崔華麗，譙鵬志*，王佃明

（1.成都華建地質(zhì)工程科技有限公司，四川 成都 611734；2.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

0 引言

蓄水、泄洪、降雨等因素導(dǎo)致的水位變化直接影響庫岸邊坡的穩(wěn)定性［1-3］。三峽庫區(qū)自2003 年試驗(yàn)性蓄水以來，庫水位升降和降雨引發(fā)了大量的滑坡災(zāi)害，造成了重大人員財(cái)產(chǎn)損失。開展庫岸邊坡穩(wěn)定性影響因素定量研究，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立高效科學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，大力提升庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治能力，是諸多學(xué)者一直研究的問題。

徐永強(qiáng)等［4］利用有限元分析軟件對三舟溪滑坡在實(shí)際降雨和三峽工程運(yùn)行庫水位條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出滑坡的最危險(xiǎn)升降速度和降雨量，提出滑坡水位下降比與滑坡穩(wěn)定性關(guān)系。肖婷等［5］采用Geo-studio 軟件的Sigma 模塊對滑坡進(jìn)行變形模擬，并運(yùn)用R/S 分析方法判斷滑坡的變形持續(xù)性，結(jié)合野外調(diào)查情況，綜合評價(jià)分析了三峽庫區(qū)四方碑滑坡的穩(wěn)定性并對滑坡發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。黃觀文等［6］以三峽庫區(qū)新鋪滑坡為例，分析了在降雨及庫水位影響下滑坡時(shí)滯影響并對滑坡變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測。檀夢皎等［7］以三峽庫區(qū)麻地灣滑坡為例，分析了滑坡前緣及后緣地下水位變化與庫水位及降雨的響應(yīng)。江強(qiáng)強(qiáng)等［8］選取三峽庫區(qū)黃土坡滑坡臨江Ⅰ號崩滑體為對象，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究水位波動(dòng)、降雨及其組合作用下滑坡模型的變形情況。段祥寶等［9］通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M多種材質(zhì)的邊坡在水位降落過程中的非穩(wěn)定滲流物理過程，分析了水位降落過程中上游邊坡的滲流場特點(diǎn)。黃健等［10］從構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)入手，研發(fā)了基于新一代信息技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。許強(qiáng)等［11］提出滑坡時(shí)空演化規(guī)律及預(yù)警預(yù)報(bào)模型，在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果，成功預(yù)測了多起滑坡。侯圣山等［12］、馬娟等［13］、杜亮等［14］通過分析普適型監(jiān)測儀器在滑坡監(jiān)測預(yù)警實(shí)踐中的應(yīng)用優(yōu)勢，為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警提供了新的思路。

現(xiàn)有庫岸滑坡研究多以三峽庫區(qū)滑坡為例，通過有限元數(shù)值模擬或者室內(nèi)模型試驗(yàn)開展，分析影響岸坡失穩(wěn)的因素。目前，針對白鶴灘岸坡穩(wěn)定性研究的資料較少，尤其是結(jié)合GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測以及現(xiàn)場調(diào)查全面反映滑坡真實(shí)變形狀態(tài)的研究更少。本文以白鶴灘庫岸石圪垴滑坡為例，通過地質(zhì)分析，結(jié)合普適型監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用Geostudio 有限元分析軟件模擬庫岸邊坡在滲流與強(qiáng)度折減法耦合作用下的穩(wěn)定性，精細(xì)化衡量庫水位變動(dòng)對岸坡穩(wěn)定性的影響，以期為白鶴灘庫岸邊坡失穩(wěn)與監(jiān)測預(yù)警提供新的思路與借簽。

1 研究區(qū)概況

白鶴灘水電站位于四川和云南交界，自2021 年4 月 開始蓄 水，2022 年12 月2 日 庫水位上升824.70 m，上升幅度達(dá)165.0 m；水電站運(yùn)行期間最低水位765.0 m，最高水位824.70 m，升降水位差60.0 m，最大庫容達(dá)256×108m3，庫區(qū)地形起伏較大、斷裂構(gòu)造發(fā)育，加之蓄水引起的水位變化直接影響庫岸邊坡的變形趨勢，對水電站基礎(chǔ)設(shè)施和上下游居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成潛在威脅［15-16］。

1.1 石圪垴滑坡概況

石圪垴滑坡位于白鶴灘水電站庫區(qū)黑水河西岸，白鶴灘庫區(qū)國道G353 復(fù)建工程（陽葫路C 段）從滑坡體中部穿過。該滑坡平面形態(tài)總體呈 “圈椅狀”（如圖1），斜長258.0 m，橫寬約330.0 m，滑坡后緣高程892.0～913.0 m，前緣高程740.0 m，為涉水滑坡?；麦w平均厚度10.0 m，體積約85.14×104m3，滑坡的滑向方位約30°，屬中型巖土質(zhì)滑坡。

