三峡库区水位变化对树坪滑坡变形影响机制研究

王 力,王世梅,向 玲

（三峡大学a.科技学院；b.土木与建筑学院,湖北宜昌 443002）

三峡库区水位变化对树坪滑坡变形影响机制研究

王 力a,王世梅b,向 玲b

（三峡大学a.科技学院；b.土木与建筑学院,湖北宜昌 443002）

三峡水库蓄水后,众多涉水型滑坡均有变形迹象,尤其在库水位下降过程中,多数滑坡变形加剧。树坪滑坡属巨型古堆积体滑坡,距三峡大坝坝址约47 km,数年监测结果显示树坪滑坡在库水位下降过程中有强烈变形,若失稳将造成重大损失。为此,现场采集了树坪滑坡近几年监测数据,结合地质调查及勘探资料对其变形机制进行分析,结果表明：树坪滑坡地下水位与库水位涨落保持一致,库水位相对滞后,库水位下降时产生不利于滑坡体稳定性的动水压力,此时GPS数据表现出滑坡发生较强烈的变形,具有典型的动水压力型滑坡特征；自动位移计监测结果表明：树坪滑坡在库水位蓄水至175 m水位后主要发生整体变形,由下部变形牵引上部滑动,具有牵引式滑坡的变形特征。

树坪滑坡；滑坡监测；动水压力；变形机制；三峡库区

2015,32（12）：87－92,119

1 研究背景

三峡水库开始蓄水后,库区滑坡、崩塌等地质灾害频发,如2003年7月13日凌晨,位于长江支流青干河的千将坪滑坡发生了高速远程滑坡,共造成24人丧生[1］,多例水库滑坡失稳实例均说明水库蓄水是影响滑坡稳定性的重要因素。树坪滑坡距三峡大坝约47 km,属古巨型堆积体滑坡,自2003年后三峡水库历经3次蓄水位提高,分别蓄水至135 m,156 m,175 m水位,库水位下降时,观测到树坪滑坡有强烈的变形发生,具有典型动水压力型滑坡破坏特征[2］,树坪滑坡一旦失稳,将对长江通航、三峡大坝造成极大危害。

鉴于树坪滑坡的重要性及典型性,国内外众多专家学者对树坪滑坡展开研究。汪发武等[3－5］（2006,2008年）利用树坪滑坡的裂缝位移监测数据,多次对树坪滑坡在降雨与库水位下降作用下的变形情况进行研究,并得出坪滑坡的变形在雨季的水位下降期非常活跃；2011年李小凡等[6］用不同时相的terraSAR-X的强度图进行计算,得到了树坪滑坡于2009年2月至2009年10月期间发生的滑坡位移场的时空演化图,得出其变形趋势。以上研究均发生在三峡水库蓄水至175 m水位前,自2010年10月三峡水库蓄水至175 m水位后,树坪滑坡变形加剧,一个正常水文年内库水位将在175～145 m范围内波动,库水位周期性的波动会极大影响滑坡体的岩土物理力学性质,进而影响到滑坡体的稳定性,因此,对树坪滑坡蓄水至175 m水位后的变形机制及变形特征研究,可为树坪滑坡的防治及同类型滑坡的研究提供重要参考意义。

基于水作用诱发滑坡的复活机理分类方法,将树坪滑坡归纳为典型动水压力型滑坡[2,7］,其破坏特征受库水位变动影响极大。本文结合近几年树坪滑坡自动位移计、地下水位、GPS等监测数据,研究分析树坪滑坡在库水位作用下的变形破坏机制,并得出一些变形规律。

