三峡库区特大型多级岩质滑坡变形特征研究

2022-12-05赵龙翔，苏爱军，邹宗兴，张文，郭兵

人民长江 2022年11期

赵龙翔，苏爱军，邹宗兴，张文，郭兵

(1.中国地质大学(武汉) 教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北武汉 430074； 2.重庆市地质灾害防治中心，重庆 401147)

0 引言

滑坡是中国重要的地质灾害类型，许多滑坡受降雨影响常常出现“大雨大滑，小雨小滑，无雨不滑”的现象。受全球气候变化的影响，极端暴雨事件出现次数日益增多，总结滑坡变形与降雨等影响因素间的相关规律对滑坡灾害的预测和防治具有重大意义[1-3]。林孝松等[4]从频次、周期变化、历时、降雨量及雨型5个方面分析了降雨与滑坡的耦合作用关系，提出降雨型滑坡发生破坏是其内在特征和外在因素共同作用的结果；李滨等[5]对三峡库区“14·9”极端暴雨诱发的特大型滑坡进行调查，分析了不同类型滑坡在短时强降雨条件下的演化机制与破坏特征；代贞伟等[6]使用灰色关联分析法计算出藕塘滑坡的影响因素同位移的灰色关联度，认为当月降雨量和前两月降雨量为最主要的影响因素；张永双等[7]通过室内离心机试验模拟了古滑坡在降雨作用下的复活演化过程，认为裂缝的发育情况决定了滑坡对降雨的响应程度。对滑带土的室内试验结果也表明，长期处于饱和状态的滑带土微观结构会发生改变，力学强度将大幅度下降[8-11]。

特大型滑坡变形是一复杂的动态过程，分析监测数据是了解滑坡稳定情况和变形机制的有效手段[12-14]。本文以三峡库区典型的特大型多级水库滑坡——藕塘滑坡为研究对象，定性分析滑坡的空间变形特征，结合日位移专业监测数据、降雨量、库水位和地下水位的变化情况，对滑坡的变形规律进行定量总结。研究加深了对多级复杂滑坡变形机制的认识，可为此类滑坡的变形机制和动态预警方面的研究提供参考。

1 藕塘滑坡概况

藕塘滑坡位于重庆市奉节县原安坪镇境内，地理坐标为东经109°17′48″～109°19′04″，北纬30°16′40″～30°17′44″，为特大型多级顺层基岩滑坡，平面形态呈斜歪“倒立古钟”状，前缘高程90～102 m，后缘高程705 m左右。滑坡区域出露的地层由老至新主要包括三叠系上统须家河组(T3xj2)石英砂岩，侏罗系下统珍珠冲组(J1Z)粉砂质泥岩、页岩、泥质粉砂岩，侏罗系下统自流井组(J1-2Z)砂岩、黏土岩、粉砂岩夹少量灰色页岩和第四系覆盖层(Q4)。基于滑坡的空间形态特征和钻孔实际揭露情况，将滑坡划分为二级滑坡区，滑带判定为珍珠冲组中的含炭黏土岩(见图1)。其中一级滑体沿R5软弱带滑动，二级滑体沿R3软弱带滑动。

2 地形地貌与监测方案

藕塘滑坡为受水库蓄水影响复活的古滑坡，在长江河谷演化的过程中发生过多次滑动，各级滑体具有不同的空间形态特征，见图2～4。一级滑体纵长约880 m，横宽约1 100 m，面积约 9.0×105m2，前缘位于145.00 m水位线以下，形成庙包-藕塘一线厚约100 m的反翘段，东西两侧各存在一处浅部变形体，均由黏性土和碎裂岩体组成，沿岩土接触面滑动，江边至高程220 m处为原安坪镇集镇区(已搬迁)，坡脚小于10°，地形较平缓，后缘相对较薄，整体向西微倾，整体形状似勺状。二级滑体纵长约1 080 m，横宽约600～800 m，面积约8.57×105m2。滑体前缘剪出口高程约285～305 m，形成鹅颈项-双大田滑坡堆积平台，以狮子包垭口为顶界，具有典型的双沟同源地貌，东西两侧分别以山脊为界。二级滑体在长江河谷发育过程中沿R3软弱带发生过3次大规模滑动，由高至低分别形成中大塘台地、老祠堂台地和鹅颈项台地。

图2 藕塘滑坡全貌照片

藕塘滑坡共布设GNSS监测点25个，另有3个基准点(TN01，TN02，TN05)布置于东西两侧稳定山脊上。

本文基于数据完整程度和分布位置选取典型的15个监测点进行分析：一级滑体4个(MJ01，FJOT02，FJOT03，FJOT05)，二级滑体11个(FJOT06～FJOT08，FJOT10～FJOT12，ATU01～ATU05)。所选监测点于2017年全部完成自动化改造，实现全天候专业监测，监测点空间分布及2017～2020年位移矢量见图3。

