周露露, 鄧茂林, 易慶林, 王國法, 梁之康, 萬 航

(1. 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站, 湖北 宜昌 443002;2. 三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002;3. 重慶一零七市政建設(shè)工程有限公司, 重慶 401120)

0 引言

三峽庫區(qū)是我國地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)、易發(fā)區(qū),三峽大壩蓄水后又誘發(fā)了大量古老滑坡體復(fù)活,嚴(yán)重威脅著庫區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全和長江黃金航道的正常運(yùn)行。對復(fù)活型滑坡進(jìn)行研究既能指導(dǎo)防災(zāi)工作,又能豐富滑坡理論研究[1]。這類滑坡體地表位移累積曲線呈臺(tái)階狀,主要是周期性降雨和庫水位循環(huán)作用下滑坡體反復(fù)受到推拉作用所致[2],諸如秭歸縣的白家包滑坡[3]、八字門滑坡[4]、木魚包滑坡[5]以及臥沙溪滑坡[6]。因此需要重視這類滑坡的防治工作。揭示滑坡變形失穩(wěn)機(jī)理,建立降雨與庫水閾值,可為早期識別和預(yù)警提供理論基礎(chǔ)[7]。

自2007年以來,三峽庫區(qū)臥沙溪滑坡在庫水位及降雨等作用下已發(fā)生多次強(qiáng)變形。雷德鑫等[8]分析了受庫水和降雨耦合不同工況條件下滑坡穩(wěn)定性可靠度指標(biāo)和敏感性;肖維偉等[9]認(rèn)為滑坡變形主因是庫水位波動(dòng)造成向坡外的滲透壓力;張振華等[10]分析了排水管布設(shè)方案來降低滑坡的動(dòng)水壓力以提高穩(wěn)定性;陳德乾等[11]認(rèn)為臥沙溪滑坡變形的主因是庫水位下降和庫水浸泡;盧書強(qiáng)等[12-13]指出該滑坡為庫水型滑坡,滑坡力學(xué)模式為前部牽引后部推移模式。這些學(xué)者從監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形機(jī)理、數(shù)值模擬等常見滑坡研究角度對該滑坡進(jìn)行了一系列研究,但針對該滑坡次級滑體的變形機(jī)理、庫水位和降雨相關(guān)閾值等方面的研究較少。

近年來,滑坡閾值研究已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn),為滑坡監(jiān)測預(yù)警研究提供了新的方向。為提高滑坡的防治和預(yù)警預(yù)報(bào)能力,Wu等[14]、Conte等[15]建立了概率降雨閾值估計(jì)模型(PRTE_LS)及基于潛在滑移面深度的降雨閾值曲線,探究滑坡不同的調(diào)控因素及其閾值,對滑坡的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要意義[16]。本文在前人研究臥沙溪滑坡基礎(chǔ)上,對10多年宏觀巡查資料、13年(2007—2020年)人工監(jiān)測和4年(2016—2020年)全自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,采用數(shù)值模擬手段,揭示臥沙溪滑坡次級滑體的變形機(jī)制,建立次級滑體的降雨及庫水位閾值,為庫區(qū)涉水土質(zhì)滑坡的精細(xì)化預(yù)警提供參考。

1 臥沙溪滑坡基本特征

臥沙溪滑坡行政區(qū)劃屬湖北省宜昌市秭歸縣沙鎮(zhèn)溪鎮(zhèn)梅坪村一組,位于長江支流青干河右岸,距三峽大壩約50 km。滑坡體以同源沖溝為界,后緣邊界為巖土分界面,次級滑體平面形態(tài)呈箕形。其監(jiān)測平面如圖1所示。坡體后緣高程約330 m,前緣高程約110 m;滑體長410 m,寬700 m,厚度約15 m,體積約4.3×106m3。臥沙溪滑坡總體坡度20°,主滑方向40°。

圖1 臥沙溪次級滑體邊界裂縫Fig.1 Boundary cracks of secondary sliding body of the Woshaxi landslide