2 树坪滑坡概况及监测

2.1 树坪滑坡概况

树坪滑坡位于三峡库区湖北省秭归县沙镇溪镇树坪村一组,长江南岸岸坡,下距三峡工程大坝坝址约47 km,地理坐标经度110°37′0″,纬度30°59′37″。滑坡中上部有乡村公路通过,交通较为便利,滑坡发育于沙镇溪背斜南翼,位于长江南岸一向北倾斜的逆向斜坡上,前缘直抵长江。滑坡体地形呈陡缓结合、南高北低。高程170 m以下地形较陡,坡度20°～25°；高程200～310 m地形较为陡峭,坡度25°～30°；高程340 m以上地形也较陡,坡度25°～30°。自上而下分布有2级缓坡平台,高程分别为170～200 m,310～340 m,其中二级平台呈典型的滑坡后缘平台,滑坡体积约2 000万m3,树坪滑坡全貌见图1。

图1 树坪滑坡全貌图Fig.1 Panorama of Shuping landslide

树坪滑坡属多期性巨型滑坡,物质组成较复杂,根据地质勘察和钻探资料,其物质组成大致可分为以下几类：①耕植土层,主要为黄褐色、灰黄色以及紫红色的粉质黏土夹碎石；②坡积物（Qdl）,主要为粉质黏土层夹碎块石,呈灰黄、浅褐黄色,粉质黏土呈可塑状态,结构松散-稍密,透水性较差；③滑坡堆积物（Qdel）,主要为碎块石黏土层,呈棕黄色、紫红色,土石比大小随位置差异较大,碎块石成分主要为泥质粉砂岩、泥灰岩和灰岩。土为壤土、粉质黏土,呈硬塑-可塑状,填充于碎块石中,结构不均匀,稍密,滑体堆积物结构松散,透水性较好；滑带土,主要为紫红色角砾石土层,较湿,结构紧密,土可塑。滑带埋深较大,层厚一般在10～20 cm；基岩：滑坡地段的基岩为三迭系中统巴东组地层[8］。

为了研究降雨和库水位变动对滑坡体稳定性的影响,中国地质调查局武汉地质调查中心联合日本京都滑坡研究所及三峡大学共同对树坪滑坡展开了系列监测,包括地表裂缝监测、地下水监测、降雨量监测等。同时湖北省岩崩滑坡研究所对树坪滑坡开展地质灾害监测预警工程专业监测,本文主要采用GPS监测数据。

GPS监测点有位于滑坡主变形区的ZG85,ZG86,ZG87,及变形影响区的ZG88,ZG89,ZG90。选择变形相对较大的东部滑体,沿滑体轴线从后缘至前缘140 m高程,自上而下共布置了24台日本坂田电机板式会社SRL16型自动位移计（见图2（a）,工作原理见图2（b））,并在主轴线中前部侧缘布设2条SRL16型自动位移计。

图2 SRL-16型伸缩计及工作原理Fig.2 Working principle of the extensometer SRL-16

为了解树坪滑坡前缘水下部分的变形情况,在前缘水下地表布设包括加长型伸缩计位移监测以及地表倾斜计角度监测。地表倾斜仪可测量滑坡变形倾角变化,反映滑坡的变形状态,且当长伸缩计固定端及活动端同时变化时,通常反映不出位移变化,可用地表倾斜仪角度变化加以补充。

水下裂缝变形选择日本兴和公司生产的EPV300M电磁式伸缩计进行长距离监测,该监测仪器较好地解决了滑坡体水下部分变形监测难题,从前缘136 m到179 m处沿坡体主轴线共安装5加长型伸缩计见图3。

图3 EPV300加长型伸缩计安装示意图Fig.3 Schematic diagram of installing lengthened extensometer EPV300

如图3所示,每2台长伸缩计间安装1台地表倾斜仪,共计4台,其中长伸缩计SP-M-F1与倾斜计K1位于175 m水位上方,长伸缩计SP-M-F5与倾斜计K4常年在145 m水位下,其余监测仪器位于滑坡消落带间。树坪滑坡前缘181 m高程处布置地下水位监测孔ZK-1,监测布置平面图见图4。

