降雨与开挖联合作用下边坡位移矢量及速率变化分析*——以韩江高陂水利枢纽右岸尾水渠边坡为例

刘震涛 尚彦军 邵 鹏 魏思宇

(①广东省梅州市大埔韩江高陂水利枢纽工程建设管理处， 梅州 514011， 中国)(②中国科学院地质与地球物理研究所， 北京 100029， 中国)(③中国科学院大学， 北京 100049， 中国)

0 引 言

我国华南花岗岩分布区地质灾害发生频繁。据统计2005～2013年广西花岗岩分布区发生滑坡208处，存在隐患点524个，易发性评价中人类工程活动的信息量值较高(许英姿等， 2016)。对边坡垂向呈二元结构斜坡研究发现其前缘、中部和后缘由于孔隙水压力和饱和度不同而表现压剪、滑动和张拉等不同破坏机理(刘艳辉等，2016)。降雨作用下滑坡渗流场、应力场和位移场多场模拟分析中，位移量随时间和空间的变化，表征了滑坡不同部位的变形破坏特征(高连通等， 2014)。边坡脚开挖难免会使其产生变形，如叠加强降水作用而滑动破坏的实例很多。尚敏等(2019)对三峡库区八字门滑坡2004～2017年同期的滑坡监测数据分析表明，滑坡“阶跃”时段累积位移与降雨、库水位下降呈正相关，可用一元线性回归模型模拟变形过程。杨帆等(2019)通过灰色系统关联分析法计算多项因子与滑坡位移周期项的关联性，发现滑坡总位移预测值为周期项预测值与趋势项预测值之和。滑坡失稳变形为多种因素综合作用结果，而降雨和临空条件分别是主次滑坡发展的关键控制因素(冯文凯等， 2019)。地质条件的复杂性迫使大型地质工程开挖施工中采用动态设计和信息化施工等对策(Yang et al.，2001； 唐军等，2017)。地质体破坏模式的可靠性以及监测信息全面及时性成为了保障信息化施工和安全的关键(殷跃平， 2010； 赵运会等， 2017)。为避免地质信息隐蔽性及影响因素多样性所致设计方案不合理，应采用动态设计法对滑坡治理全程控制。其中，滑坡变形监测是动态设计的基础，快速决策及变更设计是动态设计的关键(唐军等， 2017)。

韩江高陂水利枢纽工程位于广东省大埔县境内韩江中游，河流走向自北向南在区内呈S型，河床宽200～600im，断面呈宽U字型。坝址在大埔县城西南约15ikm，下游距高陂镇约5ikm。工程以防洪、供水为主，兼顾发电和航运等综合利用。最大坝高约50im，采用重力闸坝，河床式厂房，装机总容量约100iMW。有S222省道经过坝址区右岸边坡。右岸道路以上边坡为永久边坡，道路以下为厂房尾水渠挡墙基础开挖临时边坡(图1)。挡墙砼浇筑完成后回填至44.50im高程，与现有路面约46im高程基本持平。2019年2月24日右岸上坝道路桩号YSK0+140～YSK0+280(坝纵X0+120～0+250)范围内边坡及挡墙、道路临河平台出现裂缝。2月28日桩号YSK0+140～YSK0+250范围的道路开挖坡口线上方山坡95im高程发现后缘裂缝，道路平台裂缝继续扩大，厂房尾水挡墙开挖坡面土石交界处出现裂缝。随即对滑坡开展变形监测、道路封闭和坡体开挖卸荷减载等应急抢险。本文在现场地质调查基础上对2～7月份边坡变形监测数据展开分析，以还原边坡变形破坏过程，提出降雨及开挖联合作用对其变形影响规律，同时说明削坡卸荷等应急抢险措施及跳槽式由外围向侧向剪出口下挖上浇的逐步合围等工程措施的合理有效性。

图1 高陂水利枢纽右岸边坡工程地质图Fig. 1 Engineering geological map of the right banking slope at Gaobei Key Water Control Projecta. 平面图； b. 剖面图(6-6′)

