水电工程库水响应下滑坡时空演化特征分析

黄会宝， 何朝阳， 巨淑君， 段亮， 罗浩， 解明礼

(1.国能大渡河流域水电开发有限公司， 成都 610093; 2.四川大学水利水电学院， 成都 610065; 3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 成都 610059; 4.天津市市政工程设计研究总院有限公司， 天津 300051)

随着西南山区澜沧江、金沙江、大渡河等深切河谷诸多大型水电工程的逐步建成和运营，库岸边坡在库水作用下的稳定性和发展趋势越来越受到关注[1]。库水位变化对岸坡稳定性的影响包括水位上升和水位下降两种情况。①库水位上升对岸坡稳定性的影响主要表现在浸水岩体的力学强度参数降低与孔隙水压力作用两方面；②库水位下降对岸坡稳定性的影响主要表现在水位下降速率与坡体的渗透系数的关系。库水位的下降速度远大于岸坡内地下水渗流速度，导致水力梯度过大而产生较大的动静水压力，从而引发古滑坡的失稳和新滑坡的形成[2-3]。

库水位升降对于岸坡稳定性影响是周而复始的，伴随着水库运行的全生命周期[4]。库区滑坡 复活通常在水库蓄水的两年周期内大幅度水位下降期间，复活的滑坡在两年之后将进入持续变形阶段[5-6]。其变形受降雨、库水位综合影响[7]，通常库水位大变幅诱发滑坡变形存在一定滞后期。周永健等[8]通过分析木鱼包滑坡历史位移与库水位变动、降雨量数据的相关性，最终确定滑坡变形对库水位变动的响应存在约40 d的滞后期。其滞后性不仅仅受滑坡坡体结构控制，与库水位变动速率也有着较大的相关性[9-10]。高晨曦等[11]通过三峡库区树坪滑坡实例分析证明水位变动速率越大，滑坡变形滞后期越短。随着水库蓄水稳定性后，滑坡体逐渐固结压密、水对岩土体的物理化学作用降低[12-13]，滑坡将出现变形自适应。李松林[14]通过对三峡库区大量滑坡开展位移与库水位耦合分析，涉水滑坡均表现为经历2～4年变形后逐渐达到变形自适应。

综上，现有研究成果均基于野外地质调查、数值模拟、物理模拟及相应的工程地质定性分析[15]，地表专业监测往往针对已发现有明显变形破坏特征的滑坡开展，未将蓄水前、蓄水后滑坡演化特征进行对比分析，多源数据融合能够有效实现滑坡形成过程追溯与发展预测分析[16]。因此，在多期次现场调查的基础上，采用合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)技术分析大渡河大岗山黄草坪变形体2014—2020年近6年的空间及时序变形特征，并收集降雨资料以及库水位变化资料，将降雨、水位因素叠加到地表监测曲线上综合分析黄草坪倾倒变形体蓄水后的历史变形状况、变形规律以及潜在发展趋势。综合InSAR、地表位移实时监测、多期次现场调查及环境因素分析等手段，采用点与面相结合综合分析黄草坪变形体随库水位变动及时间演化的变形特征及未来发展趋势。为类似工程中单体与区域滑坡监测提供一定借鉴。

1 研究区概况

1.1 变形体概况

大渡河大岗山水电站黄草坪变形体位于大渡河左岸泸定县得妥镇新华村，距离坝址16.8 km。变形体前缘高程约1 115 m(高出原河水位约80 m)，后缘高程约1 600 m，顺河长度160～250 m，宽度约660 m。高程1 130 m以上坡度30°～39°，高程1 130～1 060 m坡度38°～45°，总体呈略向左岸凹进的负地形。

黄草坪变形体地处川西高原气候区，多年平均年降雨量664.4～777.4 mm，主要集中于6—9月。根据大岗山水库运行情况，每年汛期(5—10月)水库水位一般1 120～1 123 m，枯水期(11月—次年4月)水库水位一般1 123～1 130 m，黄草坪一带库水最大深度106 m。

黄草坪变形体发育于大渡河断裂带夹持的三叠系白果湾组(T3bg)薄层砂页岩中，岩层正常产状N7°～15°E/NW∠67°～85°，走向与谷坡小角度相交，岩层走向与岸坡走向交角10°～20°，陡倾坡外。黄草坪一带地形坡度35°～40°，坡表崩坡积堆积的块碎石土层分布较广，厚10～20 m，主要由崩坡积堆积的块碎石土层组成，涉及部分碎裂松动变形岩体。变形体大部分位于库水位之上，高程约1 210 m以下覆盖层中有泉水出露。1 190 m高程附近地下水位埋深27～40 m，与库水位相近；1 300 m高程附近地下水位埋深42～56 m，1 500 m高程附近地下水位埋深58～100 m。

