三峽庫區(qū)四方碑滑坡穩(wěn)定性與變形趨勢預(yù)測

肖 婷，殷坤龍，楊背背

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國滑坡災(zāi)害十分頻繁，其破壞性巨大，其中長江三峽庫區(qū)的滑坡災(zāi)害最為集中。2003年三峽工程開始蓄水發(fā)電，水庫水位自此周期性的波動，加上人類工程活動的加劇，導(dǎo)致三峽庫區(qū)大量古滑坡的復(fù)活和新滑坡的發(fā)生[1]。因此，為了保證庫區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，需要選取合適的方法分析滑坡穩(wěn)定性，并進行有效的監(jiān)測、預(yù)警。目前分析滑坡穩(wěn)定性的方法主要有有限元法、概率分析法和極限平衡法[2]。魏雨溪[3]等人運用破壞概率分析法對滑坡進行穩(wěn)定性評價，結(jié)果表明運用該方法可以更客觀地反映滑坡真實情況。李世海[4]等人認為單純根據(jù)數(shù)值模擬和計算，會脫離實際，不能解決實際的工程問題，應(yīng)該將模擬計算與實際野外監(jiān)測、調(diào)查相結(jié)合，才能有效的分析滑坡的穩(wěn)定性。湯羅勝[2]等人運用Morgenstern-Price法、蒙特卡洛-破壞概率方法和強度折減法等多種方法相結(jié)合，來綜合評價研究某單體滑坡的穩(wěn)定性。

在綜合評價分析滑坡穩(wěn)定性過程中，僅僅以力學為依據(jù)進行分析評價，忽略滑坡的實際變形，其結(jié)果可信度不高，與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，才能有效的反映滑坡真實狀態(tài)。因此，本文以萬州四方碑滑坡為例，基于蒙特·卡羅方法，計算滑坡在水位降和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)及破壞概率。并采用Geo-studio軟件的Sigma模塊模擬滑坡變形，最后，運用R/S分析方法判斷滑坡的變形趨勢。將穩(wěn)定性計算、變形模擬和實際監(jiān)測相結(jié)合，來綜合評價分析四方碑滑坡的穩(wěn)定性[5]。

1 滑坡發(fā)育及變形特征

1.1 滑坡概況

圖1 四方碑滑坡平面圖Fig.1 Engineering geological map of the Sifangbei landslide

滑坡主滑方向為160°，與斜坡坡向基本一致。滑體上發(fā)育二級平臺，主平臺長220 m，寬450 m，高程200 m，剪出口位于長江水位以下。

1.2 滑坡物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)

斜坡所處地貌類型屬侵蝕堆積，河谷低山丘陵地貌，平緩層狀斜坡結(jié)構(gòu)[6]。局部上覆較厚的第四系粉質(zhì)黏土夾碎塊石，下伏為典型的萬州區(qū)近水平侏羅系地層，砂巖與泥巖互層，巖層產(chǎn)狀160°∠5°(圖2)。

圖2 四方碑滑坡I-I′工程地質(zhì)剖面圖Fig.2 I-I′ engineering geological profile of the Sifangbei landslide

1.3 滑坡變形監(jiān)測及分析

選取四方碑滑坡I-I′剖面，該剖面上布設(shè)有3個GPS位移監(jiān)測點、2個鉆孔傾斜儀點和2個地下水位動態(tài)檢測點，各監(jiān)測點分布見圖1、圖2。

圖3為四方碑滑坡3個GPS監(jiān)測點水平方向累積位移與降雨、庫水位關(guān)系圖，在2007～2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)中，GPS03累積位移最大，GPS02次之，GPS01累積位移最小，即變形集中在滑坡前緣且隨時間呈階梯狀變化，中后部變形極為平緩。在2008年7月、2009年5月、2011年5月和2012年4月暴雨過后，GPS03位移累積量陡增，但位移增長較降雨而言有一定的滯后時間。對比2008～2014年庫水位的調(diào)度曲線和GPS03位移曲線，庫水位的上升和下降都會導(dǎo)致GPS03位移量的增大，且?guī)焖幌陆灯谖灰圃鏊俑蟆７治稣J為四方碑滑坡變形受到庫水位波動與降雨的共同影響，本文僅對庫水位下降與暴雨狀態(tài)下滑坡的穩(wěn)定性進行分析。

