郭 飛，黃曉虎，鄧茂林，易慶林，張 鵬，陳建偉，陳陸軍

1. 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002； 2. 三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002

三峽庫區(qū)是滑坡災害的高發(fā)區(qū)[1]。這些滑坡對三峽大壩的運營、航道和庫區(qū)居民等構成了嚴重威脅。水庫蓄水經常引起滑坡失穩(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，三峽庫區(qū)滑坡災害依然頻發(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)生的杉樹槽滑坡[7-8]、2019年12月10日發(fā)生的卡門子灣滑坡[9]、2021年8月28日發(fā)生的小巖頭滑坡等。這表明，三峽庫區(qū)依然要重視滑坡地質災害的預防和治理工作。目前，已查明三峽庫區(qū)存在的滑坡或潛在滑坡就達5000余處[10]。如何識別這些滑坡變形失穩(wěn)的誘發(fā)因素，并盡可能早地預測滑坡的穩(wěn)定性，進而建立合理精準的預測預警模型，是避免出現重大損失的重要舉措[11]。因此，自2003年6月以來，三峽庫區(qū)首先將這些滑坡或潛在滑坡納入群測群防管理，并對其中的250個具有較大失穩(wěn)風險的滑坡實施地質災害專業(yè)監(jiān)測，采用了諸如裂縫計、人工和自動全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)監(jiān)測、深部位移、下滑力以及各種觸發(fā)因素(降雨、水庫水位和地下水水位)等監(jiān)測手段。其中位于三峽庫區(qū)庫首段的八字門滑坡，自2003年就開始進行監(jiān)測，目前已獲取了18年的人工監(jiān)測數據和5年的全自動GNSS位移監(jiān)測數據。本文在精細化分析這些監(jiān)測數據的基礎上，結合地質勘查和野外宏觀巡查資料，首先分析了八字門滑坡的變形特征，闡明了庫水、降雨對滑坡變形的影響機理，并獲取了八字門滑坡“階躍”變形的庫水位、庫水下降速率、降雨及變形速率閾值，并設計了合理的預警模型，為該滑坡的穩(wěn)定性分析和預警預測提供理論基礎和技術保障。

1 滑坡工程地質概述

1.1 滑坡概況

八字門滑坡(110°45′E，30°58′N)位于三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣歸州鎮(zhèn)，長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，受三峽水庫蓄水影響，前緣145 m以下區(qū)域已不可見。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兩級平臺。兩側以同源沖溝分界，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。前緣臨空面為長江支流香溪河，滑坡體長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 八字門滑坡航拍全貌Fig.1 Aerial view of Bazimen landslide

圖2 八字門滑坡監(jiān)測點布置Fig.2 Layout of monitoring site of Bazimen landslide

滑坡發(fā)育于侏羅紀下統(tǒng)沙溪廟組(J1s)紫紅色砂頁巖、粉砂巖、長石石英砂巖及燧石礫石組成的逆向坡中，該巖層構成滑坡的滑床，巖層產狀為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石石英砂巖以及少量的泥質粉砂巖和紫紅色粉砂質泥巖。

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；充填粉質黏土，呈軟塑—可塑狀，土石比為6∶4～5∶5。根據鉆探資料揭露，前部存在兩層滑帶，上部為次級滑面，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滑動鏡面，產狀130°∠23°，如圖3(c)所示，鉆孔ZK2中35.8 m處揭露的滑動面，傾角28°，其中黏性土可見明顯及擠壓揉皺，如圖3(d)所示。

圖3 八字門滑坡工程地質剖面Fig.3 Engineering geological section of Bazimen landslide

1.2 滑坡歷史變形特征

八字門滑坡自1982年復活，在高程80～125 m處發(fā)育4條長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于庫水位以下，不可見。1983年再次出現裂縫，1987年長江洪峰期間，在高程155 m處建筑物被撕裂，公路變形。自2003年6月三峽水庫開始蓄水以來，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、滑坡兩側和庫水消落帶等位置(圖2(a)—(d)，圖3(a)—(b))。這些裂縫寬1～15 cm，長約50～200 m，下錯0.5～1.5 m，走向170°～330°。這些裂縫破壞公路、擋土墻等構筑物。顯然，八字門滑坡每年出現新的變形都在6、7月，基本是庫水位下降至145 m時，也就是庫水位下降過程的中后期。

2 監(jiān)測點布置及監(jiān)測結果

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

2.1 人工GNSS監(jiān)測

圖4顯示，2003年建立的人工GNSS監(jiān)測點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)測點累積位移在554.9～1 170.4 mm之間。各監(jiān)測點的位移方向近似均在100°～126°之間(圖2)?；挛灰浦饕l(fā)生在每年5—9月，其中5—7月位移速率最大。此時，庫水位已經下降至159 m，由159 m下降至145 m的過程中，滑坡變形曲線出現突躍，滑坡的單月位移量達到最大值，滑坡累積曲線呈現典型的“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“一年多，一年少”的“鋸齒”型波動，如圖5所示。

