某水利枢纽滑坡综合监测成果分析

万胜，邱振东，甘建军，万迪文，刘成奕，袁志辉，蔡志伟

(1.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029；2.南昌工程学院鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330099；3.江西省峡江水利枢纽工程管理局，江西 南昌 330046)

以往的降雨型滑坡监测预警研究多集中于经验统计预报、位移时间统计分析与预报、综合预报模型和预报标准等3个方面[1-3]，而基于多要素、多情景的滑坡实时监测预警研究较少，随着国家灾害风险综合监测预警战略的推进，多情景、多要素的研究越来越受到重视[4-7]。如王智伟等[8]探索利用反向传播算法对甘肃省黑方台党川滑坡的多源异构监测数据进行了分析预测；许强等[9]利用空-天-地相结合的技术对甘肃黑方台滑坡进行综合监测，提出了利用GNSS和裂缝计对黄土滑坡进行变形曲线的综合分析方法。这些方法在滑坡综合监测预警模型及预警系统方面进行了改进，但对水利滑坡的综合预测的阈值及预测指标分析方面还亟需要增强。

涉水滑坡由于受到降雨和水位影响，具有明显的蠕变性特征，变形时间较长，传统的监测手段难以满足滑坡加速变形预判的需要。针对这一难题，本文结合某水利枢纽右岸滑坡的监测预防控制数据，考虑地表变形、坡体内部位移、地下水位、锚索应力的综合数据，对降雨型涉水边坡在不同降雨作用下的变形破坏过程进行预警分析，以期为涉水滑坡监测预警及系统建设提供科学参考。

1 模型分析

1.1 监测点布设

平面变形控制网共布设5个测点，编号从TB1至TB5,且从上游至下游编号尾数由小到大。在右岸马道上布置了8个监测断面,每个断面上设置了2～3个位移标点，每个断面不同高程布置了11个地下水位孔(渗压计11支)，同时在利用各钻孔布设11个测斜孔，在治理工程中分散布置了3套锚索测力计，在滑坡后缘埋设了3支裂缝计，如图1所示。

图1 监测系统布设平面示意图Fig.1 Schematic diagram of monitoring system layout

1.2 监测仪器

本次监测仪器按照监测目的和设计选型进行采购或定制，所有仪器均进行了检验和率定，达到规范要求后，即主要参数率定值与出厂值的相对误差小于1%后，率定合格后正式启用。渗压计采用基康公司GK4500S型渗压计；应变计、无应力计、锚杆应力计、裂缝计采用国电南京自动化股份有限公司的自主研发产品。集水孔上部所有监测传感器及仪器在采用连续、自动采集、远程传输方式，接入监测数据库后利用数据控制软件实现数据的自动化采集和处理。

所有仪器埋设好后，进行调试分析其埋设成功率和运行状况，当所有仪器符合测试条件要求后开始测试。测试的频率每周定期预测1次，汛期和雨季每天测试2～3次，并实现自动化监测[10]。

1.3 模型建立

滑坡是一个连续性的变形过程，具有不确定性，可采用数值分析法如有限元法、有限拆分方法对滑坡的变形破坏进行分析。为了验证滑坡监测效果，本文采用Madis GTS NX软件中的滑坡分析模块，对滑坡进行多要素的稳定性分析[11]。

选取该滑坡前缘剪出口、滑坡后缘水平外推20 m为水平方向左右边界；以滑坡前缘剪出口垂直向下外推20 m为垂直方向下边界；以滑坡表面为上自由边界。

模型的应力/应变边界考虑滑坡主要发生在滑坡体，滑床区域变形极小，故左右边界、下边界滑床均为固定边界。渗透边界以靠山侧为定水头边界，靠建房一侧为变水头边界。滑坡体、滑床基岩、抗滑桩均为弹塑性材料，选择摩尔-库伦本构模型，滑带为界面材料[12]。

勘查区的抗震设防烈度为Ⅵ度，设计水平地震加速度为0.05g。因勘察区降雨量大，根据形成原因、机制及斜坡变形的特点，选择暴雨工况对不稳定斜坡稳定状态进行整体验算：荷载组合为自质量+降雨，采用饱和重度、饱和状态下的内摩擦角和内聚力。

本次计算根据勘测资料，治理前滑坡可分为上层砾质粉质黏土和壤土夹碎石，不稳定滑坡体主要位于红色黏土与强风化灰绿色绢云母千枚岩交界。而治理后则考虑减小了降雨入渗对滑体的影响，由于滑体下伏基岩为强风化绢云母千枚岩，岩土混合质滑坡相对变形较小，在开展MIDAS/GTS软件来计算时，把强风化绢云母千枚岩当作刚度和抗剪强度较大的基础底座，做适当综合和简化来进行模拟。

数值模型中网格划分采用高次的平面四边形单元。单元尺寸按照梯形播种的方式，软弱部位及变形可能较大的区域按照0.5 m划分，其他影响较小部位采用较大尺寸的单元。滑体、滑床及坡脚的材料参数，见表1。

