看,年位移量約為50~270 mm,呈現(xiàn)“一年多,一年少”的“鋸齒”型波動(dòng),如圖5所示。

        圖4 八字門(mén)滑坡人工GNSS監(jiān)測(cè)曲線與庫(kù)水位、月降雨量關(guān)系Fig.4 Relationship between annual GNSS monitoring curve of Bazimen landslide and reservoir water level and monthly rainfall

        圖5 八字門(mén)滑坡人工GNSS監(jiān)測(cè)年位移量Fig.5 Annual displacement of Bazimen landslide monitored by artificial GNSS

        2.2 自動(dòng)GNSS監(jiān)測(cè)

        圖6顯示,自2016年5月開(kāi)始運(yùn)行以來(lái),滑坡的累積位移持續(xù)增加,GSCX3、ZGX111和GSCX5的總位移量分別為1 216.7、872.7和844.9 mm。對(duì)應(yīng)的附近的人工GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)GSC3、ZG111和GSC5在2020年的總位移分別為800.7、752.6、765.2 mm。需要注意的是,自動(dòng)監(jiān)測(cè)值與人工監(jiān)測(cè)值存在一定的差異,這與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置有一定關(guān)系外(自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)GSCX3的位置靠近了滑坡左側(cè)邊界,因而位移明顯比人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)GSC3要大),還有可能監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)了誤差。但是兩者都呈現(xiàn)出滑坡后部位移量要小于中部的位移量的特征,這是與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果是一致的。同時(shí),八字門(mén)滑坡的累積位移曲線在2016、2017、2018和2020年均出現(xiàn)了明顯位移的“階躍”。這些“階躍”趨勢(shì)與人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)也存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        圖6 八字門(mén)滑坡自動(dòng)GNSS監(jiān)測(cè)曲線與庫(kù)水位、月降雨量關(guān)系Fig.6 Relationship between automatic GNSS monitoring curve of Bazimen landslide and reservoir water level and monthly rainfall

        3 滑坡變形機(jī)理分析

        3.1 降雨因素

        八字門(mén)滑坡出現(xiàn)的多次“階躍”變形,主要受庫(kù)水位升降和降雨影響,相對(duì)而言,降雨誘發(fā)的“階躍”規(guī)律性較差。選取降雨較多的2016年11月1日—2018年10月31日兩個(gè)水文年對(duì)降雨誘發(fā)的5次“階躍”變形的詳細(xì)信息進(jìn)行提取,具體見(jiàn)表1。這些“階躍”變形在庫(kù)水位下降、低庫(kù)水位運(yùn)行和庫(kù)水位上升時(shí)間段均會(huì)出現(xiàn),說(shuō)明這些水庫(kù)不同運(yùn)行階段均會(huì)受降雨影響而形成明顯的“階躍”變形現(xiàn)象。

        另外,分析表1可知,降雨誘發(fā)的變形加速一般在降雨開(kāi)始之后的1 d出現(xiàn),此時(shí)GSCX3、ZGX111和GSCX5的日位移速率會(huì)逐步增大。降雨結(jié)束之后,變形加速依然會(huì)持續(xù)4~7 d,這說(shuō)明降雨導(dǎo)致的巖土體(滑帶、滑體)基質(zhì)吸力降低及地下水位升高經(jīng)過(guò)這個(gè)時(shí)間段后才能恢復(fù),即一次降雨對(duì)滑坡變形的影響持續(xù)4~7 d,計(jì)算累積降雨量時(shí),可以選取7 d來(lái)計(jì)算。庫(kù)水位下降階段出現(xiàn)的三次“階躍”變形7 d累積降雨量分別為80.8、82、157.2 mm;低庫(kù)水位運(yùn)行階段出現(xiàn)的“階躍”變形7 d累積降雨量為65.4 mm;庫(kù)水位上升階段出現(xiàn)的“階躍”變形7 d累積降雨量為141.8 mm。不同階段出現(xiàn)“階躍”變形的7 d累積降雨量不同,庫(kù)水位上升階段的最大,低庫(kù)水位運(yùn)行階段的最小。

