基于GPS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的滑坡變形影響因素分析

王延寧，王 豐，張 劼，尹國(guó)龍

（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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059）

0 引言

在我國(guó)滑坡是危害僅次于地震的地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)我國(guó)人民生命財(cái)產(chǎn)安全及經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大的損害，因此建立安全有效的滑坡變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分重要。GPS作為20世紀(jì)一項(xiàng)高新現(xiàn)代空間衛(wèi)星定位技術(shù)，由于具有全天候、自動(dòng)化、速度快、高精度等特點(diǎn)，已在滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂縫等各種地質(zhì)災(zāi)害和重大工程建筑物的變形監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用［1－3］，并得到了較好的效果。本文選取三峽庫(kù)區(qū)某滑坡作為研究對(duì)象，以采用GPS為主的專業(yè)監(jiān)測(cè)滑坡體變形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析滑坡變形特征。對(duì)比分析了位移速率與降雨量和庫(kù)水位變化等動(dòng)態(tài)因素的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法研究了降雨量、庫(kù)水位變化和滑坡變形響應(yīng)程度。

1 滑坡概況

該滑坡位于長(zhǎng)江左岸?；w部分地方淺表覆蓋層碎石土，出露基巖地層為侏羅系遂寧組紫紅砂泥巖及泥質(zhì)粉砂巖互層，屬巖質(zhì)順向滑坡。構(gòu)造上處于新場(chǎng)背斜，巖層呈單斜構(gòu)造。地形坡度10°～30°，低山丘陵剝蝕地貌。平面形態(tài)呈三角形（如圖1），滑坡體前緣高程小于95m，后緣高程385m。滑坡體主滑方約140°，滑坡長(zhǎng)1 200m，中部寬約850m，滑坡面積為1.14×106m2，體積約5.70×107m3。

圖1 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面圖

滑體左、右側(cè)邊界以沖溝為界，后緣以洼地為界，前緣以堆積層與基巖為界，后緣邊界及兩側(cè)邊界較為清楚?；麦w剪出口位于長(zhǎng)江中。滑坡滑面位于基巖中軟弱接觸面。在滑坡體中、后部曾出現(xiàn)過(guò)地下水突然冒出和水塘突然干枯的現(xiàn)象。前部泥巖與砂巖交接面可見滑動(dòng)產(chǎn)生的擦痕，前緣鼓丘發(fā)育較明顯，臨江面時(shí)有巖石掉塊，其變形特征較顯著。

2 GPS變形監(jiān)測(cè)分析

2.1 滑坡變形特征

滑坡體上共布設(shè)9個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為YY071－YY079（YY071和YY072在監(jiān)測(cè)中已損壞），平均分布在3條縱向剖面線，即每條縱向剖面線上布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況詳見圖1。自2004年10月開始實(shí)施專業(yè)監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移—時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 滑坡累計(jì)位移監(jiān)測(cè)曲線

結(jié)合表1和圖1可知，滑坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形位移方向基本一致，滑坡主滑方向約140°，指向長(zhǎng)江。由變形位移量可知，滑坡中軸上前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)YY076大于后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)YY074，而且中軸變形位移（中軸）大于兩側(cè)，表明滑坡中軸及前緣中部變形相對(duì)活躍。從圖2可見，整體上所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移呈逐漸增大趨勢(shì)且具有同步性，變形位移呈現(xiàn)階梯性演化特點(diǎn)，分別在每年汛期發(fā)生較大變形，旱期變形趨于平穩(wěn)。其中夏季6月、7月份尤為突出，如2009年6月月位移達(dá)60mm。分析表明，當(dāng)滑坡在變形演化過(guò)程中遭受季節(jié)性降雨和庫(kù)水位等外界因素的作用，則累計(jì)位移—時(shí)間曲線呈現(xiàn)階躍型演化特征［4］。

表1 滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)變位統(tǒng)計(jì)

2.2 滑坡變形影響因素分析

2.2.1 變形速率與降雨關(guān)系

該滑體覆蓋層結(jié)構(gòu)為松散碎塊石土，較易受到雨水侵濕，使巖土體發(fā)生軟化，導(dǎo)致巖土體的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角迅速降低，抗剪強(qiáng)度大幅減小［5］；隨著雨水不斷充填巖體裂隙，泥化軟化軟弱結(jié)構(gòu)面，致使滑體自重增大，滑帶抗滑性能降低，更易發(fā)生滑動(dòng)變形。

滑坡體上GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均位移速率與降雨量之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均變形速率與降雨量關(guān)系圖