表1 某水利滑坡岩土参数表Tab.1 Rock and soil parameters of a hydraulic landslide

2 结果分析与对比

2.1 地表变形分析

图2所示为该滑坡地表变形的地表水平位移-时间关系曲线。可以看出，右岸边坡1断面的水平位移总体较为稳定，测值的不断波动均在小幅范围内。大多数测点的测值均在±30 mm的范围内变化，最大变形约为40 mm。水平位移与降雨量具有一定的相关性，汛期时位于滑坡前缘的测点SA1-1的水平位移变化幅度最小，而位于滑坡中后缘的SA1-2及SA1-3测点的水平位移相对较大，表明该滑坡是由后缘推动前缘的推移滑坡，其中2014年7—9月及2016年4—10月期间，出现较大负的位移，表明位移计受极端降雨而引起的土挤压作用。

日期图2 地表水平位移与降雨关系曲线Fig.2 Surface horizontal displacement and rainfall relationship curve

图3为右岸边坡各测点实测的裂缝变形过程线。可知，K1、K2、K3各测点裂缝变形在2011年6月—2015年12月间总体均随着时间的增加而逐渐增大，裂缝变幅范围为-0.5～55 mm。其中K1及K3测点在至2014年7月份后增幅较小，表明测点裂缝趋于稳定(图3(a))。由于位移接近满程，2016年4月后更换了K1、K2、K3测缝计，重新埋设的3支测缝计实测变形过程线可以看出，2016年4月—2017年10月，K1及K2测点的裂缝变形过程线变化平稳，最大变形增量小于4 mm(图3(b))。

日期(a) 裂缝变形曲线

日期(b) 裂缝变形曲线图3 裂缝变形与时间关系曲线Fig.3 Relation curve between fracture meter displacement and time

图3表明在2016年4月5日前位于滑坡的裂缝总变形相对大小顺序是K2>K1>K3，其中位于滑体中部的中间裂缝K2监测点最大累计变形接近55 mm，这与现实调查的现象吻合。

2.2 坡体内部位移分析

坡体内部位移是反映滑体地表变形空间发展特性所展示出来的变形特性，人们常用测斜仪或多点位移计来进行观测。图4所示为CL2-1及CL2-2所测点位移与时间的监测曲线。可知，位于滑坡坡脚左侧的测点CL2-1位移随着深度的加深位移量逐渐减少为零，最大位移为2017年5月5日，这与该测点的反翘现象吻合。而位于滑坡中部的CL2-2测点，位移随着深度变化在正负之间相关摆动，表明该点的位移受到气候变化及地下水位等外界因素的影响较大。

(a) CL2-1深孔累积合成位移曲线

(b) CL2-2深孔累积合成位移曲线图4 坡体深部位移曲线Fig.4 Deep displacement curve of slope body

分别选择1、5、9、14、19 m深度处的位移对时间求导，得到位移速率与时间的关系曲线，具体如图5所示。可知，CL-1监测孔不同深处的位移速率大小不同，但变化规律基本一致；随着时间的延续，变形呈现匀速增加的特征，2016年4月12日以后，监测点的变形开始迅速增加，呈现接近90°的斜角加速，表现出滑坡出现大幅度的变形破坏。

t/d图5 坡体深部位移速率与时间曲线(CL-1)Fig.5 Curve of deep displacement rate and time of slope body (Cl-1)

2.3 地下水位分析

利用水位计对不同时期、不同部位的滑坡地下水位进行监测研究。共布设8个测点主要分布在高程为81 m及71 m马道上，并对监测数据进行处理作出水位与时间的变化关系曲线如图6所示。

由图6可知，位于右岸高程81 m及71 m马道上8个测点的地下水位过程线变化一直比较平稳，其微小的波动主要与降雨等因素有关，但即使降雨期间变化也较小，无地下水位过大的突升与突降，位于右岸96 m高程马道上2个测点测值有些波动，其微小的波动主要与降雨等因素有关，位于右岸61 m高程马道P2-1测点测值有些波动,低水位时约50 m高程，高水位时约54 m高程，水位变化约4 m，水位变化幅度不大。各测点的地下水位在晴天均较稳定，水位变化幅度很小，地下水位正常，但部分测点在雨天测值偏高，仍应继续加强观测。

日期(a) 右岸96马道地下水位

日期(b) 右岸81马道地下水位

日期(c) 右岸81马道地下水位

日期(d) 右岸71马道地下水位

日期(e) 右岸61马道地下水位图6 滑坡地下水位监测成果图Fig.6 Results of landslide groundwater level monitoring

2.4 锚索应力监测结果分析

锚索应力监测主要用于滑坡治理效果的评价，由于该滑坡属于治理工程的监测，故同时对治理工程的锚索进行实时监测。各测点锚索应力变化过程线如图7所示。可知，孔号21、孔号22两支锚索应力计测值变化一直比较平稳，应力基本成缓慢减小趋势，锚索应力从卸顶后初次测值505、503 kN,应力很快减损并稳定在460～480 kN左右，锚索应力属正常变化。