        表1 降雨誘發(fā)“階躍”特征信息

        另外,單次強(qiáng)降雨雖然也會(huì)誘發(fā)“階躍”變形,但是其對(duì)滑坡變形的影響要明顯小于持續(xù)降雨對(duì)滑坡變形的影響。為了進(jìn)一步精細(xì)化地研究降雨誘發(fā)“階躍”變形的特征,進(jìn)而確定出現(xiàn)“階躍”變形對(duì)應(yīng)的降雨閾值,選取表1中2017-07-07—2017-07-17(低庫(kù)水位運(yùn)行期)以及2017-09-27—2017-10-14(庫(kù)水位上升期)時(shí)間段做分析,如圖7所示。降雨誘發(fā)的變形加速峰值在降雨開(kāi)始之后的2 d出現(xiàn),此時(shí)GSCX3的日位移速率會(huì)增加到最大值,這是典型的“峰值滯后”現(xiàn)象,反映的是降雨過(guò)程中滑坡體由非飽和至飽和的過(guò)程時(shí)間差。峰值過(guò)后位移速率逐漸衰減至正常值(小于2.0 mm/d)的時(shí)間為7 d。同時(shí)需要注意的是,由于2018年與2019年的降雨強(qiáng)度較小,滑坡在低庫(kù)水位運(yùn)行時(shí)和庫(kù)水位上升時(shí)間內(nèi)的持續(xù)降雨并沒(méi)有產(chǎn)生“階躍”變形。這表明需要降雨量達(dá)到一定值并且持續(xù)一段時(shí)間的條件下才能體現(xiàn)出兩者的相關(guān)性。

        圖7 GSCX3日位移速率-庫(kù)水位-日降雨量對(duì)比Fig.7 GSCX3 daily displacement rate-reservoir water level-daily rainfall comparison diagram

        3.2 庫(kù)水位因素

        三峽水庫(kù)自2010年首次蓄水至175 m后,庫(kù)水的運(yùn)行周期性明顯。庫(kù)水位在一個(gè)水文年(11月至次年10月)中,可以分為4個(gè)不同的階段,分別為:①高水位運(yùn)行期,②庫(kù)水位下降期,③低水位運(yùn)行期,④庫(kù)水位上升期。為了更準(zhǔn)確地分析庫(kù)水位對(duì)滑坡變形的影響,選取降雨影響不明顯的水文年來(lái)進(jìn)行分析(圖8)。

        圖8 日位移速率-庫(kù)水位升降速率-庫(kù)水位-降雨量曲線圖(2016-11-01—2018-10-31)Fig.8 The curve of daily displacement rate, water level fluctuation rate and rainfall(2016-11-01—2018-10-31)

        (1) 高水位運(yùn)行期(2017-11-01—2017-12-25,圖8中藍(lán)色):在2017-11-01—2017-12-07期間,GSCX3、ZGX111和GSCX5位移分別為-1.8、-0.4和-1.7 mm。顯然,這階段產(chǎn)生了向坡體內(nèi)的變形,這是由于上升期間的庫(kù)水形成的水頭將滑坡體向內(nèi)推,形成較小的反向位移。這一現(xiàn)象在歷年的人工監(jiān)測(cè)中也經(jīng)常出現(xiàn)。

        (2) 庫(kù)水位下降期(2017-12-26—2018-06-10,圖8中橙色):在最高水位175 m向159 m的下降過(guò)程中,歷時(shí)147 d,GSCX3、ZGX111和GSCX5的日位移在1.0 mm/d以下。在2018-05-09—2018-06-09共38 d內(nèi),庫(kù)水位由159.29 m下降到145.75 m,庫(kù)水位下降速率增加到約0.40 m/d,對(duì)應(yīng)的位移加速在25 d后啟動(dòng)。同時(shí),位移加速現(xiàn)象在庫(kù)水位達(dá)到最低值(145 m)后,還持續(xù)了29 d。在2018-05-08—2018-07-09共42 d的加速變形過(guò)程中,GSCX3、ZGX111和GSCX5分別位移98.5、73和71 mm,日位移速率為1.69~2.35 mm/d左右。顯然,較高的庫(kù)水位下降速率對(duì)滑坡變形產(chǎn)生了持久的影響。

        (3) 低水位運(yùn)行期(2018-06-11—2018-08-23,圖8中黃色):此階段的開(kāi)始階段出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)29 d的位移加速時(shí)間是較高的庫(kù)水位下降誘發(fā)的加速變形的持續(xù)效應(yīng)。低水位運(yùn)行一段時(shí)間后,滑坡的加速變形現(xiàn)象消失。

        (4) 庫(kù)水位上升期(2018-08-24—2018-10-31,圖8中紅色):共持續(xù)68 d監(jiān)測(cè)點(diǎn)GSCX3、ZGX111和GSCX5位移增量?jī)H為8.60、10.90和5.90 mm,平均位移速率為0.13、0.16和0.09 mm,無(wú)明顯加速變形現(xiàn)象。

