劉昕昕， 湯明高， 王李娜， 向育才， 吳輝隆

(成都理工大學(xué)，地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059)

滑坡的孕育和誘發(fā)由于具有復(fù)雜性、多樣性及隨機(jī)性的特點(diǎn)，其預(yù)警預(yù)報(bào)一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[1]?；碌牡刭|(zhì)-力學(xué)機(jī)理-形變(geology-mechanism-deformation，GMD)預(yù)警預(yù)報(bào)模型是以斜坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合多源監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示斜坡內(nèi)部的地質(zhì)—力學(xué)作用模式，再通過數(shù)值和物理模擬將其反映至宏觀表現(xiàn)(變形)的綜合GMD耦合模型[2]。GMD數(shù)值預(yù)警模型從深層次上將斜坡變形過程和內(nèi)部力學(xué)作用機(jī)理及滑動面的行程演化過程相統(tǒng)一，突破了以往數(shù)學(xué)定量模型對中長期預(yù)報(bào)和事件預(yù)報(bào)的限制[3]，目前在中國已得到廣泛的應(yīng)用。李秀珍[4]建立了泄灘滑坡及金龍山II區(qū)蠕滑體和石榴樹包滑坡的GMD數(shù)值預(yù)警模型，使用FLAC3D模擬了泄灘滑坡和金龍山II區(qū)蠕滑體的變形過程并使用時間延拓的方法預(yù)測了滑坡未來的變形趨勢，對石榴樹包滑坡不同水庫蓄水位的變形穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，界定其所處變形階段并對其未來的演化趨勢進(jìn)行預(yù)測。丁秀美[5]使用GMD數(shù)值模型預(yù)警方法對泄灘滑坡蓄水條件下的變形及穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測。馬旭[6]建立了西山村滑坡的GMD預(yù)警模型，運(yùn)用時間延拓結(jié)合滑坡變形階段對西山村滑坡進(jìn)入加速階段的時間進(jìn)行了預(yù)測。冉佳鑫[7]建立了垮梁子滑坡GMD預(yù)警模型，針對后緣拉陷槽不同沖水高度下滑坡的變形情況進(jìn)行了UDEC模擬，得到了不同拉陷槽水位的滑坡預(yù)警判據(jù)。李煥煥[8]使用強(qiáng)度折減法對渭玉高速公路 K32+690～K32+840 段滑坡的破壞過程進(jìn)行模擬，并對其使用抗滑樁治理后的發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

借助FLAC3D軟件平臺建立田壩村堆積體GMD數(shù)值預(yù)報(bào)模型，使用自編命令強(qiáng)度折減法僅折減堆積層的強(qiáng)度參數(shù)，并采用位移收斂率作為計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)，相比軟件自帶強(qiáng)度折減命令以體系不平衡力比率收斂標(biāo)準(zhǔn)，在堆積層滑坡中更具準(zhǔn)確性，且可以更直觀反映滑坡的變形破壞過程，從而找出滑坡破壞的臨界狀態(tài)下各監(jiān)測點(diǎn)的變形值作為預(yù)警依據(jù)。隨后以典型監(jiān)測點(diǎn)的臨界變形值為依據(jù)提出堆積體預(yù)警閾值，使用動態(tài)流固耦合同步時間步模擬的方法，得到了不同庫水位下降速率下堆積體變形達(dá)到預(yù)警閾值所需的天數(shù)，可作為天花板堆積體“庫水位下降速率”的事件預(yù)報(bào)判據(jù)，也為在FLAC3D軟件中對水位變動這一事件的模擬提供了一種新的思路。

1 堆積體概況

田壩村堆積體位于牛欄江左岸云南省昭通市巧家縣老甸鄉(xiāng)田壩村，距天花板水電站壩址1.0～2.3 km，屬近壩庫段(圖1)。前緣順河岸最大寬度約1 km，分布高程1 020～1 662 m，總體積約4 295×104m3。堆積體屬低緯度山地季風(fēng)氣候，受高山峽谷影響，立體氣候顯著，故有寒、溫、熱兼有的立體氣候特征，年平均降水量約881.8 mm，降雨多集中在5—9月。水庫正常蓄水位1 071.0 m，死水位1 050.0 m。

