水位變動對庫岸土質(zhì)滑坡變形影響分析

曾元勇

（四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一〇九地質(zhì)隊，成都 610100）

1 引言

由于庫岸邊坡受到庫水位大范圍升降波動影響，導致邊坡內(nèi)部滲流場不斷變化，斜坡巖土體物理力學銳減，進而導致庫岸邊坡穩(wěn)定性不斷下降。許多專家學者對水位變動影響庫岸邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，董金玉等［1］采用現(xiàn)場試驗的分析方法得到水電站庫區(qū)的邊坡力學參數(shù)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值分析模型分析了水庫水位升降對邊坡失穩(wěn)破壞的影響機理；羅紅明等［2］將土水特征曲線的多項式約束優(yōu)化模型與飽和－非飽和滲流數(shù)值模型相結(jié)合，分析了庫水位漲落對水庫邊坡地下滲流場的影響；莫偉偉等［3］基于水巖相互作用機理，分析了庫水漲落對滑坡巖土體的影響；Griffith等［4－5］采用強度折減法分析水位變化對邊坡安全系數(shù)的影響，認為邊坡安全系數(shù)隨著庫水位的增加呈現(xiàn)先變小后變大的變化趨勢；朱冬林等［6］認為滑坡穩(wěn)定性隨著庫水位的上升或下降，具有由大變小、再由小增大的變化過程。

基于以上成果，本文擬對紅巖子滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并采用Geo-Studio軟件分析不同水位和升降速率下斜坡的穩(wěn)定性，最終構(gòu)建了紅巖子滑坡變形量預測模型。

2 紅巖子滑坡概況

2.1 滑坡基本特征

紅巖子滑波位于四川省漢源縣大渡河右岸與西街河交匯帶靠上游側(cè)的谷坡上，距瀑布溝電站壩址約23km，漢源湖環(huán)湖路從滑坡體中下部穿過?；抡w地形坡度20°～30°，平面形態(tài)呈不規(guī)則半圓形，滑動方向約340°。前緣高程810m，后緣高程954m?？傞L約600m，滑坡寬約580m，厚20～50 m，體積約750×104m3，屬大型滑坡。滑坡平剖面特征見圖1和圖2。

圖1 工程地質(zhì)平面及監(jiān)測布置圖

圖2 滑坡工程地質(zhì)剖面圖

2.2 滑坡變形特征

紅巖子滑坡為土質(zhì)老滑坡局部復活，利用紅巖子滑坡2009年的Lidar數(shù)據(jù)生成的地面數(shù)字高程模型（DEM）（圖3（a））及同時期的航空影像圖（圖3（b））的解譯，滑坡影像特征明顯。圖中滑坡邊界較清楚，尤其是滑坡中后部邊界清晰，滑坡后部呈三角形，滑坡壁連續(xù)，但滑坡前緣剪出口特征部明顯。在影像圖中由于拍攝角度問題導致滑坡壁主要呈黑色陰影。新鮮滑坡壁高度僅在幾米至十幾米之間，而在圖中可清晰地看到一個高度近100m左右的三角形陡坡，應為老滑坡滑壁，新鮮滑壁位于該陡坡邊緣附近。

圖3 滑坡全貌及局部變形特征

對比紅巖子滑坡2009年、2013年和2015年的高清航空影像，以及2018年野外調(diào)查可知：滑坡從2009年至2013年在垂向上位移為1.5～2.0m，在水平向位移在0.5～4.5m。從2013年至2018年垂向位移為1.6～2.0m，水平位移在0.2m以上?？梢?，紅巖子滑坡蓄水后發(fā)生了持續(xù)的變形，其垂向變形量估計每年在0.4m左右，水平向平均位移可能在0.2～1.5m之間。

3 滑坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2012年底在滑坡體上部署GPS地表監(jiān)測和深部測斜儀等多種監(jiān)測設備。紅巖子滑坡監(jiān)測設備分布如圖1所示。

3.1 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以各GPS的總位移對比庫水位的變化情況（圖4）可知，GPS各監(jiān)測點位移與庫水位的變化有明顯關系，2月底之前庫水位下降較平穩(wěn)，水位基本與庫水位下降保持一致，兩者相對穩(wěn)定，滑坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；3～4月庫水位加速下降，此時各點開始發(fā)生顯著位移變化，最大日位移量可達到60mm，滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)；5月份以后庫水位開始上升，此時各點的位移變化也逐漸趨緩至基本穩(wěn)定，說明此時的滑坡又重新回到了比較穩(wěn)定的狀態(tài)［7］。

圖4 GPS合位移與庫水位圖

3.2 側(cè)斜孔數(shù)據(jù)分析

選取7號鉆孔作為典型監(jiān)測點，3個傳感器分別安裝在18m、26m、31m的位置，得深部位移與庫水位的關系如圖5所示。圖中可以看出，深部位移變化也與庫水位的變化有明顯關系，2月底前水位下降較緩，深部測斜的位移量也較小幾乎為零；3～4月庫水位加速下降，斜位移量加??；5月開始庫水位上升，位移變化也逐漸趨緩到最后處于基本穩(wěn)定；不同深度單位長度的位移量從深至淺有逐漸增加的趨勢［8－9］。

