三峡库区四方碑滑坡稳定性与变形趋势预测

肖 婷，殷坤龙，杨背背

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

我国滑坡灾害十分频繁，其破坏性巨大，其中长江三峡库区的滑坡灾害最为集中。2003年三峡工程开始蓄水发电，水库水位自此周期性的波动，加上人类工程活动的加剧，导致三峡库区大量古滑坡的复活和新滑坡的发生[1]。因此，为了保证库区人民的生命财产安全，需要选取合适的方法分析滑坡稳定性，并进行有效的监测、预警。目前分析滑坡稳定性的方法主要有有限元法、概率分析法和极限平衡法[2]。魏雨溪[3]等人运用破坏概率分析法对滑坡进行稳定性评价，结果表明运用该方法可以更客观地反映滑坡真实情况。李世海[4]等人认为单纯根据数值模拟和计算，会脱离实际，不能解决实际的工程问题，应该将模拟计算与实际野外监测、调查相结合，才能有效的分析滑坡的稳定性。汤罗胜[2]等人运用Morgenstern-Price法、蒙特卡洛-破坏概率方法和强度折减法等多种方法相结合，来综合评价研究某单体滑坡的稳定性。

在综合评价分析滑坡稳定性过程中，仅仅以力学为依据进行分析评价，忽略滑坡的实际变形，其结果可信度不高，与监测数据相结合，才能有效的反映滑坡真实状态。因此，本文以万州四方碑滑坡为例，基于蒙特·卡罗方法，计算滑坡在水位降和暴雨工况下的稳定性系数及破坏概率。并采用Geo-studio软件的Sigma模块模拟滑坡变形，最后，运用R/S分析方法判断滑坡的变形趋势。将稳定性计算、变形模拟和实际监测相结合，来综合评价分析四方碑滑坡的稳定性[5]。

1 滑坡发育及变形特征

1.1 滑坡概况

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

滑坡主滑方向为160°，与斜坡坡向基本一致。滑体上发育二级平台，主平台长220 m，宽450 m，高程200 m，剪出口位于长江水位以下。

1.2 滑坡物质组成及结构

斜坡所处地貌类型属侵蚀堆积，河谷低山丘陵地貌，平缓层状斜坡结构[6]。局部上覆较厚的第四系粉质黏土夹碎块石，下伏为典型的万州区近水平侏罗系地层，砂岩与泥岩互层，岩层产状160°∠5°(图2)。

图2 四方碑滑坡I-I′工程地质剖面图Fig.2 I-I′ engineering geological profile of the Sifangbei landslide

1.3 滑坡变形监测及分析

选取四方碑滑坡I-I′剖面，该剖面上布设有3个GPS位移监测点、2个钻孔倾斜仪点和2个地下水位动态检测点，各监测点分布见图1、图2。

图3为四方碑滑坡3个GPS监测点水平方向累积位移与降雨、库水位关系图，在2007～2014年监测数据中，GPS03累积位移最大，GPS02次之，GPS01累积位移最小，即变形集中在滑坡前缘且随时间呈阶梯状变化，中后部变形极为平缓。在2008年7月、2009年5月、2011年5月和2012年4月暴雨过后，GPS03位移累积量陡增，但位移增长较降雨而言有一定的滞后时间。对比2008～2014年库水位的调度曲线和GPS03位移曲线，库水位的上升和下降都会导致GPS03位移量的增大，且库水位下降期位移增速更大。分析认为四方碑滑坡变形受到库水位波动与降雨的共同影响，本文仅对库水位下降与暴雨状态下滑坡的稳定性进行分析。

图3 滑坡水平方向累积位移与降雨、库水位关系图Fig.3 Relationship between accumulation of landslide horizontal displacement and rainfall and reservoir water level

2 滑坡稳定性及其破坏概率计算

2.1 计算参数选取

根据勘察报告中的室内实验、现场大重度实验数据，结合工程地质类比及反演分析来综合确定四方碑滑坡各项参数[6]。

天然状态下滑体土容重取值为19.7 kN/m3、饱和重度取20.5 kN/m3，渗透系数取4.059 7 m/d，饱和体积含水率取0.421 3，以此为依据进行滑坡稳定性计算。根据三峡库区滑带土抗剪强度参数的统计规律研究，认为滑坡土体的抗剪强度参数服从对数正态分布[7-8]，抗剪强度c值为27.3 Pa(方差2.96)，φ值为19.8°(方差4.90)。

2.2 计算工况

结合三峡库区库水位调度方案和万州区降雨情况，选取4种组合计算工况(表1)。工况中的降雨按照非汛期50年一遇暴雨强度添加，对万州区近54年的降雨量进行统计和分析。工况1-2降雨时间设置为2015/3/10～2015/3/13，强度为34.2 mm/d。工况2-2降雨时间对应库水位155～152 m期间，强度为93.33mm/d。