圖4 八字門滑坡人工GNSS監(jiān)測曲線與庫水位、月降雨量關系Fig.4 Relationship between annual GNSS monitoring curve of Bazimen landslide and reservoir water level and monthly rainfall

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

2.2 自動GNSS監(jiān)測

圖6顯示，自2016年5月開始運行以來，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。對應的附近的人工GNSS監(jiān)測點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，自動監(jiān)測值與人工監(jiān)測值存在一定的差異，這與監(jiān)測點的布置位置有一定關系外(自動監(jiān)測點GSCX3的位置靠近了滑坡左側邊界，因而位移明顯比人工監(jiān)測點GSC3要大)，還有可能監(jiān)測過程中出現了誤差。但是兩者都呈現出滑坡后部位移量要小于中部的位移量的特征，這是與現場調查結果是一致的。同時，八字門滑坡的累積位移曲線在2016、2017、2018和2020年均出現了明顯位移的“階躍”。這些“階躍”趨勢與人工監(jiān)測點也存在著對應關系。

圖6 八字門滑坡自動GNSS監(jiān)測曲線與庫水位、月降雨量關系Fig.6 Relationship between automatic GNSS monitoring curve of Bazimen landslide and reservoir water level and monthly rainfall

3 滑坡變形機理分析

3.1 降雨因素

八字門滑坡出現的多次“階躍”變形，主要受庫水位升降和降雨影響，相對而言，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日兩個水文年對降雨誘發(fā)的5次“階躍”變形的詳細信息進行提取，具體見表1。這些“階躍”變形在庫水位下降、低庫水位運行和庫水位上升時間段均會出現，說明這些水庫不同運行階段均會受降雨影響而形成明顯的“階躍”變形現象。

另外，分析表1可知，降雨誘發(fā)的變形加速一般在降雨開始之后的1 d出現，此時GSCX3、ZGX111和GSCX5的日位移速率會逐步增大。降雨結束之后，變形加速依然會持續(xù)4～7 d，這說明降雨導致的巖土體(滑帶、滑體)基質吸力降低及地下水位升高經過這個時間段后才能恢復，即一次降雨對滑坡變形的影響持續(xù)4～7 d，計算累積降雨量時，可以選取7 d來計算。庫水位下降階段出現的三次“階躍”變形7 d累積降雨量分別為80.8、82、157.2 mm；低庫水位運行階段出現的“階躍”變形7 d累積降雨量為65.4 mm；庫水位上升階段出現的“階躍”變形7 d累積降雨量為141.8 mm。不同階段出現“階躍”變形的7 d累積降雨量不同，庫水位上升階段的最大，低庫水位運行階段的最小。

表1 降雨誘發(fā)“階躍”特征信息

另外，單次強降雨雖然也會誘發(fā)“階躍”變形，但是其對滑坡變形的影響要明顯小于持續(xù)降雨對滑坡變形的影響。為了進一步精細化地研究降雨誘發(fā)“階躍”變形的特征，進而確定出現“階躍”變形對應的降雨閾值，選取表1中2017-07-07—2017-07-17(低庫水位運行期)以及2017-09-27—2017-10-14(庫水位上升期)時間段做分析，如圖7所示。降雨誘發(fā)的變形加速峰值在降雨開始之后的2 d出現，此時GSCX3的日位移速率會增加到最大值，這是典型的“峰值滯后”現象，反映的是降雨過程中滑坡體由非飽和至飽和的過程時間差。峰值過后位移速率逐漸衰減至正常值(小于2.0 mm/d)的時間為7 d。同時需要注意的是，由于2018年與2019年的降雨強度較小，滑坡在低庫水位運行時和庫水位上升時間內的持續(xù)降雨并沒有產生“階躍”變形。這表明需要降雨量達到一定值并且持續(xù)一段時間的條件下才能體現出兩者的相關性。

圖7 GSCX3日位移速率-庫水位-日降雨量對比Fig.7 GSCX3 daily displacement rate-reservoir water level-daily rainfall comparison diagram

3.2 庫水位因素

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

圖8 日位移速率-庫水位升降速率-庫水位-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) 高水位運行期(2017-11-01—2017-12-25，圖8中藍色)：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，這階段產生了向坡體內的變形，這是由于上升期間的庫水形成的水頭將滑坡體向內推，形成較小的反向位移。這一現象在歷年的人工監(jiān)測中也經常出現。