次級滑體位于臥沙溪滑坡中部,為紫紅色粉質(zhì)黏土夾砂巖、泥巖為主的崩坡積土,粒徑1～16 cm?；瑤б苑圪|(zhì)黏土為主的黃褐色或紫紅色砂巖、泥巖碎礫,厚度3～8 cm?；矠橘_系中下統(tǒng)灰綠色厚-巨厚層狀長石石英砂巖。

2 基于監(jiān)測的變形特征分析

臥沙溪滑坡次級滑體自蓄水后一直處于蠕滑狀態(tài),在2008年5月、2009年5月、2012年4—6月、2013年5—6月、2007年3月、2014年4月、2015年6月、2018年、2019年和2020年,次級滑體都有明顯變形。其中,2008年5月邊界上的弧形裂縫下錯(cuò)約30 cm;2012年4—6月后緣弧形裂縫貫通,縫寬15～25 cm,下錯(cuò)20～50 cm(圖1)。

臥沙溪滑坡共布設(shè)基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的人工監(jiān)測點(diǎn)9個(gè)和自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)2個(gè)。監(jiān)測點(diǎn)ZG356、ZG357、ZG358和ZG359位于臥沙溪滑坡的兩側(cè),自2006年9月開始監(jiān)測;監(jiān)測點(diǎn)ZG387、WSX1、WSX2、WSX3、WSX4和WSXX1位于次級滑坡體上;監(jiān)測點(diǎn)ZGX359位于臥沙溪滑坡的前緣。WSX1和WSX2于2007年3月開始監(jiān)測,WSX4于2015年5月開始監(jiān)測,ZG387于2016年4月開始監(jiān)測,WSXX1和ZGX359于2016年9月開始采集數(shù)據(jù),如圖2所示。

圖2 臥沙溪滑坡監(jiān)測平(剖)面布置圖Fig.2 Plan and profile of the monitoring system for the Woshaxi landslide

據(jù)圖3及相關(guān)數(shù)據(jù),截止到2020年10月,監(jiān)測點(diǎn)ZG356、ZG357、ZG358和ZG359累積位移小于25 mm,滑坡整體沒有明顯變形。次級滑體上人工監(jiān)測點(diǎn)WSX1、WSX2、WSX4和ZG387累積位移分別為28 659.45 mm、22 629.63 mm、23.02 mm和1 145.84 mm。人工監(jiān)測點(diǎn)WSX1和WSX2累積位移曲線有多次周期性階躍,集中在每年3—6月。位移階躍主要出現(xiàn)在庫水位下降期,誘因?yàn)閹焖幌陆诞a(chǎn)生的動(dòng)水壓力和庫水長期浸泡增加了坡體下滑力[11]。據(jù)監(jiān)測資料顯示,2016—2020年坡體對庫水位響應(yīng)不明顯,說明坡體主控因素發(fā)生改變。由于WSX2設(shè)備發(fā)生故障,部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。 WSX1的年位移量波動(dòng)起伏大,在2009年、2012年和2016年均發(fā)生了較大變形,如圖4所示。

圖3 臥沙溪滑坡人工累積位移-庫水位- 月降雨量關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of cumulative displacement, reservoir water level,and monthly rainfall of the Woshaxi landslide

圖4 臥沙溪滑坡人工GNSS監(jiān)測年位移量與 年份曲線Fig.4 Annual displacement of the Woshaxi landslide monitored by artificial GNSS

截至2020年10月,自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)WSXX1和ZGX359累積位移分別為1 849.40 mm和11.80 mm。WSXX1的累積位移時(shí)間曲線持續(xù)抬升,發(fā)生階躍變形時(shí)并未處于庫水位下降期間,表明坡體變形為降雨誘發(fā),如圖3、圖5所示。

3 次級滑體變形影響因素分析

3.1 降雨對次級滑體變形的影響

三峽大壩蓄水后,一個(gè)完整的水文年(本年11月到次年10月)可分為四個(gè)階段,分別為水位下降期、低水位運(yùn)行期、水位上升期及高水位運(yùn)行期。選取2016年11月1日至2017年10月31日、2019年11月1日至2020年10月31日期間數(shù)據(jù),分析對次級滑體變形的影響因素,如圖6所示。