        3.3 滑坡變形機(jī)理

        3.3.1 穩(wěn)定性特征

        為了進(jìn)一步研究八字門(mén)滑坡的復(fù)活變形機(jī)理,采用Geo-Studio軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[12-15],選擇1-1′剖面建立滑坡的數(shù)值模擬計(jì)算模型,坡長(zhǎng)650 m,坡高330 m。計(jì)算網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為9024,單元數(shù)為8904,網(wǎng)格類(lèi)型為四邊形單元和三角形單元,如圖9所示。模型物理參數(shù)見(jiàn)表2(參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲取)。

        圖9 八字門(mén)滑坡Geo-studio模型Fig.9 Geo-studio model of Bazimen Landslide

        表2 八字門(mén)滑坡物理力學(xué)參數(shù)

        利用SEEP/W模塊對(duì)八字門(mén)滑坡的滲流特征進(jìn)行了分析。獲取了滑坡在145 m升至175 m和175 m降至145 m的滲流特征如圖10所示。顯然,在低水位運(yùn)行期時(shí),其地下水位線也會(huì)略高于145 m水位線的位置,這主要是后方山體及汛期降雨入滲補(bǔ)充導(dǎo)致的。而在高水位運(yùn)行期時(shí),其地下水位線也會(huì)略高于175 m水位線的位置,這時(shí)候降雨減少(非汛期),地下水位主要受后方山體的補(bǔ)給。

        圖10 庫(kù)水位上升、下降時(shí)八字門(mén)滑坡地下水位線特征Fig.10 Variation characteristics of underground water level of Bazimen landslide when the water level of the reservoir rises and falls

        在庫(kù)水位上升期時(shí),地下水位線在初期的變化最大,滑體表面浸潤(rùn)高度要比坡體內(nèi)部高出許多,當(dāng)庫(kù)水位逐漸升至175 m后這種現(xiàn)象逐漸消失,這主要是庫(kù)水上升速度大于坡體的滲透系數(shù),坡體內(nèi)的地下水位的調(diào)整無(wú)法與庫(kù)水位上升一致。在庫(kù)水位以較低的速度下降時(shí)地下水位線的變化不是很大,這是因?yàn)榛w的滲透系數(shù)與庫(kù)水下降速率近似相同,出現(xiàn)的近似同步調(diào)整;當(dāng)庫(kù)水位下降至159 m時(shí)滑坡地下水位線才出現(xiàn)明顯的下降,即使庫(kù)水位降至145 m時(shí)滑坡的地下水位線還是處于相對(duì)較高的位置,這依然是庫(kù)水下降速度大于坡體的滲透系數(shù),導(dǎo)致庫(kù)水位與地下水位無(wú)法同步調(diào)整所致。這也就從側(cè)面驗(yàn)證了2017年庫(kù)水加速下降至152.49 m產(chǎn)生了“階躍變形”。同時(shí),庫(kù)水位從175 m下降至145 m過(guò)程,在庫(kù)水向外滲流的動(dòng)水壓力作用下,八字門(mén)滑坡穩(wěn)定隨著庫(kù)水的下降而減小,庫(kù)水下降到145 m時(shí)滑坡穩(wěn)定性降到最低,不同運(yùn)行階段的穩(wěn)定性特征見(jiàn)表3。

        表3 八字門(mén)滑坡不同運(yùn)營(yíng)階段穩(wěn)定系數(shù)(實(shí)際工況)

        3.3.2 變形機(jī)理

        (1) 坡體結(jié)構(gòu)的影響:八字門(mén)滑坡剖面整體呈現(xiàn)“陡-緩-陡”的靠椅狀特征,145~175 m處于陡緩交界處,如圖3所示。同時(shí)滑體物質(zhì)為碎塊石土層,滲透系數(shù)為0.07 m/d,易受到庫(kù)水位或降雨的影響,進(jìn)而產(chǎn)生變形甚至破壞。

        (2) 庫(kù)水位升降對(duì)滑坡變形的影響:庫(kù)水位升降引起的滑坡體內(nèi)地下水動(dòng)力場(chǎng)的變化是滑坡產(chǎn)生變形的主要原因[16]。水庫(kù)處于庫(kù)水位上升期,由于庫(kù)水位的上升速率(0.5~1.0 m/d)大于滲透系數(shù)k(0.07 m/d),此時(shí)產(chǎn)生的浮托效應(yīng)大于向內(nèi)側(cè)的滲流壓力效應(yīng)時(shí),滑坡的穩(wěn)定性先略有下降,然后有所提高(圖11b→c);當(dāng)達(dá)到最大水位,進(jìn)入高水位運(yùn)行期時(shí),滯后的地下水繼續(xù)上升時(shí),向內(nèi)側(cè)的滲流壓力逐漸減小,滑坡的穩(wěn)定性將在一定程度上提高(圖11c→d);當(dāng)處于庫(kù)水位下降期時(shí),由于向外側(cè)的滲透壓力效應(yīng)和浮托效應(yīng),滑坡的穩(wěn)定性急劇下降(圖11d→e);當(dāng)達(dá)到最低水位,進(jìn)入低水位運(yùn)行期時(shí),滯后的地下水繼續(xù)下降,浮托效應(yīng)急劇下降,滑坡的穩(wěn)定性在一定程度上提高(圖11e→b)。