(2) 庫水位下降期(2017-12-26—2018-06-10，圖8中橙色)：在最高水位175 m向159 m的下降過程中，歷時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，庫水位由159.29 m下降到145.75 m，庫水位下降速率增加到約0.40 m/d，對應的位移加速在25 d后啟動。同時，位移加速現象在庫水位達到最低值(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，較高的庫水位下降速率對滑坡變形產生了持久的影響。

(3) 低水位運行期(2018-06-11—2018-08-23，圖8中黃色)：此階段的開始階段出現長達29 d的位移加速時間是較高的庫水位下降誘發(fā)的加速變形的持續(xù)效應。低水位運行一段時間后，滑坡的加速變形現象消失。

(4) 庫水位上升期(2018-08-24—2018-10-31，圖8中紅色)：共持續(xù)68 d監(jiān)測點GSCX3、ZGX111和GSCX5位移增量僅為8.60、10.90和5.90 mm，平均位移速率為0.13、0.16和0.09 mm，無明顯加速變形現象。

3.3 滑坡變形機理

3.3.1 穩(wěn)定性特征

為了進一步研究八字門滑坡的復活變形機理，采用Geo-Studio軟件進行數值模擬[12-15]，選擇1-1′剖面建立滑坡的數值模擬計算模型，坡長650 m，坡高330 m。計算網格模型節(jié)點數為9024，單元數為8904，網格類型為四邊形單元和三角形單元，如圖9所示。模型物理參數見表2(參數根據室內試驗獲取)。

圖9 八字門滑坡Geo-studio模型Fig.9 Geo-studio model of Bazimen Landslide

表2 八字門滑坡物理力學參數

利用SEEP/W模塊對八字門滑坡的滲流特征進行了分析。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，在低水位運行期時，其地下水位線也會略高于145 m水位線的位置，這主要是后方山體及汛期降雨入滲補充導致的。而在高水位運行期時，其地下水位線也會略高于175 m水位線的位置，這時候降雨減少(非汛期)，地下水位主要受后方山體的補給。

圖10 庫水位上升、下降時八字門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

在庫水位上升期時，地下水位線在初期的變化最大，滑體表面浸潤高度要比坡體內部高出許多，當庫水位逐漸升至175 m后這種現象逐漸消失，這主要是庫水上升速度大于坡體的滲透系數，坡體內的地下水位的調整無法與庫水位上升一致。在庫水位以較低的速度下降時地下水位線的變化不是很大，這是因為滑體的滲透系數與庫水下降速率近似相同，出現的近似同步調整；當庫水位下降至159 m時滑坡地下水位線才出現明顯的下降，即使庫水位降至145 m時滑坡的地下水位線還是處于相對較高的位置，這依然是庫水下降速度大于坡體的滲透系數，導致庫水位與地下水位無法同步調整所致。這也就從側面驗證了2017年庫水加速下降至152.49 m產生了“階躍變形”。同時，庫水位從175 m下降至145 m過程，在庫水向外滲流的動水壓力作用下，八字門滑坡穩(wěn)定隨著庫水的下降而減小，庫水下降到145 m時滑坡穩(wěn)定性降到最低，不同運行階段的穩(wěn)定性特征見表3。

表3 八字門滑坡不同運營階段穩(wěn)定系數(實際工況)

3.3.2 變形機理

(1) 坡體結構的影響：八字門滑坡剖面整體呈現“陡-緩-陡”的靠椅狀特征，145～175 m處于陡緩交界處，如圖3所示。同時滑體物質為碎塊石土層，滲透系數為0.07 m/d，易受到庫水位或降雨的影響，進而產生變形甚至破壞。

(2) 庫水位升降對滑坡變形的影響：庫水位升降引起的滑坡體內地下水動力場的變化是滑坡產生變形的主要原因[16]。水庫處于庫水位上升期，由于庫水位的上升速率(0.5～1.0 m/d)大于滲透系數k(0.07 m/d)，此時產生的浮托效應大于向內側的滲流壓力效應時，滑坡的穩(wěn)定性先略有下降，然后有所提高(圖11b→c)；當達到最大水位，進入高水位運行期時，滯后的地下水繼續(xù)上升時，向內側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)；當處于庫水位下降期時，由于向外側的滲透壓力效應和浮托效應，滑坡的穩(wěn)定性急劇下降(圖11d→e)；當達到最低水位，進入低水位運行期時，滯后的地下水繼續(xù)下降，浮托效應急劇下降，滑坡的穩(wěn)定性在一定程度上提高(圖11e→b)。

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

(3) 降雨對滑坡變形的影響：降雨對滑坡變形起到了一定促進作用，特別是強降雨或持續(xù)降雨。特別是在低水位運行期和庫水位上升期，降雨極易誘發(fā)滑坡“階躍”變形。這表明在庫水位下降期間，若疊加降雨工況，會進一步加劇滑坡的變形，對滑坡的穩(wěn)定性更為不利。