表1 库水位175～145 m滑坡稳定性计算工况与荷载组合

2.3 稳定性计算结果

选取该滑坡I-I′剖面作为地质模型进行计算，其后缘高程为325 m，前缘剪出口110 m。运用Geo-studio软件中seep模块进行不同工况下的渗流模拟，slope模块计算各工况下滑坡的稳定性系数。

图4 175～159 m稳定性系数变化曲线Fig.4 Variation curve of stability coefficient between 175～159 m

图4为工况1-1和工况1-2的稳定性计算结果，在库水位下降过程中，滑坡稳定性呈下降趋势，后又呈现一定的上升。分析滑坡体的受力状态，滑坡体前缘库水浸没部分，受到垂直于斜坡表面指向坡体的静水压力，滑坡体内地下水位线以下部分存在孔隙水压力。当库水位开始下降时，静水压力减小，滑坡体稳定性变差，稳定性系数曲线呈下降趋势。经过滞后时间后，坡体内的地下水位开始下降，孔隙水压力减小，坡体有效应力增大，导致滑坡抗滑力增大，稳定性系数曲线有所上升[9]。

2.2、2 0 16年一例疑似食物中毒的食品样品,共计10份,应用十四种食源性致病菌多重PCR技术进行检测,结果如下图:

表2为4种工况下滑坡的稳定性系数和Monte-Carlo破坏概率，对比工况1-1与工况1-2，暴雨条件下稳定性系数降低了0.004，破坏概率增加0.1，对比工况2-1与工况2-2，暴雨条件下稳定性系数降低了0.019，破坏概率增加0.17。可知，暴雨对滑坡的稳定有不利的影响。

经计算，四方碑滑坡在各工况下稳定性系数大于1，且破坏概率小于5%，认为滑坡整体处于稳定状态。

表2 4种工况下滑坡稳定性系数

2.4 变形模拟分析

计算模型采用工况2-2，模拟时不考虑构造应力场的作用，仅考虑自重和外荷载[10]。因此，除滑坡临空面外，模型的四周和底边界设置为单向约束边界。图5为145 m水位时滑坡X方向的位移云图。

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

由I-I′剖面图可以看出，滑坡前缘和后缘较陡，中部平缓发育二级平台，斜坡为阶梯状地形，多处陡缓相间。由四方碑滑坡I-I′剖面X方向位移图(图5)可以看出，位移主要集中在陡坡处，且前缘位移最大，中后部变形较小，位移最大处可达0.4 m以上。地面巡查发现，二级平台后缘尚未发现明显变形裂缝，而前部一级平台滑体存在明显变形趋势，图6为野外拍摄滑坡前缘拉裂缝，宽约0.4～0.9 m，深0.5 m，落差0.3～0.6 m。

滑坡前缘GPS03监测点位移达0.8 m，Sigma模拟计算前缘变形可达0.4 m以上，野外调查中发现前缘存在多处拉裂缝宽约0.4～0.9 m。实际情况与模拟结果都表明，四方碑滑坡前缘存在较大变形。为防止前缘变形到达一定程度后会牵引滑坡中后部的滑动，造成更大的危害，应在库水位下降期和汛期加强对滑坡前缘的巡查、预警(图6)。

图6 四方碑滑坡前缘拉裂缝(2016/8/23摄)Fig.6 Tension cracks in the leading edge of the Sifangbei landslide

3 滑坡变形趋势预测

滑坡地表位移监测的时空序列是确定性与随机性共存的非线性数列，运用R/S分析法(重标极差分析法)可以研究该非线性序列的潜在规律性，从而进行滑坡的预测预报[11]。R/S分析法是通过计算滑坡地表位移监测的时空系列的Hurst指数H值，来评判时空序列相关性和趋势强度，H值取值范围为0～1，根据H值的不同，判断滑坡位移时间序列的相关性，其具体关系见表3。

表3 滑坡位移时间序列与Hurst指数的关系[12]

运用R/S分析法，分析3个GPS监测点的位移时间序列，计算其H指数，结果见表4。GPS01/02/03的H值均大于0.5且接近1，说明其变形趋势都具有较强的正持续性。在未来一段时间内，滑坡前缘的变形仍会增加，中后部比较稳定，预测滑坡处于稳定状态，整体不会发生大的破坏。

表4 累计位移的Hurst指数

4 结论

(1)库水位下降和降雨相互耦合作用于滑坡体，影响其稳定程度。前缘部分受影响较大、变形明显，滑坡中后部变形缓慢，应加强对滑坡前缘的监测和预警。

(2)滑坡整体稳定性系数大于1，且破坏概率小于5%，目前滑坡整体处于稳定状态。

(3)Sigma变形模拟结果与GPS监测数据、野外调查情况一致，滑坡前缘位移最大，为防止滑坡前缘变形过大带动中后部的滑动，应特别注意滑坡前缘的变形。

(4)R/S分析法计算结果，3个GPS监测点的H指数都在0.5～1.0之间，说明滑坡在研究的时间限度内滑坡整体基本稳定，滑坡前缘破坏有持续增大趋势。

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