三峡库区龙头山滑坡变形机制研究

2015-02-08张仲林胥勋剑叶振南

地理空间信息 2015年6期

关键词：龙头山库水三峡库区

张仲林，胥勋剑，叶振南

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051；2.重庆市地勘局二〇八水文地质工程地质队，重庆 400700）

三峡库区龙头山滑坡变形机制研究

张仲林1，胥勋剑2，叶振南1

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051；2.重庆市地勘局二〇八水文地质工程地质队，重庆 400700）

以三峡库区龙头山滑坡作为研究对象，研究库水位及降雨综合作用下滑坡体的变形机理及演化趋势。研究表明，滑坡体变形在空间上存在差异性，滑坡体中部、左侧前缘变形较大，中后部变形逐渐减小，表现出牵引滑动特征；降雨和库水位波动是滑坡体变形的主要影响因素，2次较大变形均与其叠加作用相关；从演化趋势上来看，滑坡体内不平衡应力得到不断释放，滑坡体变形趋势逐渐减缓，前期滑坡体变形受库水波动作用强烈，后期变形主要受降雨作用影响。

三峡库区；滑坡；库水波动；降雨；变形

三峡库区地理条件特殊，地质环境复杂，降雨量充沛。三峡库区自蓄水运营以来经历了多期蓄水，蓄水至175 m后库水位频繁地在145 ～175 m之间变动，形成了高达30 m的消落带，严重破坏了库区滑坡体原有的平衡状态，影响到滑坡灾害的发生与发展。加之移民迁建等人类工程活动密集，致使库区内滑坡灾害频发，三峡库区成为滑坡灾害多发区及重灾区[1-4]。库岸滑坡变形破坏是库水位波动、降雨等多种因素共同作用经历了长期演化的结果，影响因素通过改变斜坡的临空状况及应力场、斜坡岩土体的结构特征和力学性质等，控制或影响斜坡的稳定性[5-8]。滑坡形成机理是滑坡灾害预测、预防、预报和有效防治的理论基础，也是研究滑坡的热点和难点问题之一。由于滑坡在破坏之前一般会经过较长时间的变形演化，因此采用不同类型仪器监测滑坡体表面及其内部变形迹象随时空变化的特征，是研究滑坡变形趋势和滑坡形成机理最常用的有效手段之一[9-13]。本文以三峡库区龙头山滑坡为例，依托多年地表位移和深部位移监测数据，结合滑坡发育的地质环境背景及影响因素，分析研究滑坡变形机理及演化趋势。龙头山滑坡在三峡库区具有一定的典型性和代表性，对该滑坡的形成机理开展研究，不仅可为滑坡灾害的预防提供科学依据，同时也可对该地区类似滑坡研究提供借鉴。

1 滑坡概况

龙头山滑坡位于巫山县大溪乡官田村、长江支流大溪河右岸，滑坡前缘涉水，左右两侧均以冲沟为界，平面形态呈“近三角形”（图1）。滑坡前出口标高139 m，后缘高程270 m。滑坡体长460 m，宽360 m，平均厚度约27 m，面积16．6×104m2，体积447×104m3。滑坡前缘较缓，中部和后缘稍陡，平均坡度20°，坡向332°。滑坡为松散残坡积物堆积层滑坡，滑坡体主要由碎石土组成，土体主要成分为粉质粘土，土石比为4∶ 1；滑坡产出以T2b三叠系中统巴东组青灰色薄层泥灰岩，夹杂互层状的白云质灰岩与紫红泥岩，岩层产状286°∠10°，与滑坡滑向同向，为顺向滑动滑坡。泥灰岩、泥岩强度较低，中间有软弱夹层，属典型的易滑动地层。

图1 龙头山滑坡全貌

2 滑坡变形时空特征

2.1 监测系统布置

巫山县龙头山滑坡监测方法有地表位移GPS监测、深部位移钻孔倾斜仪监测及长期宏观地表变形巡查，监测点平面布置如图2。由图可知：①地表位移监测包含了3个监测剖面，9个GPS监测点（WS14-01～WS14-09），在滑坡体外一定距离稳定基岩上布置GPS 监测基准点（WS14-10和WS14-11）。结合地表宏观变形迹象调查，做到对滑坡体表面的整体监控。②深部位移监测，在滑坡的3条纵剖面中，在中间剖面（Ⅱ'—Ⅱ，见图3）上部和中部设立2个深部位移监测钻孔（ZKQXY-1，ZKQXY-2），用于监测滑坡深部滑带位移情况。此外，在滑坡上设有自动雨量计，实时监测滑坡上的降雨情况。

图2 龙头山滑坡监测系统平面布置图

图3 滑坡Ⅱ'-Ⅱ剖面监测点布置图

2.2 滑坡变形特征分析

龙头山滑坡监测始于2007年，监测频率1～2次/月。选取2007年3月～2013年12月共82个月的监测数据作为分析依据，探讨和分析滑坡地表和深部的时空变形特征。地表水平累积位移随时间变化曲线见图4，每年12月份滑坡深部变形情况见图5。