圖6 臥沙溪滑坡GNSS自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位移速率-庫水位升降速率及庫水位-降雨量關(guān)系圖Fig.6 Relationship between displacement rate of GNSS automatic monitoring point of the Woshaxi landslide and reservoir water level fluctuation rate, and the relationship between reservoir water level and rainfall

選取2017年、2020年坡體變形明顯的時(shí)間段進(jìn)行分析,在低水位運(yùn)行期和庫水位上升期間,持續(xù)性強(qiáng)降雨均導(dǎo)致了坡體明顯變形,“階躍”變形與降雨量呈正相關(guān)。持續(xù)性降雨作用后,坡體變形速率會(huì)產(chǎn)生“峰值滯后”效應(yīng),滯后時(shí)間約1～2 d,峰值后位移速率會(huì)逐漸衰減,衰減時(shí)間為5～9 d。在其他年份的低水位運(yùn)行期及庫水位上升期,持續(xù)性降雨未能使坡體產(chǎn)生較大“階躍”變形。上述表明,降雨量達(dá)到降雨閾值時(shí),坡體變形和降雨量呈正相關(guān)性,如圖7所示。

圖7 臥沙溪滑坡GNSS自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位移速率-庫水位-降雨量關(guān)系對比圖(2017,2020年)Fig.7 Relationship among displacement rate, reservoir water level, and rainfall at GNSS automatic monitoring point of the Woshaxi landslide (2017,2020)

3.2 次級滑體變形對庫水位升降響應(yīng)規(guī)律

次級滑體上5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(ZG387、WSX1、WSX2、WSX4、WSXX1)的位移數(shù)據(jù)顯示了其整體變形趨勢。2016—2020年庫水位下降及庫水位上漲期間的人工監(jiān)測點(diǎn),以及2019年庫水位下降及庫水位上漲期間的自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)均無明顯位移,說明庫水位升降對坡體變形影響較小。2016—2020年持續(xù)性降雨期間,WSXX1發(fā)生了4次較大變形,可見降雨的影響作用較大。2020年7—10月,次級滑體后部WSXX1發(fā)生階躍,表明次級滑體后部變形更大。

2019年11月1日—2020年6月7日,庫水位持續(xù)下降,歷時(shí)220 d,水位從174.91 m→146.47 m,水位下降速率峰值達(dá)到0.74 m/d,WSXX1位移速率相對較小(圖7),說明庫水位下降對坡體變形助推作用有限。持續(xù)性降雨期間,WSXX1位移速率變化較大,說明坡體變形主要受降雨的影響。

綜上,2016年之前,臥沙溪滑坡次級滑體變形主要受庫水位下降和庫水浸泡影響,2016年之后,次級滑體變形對庫水位升降的響應(yīng)減弱,對持續(xù)性降雨的響應(yīng)增強(qiáng)。

4 GeoStudio數(shù)值模擬

4.1 滑坡瞬態(tài)滲流基本特征

以臥沙溪滑坡I-I典型剖面建立二維模型,采用SLOPE/W模塊對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。坡體黏聚力C(kPa)、內(nèi)摩擦角Φ(°)、重度γ(kN/m3)等物理力學(xué)參數(shù)如表1所列[8]?？v剖面模型為410 m(長)×330 m(寬),為最大程度接近滑坡體的真實(shí)變形趨勢,采用三角形和四邊形混合單元對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,計(jì)算網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)數(shù)2 483,單元數(shù)為1 969,如圖8所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

圖8 臥沙溪滑坡GeoStudio模型Fig.8 GeoStudio simulation model for the Woshaxi landslide

利用SEEP/W模塊,選擇實(shí)際庫水位升降變化工況進(jìn)行滲流特征分析,在庫水位 175 m→145 m期間,坡體地下水滲流特征如圖9所示。

圖9 庫水位升降地下水位變化特征Fig.9 Variation characteristics of groundwater level during the rising and falling periods of reservoir water level