圖5 深部位移與庫水位關系圖

4 紅巖子滑坡數(shù)值模擬分析

4.1 計算模型以及參數(shù)選取

根據(jù)瀑布溝水庫的調(diào)控方案，每年的5月份到10月份為水庫的蓄水期，庫水位從792m上升到850m，每年的11月份到第二年的4月份為枯水期，庫水位從850m降到792m，初步確定分別模擬的庫水位上升和下降速度為0.2m／d，以及水庫未蓄水、水庫處于最高水位時，紅巖子滑坡的穩(wěn)定性?；聨r土體的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 紅巖子滑坡巖土體力學參數(shù)表

4.2 紅巖子滑坡穩(wěn)定性計算

4.2.1 最低、最高蓄水位情況下紅巖子滑坡穩(wěn)定性計算

瀑布溝水電站最低蓄水位為792m，此時水位在滑坡前緣剪出口以下，可看做水庫未蓄水時的情況；最高蓄水位為850m，此時水位在滑坡前緣剪出口以上，為水庫正常蓄水位。

紅巖子滑坡坡體孔隙水壓力即滲流場分布圖如圖6所示。黑色箭頭代表滲流方向，較粗大的黑色箭頭代表著優(yōu)勢滲流方向。當水庫蓄水到850m，即達到最高蓄水位時，紅巖子滑坡的安全系數(shù)為1.052（圖6（d）），處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。而當水庫蓄水到792m，即到達最低蓄水位時，紅巖子滑坡的安全系數(shù)為1.120（圖6（b）），處于穩(wěn)定狀態(tài)。所以對于紅巖子滑坡來說，水庫蓄水對其穩(wěn)定性是不利的，降低了其穩(wěn)定性［10］。

4.2.2 庫水位下降作用下紅巖子滑坡穩(wěn)定性計算

對庫水位的下降階段，按0.2m／d的降速分別進行模擬，從850m下降至792m共需300d，以每20d為一個觀察記錄點，圖6（e）是庫水位按0.2 m／d的降速下降的最小安全系數(shù)時滲流場分布圖。此時與slope／w模塊耦合后得到的滑坡安全系數(shù)圖如圖6（f），圖中藍色虛線為水位線，此時安全系數(shù)為1.050，紅巖子滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2.3 庫水位上升作用下紅巖子滑坡穩(wěn)定性計算

對庫水位的上升階段，按0.2m／d的升速分別進行模擬，0.2m／d的升速下，從792m上升至850 m共需300d，筆者以每20d為一個觀察記錄點來記錄數(shù)據(jù)，本工況下，最小安全系數(shù)出現(xiàn)在第120d，圖6（g）是庫水位按0.2m／d的升速上升的最小安全系數(shù)時滲流場分布圖。此時與slope／w模塊耦合后得到的滑坡安全系數(shù)圖如圖6（h），在圖中藍色虛線為水位線，此時安全系數(shù)為1.118，由模擬結(jié)果可知，此時紅巖子滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 水位升降對滑坡滲流場及穩(wěn)定性影響分析圖

5 紅巖子滑坡變形量預測模型

對于紅巖子滑坡，目前有庫水位的觀測值、5號孔位置水位及形變觀測值。通過5號孔位置孔－庫水位差與日變形量散點圖（圖7）可看出，兩者存在很好的相關性，在孔－庫水位差小于7m時，滑坡基本穩(wěn)定，變形量很小，當孔－庫水位差大于7m時，日位移量隨之增加，通過擬合得到公式（1）（Dn為第n天日位移量，Cn為第n天5號孔與庫水位的差值），其決定系數(shù)R2達到0.91。

圖7 孔－庫水位差與地表日位移量關系圖

通過分析各變量的相關性得出影響第n天孔－庫水位差n的因素主要是第n-1天的水位差（Cn－1）（相關系數(shù)0.99）和第n天的庫水位下降值（Fn）（相關系數(shù)－0.71），通過擬合，可以得到如下公式（2）。

其中，Cn－1＝Bn－1－An－1，An－1為第n－1天水庫水位，Bn－1為第n－1天5號孔水位。

綜合以上公式得到：

通過該公式，已知n－1天庫水位、5號孔水位和第n天庫水位下降速度的基礎上，可以對5號孔位置第n天的變形量進行估計。由（3）式可知，第n天的孔－庫水位差值取決于第n－1的水位差值和第n天的庫水位下降值Fn，降低Fn可以降低孔－庫水位差Cn，繼而減緩位移量Dn，即降低庫水位下降速度可一定程度上減緩滑坡變形。

6 結(jié)論

（1）庫水位變化是控制紅巖子滑坡變形的關鍵因素。最低蓄水位時，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；最高蓄水位時，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，表明水庫蓄水后靜水作用不利于滑坡穩(wěn)定性。

（2）水位下降的動水過程不利于滑坡整體穩(wěn)定性。在庫水位上升時，斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；庫水位下降階段，穩(wěn)定性系數(shù)最低，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）提出了紅巖子滑坡變形量預測模型，在孔－庫水位差小于7m時，滑坡基本穩(wěn)定，變形量很小；當孔－庫水位差大于7m時，日位移量隨之増加。