1 工程地质条件及变形破坏特征

坝址区地形以中低山丘陵为主，地势北高南低，主要以高程200～400im花岗岩侵蚀地貌为主。北部山脉走向NE，南部山脉走向NW，与本区的两组构造线一致。区域构造上发育有NE走向莲花山断裂东束(大埔—海丰)的枫林断裂以及NW走向饶平—大埔断裂的下桃子峯断裂(刘殿左， 1971)。前者穿过九龙村的长大沟谷，性质为压扭性(左行剪切)，走向40°～50°，倾向SE，倾角40°～70°，是活动性断裂(张修杰， 2010)； 后者控制了韩江段在水利枢纽工程处的北西向展布，走向320°，倾角近直立，基本与右岸控制滑坡后缘拉裂缝的断裂F8一致。调查中发现风化花岗岩边坡地形缓倾而发育U型风化槽，滑坡未表现出圈椅状特征而是两侧非对称变形，前缘只见有竖向裂缝而未见滑坡舌和鼓张裂隙等新生滑坡形态特征。边坡坡向(340°)与坡脚尾水渠挡土墙开挖面倾向(35°)斜交，坡度18°～20°。边坡坡形及地质构造中等复杂。

图3 前后设立6批55个监测点平面分布关系图Fig. 3 Distribution of 55 motoring points in the plane coordinate

图2 右岸边坡变形破坏情况(2019-03-17，镜头朝向：S)Fig. 2 Deformation and failure occurred in the left bank of the Han River

边坡道路以上顺坡向平面长145im，路下方边坡长80im，边坡总斜长约250im，高差80im，平均坡角18°。钻孔揭露滑动面基本位于强风化和弱(中)风化界面，岩芯出现饱水软泥或强烈破碎，显示的滑面埋深一般为8～12im，钻孔完成后不久即发生错位，监测仪器无法下放孔中。滑坡体积约20×104im3。边坡中下部西侧缘陡立裂隙发育，且在路内侧坡脚及挡土墙开挖基坑坡脚呈现侧缘裂缝与分支裂缝交叉的入字型结构(图2b)。西侧缘上部与道路以下的边坡陡立边界剪裂缝走向夹角约23°(走向分别为16°和39°)，显示出受上游西侧斑状花岗岩的阻挡而呈顺时针压扭特征(图2a， 图2c)。

2 边坡变形监测点分布及监测时段

2月下旬出现裂缝后随即对边坡展开了基于地表变形监测和信息快速反馈支撑为主的动态设计和信息化施工工作。在现场出现裂缝的边坡上分阶段设立变形监测点，分布在滑坡体内和侧缘边界外，包括沿滑坡中部省道S222路面线形分布的监测点(图3)。前期监测点在边坡卸载开挖中大部分被破坏而在下一期重新建立。第1批25个监测点分别建立于2月下旬～3月初： 1～5号测点2月21日建立、6～7号测点2月25日建立、8～15号测点2月26日建立、16、17号测点3月2日建立、18～25号测点3月3～13日建立； 第2批增加的6个监测点(N1～N6)设立于4月8日； 第3批5个监测点(M7～M11)于4月20号建立； 第4批9个监测点(T1～T9)设立于5月8日； 第5批5个监测点(A1～A5)设立于6月8日; 第6批5个监测点(Z1，Z3～Z6)设立于7月19日。这样，在4个月时间里分6批设立了不同部位和高程的55个监测点，其平面投影分布位置见图3。

监测点位置坐标采用西安坐标体系，X轴为坝纵(走向平行河流流向)，Y轴为坝横(走向垂直河流流向，与坝轴向70°一致)。每个监测点测得X、Y和Z3个方向位移矢量。X值负值向上游、正值向下游，Y值负值向左岸、正值向右岸。海拔高程系统采用珠江基准。竖向Z轴向下为负值。

图4 不同监测点X初始坐标与位移速率关系图Fig. 4 Relation of initial X coordinates of monitoring points with displacement rate