1.2 滑坡區(qū)地質(zhì)情況

滑坡所在區(qū)域?qū)偾治g中山河谷地貌，地形較陡，整體坡度約40%～60%，平均坡角32.5°，局部陡峭，斜坡坡角達(dá)42.2°?；麦w范圍內(nèi)上表層為第四系殘坡積層（Q4el+dl）含碎石粉質(zhì)粘土（3.0～8.0 m，局部可達(dá)10.0 m 以上），下伏寒武系上統(tǒng)二道水組（∈3e）泥砂質(zhì)白云巖夾砂質(zhì)頁巖。大坪子斷裂從該處穿過，斷面產(chǎn)狀200～240°∠50～60°，斷層長約3.0 km，寬15.0～30.0 m，為逆斷層，巖體結(jié)構(gòu)十分破碎，完整性極差（如圖2）。

1.3 滑坡變形情況

2021 年9 月20 日，石圪垴斜坡產(chǎn)生了局部滑動(dòng)破壞，9 月26 日15 時(shí)30 分，庫岸已發(fā)生大面積淺層巖、土質(zhì)滑動(dòng)破壞，分布高程775.0～870.0 m，相對高差約115.0 m，坡度約為25～35°，主滑方向30°，縱向長約150.0 m，橫向?qū)捈s330.0 m，面積約5.0×104m2，塌方規(guī)模約50×104m3。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在變形區(qū)范圍內(nèi)寬度5 mm 以上的裂縫共發(fā)育約150 條（如圖3）。

L1～L3 裂縫群走向近NE 向，近垂直于滑坡方向。L1 位于滑坡后緣邊界，寬度約0.25 m，長度約5.6 m，最深部位可達(dá)1 m，呈直線狀。L2 位于滑坡體中上部，受前緣牽引拉張變形，裂縫長約3.4 m，寬約0.2 m，最深部位可達(dá)1.5 m，裂縫兩側(cè)下挫約0.15 m，呈直線狀。L3 位于滑坡中部，受前緣牽引拉張變形，錯(cuò)斷蓄水池和農(nóng)家生產(chǎn)用房，錯(cuò)距約30 cm，裂縫長約6 m，最寬處約0.3 m，最深部位可達(dá)3.0 m，平面上呈弧形。L4～L7 裂縫群位于滑坡右邊界，呈一系列雁列狀拉張裂縫，受前緣牽引拉張和側(cè)緣剪切拉張力共同作用，平面上形成明顯的雁列式階梯狀裂縫，裂縫最寬處約0.2 m，每階平均下挫約0.2 m，走向SEE 向；L8～L9 裂縫群位于滑坡左側(cè)邊界，呈一系列近平行的拉張裂縫，前緣有下挫跡象，錯(cuò)距0.05～0.15 m，走向NNW 向，平面形態(tài)呈直線形—弧形。從裂縫的展布上可以看出，左右緣與后緣裂縫已經(jīng)貫通，說明滑坡內(nèi)部滑面已經(jīng)形成，有可能引發(fā)更大范圍的滑動(dòng)。

2 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

2.1 監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)與運(yùn)行

該岸坡布置了3 套GNSS 地表位移監(jiān)測站，分別位于塌岸區(qū)域邊緣部位，1 套GNSS 地表位移監(jiān)測基站和2 套地表裂縫監(jiān)測站位于外圍明顯裂縫處（參見圖3）。設(shè)備安裝與調(diào)試完成后，監(jiān)測數(shù)據(jù)同步上傳至地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺。若岸坡變形較大，位移-時(shí)間曲線的斜率會(huì)不斷增加，尤其是在斜坡進(jìn)入臨滑階段，變形曲線近于豎直，與橫坐標(biāo)軸的夾角接近90°，該滑坡預(yù)警模型采用改進(jìn)的切線角模型［11］。一旦滑坡進(jìn)入加速變形階段，位移切線角達(dá)到89°，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)則會(huì)發(fā)送預(yù)警信息至相關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取2022 年5—10 月歷時(shí)5 個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，數(shù)據(jù)陸續(xù)在平臺上線，監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，數(shù)據(jù)在線率達(dá)100%。

由GNSS01 與GNSS03 位移與庫水位及降雨量關(guān)系曲線（如圖4）變化可知，累計(jì)降雨量曲線呈較小臺階式緩慢上升，位移曲線在前期變化不明顯，庫水位曲線變化較大，有3 個(gè)時(shí)間段上升，2 個(gè)時(shí)間段下降。