图4 树坪滑坡监测布置平面图Fig.4 Layout of monitoring points of Shuping landslide

3 监测结果分析

3.1 GPS监测结果

多年GPS监测数据见图5（数据来源于湖北省岩崩滑坡研究所《三峡库区秭归县二期地质灾害监测预警工程专业监测预警年报》）。

2.2 两组早产儿的免疫调节状态比较 干预前两组早产儿的免疫调节指标比较，差异均无统计学意义(均P>0.05)；干预后，观察组早产儿在不同时间段的血清CD3+、CD4+及FEER、RBCC3bR水平均高于对照组早产儿，差异均有统计学意义(均P<0.05)。见表3。

图5 树坪滑坡GPS与库水位关系图Fig.5 Relations of accumulative displacement measured by GPS and reservoir water level with time of Shuping landslide

图5所示,位于滑坡主滑区GPS监测点ZG85,ZG86,ZG87变形量比变形影响区监测点ZG89和ZG90累计位移大很多,树坪滑坡变形主要发生在主剖面1-1中前部。对比库水位变化与GPS变形关系,自2003年7月三峡水库蓄水后,树坪滑坡主滑区GPS变形速率逐渐增加,2006年11月及2008年11月库水位分别首次蓄水至156 m和173 m时,数据显示GPS位移变形有一个陡增的过程,且每年库水位由高水位下降至低水位时,GPS位移变形都有明显加快的趋势,由此按照三峡库区重大复活型滑坡分类方法[2］,树坪滑坡分类为典型动水压力型滑坡,最主要诱发因素为库水位下降。库水位平稳后,GPS变形呈现较缓慢的变形。观察分析每年的GPS监测数据,发现近几年来,2010年的GPS变形速率较低,而分析位于变形影响区的2个GPS监测点（ZG89,ZG90）数据资料可知,多年累计位移没有太大变化,呈缓慢蠕动变形状态。

3.2 自动位移计监测结果

自动位移计监测数据与库水位变化关系见图6。

图6 自动位移计监测数据与库水位变化关系Fig.6 Relations of displacement measured by auto-recording displacement meter and reservoir water level with time

图6（a）为滑坡后部4＃和5＃自动位移计监测数据（结果所示为地表相对位移）,图中所示4＃和5＃监测点均为张拉变形状态,5＃监测点变形量较小且随库水波动基本无变化,多年最大累积位移仅为38 mm,4＃监测点变形较大,累积位移达240 mm,库水位蓄水至175 m水位后变形速率加快,树坪滑坡后缘部形受库水位变动有一定的影响。

图6（b）所示为滑坡中后部8＃和12＃自动位移计监测数据。由图可知,8＃监测点一直处于张拉变形状态,且在库水首次蓄水至175 m水位后变形量逐渐增加,累积位移为500 mm。而12＃监测点一直处于压缩变形状态,库水首次蓄水到175 m时也出现了较大变形,累积位移量达到350 mm。水库正常蓄水至175 m水位后,中部位移计变形量反而很小,基本保持不变,而位于滑坡主轴线中部的GPS监测点ZG86随库水位波动持续变形,分析认为滑坡体中部发生了整体性变形,而自动位移计不能反映这种整体变形。

图6（c）所示为滑坡中前部22＃和24＃自动位移计监测数据。由图可知,22＃及24＃监测点一直处于压缩变形状态,累积位移量大约为120 mm。库水首次蓄水到175m水位后监测点变形量逐渐增加,水库正常蓄水后,位移计数据也基本保持不变；同样,位于中轴线中前部的GPS监测点ZG85也显示出较强变形,分析认为中前部滑体表面也存在局部整体变形。

图6（d）为滑坡中前部侧缘25＃和26＃自动位移计监测数据,2个自动位移计固定端均设置滑坡变形区外,因此可记录滑坡体整体移动发生的变形。由图可知,25＃及26＃监测点一直处于张拉变形状态,累积位移量大约为1 600 mm,由于能记录坡体整体变形,变形数据较中部大,蓄水至155 m后变形逐渐增大,首次蓄水至175 m后变形趋势加剧,滑坡激烈变形均在库水位下降时。