3 位移矢量随时间变化特征

将监测到的沿X轴和Y轴方向的位移分量合成，得到平面位移矢量。考虑到这些监测点是在不同时段设立，监测起始和结束时间不同，即监测时间长短不等，这里按平面位移量与监测时间的比值即日均位移速率来统一分析。由图4可见，位移速率总体变化情况是边坡上部比中下部大，中间比两侧大，西半部比东半部大。西侧缘外的点(点20， 点24等)坐标位置基本未变，而东侧缘外的点(点2， 点3等)有较小位移，说明前者比较固定或抵抗牵引变形能力强，而后者受牵引变形能力弱。从不同批设立的点看第4批监测点(T系列)普遍位移速率较大，同挡土墙块1#、2#和7#等较多块体基坑向深部开挖有关。同一批点靠近公路上方和上游的点位移速率较大。同时第6批7月19号设立的点(Z系列)位移速率普遍接近于0，说明挡土墙所有块体7月下旬浇筑完工后(图5)，边坡已趋于稳定。如果说4月以前大规模削方完成之前是按滑坡来评价和处置，那么大规模削方10多万方的4月之后属于多台阶开挖的工程边坡(图5b)。将其监测信息及时反馈给了施工方，从而保证了信息化施工的顺利实施。

图5 不同时期设立的监测点及边坡开挖情况Fig. 5 Layout of monoitoring points with slope excavation at different stagesa. 第1批2月下旬～3月初设立的25个监测点； b. 第4批5月8日设立的T系列监测点； c. 第6批7月19日设立的Z系列监测点(数字为尾水渠挡墙块编号)

从变形过程看，X/Y比值从开始1～5id的上升然后趋于稳定，最后各点的结果趋于相等即X/Y值近于一致(图6)，反映了变形早期向坝纵X轴负方向(坝上游)的变形由小变大再到小，然后变化到以向坝横Y轴负方向(左岸)的变形为主，坡体各点位移方向趋于稳定。同时从图6观察到X/Y比值在稳定后仍小于1，说明变形中后期以向坝横Y轴负方向的变形为主。值得注意的是，在3月初、7月下旬小变形情况下X与Y方向的位移比值变得比较大，显示小变形情况下受到尾水渠挡墙约束，边坡向河流上游方向的位移略为明显。

图6 平面位移X/Y比值随时间变化图Fig. 6 Variation of X/Y with dates

如将处于两直角边的位移比值(X/Y)换算它们的弦角，可得不同点最终平面位移的最大矢量方向与X轴负方向的夹角。从图7可见，滑体西侧缘之外边坡以负角度为主。这表明，在坡体西侧缘外的不动坡体小的变形位移以向下游方向位移为主(这些负角度值点的位置见图3和图5)； 滑体东侧以偏向河道或局部向下游方向变形为主； 滑体中部以向上游方向变形为主(位移矢量夹角50°～70°)，且随着监测点的位置(X轴坐标)向上游靠近，角度也有所变大。现场调查结果表明，滑坡上部的西侧缘裂缝走向16°，而中下部西侧缘裂缝走向39°，偏转角达23°。不同于一般的圈椅状滑坡边缘形态所反映的滑体线性变形为主。图7结果揭示了滑体运动受控于顺时针扭动滑移机制。这种滑体压扭滑移变形机制一方面有利于减小或抵消部分下滑力，另一方面也给滑体变形预测带来一定困难(殷跃平， 2010； 高连通等， 2014)。向河流下游方向位移的点与X负轴夹角为负值或钝角，这里都统一简化为绝对值小于90°的数值。

图7 平面位移矢量与X负轴夹角随坝纵X坐标变化图Fig. 7 Variation of angle between displacement vector with X axis negative direction with coordinates of X

4 位移与降水及开挖扰动关系

梅州滑坡主要发生在雨季，且花岗岩地区的坡体滑动面大多是沿着岩土界面(罗迎新， 2007)。对高陂镇气象站2～7月份记录的日降水量分析发现， 3月8日和7月21日共2id分别出现了暴雨，而出现强度为大雨的天气有10id。在2月24日裂缝出现之前1id的2月23日为大雨。从累计降雨量曲线看，有两次较集中的幅度达120～150imm的快速上升段，即3月4～9日和6月8～13日，而其余时段以阶段性小幅上升为主，单幅一般不大于70imm(图8)。在7月降雨强度仍不少，出现了雨强第5个高峰段。

图8 日降水分布直方图及累计降水量变化曲线Fig. 8 Histogram of daily precipitation and variation curve of accumulated daily precipitation(降雨强度级别划分参考刘艳辉等(2016)； (1)～(5)为降水高峰段编号)