        圖11 庫(kù)水位升降影響八字門(mén)滑坡變形機(jī)理模式[16]Fig.11 Model diagram of deformation mechanism of Bazimen landslide influenced by the rise and fall of reservoir water level[16]

        (3) 降雨對(duì)滑坡變形的影響:降雨對(duì)滑坡變形起到了一定促進(jìn)作用,特別是強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨。特別是在低水位運(yùn)行期和庫(kù)水位上升期,降雨極易誘發(fā)滑坡“階躍”變形。這表明在庫(kù)水位下降期間,若疊加降雨工況,會(huì)進(jìn)一步加劇滑坡的變形,對(duì)滑坡的穩(wěn)定性更為不利。

        4 八字門(mén)滑坡預(yù)警模型

        4.1 “階躍變形”相關(guān)閾值

        (1) 降雨閾值。前文研究已表明,單次降雨誘發(fā)滑坡“階躍”變形的持續(xù)時(shí)間為7 d,且降雨對(duì)滑坡變形的影響是持續(xù)衰減的。距離當(dāng)前降雨時(shí)間越長(zhǎng)的前次降雨其有效降雨將會(huì)越小,這是一個(gè)定向衰減的過(guò)程,可以式(1)來(lái)表示

        (1)

        式中,Qe為有效降雨量(mm);Qt為某次降雨時(shí)段的總雨量(mm);αt為衰減系數(shù);ti為時(shí)間序列。

        衰減系數(shù)αt采用式(2)計(jì)算[17-20]

        (2)

        式中,t為某前次降雨距離當(dāng)次降雨的時(shí)間。

        通過(guò)表1分析可清楚地發(fā)現(xiàn)八字門(mén)滑坡“階躍”變形有兩種情況,一種是一次強(qiáng)度超大的降雨(>80 mm),另一種是降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(7 d)且累積降雨量(>65.4 mm)大所引起的。因此,可以得出在水位下降階段、水庫(kù)低水位運(yùn)行期以及水位上升期持續(xù)降雨或特大暴雨會(huì)產(chǎn)生“階躍”變形,取下限整值,閾值為60 mm。

        (2) 庫(kù)水位閾值。八字門(mén)滑坡受庫(kù)水變化而發(fā)生位移量“階躍”的現(xiàn)象是在庫(kù)水位下降至159之后庫(kù)水下降加速之后發(fā)生的。這與三峽水庫(kù)的調(diào)度方案明確相關(guān),即每年3月開(kāi)始庫(kù)水消落并分為兩個(gè)階段:階段Ⅰ,以較低的下降速度(0.15 m/d左右)使庫(kù)水位從175 m下降到159 m;階段Ⅱ,以較高的下降速度(0.4 m/d左右)使庫(kù)水位從159 m下降到145 m。因此,選取2017年、2018年庫(kù)水位下降期進(jìn)行分析,如圖12所示。

        圖12可知,庫(kù)水位下降期時(shí)(159 m之后),庫(kù)水位的下降基本上都在0.4 m/d左右,變形加速(>2 mm/d)出現(xiàn)在持續(xù)下降25 d左右,2017年、2018年均出現(xiàn)了此情況。需要注意的是,2017年、2018年這25 d的時(shí)間里,均出現(xiàn)了一些庫(kù)水位大幅上升的情況,這是主要是受降雨引起的,根據(jù)前面闡述,降雨對(duì)八字門(mén)滑坡的變形影響為7 d,這些降雨距離變形加速的時(shí)間遠(yuǎn)大于7 d,因此,以0.4 m/d的下降速度下降25 d后出現(xiàn)的變形加速,是受庫(kù)水位下降速率影響的。另外,變形加速開(kāi)始后,庫(kù)水位普遍出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的上升下降的波動(dòng),這是由于每年6月的持續(xù)降雨或上游的洪峰引起的。這時(shí)期的位移速率遠(yuǎn)大于其他時(shí)期,是降雨和庫(kù)水位波動(dòng)耦合作用導(dǎo)致的。因此,就GSX3而言,持續(xù)的0.4 m/d的庫(kù)水下降速率誘發(fā)滑坡發(fā)生“階躍”變形主要驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)應(yīng)的平均速率的最小值為2 mm/d。