圖1 研究區(qū)域示意圖

堆積體物質(zhì)組成主要為碎塊石土夾孤石。堆積體地形復(fù)雜，由高處到低處整體上表現(xiàn)為頂部平緩、中部較陡、下部較緩的階梯狀地形。區(qū)內(nèi)橫向地形起伏大，有兩條NNE向沖溝及同向山梁在岸坡分布。構(gòu)成了由平緩臺地、陡緩斜坡、沖溝及凸起山梁組成的復(fù)雜地形。堆積體內(nèi)地下水類型為裂隙地下水和孔隙地下水兩類。岸坡處地下水水位高于牛欄江水面，因此地下水補(bǔ)給主要來自大氣降水，并以滲入、地表徑流等形式排向牛欄江?；鶐r裂隙水主要賦存于巖體中的節(jié)理裂縫及斷層帶中，受斷裂構(gòu)造形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)所控制[9]。

2010年12月18日，天花板水電站正式開始下閘蓄水，堆積體前緣隨即出現(xiàn)塌岸，蓄水后一個月左右，堆積體表面開始出現(xiàn)裂縫，并不斷增加至數(shù)十條，裂縫最長可達(dá)500 m。2011年起堆積體開始建立GPS地表變形監(jiān)測系統(tǒng)，先后共布置了6個斷面，共計(jì)26個監(jiān)測點(diǎn)(圖2)，此后經(jīng)歷的幾次庫水位較大幅度變動，均監(jiān)測到堆積體發(fā)生一定程度的變形。

圖2 堆積體分區(qū)及監(jiān)測點(diǎn)布置

2 田壩村堆積體變形特征及機(jī)理分析

2.1 水庫蓄水后庫水位變化特征

天花板水庫為不完全季調(diào)節(jié)水庫，2010年12月18日開始下閘蓄水，庫水位正常調(diào)動區(qū)間為1 050～1 071 m。圖3為天花板水電站庫水位監(jiān)測曲線，最早的庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)為2011年3月1日，庫水高度為1 049.1 m，此后至2011年9月1日期間庫水位一直維持在1 050～1 060 m小幅度漲落，到2011年10月17日，水庫蓄水突然至正常蓄水位(1 071 m)附近。之后天花板水電站經(jīng)歷有四次庫水位較大幅波動(單次連續(xù)水位變動幅度超過10 m)，具體變動情況如表1所示，其中第4次庫水位變動為配合8·3魯?shù)榈卣鹂拐鹁葹?zāi)工作，期間水庫最低水位1 035 m，超過水庫正常調(diào)動區(qū)間。

表1 天花板水電站庫水位變動分析

①～④為波次

2.2 蓄水后堆積體變形特征

2.2.1 堆積體裂縫發(fā)展

圖4為田壩村堆積體變形及裂縫分布，大致經(jīng)歷：出現(xiàn)—貫通—后延—穩(wěn)定4個階段。

圖4 堆積體裂縫統(tǒng)計(jì)

(1)初期出現(xiàn)階段(2010年12月—2011年3月)：2010年12月水庫蓄水后，堆積體前緣隨即出現(xiàn)塌岸裂縫，次年1月，I區(qū)灣子社房屋開始產(chǎn)生裂縫(L4、L5)，3月I-2區(qū)及II-2區(qū)后緣陡坡產(chǎn)生拉裂縫(L28—L32)。

(2)裂縫貫通階段(2011年3月—2012年8月)：前一階段產(chǎn)生的裂縫進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大并逐漸貫通。

(3)裂縫后延階段(2012年8月—2013年11月)：2012年8月—10月，II區(qū)前部裂縫(L31、L32)急劇增大，黃家坪子房屋開裂，隨即裂縫L35～L38出現(xiàn)。

(4)穩(wěn)定發(fā)展階段(2013年11月至今)：此后，田壩村堆積體裂縫經(jīng)長期發(fā)展，堆積體中上部位裂縫大多已被填塞，僅新出現(xiàn)三條規(guī)模較小的裂縫，分別為I-2的 L18、L19及II-4區(qū)后緣的L39。

2.2.2 堆積體變形發(fā)展

圖5為田壩村堆積體經(jīng)歷四次大幅度水位變動后的監(jiān)測位移等值線圖，堆積體主要變形區(qū)域?yàn)镮區(qū)及II區(qū)前部，自建立監(jiān)測以來，該區(qū)域變形量已超過4 000 mm， 2013年11月前，II區(qū)后部，即II-3及II-4區(qū)變形不明顯，此后至2014年11月期間，II-3及II-4區(qū)變形量急劇增加。此外，自水庫蓄水以來，III區(qū)變形發(fā)展情況不明顯。