黄草坪变形体发育于大渡河断裂带内：大渡河断裂西支断层(F2)在黄草坪斜坡前缘出露，高程最低约1 150 m，断层产状N7°E/SE∠81°，破碎带宽2～3 m，铅直厚度5.1 m，由片状岩、碎裂岩组成，下盘影响带宽2～5 m。西侧(下盘)为晋宁期英云闪长质片麻，东侧(上盘)为三叠系白果湾组砂页岩；大渡河断裂东支断层(F1)产状近SN/W∠75°，断层破碎带宽2～3 m，由碎裂岩、片状岩、碎粉岩组成。该断层展布于黄草坪斜坡上部，多被覆盖，西侧(上盘)为三叠系白果湾组砂页岩，东侧(下盘)为澄江期黑云二长花岗岩(图1、图2)。

图1 黄草坪变形体工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plan of Huangcaoping

根据现场调查的变形体特征，可将黄草坪变形体划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区：Ⅰ区为强变形区，库周交通公路新华村段约K1+200 m～K1+360 m，前缘高程约1 115 m，后缘高程约1 600 m，顺河长度160～250 m，宽度约660 m；Ⅱ区为弱变形区，库周交通公路新华村段约K1+360 m～K1+560 m，前缘高程约1 130 m，后缘高程约1 400 m，顺河长度100～160 m，宽度约410 m；Ⅲ区为弱变形区，库周交通公路新华村段约K1+000～K1+200 m之间，后缘高程约1 400 m，顺河长度100～200 m，宽度约400 m。

1.2 大岗山水电站蓄水过程

2014年12月30日大岗山水电站左岸导流洞下闸，水库水位蓄至1 005 m左右；2015年5月29日导流底孔下闸，2015年7月4日水库蓄至死水位1 120.00 m，2015年9月2日首台机组正式并网发电并投入商运，2015年10月29日水库首次蓄至正常蓄水位1 130.00 m，2015年10月31日4台机组全部投产发电，五年多来水库水位介于1 120～1 130 m，水位变幅小(图3)。

图2 黄草坪变形体剖面图Fig.2 Profile of Huangcaoping

图3 大岗山水电站蓄水过程Fig.3 Water storage process of Dagangshan Hydropower Station

2 黄草坪变形体时空演化过程

2.1 宏观变形破坏过程

大岗山水电站前期地质勘察中黄草坪一带岸坡地表未发现有明显变形破坏迹象，斜坡整体稳定，仅在雨季覆盖层曾发生过小型塌滑。水库蓄水后，该变形体产生明显变形破坏迹象(图4)。

图4 黄草坪变形体全貌Fig.4 The general view of Huangcaoping

(1)2015年10月，坡体后缘于出现开裂现象。

(2)2016年8月20日斜坡前缘左岸库周交通公路路面出现开裂，坡体主要见8条裂缝，后缘及上下游裂缝贯通，下错位移明显，2016年8月23日公路边坡局部垮塌。

(3)2017年7—11月坡体变形加剧，后缘裂缝宽度增大，坡体出现大量开裂迹象，局部垮塌。

(4)2018年6月17日开始，黄草坪变形体监测数据出现突变， 变形速率增大；7月2日1:30黄草坪变形体前缘大面积垮塌，约 5 万m3。

(5)2019年6月，黄草坪变形体新增两个测点HP12、HP13。自8月1日起，Ⅰ区上部(HP02、HP13测点)进入加速变形阶段(中加速变形)，其中HP13测点水平方向最大日变形速率达到了10.31 mm/d， 垂直向变形速率达到了13.50 m/d，之后 8月下旬逐渐又回到匀速变形阶段。

(6)2020年8月持续降雨，30日降雨量达到100 mm，自9月上旬起，Ⅰ区(垮塌区域)上部(LF02、HP02、HP13测点)呈现加速变形趋势，后缘裂缝最大日变化量达到了107.20 mm/d。9月下旬逐渐又回到匀速变形阶段，处于基本稳定状态。