图9 边坡监测点位移矢量随时间累计变化曲线图Fig. 9 Cumulative curve of displacement vector of monitoring points with datesa. 平面(X和Y轴合成)； b. 沿坝纵X轴; c. 沿坝横Y轴; d. 沿垂向Z轴

考虑到监测点设立是为边坡变形明显加大阶段的安全和信息化施工提供监测数据，而这些数据在不同时段有不同变化特征，因此有必要将相同时段的降水量和位移曲线对比。将所示的累积降水量随时间的变化和图9所示的坡体累积变形位移量随时间的变化进行对比发现，两者可划分出变化较大且集中的4个时段(图8，图9a)。这4个时段中，第1、2和第4曲线斜率对应较好，而第3时段曲线斜率对应相对较差，尽管在4月份有多次间断性降雨包括两次大雨。在雨强较大的第5个阶段即7月下旬，边坡累积位移已很小而可忽略不计(图9a中阶段(5))。

第3阶段5月4～15日边坡位移值较大但实际降雨并不大，是因为当时开挖尾水渠挡土墙块体3#，后来3#暂停改为先施工上游的1#～2#(图5c)。从下游向上游这些块体的基本开挖高程是滑坡前缘最大为负值，向上下游两侧逐渐升高。

从图9还可看出，各个时段的监测点X方向位移值较接近，而Y方向和Z方向位移值都有一定差异，且差别发生一定的反转，如处于公路外边坡的监测点T6和T9，前者Z向位移较大而后者Y向位移较大，说明已近滑坡前缘的T9处向河左岸水平位移更为明显。

将上述4个时间段的日均降水率mm·d-1与日均位移速率对应数据提取出来如表1所列。在第2、第3时段日均降水量均为5～6imm，但这两个时段的位移速率却相差近5倍，反映了第3时段挡土墙基部开挖的影响。总体看这7个对应数据对在4个监测时段的日均位移速率与日均降水率的拟合曲线的相关系数并不高(图10)。

表1 4个不同时段位移速率与日均降水率关系表Table 1 Relation of displacement rate and daily precipitation in 4 stages

图10 日均降水量p与位移速率v关系曲线Fig. 10 Daily precipitation versus displacement rate

图11 西侧缘裂缝断面擦痕显示发生过两次斜滑运动Fig. 11 Scratches on the fracture section of the western margin show two oblique sliding events

路面上坡体西侧缘剪切裂缝(位置在点7和点8之间，见图3)走向47°，其面向下游的断面有清晰的两次斜滑痕迹，显示了第1和第2次运动的方向基本一致，擦痕侧伏向40°，侧伏角22°，可见斜距分别为60.67icm、25.2icm，即在此处测得的两次滑动总量不小于80icm(图11)。这些现象基本都发生在4月底至5月初的滑坡削方完成向多台阶工程边坡转化期(图5b)。

5 结 论

作为受地质构造控制的风化花岗岩边坡，高陂水利枢纽右岸边坡不同时段的变形监测曲线与日降水量变化曲线对照表现出4个时段。第1和第2时段坡体位移受强降水影响，而第3时段主要反映的是挡墙基坑开挖后的坡体位移加速变化。日均降水量和日位移速率拟合曲线显示出两者呈对数关系的变化规律。

监测点的位移速率不同揭示了坡体不同部位的位移变化，相对而言，高处和中部坡体变形较大。以X轴和Y轴两方向变形量比值及其与X负轴夹角显示的变形过程分析表明，监测点初期变形量较小时以向坝纵X负方向为主，后期以向河谷左岸为主，最终平面位移矢量与X轴负方向夹角发生偏转和角度增大，反映出坡体变形从上游为主转为向下游增大偏转的变化趋势。不同位置和高程的监测点坡体变形随时间的变化过程说明边坡发生了顺时针压扭的滑移运动，与地质构造控制下边坡的倾向与开挖临空面不一致而导致旋钮运动的定性判断一致。

致 谢本项工作得到梅州市大埔韩江高陂水利枢纽工程各参建单位领导和技术人员的大力支持和协助。边坡变形监测数据和边坡钻孔等资料来源自广东省水利电力勘测设计研究院等单位的技术报告。在此谨致谢忱。