综合以上分析可知,树坪滑坡前部主要处于压缩变形状态,后部主要处于张拉变形状态,滑坡中部由于同时受到滑坡前部的牵引作用及滑坡后部的压缩作用,表现出既有压缩变形又有张拉变形的状态。由滑坡各部位多年的自动位移监测数据可知树坪滑坡的中前部变形与库水位变动相关,为研究了解库水位上升和下降对滑坡体变形的影响,选取三峡库区首次蓄水至175 m水位后树坪滑坡在库水位下降和上升时前部侧缘SP-M-25自动位移计监测点位移变形进行分析,分析结果见图7。

图7 库水位下降和上升时SP-M-25所测位移Fig.7 Displacement measured by auto-recording displacement meter in the presence of rise and decline of reservoir water level

自动位移计SP-M-25位移与库水位下降关系如图7（a）所示。由图可见,首次蓄水至175 m水位后,三峡库区调度开始正常运行,库水位首次由175 m高水位开始下降到145 m水位时,树坪滑坡前缘发生较大变形,2个月内变形量从1 560 mm增长到了1 760 mm,变形量达200 mm,其中库水位变化有一个下降平缓期,此时可发现伸缩计位移变形也开始缓慢,开始缓慢变形时间有数天滞后,随后库水位又以较快速度下降,此时坡体位移亦开始增大。库水位下降初至145 m水位时,伸缩计位移变形速率仍旧较大,数天后位移开始变缓。由于库水位仍旧在145 m水位波动,滑坡位移持续增大,但变形速率明显变缓。综合而言,库水位下降对树坪滑坡前缘变形影响非常大,且下降速度越大,影响越大。

图7（b）为自动位移计SP-M-25位移与库水位上升关系图。库水位上升前有一段时间处于波动状态,此时滑坡变形相对较大,库水位在2个月时间由145 m水位较快上升到175 m水位,滑坡变形总量约为30 mm,变形量较小,变形速率也较库水位上升前小。综合而言,库水位上升对滑坡体前缘变形影响较库水位下降时小,且库水位上升速度与坡体变形没有明显对应关系[9］。

3.3 前缘水下地表裂缝监测结果

加长型伸缩计监测结果如图8所示。蓄水后前缘变形开始逐渐增加,且在库水第一次蓄水至175 m时变形速率增大,其中位于滑坡139 m处的水下长伸缩计SP-M-F5变形最大（常年浸没在水中）,累积位移达280 mm,仍较滑坡中后部变形小,前缘滑坡体主要处于张拉变形状态。

图8 加长型伸缩计位移与库水位关系Fig.8 Relation between reservoir water level and displacement measured by lengthened extensometer

图9为地表倾斜计在2011年2月到2012年5月间的监测结果,位于175 m水位上方的倾斜计K1基本倾斜角度保持不变,主要原因为K1布设于180 m处较平缓的平台。2011年后三峡库区蓄水正常运行,位于水下的5台长伸缩计基本没有发生位移改变（图8（b）所示）,但倾斜计K3及K4均有较大角度改变,附近GPS监测点ZG85在该段时间内也有较大变形发生,说明水下坡体存在整体变形滑动。前文分析这种滑动主要是由库水位下降期指向临空面的动水压力造成,前缘整体处于张拉变形状态,整体变形,自动位移计数据也说明滑坡体中前部在库水位正常蓄水后处于整体变形状态,进一步说明了树坪滑坡的牵引破坏模式。

图9 地表倾斜仪监测结果Fig.9 Monitoring results of surface tiltmeter

3.4 地下水位监测结果

由图10可知,树坪滑坡181 m高程处地下水位随库水波动一致,地下水位稍有滞后,且地下水位下降速率及上升速率均较库水位的变动小。由于树坪滑坡前部滑体渗透性系数较小,仅滑坡体表层因库水位的涨落发育有较多裂隙,这就造成地下水位既能随库水位升降而波动,而又因渗透性小的原因而产生滞后。由于地下水位随库水变动的滞后,滑坡体在库水位下降期甚至平稳期不断产生对滑坡体稳定不利的动水压力,致使滑坡不断发生变形。