2.2 历史表面位移特征

时序InSAR技术能够有效监测斜坡长时间序列的表面形变[17]，获取了覆盖研究区的121景Sentinel-1卫星IW(interferometric wide) 模式下的 level-1A 级影像，其分辨率为5 m×20 m，时间跨度为2014年10月9日—2020年2月 28日，轨道方向为降轨。采用SBAS-InSAR技术分析黄草坪变形体2014—2020年近6年的空间及时序变形特征。

每间隔约240 d黄草坪变形体周边区域累计形变特征(图5)，试验结果表明，变形体区域在2016年前形变量较小，在此后形变范围不断扩大，说明形变是由于水库蓄水引起的，由于InSAR采集数据获取的是视线方向的形变，因此可以简化为沉降变形，可以看到变形体自蓄水后各区域变形量逐年增大，且变形体Ⅰ区后缘量值最大。获取2020年2月28日1#～6#形变监测点时序变形曲线(图6)。由图6中可观察到当水库蓄水后，6处监测点均产生形变，这与历史变形特征中“蓄水后坡体后缘于2015年10月出现开裂现象。”描述保持一致；同时，在雨季，即日降雨量较大时，时序变形曲线量值发生突变，形变速率较大，说明黄草坪变形体受降雨影响较大；对于HP01 GNSS监测数据，可发现在数据有效区域，GNSS形变趋势与InSAR监测形变趋势保持一致，说明InSAR监测结果有效。根据6个InSAR形变监测点位置、形变量及无人机航拍、现场调查结果综合分析，3#、4#、5#、6# 4个监测点属于同一分区，即主滑坡体；1#、2#属于主滑坡变形诱发的牵引形变；滑坡形成初期，滑坡后缘形变区域(自3#点以下)向下推挤，滑坡下部产生隆起形变(5#)。随着滑坡逐步演化产生整体移动，滑坡整体产生向下的形变。

图5 黄草坪变形体累计卫星视线向变形量Fig.5 Accumulative satellite line-of-sight deformation of Huangcaoping

2.3 地表实时位移监测数据分析

大岗山黄草坪变形体布置的监测设施有GNSS卫星定位、深部位移计、裂缝计等，用于监测边坡的变形情况。其中HP01测点位于变形体后缘外围；HP02～HP04、HP12、HP13测点位于变形体Ⅰ区；HP07、HP08测点位于变形体下游Ⅱ区；HP05、HP06、HP09～HP11测点位于变形体下游Ⅲ区。选取典型监测点重点分析HP02与HP12数据。

HP02测点位于变形体Ⅰ区上部，高程1 503 m，于2017年3月16日起采集初值。HP02是变形体区域内变形量最大的测点，监测数据曲线图7表明，近4年来该测点变形时间主要集中于每年的汛期，且变形以顺坡向和沉降变形为主。2017年6月由于汛期水库排水导致水位骤降，测点进入加速变形阶段，变形时间滞后于水位下降时间，测点顺坡向和竖直向分别以平均56.43、53.59 mm/d变形量持续至11月后进入稳定变形阶段，同样的2018年6月、2019年7月在水位骤降和降雨的影响下，测点顺坡向分别以114.23、5.73 mm/d的变形量，竖直向95.99、4.43 mm/d的变形量进入加速变形阶段，随后在坡体长时间的应力调整下进入稳定变形阶段。2020年8月31日，黄草坪变形体最大日降雨量达到100 mm，测点处的变形进入加速阶段，顺坡向以最大61.7 mm/d速率增大600 mm变形量，竖直向以11.75 mm/d增大470 mm变形量。

图6 黄草坪变形体时序变形曲线Fig.6 Deformation curve of Huangcaoping in time series

图7 HP02顺坡向累计位移过程线Fig.7 HP02 cumulative displacement process line along the slope

HP12测点位于变形体Ⅰ区中下部，高程1 304 m，于2019年6月安装(新增点)并开始采集初值。监测曲线如图8所示，测点变形以顺坡向和沉降变形为主。由于汛期水库排水导致水位骤降和持续降雨的影响，该测点在7月下旬进入中加速变形阶段，顺坡向以1.61 mm/d的变形速率增大，竖直向以0.52 mm/d的速率增大，8月下旬变形体进入匀速变形状态。2020年8月31日，黄草坪变形体最大日降雨量达到100 mm，该测点进入加速变形阶段，顺坡向变形以5.33 mm/d速率增大，竖直向变形以2.67 mm/d速率增大，汛期结束后变形速率显著降低。