圖3 滑坡水平方向累積位移與降雨、庫水位關(guān)系圖Fig.3 Relationship between accumulation of landslide horizontal displacement and rainfall and reservoir water level

2 滑坡穩(wěn)定性及其破壞概率計算

2.1 計算參數(shù)選取

根據(jù)勘察報告中的室內(nèi)實驗、現(xiàn)場大重度實驗數(shù)據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)類比及反演分析來綜合確定四方碑滑坡各項參數(shù)[6]。

天然狀態(tài)下滑體土容重取值為19.7 kN/m3、飽和重度取20.5 kN/m3，滲透系數(shù)取4.059 7 m/d，飽和體積含水率取0.421 3，以此為依據(jù)進行滑坡穩(wěn)定性計算。根據(jù)三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律研究，認為滑坡土體的抗剪強度參數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布[7-8]，抗剪強度c值為27.3 Pa(方差2.96)，φ值為19.8°(方差4.90)。

2.2 計算工況

結(jié)合三峽庫區(qū)庫水位調(diào)度方案和萬州區(qū)降雨情況，選取4種組合計算工況(表1)。工況中的降雨按照非汛期50年一遇暴雨強度添加，對萬州區(qū)近54年的降雨量進行統(tǒng)計和分析。工況1-2降雨時間設(shè)置為2015/3/10～2015/3/13，強度為34.2 mm/d。工況2-2降雨時間對應(yīng)庫水位155～152 m期間，強度為93.33mm/d。

表1 庫水位175～145 m滑坡穩(wěn)定性計算工況與荷載組合

2.3 穩(wěn)定性計算結(jié)果

選取該滑坡I-I′剖面作為地質(zhì)模型進行計算，其后緣高程為325 m，前緣剪出口110 m。運用Geo-studio軟件中seep模塊進行不同工況下的滲流模擬，slope模塊計算各工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)。

圖4 175～159 m穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線Fig.4 Variation curve of stability coefficient between 175～159 m

圖4為工況1-1和工況1-2的穩(wěn)定性計算結(jié)果，在庫水位下降過程中，滑坡穩(wěn)定性呈下降趨勢，后又呈現(xiàn)一定的上升。分析滑坡體的受力狀態(tài)，滑坡體前緣庫水浸沒部分，受到垂直于斜坡表面指向坡體的靜水壓力，滑坡體內(nèi)地下水位線以下部分存在孔隙水壓力。當庫水位開始下降時，靜水壓力減小，滑坡體穩(wěn)定性變差，穩(wěn)定性系數(shù)曲線呈下降趨勢。經(jīng)過滯后時間后，坡體內(nèi)的地下水位開始下降，孔隙水壓力減小，坡體有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致滑坡抗滑力增大，穩(wěn)定性系數(shù)曲線有所上升[9]。

2.2、2 0 16年一例疑似食物中毒的食品樣品,共計10份,應(yīng)用十四種食源性致病菌多重PCR技術(shù)進行檢測,結(jié)果如下圖:

表2為4種工況下滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)和Monte-Carlo破壞概率，對比工況1-1與工況1-2，暴雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.004，破壞概率增加0.1，對比工況2-1與工況2-2，暴雨條件下穩(wěn)定性系數(shù)降低了0.019，破壞概率增加0.17?？芍?，暴雨對滑坡的穩(wěn)定有不利的影響。

經(jīng)計算，四方碑滑坡在各工況下穩(wěn)定性系數(shù)大于1，且破壞概率小于5%，認為滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 4種工況下滑坡穩(wěn)定性系數(shù)