圖5 經(jīng)歷4次大幅泄水后堆積體監(jiān)測位移變化

結(jié)合田壩村堆積體裂縫發(fā)展特征及變形監(jiān)測來看，前堆積體緣產(chǎn)生較大塌岸導(dǎo)致后部土體失去承載力，從而導(dǎo)致斜坡前部(I區(qū)及II區(qū)前部)先產(chǎn)生變形，并隨著變形的不斷發(fā)展，II-3區(qū)前緣產(chǎn)生臨空，隨即II-3區(qū)和II-4區(qū)產(chǎn)生變形，具有漸進(jìn)后退式滑坡[10]的典型特征。

2.3 堆積體變形與庫水位變化的關(guān)系

根據(jù)堆積體典型監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測曲線顯示(圖6)，堆積體監(jiān)測位移的增加與庫水位大幅下降關(guān)系密切，此前歷史上4次庫水位大幅變動時期的庫水位調(diào)動均引起堆積體位移產(chǎn)生明顯的響應(yīng)。分析4次天花板水電站庫水位大幅波動時期各代表監(jiān)測點(diǎn)的合位移變化量與庫水位變化量之間的關(guān)系(圖7)可以更明顯地反映其相關(guān)性。以第三次庫水位驟降為例[圖7(c)]，2013年11月5日起庫水位開始連續(xù)下降，持續(xù)8 d，最大日降幅超過4 m/d，11月10日，各監(jiān)測點(diǎn)變形量開始相應(yīng)并不斷增加，11月13日，庫水位降到最低值，此時監(jiān)測點(diǎn)變動速率達(dá)到峰值附近，此后庫水位開始抬升，監(jiān)測點(diǎn)變形速率開始逐漸降低，此次庫水位變動充分體現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)變形速率與庫水位之間的負(fù)相關(guān)及滯后性關(guān)系，且滯后期約在3～5 d，其他幾次水庫位變動及堆積體位移響應(yīng)稍復(fù)雜，但同樣大致體現(xiàn)了負(fù)相關(guān)和滯后性的關(guān)系，因此田壩村堆積體是典型的受庫水位下降控制的滲透壓力型滑坡[11]。

圖6 典型監(jiān)測點(diǎn)位移監(jiān)測曲線

圖7 典型監(jiān)測點(diǎn)位移變化量與庫水位變化量關(guān)系曲線

2.4 堆積體變形模式

綜前所述，田壩村堆積體主要變形模式如下。

(1)水電站水庫蓄水改變了坡體前緣的水文地質(zhì)條件，降低了堆積體的力學(xué)參數(shù)，引起坡體應(yīng)力重分布。在庫水驟降時又增加了庫岸土體內(nèi)的靜水壓力和動水壓力，致使岸坡下滑力增加，超過岸坡土體的抗剪強(qiáng)度，引起庫邊岸坡變形、坍塌，進(jìn)而牽引至上方坡體出現(xiàn)拉裂變形。

(2)根據(jù)堆積體分區(qū)位置，I區(qū)、II-1區(qū)、II-2區(qū)變形模式為岸坡下部受庫水升降影響首先變形或產(chǎn)生圓弧形破壞，進(jìn)而牽引上部產(chǎn)生較大變形；II-3區(qū)、II -4區(qū)變形模式是在II -1區(qū)、II -2區(qū)出現(xiàn)較大變形時，由于失去頂托作用，沿基覆界面(基巖層面)產(chǎn)生向上游偏坡外的變形滑動破壞。

(3)III區(qū)崩塌堆積體底面平緩，破壞模式為圓弧形，但不受庫水影響，未發(fā)生較大變形。

因此田壩村堆積體是受庫水位驟降控制的漸進(jìn)后退式斜坡，即庫水位下降導(dǎo)致斜坡前部產(chǎn)生塌岸和變形，隨后在斜坡中部產(chǎn)生裂縫、臨空，后部土體失去支撐從而產(chǎn)生變形(圖8)。