        (3) 位移速率閾值。2016年5月—2020年12月,八字門(mén)滑坡的變形位移曲線明顯經(jīng)歷多次明顯的“階躍”變形過(guò)程。采用改進(jìn)的切線角方法求解位移速率閾值[21-23]。通過(guò)用累計(jì)位移S除以v的辦法將S-t曲線的縱坐標(biāo)變換為與橫坐標(biāo)相同的時(shí)間量綱。即定義

        (3)

        式中,S(i)某一單位時(shí)間段(一般采用一個(gè)監(jiān)測(cè)周期,本文為1 d)內(nèi)斜坡累積位移量;v為等速變形階段的位移速率;T(i)為變換后與時(shí)間相同量綱的縱坐標(biāo)值。

        然后,獲取改進(jìn)的切線角αi的表達(dá)式

        (4)

        式中,αi為改進(jìn)切線角值;ΔT為單位時(shí)間T(i)的變化量;Δt為計(jì)算S時(shí)對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間段。

        圖12 GSCX3日位移值-日庫(kù)水位升降值對(duì)比Fig.12 Comparison diagram between daily displacement rate of GSCX3 and daily fluctuation rate of reservoir water level

        將等速變形階段各時(shí)間段的變形速率做算術(shù)平均,即可得到等速變形階段的速率v

        (5)

        式中,vi為等速變形階段不同時(shí)間段的變形速率;m為監(jiān)測(cè)次數(shù)。

        根據(jù)上述公式,選取位移曲線上自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)GSCX3在2017—2018年的多次“階躍”特征,計(jì)算獲取的八字門(mén)滑坡的實(shí)測(cè)等速變形速率閾值v為4.6 mm/d。

        4.2 預(yù)警模型

        八字門(mén)滑坡的持續(xù)增長(zhǎng)變形,是受降雨、庫(kù)水位作用影響,并以“階躍”的形式呈現(xiàn)出來(lái)的,滑坡的預(yù)警要從位移“階躍”的特點(diǎn)入手。根據(jù)《三峽庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)手冊(cè)》,斜坡的加速變形階段是實(shí)施預(yù)警的關(guān)鍵階段,結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害五級(jí)預(yù)警機(jī)制,將加速變形階段進(jìn)一步細(xì)分為初加速、中加速、加加速(臨滑)等3個(gè)亞階段[23-24],分別對(duì)應(yīng)預(yù)警的“警示級(jí)、警戒級(jí)、預(yù)報(bào)級(jí)”,初始變形階段和等速變形階段分別對(duì)應(yīng)安全級(jí)、注意級(jí)。結(jié)合7 d累積降雨量、位移速率以及庫(kù)水位、庫(kù)水位下降速率等相關(guān)閾值,進(jìn)而建立合理的預(yù)警模型[25-26],如圖13和表4所示。

        圖13 八字門(mén)滑坡5級(jí)預(yù)警分級(jí)Fig.13 Five-level warning system of Bazimen landslide

        表4 5級(jí)預(yù)警分級(jí)

        5 結(jié) 論

        (1) 八字門(mén)滑坡處于蠕動(dòng)變形階段,滑坡整體變形明顯?;伦冃沃饕杏诿磕?—9月,其中5—7月位移速率最大,其余時(shí)間變形緩慢,滑坡累積曲線呈現(xiàn)典型的“階躍”變形特性。

        (2) 滑坡的變形受斜坡結(jié)構(gòu)、巖性等因素的控制,水庫(kù)水位下降是滑坡變形的主要驅(qū)動(dòng)因素,并與庫(kù)水下降速率正相關(guān)。另外,特大暴雨和持續(xù)降雨在水位下降階段、水庫(kù)低水位運(yùn)行期以及水位上升期會(huì)促進(jìn)滑坡變形,是滑坡的次要驅(qū)動(dòng)因素。

        (3) 通過(guò)改進(jìn)切線角方法分析獲取了八字門(mén)滑坡出現(xiàn)“階躍”變形的位移速率閾值為4.6 mm/d。另外通過(guò)精細(xì)化數(shù)據(jù)分析獲取八字門(mén)滑坡出現(xiàn)“階躍”變形的7 d累積降雨量閾值為60 mm;庫(kù)水位閾值為159 m水位以下,庫(kù)水位下降速率閾值0.4 m/d。

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