從圖3可以看出，三峽庫(kù)區(qū)主要降雨期為每年的5月—9月，具季節(jié)性特點(diǎn)。受季節(jié)性降雨影響，滑坡位移速率呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，每當(dāng)出現(xiàn)降雨密集時(shí)段或降雨量出現(xiàn)峰值時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均加速增長(zhǎng)，出現(xiàn)突變且位移速率達(dá)到最大值，而位移速率在年降雨量最小的冬季降到最小值。如2007年6月月降雨量達(dá)到峰值時(shí)，位移速率發(fā)生突變，達(dá)到年最大位移速率33mm／月；而2009年年最大位移速率發(fā)生在連續(xù)強(qiáng)降雨期間，達(dá)47mm／月。上述表明降雨量與滑坡位移速率具有明顯的相關(guān)性［4］。

2.2.2 變形速率與庫(kù)水位關(guān)系

根據(jù)三峽工程調(diào)蓄功能特點(diǎn)，三峽水庫(kù)在每年洪峰期（5月—9月）到來(lái)之前要降低庫(kù)水位，其水位下降過(guò)程一般出現(xiàn)在4月底至6月，5月—9月則為防洪限制水位145m運(yùn)行，汛期結(jié)束后9月底開始蓄水，每年11月至次年4月處于175m的高水位運(yùn)行。三峽庫(kù)水位情況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均位移速率與庫(kù)水位之間關(guān)系詳見圖4（圖4（b）中負(fù)值代表庫(kù)水位下降，正值代表庫(kù)水位上升）。庫(kù)水位上漲時(shí)，一方面滑坡體地下水位升高，孔隙水壓力增加，滑帶抗剪強(qiáng)度降低，對(duì)滑坡體穩(wěn)定構(gòu)成不利影響；另一方面庫(kù)水向滑坡體內(nèi)部滲透存在自外向內(nèi)的滲透壓力有利于滑坡的穩(wěn)定［6］。圖4表明該滑坡在兩種作用下，后者較為強(qiáng)勢(shì)，變形為庫(kù)水位上升期間變形速率基本穩(wěn)定，即有利于滑坡的穩(wěn)定。

庫(kù)水位下降時(shí)，地下水向水庫(kù)排出，增大了指向坡體外側(cè)的動(dòng)水壓力，滑坡體的下滑力增大，加劇滑坡變形。如圖4可知，平均變形速率曲線增大均發(fā)生在庫(kù)水位下降期間，且當(dāng)庫(kù)水位下降到最小水位時(shí)，變形速率達(dá)到最大值，即每年6月份庫(kù)水位下降到最低水位，年最大平均位移速率均發(fā)生在該月。2009年較為顯著，4月—6月庫(kù)水位連續(xù)下降15.2m，為歷年庫(kù)水位連續(xù)下降最大值，2009年6月平均位移速率達(dá)到歷史最大值47mm／月。

圖4 平均變形速率、降雨量和庫(kù)水位變化關(guān)系

庫(kù)水位下降速率對(duì)位移速率具有一定影響；如2009年6月和2010年6月月降雨量相似，庫(kù)水位下降速率分別為0.32m／d、0.21m／d，相應(yīng)的位移速率分別為46.7mm／月和18.1mm／月，尤為突出的是2009年6月的降雨量明顯小于2007年6月，然而庫(kù)水位下降速率前者為后者4倍，導(dǎo)致2009年的變形速率峰值46.7mm／月，明顯大于2007年的33.2mm／月。

綜上所述，庫(kù)水位變化，特別是庫(kù)水位下降時(shí)下降幅度和下降速率都對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較為強(qiáng)烈。

3 位移與影響因素響應(yīng)程度

根據(jù)對(duì)該滑坡的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合上文滑坡變形影響因素的分析，選取影響滑坡穩(wěn)定的外界影響因子，即：降雨量、庫(kù)水位下降量和庫(kù)水位下降速率和降雨和庫(kù)水位耦合（耦合項(xiàng)由降雨量與庫(kù)水位下降量相乘所得）。將上述因子作為因素集，組成關(guān)聯(lián)數(shù)列；采用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)影響滑坡穩(wěn)定的因子進(jìn)行量化排序，來(lái)評(píng)價(jià)各因素與滑坡位移之間的關(guān)聯(lián)程度，從而確定其主要影響因子。

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度法計(jì)算步驟

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度法相關(guān)論著［7］，可得到此方法的計(jì)算步驟如下：