圖8 田壩村堆積體變形模式

3 堆積體GMD預(yù)警模型研究

3.1 預(yù)警模型

巖土體失穩(wěn)(尤其是滑動失穩(wěn))是一個變形從量變的累積到質(zhì)變的過程，可以看作其最薄弱滑動面不斷貫通的過程，此過程中隨著滑動面塑性區(qū)的增加，滑動面整體承受剪切力的能力不斷降低，當(dāng)累積的強(qiáng)度降低維持不住巖土體的穩(wěn)定，巖土體就會失穩(wěn)，該過程存在3個因子，其相互關(guān)系如圖9所示，因此，穩(wěn)定性度量K可以看作是位移U的函數(shù)。對于一個特定的斜坡，不論斜坡結(jié)構(gòu)形式如何，其失穩(wěn)(K<1)必然存在一個所能承受的最大變形量Umax，這是GMD(geology-mechanism-deformation)數(shù)值模型預(yù)報(bào)的基本出發(fā)點(diǎn)，而其分析計(jì)算的關(guān)鍵就是最大變形量Umax的確定[3]。強(qiáng)度折減法可以通過折減巖土體參數(shù)的方法近似模擬巖土體從穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)演化的過程，找出巖土體失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，就可以建立其臨界失穩(wěn)狀態(tài)的最大變形量預(yù)警判據(jù)[12]。隨后，只要考慮將斜坡失穩(wěn)的事件因素(庫水位下降速率)，計(jì)算某一事件下堆積體的變形量是否達(dá)到最大變形量預(yù)警閾值，就可以得到事件預(yù)報(bào)的預(yù)警判據(jù)(圖10)。

圖9 斜坡失穩(wěn)過程各因素相互關(guān)系

圖10 田壩村堆積體GMD預(yù)警模型

3.2 變形量預(yù)警閾值

圖11為田壩村堆積體FLAC3D三維計(jì)算模型，1 071 m水庫正常高水位浸潤面基于鉆孔水位監(jiān)測數(shù)據(jù)建立；坐標(biāo)軸選取為：x軸指向長江下游，y軸垂直指向坡外，z軸垂直向上；邊界條件固定模型底面及前、后、左、右5個邊界作為數(shù)值計(jì)算的位移邊界，I區(qū)及II區(qū)前緣水面以下的臨空部分設(shè)置為透水邊界，其余所有邊界為不透水；變形量監(jiān)測點(diǎn)與前文各分區(qū)典型監(jiān)測點(diǎn)相對應(yīng)；巖土體計(jì)算參數(shù)基于室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)、相關(guān)文獻(xiàn)及類似地質(zhì)條件滑坡的巖土體參數(shù)類比確定(表2)[9]。

表2 數(shù)值計(jì)算巖土體參數(shù)

圖11 數(shù)值計(jì)算模型

3.2.1 最大變形量預(yù)警判據(jù)

在FLAC3D中通過自編命令流強(qiáng)度折減的方法，對田壩村堆積體在高庫水位運(yùn)行狀態(tài)下(1 071 m庫水位)的失穩(wěn)過程，之所以選擇高庫水位作為強(qiáng)度折減時的潛水面，是因?yàn)榭紤]到高庫水位狀態(tài)下斜坡中處于飽水狀態(tài)下的土體范圍最大，其強(qiáng)度參數(shù)靜水壓力均為最不利狀態(tài)，因此計(jì)算的結(jié)果偏保守，更符合預(yù)警的原則，該狀態(tài)下堆積體孔隙水壓力分布情況如圖12所示。傳統(tǒng)強(qiáng)度折減法采用的是力不平衡比率小于某一臨界值作為收斂標(biāo)準(zhǔn)，其臨界值難以確定在學(xué)術(shù)界尚存爭議[13]，強(qiáng)度折減計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)取相鄰10個時步位移監(jiān)測點(diǎn)的變形收斂率小于0.01%，折減過程如圖13所示。

圖12 初始孔隙水壓力云圖

紫色符號表示自定義變量；藍(lán)色符號為用戶指定參數(shù)

圖14為堆積體強(qiáng)度折減計(jì)算得到的時步-變形曲線，得到田壩村堆積體1 071 m庫水位狀態(tài)運(yùn)行下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.046。臨界破壞狀態(tài)的堆積體變形情況如圖15所示，堆積體前緣在水壓力的作用下產(chǎn)生大量塌岸，變形量值大于10 m，除前緣塌岸以外，堆積體主要形區(qū)域?yàn)镮區(qū)，變形量在4～10 m，II區(qū)變形量均在2 m以上，數(shù)值模擬變形區(qū)域與前文基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的堆積體變形區(qū)域基本一致，因此可以認(rèn)為結(jié)果可信。各分區(qū)典型監(jiān)測點(diǎn)在臨界狀態(tài)下的變形量如表3所示。