圖4 位移與水位及降雨量時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship of the displacement with the water level and the rainfall time

降雨量數(shù)據(jù)反映自5 月以來未發(fā)生較大的降雨量，累計(jì)降雨量最大的月份發(fā)生在7 月，月降雨量達(dá)168.2 mm，單日最大降雨量發(fā)生在7 月23 日，降雨量達(dá)50.9 mm，其它時(shí)間降雨量較小。9 月15—28日持續(xù)小雨，2 周累計(jì)降雨量達(dá)91.7 mm，9 月28 日降雨量達(dá)32.9 mm。

GNSS01 與GNSS03 監(jiān)測點(diǎn)前期位移數(shù)據(jù)變化一直比較平穩(wěn)，6 月8 日、7 月19 日、8 月19 日在 這3個(gè)時(shí)間段的庫水位下降10 天后，GNSS01 位移出現(xiàn)明顯的增加，9 月22 日GNSS01 位移曲線切線角接近90°，表示岸坡后緣發(fā)生較大的變形，邊坡進(jìn)入臨滑階段，預(yù)測滑坡將發(fā)生。

庫水位自9 月22 日起以1.5 m/d 的速度增加，其中9 月28、29、30 日3 天的日增量達(dá)2.3 m，10 月18日庫水位上升至820.0 m 后，GNSS03 位移出現(xiàn)巨大增長，日增加達(dá)100 mm/d，同樣位移時(shí)間變化曲線切線角接近90°，表示岸坡左緣也發(fā)生較大的變形，最終在庫水位漲落和降雨聯(lián)合作用下坡體前緣產(chǎn)生大面積流滑破壞，并溯源發(fā)展至后緣整體破壞，滑坡發(fā)生，GNSS03 監(jiān)測數(shù)據(jù)在10 月29 日中斷，監(jiān)測儀器損毀。

3 庫水位降落情況下滑坡穩(wěn)定性模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

根據(jù)石圪垴岸坡的工程質(zhì)條件，以主滑剖面建立數(shù)值計(jì)算模型（如圖5），采用有限元數(shù)值分析軟件Geostudio 自帶的Seep-w 滲流分析模塊以及Slope-w 極限平衡穩(wěn)定性分析模塊，對岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖5 數(shù)值分析模型Fig.5 Numerical simulation analysis model

鑒于在監(jiān)測周期內(nèi)，降雨變化不明顯，本次數(shù)值模擬分析僅考慮庫水位變動(dòng)對岸坡穩(wěn)定性影響。通過分析岸坡在不同庫水位（814.0、809.0、804.0、799.0、794.0、789.0 m）以及庫水位在814.0 m 情況下以不同速度（1.0、0.5 和1.5 m/d）降落情況下穩(wěn)定與非穩(wěn)定滲流場，并將計(jì)算得到的孔隙水壓力和基質(zhì)吸力用于滑坡極限平衡分析，研究滲流場和強(qiáng)度折減耦合情況下第20 天岸坡的穩(wěn)定性。

假定主滑剖面在滑動(dòng)時(shí)其穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.98，將主滑剖面恢復(fù)至原始地貌進(jìn)行反演分析，從而獲得該岸坡的粘聚力、內(nèi)摩擦角，采用工程類別比法獲取滑面以及滑體的重度（如表1）。結(jié)合Seep/W 帶的樣本函數(shù)獲取土-水特征曲線，利用Frellund &Xing模型擬合，計(jì)算出滑坡巖土體滲透函數(shù)、巖土體滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力和體積含水量的關(guān)系如圖6。

表1 數(shù)值模型材料參數(shù)取值Table 1 Parameters of numerical model

圖6 滑體的基質(zhì)吸力與體積含水量以及X-水傳導(dǎo)率關(guān)系Fig.6 Relationship of matric suction with volumetric water content and the X-water conductivity

3.2 滲流模擬及穩(wěn)定性分析

從圖7 中可以看出，穩(wěn)定滲流情況下岸坡穩(wěn)定系數(shù)明顯高于瞬態(tài)滲流，庫水位上升有利于岸坡的穩(wěn)定，水位降至789.0 m 時(shí)，4 種計(jì)算情況下穩(wěn)定性系數(shù)相差極小，瞬態(tài)滲流反而略高于穩(wěn)定滲流，庫水位降速越大，岸坡越不穩(wěn)定。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)與庫水位以及降速變化關(guān)系Fig.7 Relationship of safety factor with water level and drop rate