低水位運(yùn)行期,地下水位線略高于145 m;高水位運(yùn)行期,地下水位線也略高于 175 m。分析認(rèn)為,降雨入滲補(bǔ)給滑坡體內(nèi),同時(shí),滑坡后緣地下水也會(huì)由高向低滲流補(bǔ)給前部地下水,這導(dǎo)致地下水位略高于庫水位。

庫水位上升期,地下水位線在初期變化最大,當(dāng)庫水位逐漸升至175 m后,地下水位線變化幅度較小。庫水位上升時(shí),滑體表層浸潤線比坡體內(nèi)部高,坡體內(nèi)滲透系數(shù)小,水流入滲慢,導(dǎo)致坡體內(nèi)外水頭差較大,隨著庫水位上升到175 m左右后,水頭差逐漸減小。庫水位從 175 m下降至 145 m過程中,穩(wěn)定性系數(shù)變化小,滑體受庫水位變化響應(yīng)小,數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致(表2)。在庫水位下降初期,滑體內(nèi)外水頭差較小,地下水位線的初始變化不大。

表2 臥沙溪滑坡不同庫水位階段穩(wěn)定性系數(shù)

4.2 次級滑體變形機(jī)理分析

(1) 坡體物質(zhì)組成影響:坡體剖面整體呈上陡下緩,175→145 m波動(dòng)水位路徑大面積覆蓋滑體,坡體涉水程度大,如圖1所示?；w主要為第四系崩坡積土,遇水浸泡后強(qiáng)度降低,易受庫水位升降或降雨影響,導(dǎo)致次級滑體形成,進(jìn)而導(dǎo)致次級滑體變形劇烈。

(2) 降雨的影響:在一個(gè)完整水文年中,在對滑坡最有利的庫水位上升階段,降雨都極易誘發(fā)次級滑體產(chǎn)生“階躍”變形,強(qiáng)降雨或持續(xù)性降雨影響尤為顯著,這表明降雨是誘發(fā)次級滑體產(chǎn)生變形的主要因素。

(3) 庫水位升降的影響:庫水位快速下降期間,坡體的地下水與庫水位形成水頭差,動(dòng)水壓力作用下,下滑力增加,降低滑坡穩(wěn)定性;庫水位上升期間,受靜水壓力和向內(nèi)的動(dòng)水壓力的影響,坡體的穩(wěn)定性提高?；跀?shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,次級滑體在庫水位下降期間的穩(wěn)定性系數(shù)降低幅度較小,且位移速率變化小,庫水位下降對坡體穩(wěn)定性影響小。在持續(xù)性降雨期間,庫水位下降對次級滑體變形起到一定促進(jìn)作用。

5 次級滑體變形啟動(dòng)閾值

(1) 降雨量閾值

滑坡變形演化過程與外部影響因素關(guān)系的分析是處理階躍型滑坡位移曲線的有效方法[17]。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查顯示,坡體仍在持續(xù)變形,根據(jù)3.2節(jié)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可知臥沙溪滑坡次級滑體變形受庫水位下降影響較小,受持續(xù)性降雨影響較大。

單次降雨誘發(fā)滑坡變形的持續(xù)時(shí)間為5～9 d,影響持續(xù)衰減。降雨有效性是一個(gè)定向衰減過程[18-19],可用式(1)來表示:

(1)

式中:Qe為“一個(gè)降雨過程”中的有效降雨量(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)at采用式(2)計(jì)算:

(2)

式中:t為某前次降雨距離當(dāng)次降雨時(shí)間。

基于自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù),臥沙溪滑坡次級滑體累積位移“階躍”有兩種誘發(fā)條件:一是單次強(qiáng)降雨,二是持續(xù)強(qiáng)降雨(表3)。據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),次級滑體有四次變形階躍,第一次變形啟動(dòng)后,第4～6天合計(jì)降雨97.8 mm,監(jiān)測點(diǎn)WSXX1位移速率增加時(shí)間為14 d;第二次變形啟動(dòng)后,第2、3天降雨量分別為12.4 mm、26.4 mm,WSXX1位移速率增加時(shí)間為9 d;第三次變形啟動(dòng)后,第1天降雨量達(dá)到33.6 mm,WSXX1位移速率增加時(shí)間長達(dá)17 d;第四次變形啟動(dòng)后,第2、3天降雨量分別為2.4 mm、50 mm,WSXX1位移速率增加時(shí)間為14 d。結(jié)果表明,離坡體變形啟動(dòng)時(shí)間越近的降雨越易導(dǎo)致滑坡進(jìn)一步變形,變形啟動(dòng)后3 d內(nèi)的累積降雨超過50 mm會(huì)加速滑坡變形。