图4 龙头山滑坡GPS水平位移累计位移时间监测曲线

由图4可知，龙头山滑坡的地表变形特征在时间和空间上都存在一定的差异性。从时间上来说：①WS14- 03、WS14-05和WS14-06位移量较大且逐年增加，其他监测点在整个监测过程中变形量微小；②在2007年的5～9月和2011年的9～12月监测点位移速率较大，而在其他月份监测点累积位移曲线近乎直线，滑坡处于蠕变状态，且2011年发生第2次较大变形后，随应力的释放滑坡变形速率变缓。从空间上来说：①滑坡各监测点位移在空间上有很大的不均匀性和差异性。②横向上，滑坡下部WS14-06＞WS14-03＞WS14- 09；中部WS14-05＞WS14-02≥WS14-08；上部WS14- 04＞WS14-01≥WS14-07，总地来说，中间变形最大，左侧次之，右侧最小。其中WS14-06点的变形量最大约370 mm。③纵向上，Ⅰ-Ⅰ剖面上WS14- 03＞WS14- 02≥WS14-01；Ⅱ-Ⅱ剖面上WS14-06＞WS14-05＞WS14-04；Ⅲ-Ⅲ剖面上WS14-09＞WS14-08≥WS14-07。总的来说，滑坡体前缘变形最大，中部次之，后缘最小，滑坡变形具有牵引滑动特征。

图5 龙头山滑坡深部位移曲线

由图5a可以看出：①ZKQXY-1钻孔滑带埋深36 m左右，埋深27．5 m存在一次级滑动面，轻微滑移；由图5b可以看出，ZKQXY-2的滑带埋深10～12 m，滑带累计变形量158 mm，埋深6 m以上位移量整体呈递增趋势，地表最大变形量每月223 mm。通过对比图5a和b可知：①孔ZKQXY-2中的位移整体上都大于孔ZKQXY-1，即中下部滑体位移大于上部；②两钻孔中2007年、2011年这2 a变形量比其他年份变形大。

综合地表和深部位移监测结果可知，整个监测过程中滑坡一直处于蠕滑阶段，除2007年5月～2007年9月和2011年7月～2012年4月滑坡变形速率较大以外，其余月份滑坡位移曲线近乎直线。从空间上来说，横向上中部变形最大，左侧次之，右侧最小；纵向上下部变形最大，中部次之，上部最小，总体上看滑坡中下部及滑坡左下部为主变形区；同时在Ⅱ-Ⅱ剖面上地表位移大于深部位移。结合滑坡宏观变形情况和滑坡体上裂缝发育状况可知，属于“滑移-拉裂”式破坏，整体表现出“牵引式”破坏特征。

3 库水位波动和降雨对滑坡的影响

三峡库区绝大多数库岸滑坡主导诱发因素为库水位波动和降雨。龙头山滑坡在监测滑坡地表和深部变形的同时，对滑坡区库水位变化情况和降雨进行实时监测，为进一步研究库水位波动和降雨对滑坡变形的影响提供了大量的数据基础。为了查明龙头山滑坡变形的影响条件和形成机制，将地表变形较大的3个监测点（WS14-03、WS14-05和WS14-06）的数据与库水位和降雨绘制在同一张图上，见图6。

图6 地表位移曲线与库水位和降雨

由图5可知，滑坡区雨量充沛，尤其是每年的5～9月，月降雨量较大且常有短时强降雨出现，降雨入渗对滑坡的“增重效应”和对滑带岩土体的“软化效应”不利于滑坡稳定。对库水位来说，2006年库水位蓄水至156 m，2008年以后进入145～175 m正式运营阶段。库水位上升产生“浮托力”，库水位下降滑坡体内由于水头差产生动水压力，库水对滑坡体表面的静水压力以及库水入渗对滑坡岩土体物理力学性质的改变，改变了滑坡的稳定性。这些变化均与降雨及库水位波动密不可分，滑坡变形的2次“跃升”也与二者有着密切的联系。

2007年5月～2007年9月滑坡变形第1次跃升。在2006年10月26日，长江库区水位首次从135 m蓄水至156 m，从2007年3月库水位开始下降，2007年6月10日水位至144 m。库水位下降时，由于坡体中地下水位下降相对滞后，导致坡体内产生动水压力。随着滑体孔隙水压力逐渐消散，滑坡体内产生指向坡外的动水压力，同时滑坡体表面静水压力减小，滑坡第1次变形加剧。2007年5月～2007年8月的4个月总降雨量为427．8 mm，平均月降雨量为107 mm，大量雨水渗入地下。滑坡体下伏为T2b三叠系青灰色泥灰岩，渗透性差，地下水在滑带部位汇集，使滑带抗剪强度降低，再加上降雨入渗的增重效应，使这4个月的降雨成为滑坡变形跃升的另一个原因。

2011年7月～2012年4月滑坡变形第2次跃升。这次跃升变形经历了3个变化价段，持续时间较长。第一阶段：2011年5月～2011年7月的3个月降雨量521 mm，月平均降雨量为174 mm。由于中部GPS监测点WS14-05部位地形平缓，有利于雨水的汇聚和入渗，使滑坡体内孔隙水压力增大，同时使滑体与滑带部位岩体软化，强度降低，导致WS14-05点从8月份开始滑坡变形加速。第二阶段：WS14-05号点变化加速，给滑坡前部WS14-06、WS14-03号点推动力，加上雨水使滑坡体自身加重，引发这2个点从9月份开始水平变形跃升开始。同时 9～10月降雨仍然较大，这2个月的降雨量292 mm，月平均降雨量146 mm，雨水的渗透加上滑坡中部变形推动力，使得滑坡前缘变形速率加大，降雨是这次变形跃升的主要原因。第三阶段：11月份后库水位升至175 m 后，库水上升到最高水位，水位上升时指向坡内的渗透力消失，库水入渗导致滑坡体内孔隙水压力增加，滑坡岩土体有效应力减小和稳定性系数降低。加上2012年1月开始库水位下降，这时水位下降是诱发第2次变形加剧的主要原因。