4 八字門滑坡預警模型

4.1 “階躍變形”相關閾值

(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)時間為7 d，且降雨對滑坡變形的影響是持續(xù)衰減的。距離當前降雨時間越長的前次降雨其有效降雨將會越小，這是一個定向衰減的過程，可以式(1)來表示

(1)

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

衰減系數αt采用式(2)計算[17-20]

(2)

式中，t為某前次降雨距離當次降雨的時間。

通過表1分析可清楚地發(fā)現八字門滑坡“階躍”變形有兩種情況，一種是一次強度超大的降雨(>80 mm)，另一種是降雨持續(xù)時間長(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、水庫低水位運行期以及水位上升期持續(xù)降雨或特大暴雨會產生“階躍”變形，取下限整值，閾值為60 mm。

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

圖12可知，庫水位下降期時(159 m之后)，庫水位的下降基本上都在0.4 m/d左右，變形加速(>2 mm/d)出現在持續(xù)下降25 d左右，2017年、2018年均出現了此情況。需要注意的是，2017年、2018年這25 d的時間里，均出現了一些庫水位大幅上升的情況，這是主要是受降雨引起的，根據前面闡述，降雨對八字門滑坡的變形影響為7 d，這些降雨距離變形加速的時間遠大于7 d，因此，以0.4 m/d的下降速度下降25 d后出現的變形加速，是受庫水位下降速率影響的。另外，變形加速開始后，庫水位普遍出現長時間的上升下降的波動，這是由于每年6月的持續(xù)降雨或上游的洪峰引起的。這時期的位移速率遠大于其他時期，是降雨和庫水位波動耦合作用導致的。因此，就GSX3而言，持續(xù)的0.4 m/d的庫水下降速率誘發(fā)滑坡發(fā)生“階躍”變形主要驅動因素，對應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，八字門滑坡的變形位移曲線明顯經歷多次明顯的“階躍”變形過程。采用改進的切線角方法求解位移速率閾值[21-23]。通過用累計位移S除以v的辦法將S-t曲線的縱坐標變換為與橫坐標相同的時間量綱。即定義

(3)

式中，S(i)某一單位時間段(一般采用一個監(jiān)測周期，本文為1 d)內斜坡累積位移量；v為等速變形階段的位移速率；T(i)為變換后與時間相同量綱的縱坐標值。

然后，獲取改進的切線角αi的表達式

(4)

式中，αi為改進切線角值；ΔT為單位時間T(i)的變化量；Δt為計算S時對應的單位時間段。

圖12 GSCX3日位移值-日庫水位升降值對比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間段的變形速率做算術平均，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間段的變形速率；m為監(jiān)測次數。

根據上述公式，選取位移曲線上自動監(jiān)測點GSCX3在2017—2018年的多次“階躍”特征，計算獲取的八字門滑坡的實測等速變形速率閾值v為4.6 mm/d。

4.2 預警模型

八字門滑坡的持續(xù)增長變形，是受降雨、庫水位作用影響，并以“階躍”的形式呈現出來的，滑坡的預警要從位移“階躍”的特點入手。根據《三峽庫區(qū)滑坡災害預警預報手冊》，斜坡的加速變形階段是實施預警的關鍵階段，結合地質災害五級預警機制，將加速變形階段進一步細分為初加速、中加速、加加速(臨滑)等3個亞階段[23-24]，分別對應預警的“警示級、警戒級、預報級”，初始變形階段和等速變形階段分別對應安全級、注意級。結合7 d累積降雨量、位移速率以及庫水位、庫水位下降速率等相關閾值，進而建立合理的預警模型[25-26]，如圖13和表4所示。

圖13 八字門滑坡5級預警分級Fig.13 Five-level warning system of Bazimen landslide

表4 5級預警分級

5 結 論

(1) 八字門滑坡處于蠕動變形階段，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，其余時間變形緩慢，滑坡累積曲線呈現典型的“階躍”變形特性。

(2) 滑坡的變形受斜坡結構、巖性等因素的控制，水庫水位下降是滑坡變形的主要驅動因素，并與庫水下降速率正相關。另外，特大暴雨和持續(xù)降雨在水位下降階段、水庫低水位運行期以及水位上升期會促進滑坡變形，是滑坡的次要驅動因素。

(3) 通過改進切線角方法分析獲取了八字門滑坡出現“階躍”變形的位移速率閾值為4.6 mm/d。另外通過精細化數據分析獲取八字門滑坡出現“階躍”變形的7 d累積降雨量閾值為60 mm；庫水位閾值為159 m水位以下，庫水位下降速率閾值0.4 m/d。