（1）組成關(guān)聯(lián)數(shù)列，即

X＝ ｛X1，X2，X3，X4，X5｝＝ ｛滑坡位移速率，降雨量，庫(kù)水位變化量，變化速率，降雨和庫(kù)水位耦合｝

（2）對(duì)數(shù)據(jù)做極值和均值化處理運(yùn)用均值化公式：

式中：i＝1，2，…，m；n＝0，1，…，n。

對(duì)數(shù)列X進(jìn)行均值化變化，使其極性一致、無(wú)量綱。

（3）求絕對(duì)差數(shù)列

根據(jù)絕對(duì)差公式：

式中k＝1，2，…，m。

對(duì)第2步得到的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可求得絕對(duì)差數(shù)列。

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)公式：

式中ρ為分辨系數(shù)。

ρ取值范圍為［0，1］。它的取值只影響關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小，不影響關(guān)聯(lián)序，一般取中間值0.5。由上述公式可得比較數(shù)列Xj對(duì)參考數(shù)列Xi的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（5）求得關(guān)聯(lián)度

根據(jù)關(guān)聯(lián)度公式：

對(duì)第4步所取得結(jié)果進(jìn)行上述計(jì)算，可求得比較數(shù)列Xj對(duì)參考數(shù)列Xi的關(guān)聯(lián)度。

3.2 計(jì)算數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法的介紹，結(jié)合上文滑坡影響因子分析結(jié)果，現(xiàn)選取該滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)前緣YY073監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過(guò)程介紹，用于計(jì)算的X數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)列X的基本數(shù)據(jù)

按上述步驟計(jì)算，依次改變母序列，求出位移速率、降雨量、庫(kù)水位下降量、庫(kù)水位下降速率以及降雨與庫(kù)水位耦合的關(guān)聯(lián)度值，得到關(guān)聯(lián)度矩陣：

對(duì)關(guān)聯(lián)矩陣行進(jìn)行分析，以第五行（因子為降雨與庫(kù)水位耦合項(xiàng)）為例，按表中關(guān)聯(lián)度大小排序，有0.814 149 6＞0.810 980 3＞0.787 665 6＞0.750 764 0，由此序列可知對(duì)降雨與庫(kù)水位耦合項(xiàng)影響較大的是庫(kù)水位下降量和降雨，同時(shí)證明了計(jì)算的準(zhǔn)確性。同理，第一行（因子為變形速率）的關(guān)聯(lián)度大小排序?yàn)椋踨15，r13，r12，r14］，序列表明滑坡變形演化過(guò)程中單因素分析，庫(kù)水位為首要影響因素，其次為降雨量和庫(kù)水位下降速率，降雨與庫(kù)水位耦合項(xiàng)與位移速率關(guān)聯(lián)度最大，為0.827 494 8，表明降雨和庫(kù)水位下降這兩個(gè)因素相互疊加時(shí)，往往更容易造成變形速率的突變。

按照上述計(jì)算步驟分別計(jì)算前緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)YY076和YY079及后緣監(jiān)測(cè)點(diǎn)YY074位移與影響因素的關(guān)聯(lián)度值，計(jì)算結(jié)果詳見表3。

由表3所提供數(shù)據(jù)可知，在降雨和庫(kù)水位下降共同作用下，將導(dǎo)致滑坡變形加劇。從單因素角度分析，滑坡后緣變形首要因素為降雨量；滑坡前緣變形受庫(kù)水位下降影響最為顯著，原因?yàn)榛麦w剪出口位于長(zhǎng)江中，坡體前緣受庫(kù)水長(zhǎng)期浸泡，在水位下降時(shí)產(chǎn)生流水沖刷及動(dòng)水壓力作用，加劇滑坡的變形。

表3 位移和影響因素關(guān)聯(lián)度值

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用GPS對(duì)三峽庫(kù)區(qū)某滑坡地表位移監(jiān)測(cè)，實(shí)踐證明GPS監(jiān)測(cè)不受通視影響，監(jiān)測(cè)精度高，作業(yè)效率高，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可靠，適用于山區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)。

（2）受降雨和庫(kù)水位變化等季節(jié)性因素影響，導(dǎo)致滑坡變形呈階躍型演化特征。其中影響變形速度的關(guān)鍵因子為降雨強(qiáng)度、庫(kù)水位下降及下降速率。

（3）庫(kù)水位的下降對(duì)滑坡的變形起加劇作用，庫(kù)水位的上升對(duì)滑坡的變形起緩和作用。庫(kù)水位下降期間若遇強(qiáng)降雨，往往更容易造成滑坡變形速率的突變。

（4）滑坡體前緣受到庫(kù)水浸泡軟化作用，侵蝕作用、動(dòng)水壓力作用影響顯著，滑坡后緣則表現(xiàn)為以降雨為首要影響因子。

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