IN2～IN5监测曲线如图9所示，曲线形态呈现出倾倒变形的规律特性：曲线由下向上呈现出渐变扩展形态，深部位移曲线整体呈现重叠迂回开口状，由于不同倾倒变形分区界线处弯折带(ZD)岩土体破碎程度的差异性，曲线上变形突变点从下至上程度加大。例如，IN2距孔口高程23 m处变形产生突变，结合钻孔分析将此突变点作为弯折带ZD1，距孔口高程84 m处变形突变点作为弯折带ZD2；IN3距孔口高程40 m处变形产生突变，结合钻孔分析将此突变点作为弯折带ZD1，距孔口高程52 m处变形突变点作为弯折带ZD2。IN2和IN3弯折带位置可初步分析变形体1-1′剖面上的倾倒变形特征。

图8 HP12顺坡向累计位移过程线Fig.8 HP12 cumulative displacement process line along the slope

图9 黄草坪变形体深部位移监测曲线Fig.9 Monitoring curve of deep displacement of Huangcaoping

2.4 多源观测数据综合分析

融合InSAR、现场(无人机)调查以及地面多类型实时监测数据分析，大岗山水电站蓄水前，黄草坪一带岸坡地表未发现有变形破坏迹象，坡体稳定。水库蓄水后，该变形体产生明显变形破坏迹象，2015年10月，坡体后缘于出现开裂现象，此后黄草坪变形体变形逐步加剧，目前的变形迹象主要为后缘下错并发育一条主裂缝，坡体排水沟一侧出现多处垮塌，开裂现象较为严重等。主干裂缝发育于变形体后缘，高程1 600～1 510 m，裂缝走向平行岸坡走向展布，长度约150 m，裂缝宽度10～20 cm。据调查、访问，该裂缝于2015年10月出现，断续延伸，单条裂缝长10～30 m，张开宽5～10 cm，外侧下错0～0.5 m；2016年雨季裂缝规模增大，已基本贯通，长达150 m，下错0.5～1.0 m，小路错断和电杆倾斜明显；2017—2020年雨季下错位移增大，每年裂缝拉开距离1～3 m，目前累计错距超过20 m。地表位移监测(GNSS)数据显示，黄草坪变形体位移变形趋势与库水位和降雨密切相关，在雨季出现变形量大的特点。目前黄草坪倾倒变形体Ⅰ区变形显著，强变形区向大渡河方向运移，后缘临空，牵引着已确定的滑坡体范围后缘产生变形。变形体中、后部平行岸坡的裂缝发育，且前、后缘下错位移量不一致，后缘明显大于前缘，后缘及两侧边界裂缝已经基本贯通，坡体上部出现多条裂缝，在汛期前缘时常伴有垮塌现象。

3 黄草坪变形体成因机制分析

通过地表地质调查，岸坡变形发展过程，以及多源监测成果分析黄草坪变形体形成过程中的主要影响因素包括内因和外因，其中内因是地质因素，包括地形地貌、地层岩性和岩体结构；外因主要是蓄水过程中水位升降的影响和降雨影响。大岗山水电站水库蓄水是诱发黄草坪变形启动的直接因素。

3.1 内因分析

3.1.1 地形地貌

黄草坪变形体发育于大岗山水库的深切河谷中，坡体走向平行于临空方向，其良好的临空条件为倾倒变形的发展提供了有利的地形条件。

3.1.2 地层岩性

黄草坪变形体一带分布有大渡河断裂夹持的白果湾组砂页岩，呈薄-中厚层状，属软岩类。岩体的风化作用明显，坡表风化程度高，浅表呈碎裂松动状，物理力学性状较差。该岩层在长期重力作用下易发生由表向里、由强到弱的倾倒变形。

3.1.3 岩体结构

岩体结构面特征是岸坡变形破坏的基础，岩体结构面使岩体性能呈现不连续和各向异性，是岩体中力学强度相对薄弱的部位，对于岩体的变形破坏和强度特征其控制作用。黄草坪变形体主要发育两组优势结构面，其中平行于坡面与坡体层面垂直相交的结构面其控制作用，在岸坡岩体长期卸荷作用下，主控结构面与倾倒岩层层面相互切割使得坡体结构由表及里破碎程度增大，为岸坡在蓄水和降雨作用下变形破坏提供了基础。

3.2 外因分析

3.2.1 水库蓄水影响

岸坡变形现象的发生与蓄水相关性较明显。水库蓄水之前未见明显的变形拉裂现象，2015年10月在水库水位首次蓄至正常蓄水位1 130 m后，黄草坪坡体出现开裂现象，随后在水库运行过程中岸坡变形持续发展。