表3 臨界破壞狀態(tài)各監(jiān)測點(diǎn)變形值

圖14 強(qiáng)度折減計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)位移曲線

圖15 臨界狀態(tài)堆積體變形云圖

3.3 庫水位調(diào)動預(yù)警判據(jù)

在FLAC3D中調(diào)用滲流模塊，對比模擬收斂速度與實(shí)際位移監(jiān)測曲線得到本文模型計(jì)算時間步與真實(shí)時間之比為20步∶1 d。使用FLAC3D內(nèi)嵌fish語言分時步調(diào)整堆積體前緣水面以下的臨空部分的透水情況，并同步開啟力學(xué)模塊，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)流固耦合的效果，庫水位下降模擬實(shí)現(xiàn)流程如圖16所示。考慮到天花板水電站低水位運(yùn)行高程為1 050 m，因此模擬最大降幅為21 m。預(yù)警判據(jù)以典型監(jiān)測點(diǎn)C103作為預(yù)警點(diǎn)，達(dá)到其最大變形量的85%(5.466 m)為紅色預(yù)警閾值，60%(3.858 m)為橙色預(yù)警閾值。

圖16 庫水位下降模擬過程

圖17為監(jiān)測點(diǎn)C103在1～5 m/d庫水位下降作用下的變形值-時間步曲線，參考天花板水電站歷史變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，2014年8月4日—2014年8月15日，天花板水電站庫水位在12 d連續(xù)下降了34.03 m，平均日降幅為2.84 m，監(jiān)測站C103變形值增大了1.59 m，結(jié)果顯示監(jiān)測點(diǎn)C103在庫水位下降33 m時的變形值為1.43 m，誤差為0.16 m，可以認(rèn)為模擬結(jié)果可信。

圖17 不同庫水位下降速率C103時間(步)-位移曲線

堆積體在庫水位以1 m/d及2 m/d的下降速率下，監(jiān)測點(diǎn)C103變形值趨于穩(wěn)定，在庫水位下降到1 050 m時變形值分別為0.46、0.79 m，未達(dá)到預(yù)警閾值；堆積體在3 m/d的庫水位下降速率下，在庫水位下降到1 050 m時變形值為0.73 m，未達(dá)到預(yù)警閾值，但是庫水位繼續(xù)下降，監(jiān)測點(diǎn)變形速率會逐步增加；4、5 m/d的庫水位下降速率下預(yù)警點(diǎn)位移呈指數(shù)型上升，其中庫水位以4 m/d下降速率下C103會在第6天達(dá)到橙色預(yù)警閾值，庫水位以5 m/d下降速率下降C103會在第2天、第3天分別達(dá)到橙色預(yù)警及紅色預(yù)警閾值，相對應(yīng)的庫水位下降幅度分別為8.7、11.8 m。

4 結(jié)論

(1)通過分析田壩村堆積體的變形及裂縫發(fā)展歷史，總結(jié)得出堆積體為前緣產(chǎn)生較大塌岸導(dǎo)致后部土體失去承載力發(fā)生形變，并不斷向后發(fā)展的漸進(jìn)后退式滑坡。

(2)田壩村堆積體為受庫水位驟降因素控制的滲透壓力型滑坡，以往4次單次連續(xù)降幅超過10 m較大幅度庫水位下降均引起了堆積體變形的響應(yīng)，并體現(xiàn)了一定的滯后性。

(3)通過強(qiáng)度折減法計(jì)算得到堆積體在1 071 m高庫水位運(yùn)行狀態(tài)下的安全系數(shù)為1.046，建立了各典型監(jiān)測點(diǎn)的最大變形量預(yù)警判據(jù)，可為將來的滑坡相關(guān)預(yù)警工作提供一定的參考。

(4)以C103監(jiān)測點(diǎn)為依據(jù)，通過流固耦合數(shù)值模擬得到田壩村庫水位下降速率預(yù)警判據(jù)：在庫水位變動范圍內(nèi)，監(jiān)測點(diǎn)C103的變形量在1、2、3 m/d的庫水位下降速率不會達(dá)到預(yù)警閾值；在4 m/d的庫水位下降速率下在第6天達(dá)到橙色預(yù)警閾值；在5 m/d庫水位下降速率下分別在第2天和第3天達(dá)到紅色預(yù)警閾值。