2.4 變形模擬分析

計算模型采用工況2-2，模擬時不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的作用，僅考慮自重和外荷載[10]。因此，除滑坡臨空面外，模型的四周和底邊界設(shè)置為單向約束邊界。圖5為145 m水位時滑坡X方向的位移云圖。

圖5 四方碑滑坡I-I′剖面145 m水位X方向位移圖Fig.5 The X direction displacement of 145 m water level in I-I′ profile of the Sifangbei landslide

由I-I′剖面圖可以看出，滑坡前緣和后緣較陡，中部平緩發(fā)育二級平臺，斜坡為階梯狀地形，多處陡緩相間。由四方碑滑坡I-I′剖面X方向位移圖(圖5)可以看出，位移主要集中在陡坡處，且前緣位移最大，中后部變形較小，位移最大處可達0.4 m以上。地面巡查發(fā)現(xiàn)，二級平臺后緣尚未發(fā)現(xiàn)明顯變形裂縫，而前部一級平臺滑體存在明顯變形趨勢，圖6為野外拍攝滑坡前緣拉裂縫，寬約0.4～0.9 m，深0.5 m，落差0.3～0.6 m。

滑坡前緣GPS03監(jiān)測點位移達0.8 m，Sigma模擬計算前緣變形可達0.4 m以上，野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)前緣存在多處拉裂縫寬約0.4～0.9 m。實際情況與模擬結(jié)果都表明，四方碑滑坡前緣存在較大變形。為防止前緣變形到達一定程度后會牽引滑坡中后部的滑動，造成更大的危害，應(yīng)在庫水位下降期和汛期加強對滑坡前緣的巡查、預(yù)警(圖6)。

圖6 四方碑滑坡前緣拉裂縫(2016/8/23攝)Fig.6 Tension cracks in the leading edge of the Sifangbei landslide

3 滑坡變形趨勢預(yù)測

滑坡地表位移監(jiān)測的時空序列是確定性與隨機性共存的非線性數(shù)列，運用R/S分析法(重標極差分析法)可以研究該非線性序列的潛在規(guī)律性，從而進行滑坡的預(yù)測預(yù)報[11]。R/S分析法是通過計算滑坡地表位移監(jiān)測的時空系列的Hurst指數(shù)H值，來評判時空序列相關(guān)性和趨勢強度，H值取值范圍為0～1，根據(jù)H值的不同，判斷滑坡位移時間序列的相關(guān)性，其具體關(guān)系見表3。

表3 滑坡位移時間序列與Hurst指數(shù)的關(guān)系[12]

運用R/S分析法，分析3個GPS監(jiān)測點的位移時間序列，計算其H指數(shù)，結(jié)果見表4。GPS01/02/03的H值均大于0.5且接近1，說明其變形趨勢都具有較強的正持續(xù)性。在未來一段時間內(nèi)，滑坡前緣的變形仍會增加，中后部比較穩(wěn)定，預(yù)測滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，整體不會發(fā)生大的破壞。

表4 累計位移的Hurst指數(shù)

4 結(jié)論

(1)庫水位下降和降雨相互耦合作用于滑坡體，影響其穩(wěn)定程度。前緣部分受影響較大、變形明顯，滑坡中后部變形緩慢，應(yīng)加強對滑坡前緣的監(jiān)測和預(yù)警。

(2)滑坡整體穩(wěn)定性系數(shù)大于1，且破壞概率小于5%，目前滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)Sigma變形模擬結(jié)果與GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)、野外調(diào)查情況一致，滑坡前緣位移最大，為防止滑坡前緣變形過大帶動中后部的滑動，應(yīng)特別注意滑坡前緣的變形。

(4)R/S分析法計算結(jié)果，3個GPS監(jiān)測點的H指數(shù)都在0.5～1.0之間，說明滑坡在研究的時間限度內(nèi)滑坡整體基本穩(wěn)定，滑坡前緣破壞有持續(xù)增大趨勢。

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