日期图7 锚索应力与时间关系曲线Fig.7 Relation curve between anchor cable stress and time

但孔号46锚索应力卸顶后开始一段时间呈较快下降趋势，由2011年8月3日的581.3 kN下降到2012年3月20日的452.9 kN，处于应力折损加快锚索松弛的阶段，变化状况正常，但自2012年3—5月锚索应力又增至约520 kN，自2012年6—2015年5月测值一直在平稳增加,变化范围基本在520～580 kN。这表明随着时间的推进，滑体及锚索在滑体滑动过程中出现自适应效应，原来由孔单个锚索承担较大反力作用逐渐转为整体性锚固。

综合实时裂缝变形和地表变形监测结果及现场调查的痕迹现象可知，该滑坡治理后，地表位移与降雨量呈正相关关系，降雨后缘裂缝仍有持续增加的趋势，但在2016年4月12日以后裂缝变形趋于平稳，表明该滑坡从力学机制上属于牵引式的蠕动滑坡。而通过深部位移和地下水位监测可知，该滑坡前缘在治理后仍然发生了反翘现象，而滑体中部的受降雨、水位涨跌的影响，深部位移表现出正负交替的现象，说明滑体受外部环境的影响较大。而从锚索应力监测来看，各测点的应力变化幅度经过初期的拉伸作用以后，锚索逐渐发挥锚固作用，使应力的变化趋于平滑。综上所述，该斜坡在治理后初期仍然有一定程度的继续运动，但滑坡治理系统逐渐发挥其作用，使该牵引式滑坡趋于稳定。

3 数值模拟对比分析

滑坡治理工程完工时间为2010年12月，工程监测最后时间拟到2017年5月。降雨量以峡江县多年平均降雨量149 mm/3 d，连续降雨3 d为例，采用Midas软件的降雨-渗流-稳定分析模块进行计算，所得结果如图8和图9所示。

图8 滑坡治理前变形云图Fig.8 Deformation cloud map before landslide treatment

连续降雨72 h后该滑坡的剖面的水平位移云图。图8为该滑坡治理后水平位移云图。由上述2图对比可知，滑坡治理前的水平位移最大值为193.7 mm，变形最大值位于滑坡中前部，其中坡趾位移值最大，表明该滑坡是由于人工切坡引起前缘临空面率先剪出，产生了较大的变形破坏，进而带动后缘下滑，最终引起的牵引式滑坡。经过治理后，在同一降雨强度、降雨历时作用下，滑坡最大的位移值下降为13.2 mm，最大变形值下降了93%。通过数值模拟，可知治理之前滑坡的稳定性系数Fs为1.10，而治理后边坡稳定性系数达到了2.36，增大了1.15倍，说明治理加固效果非常明显。治理后滑坡变形值比较均匀，变形主要发生在边坡新近开挖平台浅表。为确保斜坡的稳定性，杜绝该处地质灾害的发生，新开挖的坡表面需要做压实护坡，防止其发生新的整体性破坏。

图9 滑坡治理后变形云图Fig.9 Deformation cloud map after landslide treatment

从数值模拟分析结果可以看出，该边坡因水利枢纽开挖形成临空面，斜坡开始变形，属于降雨、水位变化和开挖式人工切坡共同作用引起的大型牵引式类土质滑坡，剪出口位于高程50.3～51.2 m的位置，主滑方向为311°。

对监测结果与数值模拟结果进行对比发现，滑坡治理前后应力应变的位置及大小均发生了显著变化，其变化的特征与监测反映的数据基本吻合。特别是由坡前开挖拉动引起的应力集中，在治理后，滑体中前缘得到加固和提高，这与裂缝计和深孔位移监测的变形随着时间趋于稳定的规律基本吻合，从另一角度印证了监测的有效性。

4 结论

1)治理后降雨入渗后斜坡后缘裂缝增大至55 mm，具有梯级增加的趋势。在设置了排水措施的斜坡中部，裂缝位移和深部位移值与降雨密切相关，具有一定的滞后效应；而坡体前出口，雨水汇聚、地下水位抬升使坡体前缘形成反翘现象。

2)监测结果表明，该坡体剪出口位置变形幅度最大，坡体中部的马道变形幅度次之，滑坡后缘最小，反映滑坡受到坡前人工切坡影响，在降雨入渗和地下水位变化等作用下牵引滑体向下滑动。因此，滑坡的监测预警应以深部位移的变化速率与时间的拐点当作预警指标。

3)通过Madis软件对滑坡治理前后的有限元数值模拟结果表明，滑坡在极端降雨作用下变形幅度达到193.7 mm，远没有达到现有监测时的最大位移值，表明滑坡后期将持续变形，必须及时治理；而治理后模拟结果表明，最大变形值降低至13.2 mm，安全系数提高了1.26，表明治理效果较好。