树坪滑坡的变形发生取决于多种因素[10］,从地质因素来说,滑坡主体位于巴东组第二岩性段（）地层,该地层底部夹泥岩软弱层,力学强度低,为软硬相间的岩石组合,且地层中裂隙、劈理尤其发育,这些均是该地层构成滑坡主体的主要因素,从而形成树坪滑坡陡立的地形条件。地下水位监测数据显示库水作用影响至滑坡181 m高程处的地下水位,地下水位的物理软化及指向于外部的动水压力主要作用于滑坡体前缘,所以树坪滑坡变形以前缘最新发生,中后部陡立的滑坡体因失去支撑而产生滑动,因此力学条件上表现出牵引式滑坡的变形特征。

4 结 论

（1）GPS监测数据表明数年的库水位下降期树坪滑坡呈快速变形状态,库水位上升期滑坡体变形减缓,由此说明树坪滑坡具有典型动水压力型滑坡特征,库水位下降是滑坡变形的最主要因素。

（2）地表裂缝监测数据表明：树坪滑坡前部主要处于张拉变形状态,后部处于压缩变形状态,水库正常蓄水后,滑坡中前部及前缘变形模式主要为整体变形,结合GPS监测数据及自动位移计数据分析可知树坪滑坡先由前部变形牵引后部滑动,具有牵引式滑坡的特征。

（3）钻孔地下水位监测数据表明树坪滑坡前缘地下水位随库水位涨落保持一致,但地下水位上升及下降速率均小于库水位变动速率,这就造成库水位上升时滑坡体内出现有利于滑坡体稳定的动水压力,库水位下降时,滑坡体内外的水头差将产生不利于滑坡体稳定的动水压力。

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（编辑：曾小汉）Abstract：After impoundment of the Three Gorges reservoir,numerous landslides relevant to water have the signs of deformation.Deformation of most landslides rapidly increases,especially in the process of decline of reservoir water level.Shuping landslide,about 47 km from the dam site of Three Gorges,belongs to a kind of giant ancient accumulation body.Monitoring results for several years showed that Shuping landslide strongly deformed when reservoir water level dropped,significant losses will occur if the landslide loses stability.In light of the problem,we collected monitoring data of Shuping landslide in recent years and analyzed its deformation mechanism in association with geological survey and exploration data.The results show that：1）the fluctuation of underground water level of Shuping landslide is consistent with that of reservoir water level,but the variation of reservoir water level is relatively lagged；2）hydrodynamic pressure occurs in the condition of decline of reservoir water level,which is unfavorable to landslide stability,at the same time,GPS data indicate intense deformation of the landslide with typical features of hydrodynamic pressure-type landslide；3）monitoring results measured by auto-recording displacement meter show that overall deformation is the main kind of deformations for Shuping landslide after impoundment with water level of 175 m,and it has deformation features of tractive landslide whose deformation in the bottom leads to slip in the top.

Influence Mechanism of Deformation of Shuping Landslide in Three Gorges Reservoir Area Under Water Level Variation

WANG Li1,WANG Shi-mei2,XIANG Ling2
（1.College of Science and Technology of China Three Gorges University,Yichang 443002,China；2.College of Civil Engineering＆Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China）

Shuping landslide；landslide monitoring；hydrodynamic pressure；deformation mechanism；Three Gorges reservoir

P642.2

A

1001－5485（2015）12－0087－06

10.11988/ckyyb.20140561

2014－07－08；

2014－08－11

国家自然科学基金面上项目（41372359）

王 力（1988－）,男,湖北孝感人,助教,硕士,主要从事工程地质教学与科研工作,（电话）15572761610（电子信箱）wangli＿ctgu＠126.com。

王世梅（1965－）,女,湖北宜昌人,教授,博士生导师,博士,主要从事地质工程教学与科研工作,（电话）18827282707（电子信箱）592786913＠qq.com。