庫水位在814.0 m 穩(wěn)態(tài)滲流下岸坡安全系數(shù)為1.113，岸坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而以1.0 m/s 速度降落情況，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)降至0.917，穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.196，降幅達(dá)17.6%，此時(shí)岸坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。通過對比庫水位在814.0 m 高程下3 種不同降速情況下穩(wěn)定性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，以1.5 m/d 速度降低情況下岸坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.89，相比0.5 m/d 速度情況下下降了0.057，下降比例為6%，相比1.0 m/d降速下安全系數(shù)降低了0.03，下降比例為3.2%。據(jù)此說明，庫水位下降極大影響了岸坡的穩(wěn)定性，是岸坡失穩(wěn)的直接誘發(fā)因素。

由圖8 可知，水位下降前期，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)下降較快，第10 天穩(wěn)定性系數(shù)降至最低，隨后出現(xiàn)平穩(wěn)變化，略有回升，說明在第10 天有效應(yīng)力降至最低，隨后土體飽和，有效應(yīng)力與安全系數(shù)趨于平穩(wěn)。這與GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)在3 次庫水位降落10 天后位移出現(xiàn)明顯增加表現(xiàn)出高度一致。庫水位降落速度越快，岸坡越不穩(wěn)定。通過分析可知，庫水位降落速度越快，岸坡內(nèi)土體孔隙水壓力消散速度滯后于水庫降落速度，朝向坡外的水壓力增加，導(dǎo)致岸坡穩(wěn)定性下降。

圖8 穩(wěn)定性系數(shù)與水位降速以及時(shí)間關(guān)系Fig.8 Relationship of safety factor with water drop rate and time

白鶴灘水文站監(jiān)測庫水位在庫水位自9 月22日起以1.5 m/d 的速度增加，雖然水位上升有利于邊坡穩(wěn)定，但是在前期3 次庫水位降落加之巖體結(jié)構(gòu)極為破壞，聯(lián)合作用下，坡體發(fā)生了較大的變形。說明砂質(zhì)泥巖在庫水反復(fù)浸泡下強(qiáng)度下降、粘聚力降低，引起岸坡穩(wěn)定性下降。

3.3 岸坡失穩(wěn)成因分析

（1）滑坡區(qū)巖體完整性較差，坡體的砂質(zhì)頁巖呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體極破碎，遇水易軟化且為隔水層，相對上硬下軟的破碎巖體結(jié)構(gòu)，為滑坡啟動(dòng)提供了較好的物質(zhì)條件。

（2）石圪垴斜坡坡頂?shù)狡履_，總體上由緩到陡，后緣坡度約17°，斜坡體中部坡度約24°，前緣地形坡度達(dá)50°，坡體前后緣高差約150.0 m。良好的地形地貌條件和勢能條件與滑坡提供了基礎(chǔ)。

（3）在監(jiān)測周期內(nèi)，庫水位出現(xiàn)3 次降落，且降速在1.0 m/d 左右，坡體前緣涉水部分土體經(jīng)循環(huán)軟化、沖刷、掏蝕后，巖體抗剪強(qiáng)度降低，在庫水位再一次上升后顆粒間的粘結(jié)力和摩阻力系數(shù)減小，土體土壓力增大，土體豎向有效應(yīng)力降低，滑體穩(wěn)定性下降，坡體前緣首先產(chǎn)生小范圍流滑破壞，并溯源發(fā)展至后緣產(chǎn)生整體拉裂破壞。

4 結(jié)論與建議

（1）破碎的巖體結(jié)構(gòu)是引起白鶴灘庫區(qū)石圪垴岸坡失穩(wěn)的內(nèi)在原因，水位反復(fù)升漲，引起坡體前緣涉水部分土體強(qiáng)度降低，是岸坡失穩(wěn)的直接誘發(fā)原因。

（2）庫水位降落情況下岸坡穩(wěn)定性相比穩(wěn)定滲流情況下下降約17.6%，在庫水位下降前期，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)下降較明顯，第10 天，石圪垴岸坡穩(wěn)定性降至最低，隨后變化發(fā)生失穩(wěn)。庫水位下降速度越大，岸坡穩(wěn)定性系數(shù)越低，每增加0.5 m/d 的降速，穩(wěn)定性系數(shù)下降約3.2%。

（3）GNSS 監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了對石圪垴邊坡變形的整體監(jiān)控，并且監(jiān)測數(shù)據(jù)突變發(fā)生在庫水位下降第10 天，這與數(shù)值模擬分析具有較好的一致性，采用改進(jìn)的切線角模型，及時(shí)預(yù)報(bào)了滑坡的發(fā)生，顯現(xiàn)了普適型設(shè)備的監(jiān)測成效與預(yù)警作用。