该处水库回水深度大于100 m，蓄水淹没了倾倒岩体前缘坡脚，位于水位面下的岩层和结构面力学强度发生“弱化”[18]，且水流渗入裂隙中促进了结构面的贯通，使结构面密集带处岩体发生局部滑塌，为上部岩体的变形提供了空间，同时，坡脚部岩体的变形又会反作用牵引上部的岩体变形，形成“链式”促进作用。因此坡脚部位微小的扰动变形对整个边坡的变形其控制作用，是岸坡变形的敏感部位。

3.2.2 水库运行期库水位下降的影响

根据近几年的监测数据，黄草坪变形体在水库运行期受库水位下降影响显著。变形监测曲线波峰与水位下降历时曲线基本对应，但存在一定滞后，原因是库水位的下降速度远大于库岸坡体的地下水渗流，导致水力梯度过大而引起较大的动水压力与静水压力，加大了滑坡的下滑力，因此浸润线上升、回落与库水位升降速率的滞后效应，不但导致岩土体的容重增加，同时增加动、静水压力，多方面叠加影响，从而导致边坡变形。

3.2.3 降雨影响

在变形体后缘拉裂边界形成后，降雨、农耕用水沿已有地表裂缝入渗，进一步弱化了岩土体的性质，不仅增大了岩体自重，且降低了岩土体的物理力学强度，从而加剧了岸坡的变形。

3.3 形成机制分析

黄草坪变形体一带分布有大渡河断裂夹持的白果湾组砂页岩，呈薄-中厚层状，岩层顺河展布，陡倾坡外，在长期的重力作用下该套岩层发生由表向里、由强到弱的倾倒 变形，浅表为碎裂松动岩体和覆盖层，物理力学性状较差。2015年 10月在水库水位首次蓄至正常蓄水位1 130 m后，淹没了倾倒岩体前缘、大渡河断裂带西支断层(F2)及下部的覆盖层，受蓄水软化和地下水位等影响，浅表碎裂松动岩体和覆盖层发生了变形拉裂；随后 在水库运行过程中岸坡变形持续发展。在变形体后缘拉裂边界形成后，降雨、农耕用水沿已有地表裂缝入渗，进一步弱化了岩土体的性质，降低了岩土体的物理力学强度，加剧了岸坡的变形。 综上，黄草坪变形体是在倾倒变形岩体的基础上，受水库蓄水、降雨、农耕用水等影响形成的蠕滑-拉裂型变形。

4 结论

以大渡河大岗山水电站库区黄草坪变形体为例，综合应用现场调查技术确定历史宏观形变特征、星载时序InSAR技术获取变形体蓄水前与蓄水后地表形变的差异特征、多因素实时专业监测技术细化分析了黄草坪变形体不同部位的变形特征。运用以上技术综合分析了黄草坪变形的时空演化特征，得到了以下结论。

(1)黄草坪倾倒变形体总体呈略向大渡河左岸凹进的负地形，区内出露大渡河断裂东支F1、西支F2，东西支间岩性出露白果湾组砂页岩，东支东侧为晋宁期花岗岩，西支西侧为英云闪长质片麻岩，第四系覆盖层在区内零星分布。根据现场调查的变形体特征，可将黄草坪变形体划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，其中Ⅰ区变形最为强烈。

(2)根据多源监测数据显示：黄草坪倾倒变形体于2015年10月蓄水后开始变形，Ⅰ区变形显著，强变形区向大渡河河道方向运移，后缘临空，牵引着变形影响区产生变形，变形体中、后部平行岸坡的裂缝发育，且前、后缘下错位移量不一致。每年汛期监测点曲线变形速率增大，而汛期后监测点曲线变形速率减小，且库水位下降的历时曲线与变形曲线的波峰基本对应，且地下水相对库水下降呈现滞后性，变形曲线的波峰相对汛期库水位下降的历时曲线也有所延后。

(3)黄草坪变形体的形成可概括为：①岩体卸荷-倾倒变形发展阶段；②垂直层面的张裂隙扩展阶段；③蓄水过程坡前水位抬升，局部裂隙贯通破坏阶段；④水库运行过程中坡体宏观变形破坏阶段。黄草坪变形体是在倾倒变形岩体的基础上，受水库蓄水、降雨、农耕用水等影响形成的蠕滑-拉裂型变形。

通过对水电工程库区滑坡体的研究，分析库岸边坡在库水位升降响应下的时空演化特征，掌握滑坡产生的原因和演变规律，可对类似水电工程地质灾害监测预警和综合防治具有指导意义。