表3 四次階躍變形及降雨量情況表

選取坡體變形啟動(dòng)前一個(gè)月(30 d)的降雨及庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證。四次階躍變形前30 d累積降雨量分別為155.5 mm、232 mm、154.8 mm及193.4 mm,在四次變形過程中庫水位分別從162.08 m→159.86 m、151.56 m→168.38 m、161.33 m→151.17 m及150.31 m→147.09 m。不同年份庫水位下降趨勢基本一致,但監(jiān)測點(diǎn)位移量不同,表明降雨對坡體穩(wěn)定性影響更大。綜上所述,得出30 d累積降雨量超過150 mm,且變形前1日降雨量超過40 mm時(shí),坡體發(fā)生變形。為檢驗(yàn)指標(biāo)有效性,如圖5所示,達(dá)到降雨閾值時(shí)坡體均產(chǎn)生明顯位移階躍,表明該降雨閾值可作為該滑坡預(yù)警指標(biāo)之一。

(2) 降雨量與庫水位變化共同作用下相關(guān)閾值

WSX1位于次級滑體中前部,2008年、2009年、2012年和2015年累積位移曲線均產(chǎn)生了較大的階躍,滑坡變形時(shí)間較短,階躍變形明顯。

坡體四次變形均在6月前后,其中三次變形前30 d累積降雨量相差5 mm以內(nèi),且?guī)焖唤捣恢?表4)。四次變形前1 d庫水位速率分別為0.79 m/d、0.03 m/d、0.82 m/d和0.08 m/d。變形次序b、d雖在變形前1 d庫水位降速較小,但前幾天降速均在0.8 m/d左右,第二次變形前一周庫水位升降速率均在0.5 m/d附近波動(dòng),第四次變形前一周庫水位升降速率均在0.8 m/d附近波動(dòng)。綜上所述,次級滑體的降雨及庫水位閾值為:30 d累積降雨量超過115 mm,庫水位下降至146 m左右,庫水位下降速率閾值為0.8 m/d。通過臥沙溪滑坡多年降雨、庫水和累積位移數(shù)據(jù)分析,該閾值有一定參考價(jià)值。

表4 人工(GNSS)監(jiān)測變形情況匯總表

6 結(jié)論

(1) 臥沙溪滑坡整體基本穩(wěn)定,次級滑體變形明顯?；吕鄯e位移曲線呈現(xiàn)典型的周期性“階躍”動(dòng)態(tài)變形特征,并集中在每年3—6月。次級滑體變形受斜坡物質(zhì)組成、巖性等因素的控制,通過對次級滑體上的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果分析,分析認(rèn)為2016年開始次級滑體變形的主控因素由庫水位下降和庫水浸泡轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性降雨,庫水位為次要驅(qū)動(dòng)因素。

(2) 臥沙溪滑坡次級滑體變形存在明顯的降雨“峰值滯后”效應(yīng)。持續(xù)性降雨產(chǎn)生的“峰值滯后”效應(yīng)一般為1～2 d。峰值后位移速率會(huì)逐漸衰減,衰減時(shí)間為5～9 d。

(3) 臥沙溪滑坡次級滑體變形的降雨閾值和庫水位閾值規(guī)律較明顯。30 d累積降雨量超過150 mm,且變形前1日降雨量超過40 mm時(shí),坡體發(fā)生變形;變形啟動(dòng)后3 d內(nèi)的累積降雨超過50 mm會(huì)加速滑坡變形,且變形時(shí)間延長。30 d累積降雨量超過115 mm,庫水位下降至146 m左右,庫水位下降速率閾值為0.8 m/d,坡體變形啟動(dòng)。