图3 滑坡区工程地质平面

图4 藕塘滑坡B-B’工程地质剖面

3 监测数据分析

由图5可知：2014～2020年间，每年滑坡的阶跃变形均发生于降雨集中的5～9月份，进入枯水期后滑坡变形明显趋缓；阶跃变形量与当年的降雨强度成正比，以二级滑体的FJOT10监测点为例，2016年年降雨量为780 mm，年位移量为198 mm，2017年年降雨量为1 643 mm，年位移量越升至422 mm，表明藕塘滑坡出现的变形阶跃现象与降雨呈强相关。每年的库水位升降期间滑坡未出现明显的周期性变形迹象，可知藕塘滑坡的阶跃变形同库水位升降呈弱相关。

图5 2014～2020年累积位移、降雨量、库水位变化曲线

一级滑体2017年的变形曲线如图6(a)所示。受益于前缘反翘段阻滑，一级滑体的变形程度最小。滑体前缘集镇区(FJOT02)和东侧变形体(FJOT03)经工程治理(抗滑桩+片石护坡)稳定性较高，年累积位移量约75 mm；西侧变形区(MJ01)位于抗滑桩外侧，为一级滑体变形程度最大的区域，年累积位移量约170 mm；滑体后缘山体(FJOT05)变形较为剧烈，年累积位移量约160 mm。二级滑体2017年的变形曲线如图6(b)所示。中大塘台地的形成时间最早，西侧山脊为其提供了侧向摩阻力，在经历多次滑动后仍具有较高的势能，位于该区域的FJOT10、FJOT11、ATU01监测点平均累积位移量最高，分别为422，326，355 mm，变形方向为NW12°左右；位于老祠堂和鹅颈项台地变形监测点的变形方向一致，为NE12°左右，变形量后高前低，FJOT12→FJOT06的变形量为264 mm→147 mm；鹅颈项台地两侧坡体监测点ATU03、ATU05的变形最为强烈，年累积位移值分别达419，413 mm，从地形上看两处监测点布设于陡坡区，在进入枯水期后仍保持较快的蠕变速率，表明监测变形量为浅表局部土体变形与滑坡整体位移的叠加值。

图6 2017年累积位移与降雨量变化曲线

由上述分析可知，藕塘滑坡由于在历史上经历过多次滑动，不同区域的地质结构不同导致变形量和变形方向均存在差异，一级滑体虽经前期工程治理，但在降雨影响下仍会出现阶跃变形，安全储备不足；二级滑体变形量随高程递增，处于欠稳定状态。

3.1 滑坡对降雨的响应特征

为细化研究滑坡对降雨的响应特征，取暴雨年——2017年的专业监测数据为研究对象，该年滑坡区年降雨量达1 723 mm，滑坡各监测点均出现实施监测以来的最大变形。

由变形曲线和原始数据可知各监测点在强降雨事件的影响下均出现了3次典型的阶跃变形事件(见图6)。根据变形特点将2017年滑坡变形过程划分为7个阶段：阶段①，低速蠕变阶段，该阶段为1～4月枯水期，无强降雨事件出现，最大蠕变速率仅0.13 mm/d；阶段②，首次阶跃阶段，出现于“5·11”强降雨事件后，该日降雨量237.5 mm，最大日位移速率达3.6 mm/d，持续时间约17 d；阶段③，快速蠕变阶段，该阶段滑坡未出现明显的加速现象，但保持较高的蠕变速度，最大蠕变速率为0.71 mm/d；阶段④，二次阶跃阶段，出现于“7·7”强降雨事件后，该日降雨量为116.0 mm，最大日位移速率达7.6 mm/d，持续时间约23 d；阶段⑤，快速蠕变阶段，该阶段中后期出现的“9·9”强降雨事件(90+99 mm)使蠕变速率明显增加，降雨前最大蠕变速率为0.53 mm/d，降雨后升至0.96 mm/d；阶段⑥，出现于“9·27”强降雨事件后(102.5 mm)，诱发滑坡出现变形幅度最大的阶跃事件，最大日位移速率达18.13 mm/d，持续时间约33 d；阶段⑦，低速蠕变阶段，11～12月份，随着雨季结束，最大蠕变速率下降至0.36 mm/d。

滑坡各监测点在3个阶跃变形阶段累积的位移量依次递增，以变形量最大的监测点FJOT10为例，在②、④、⑥阶段产生的位移量分别为25.4，77.1，220.6 mm，依次递增，与各阶段内的累积降雨量并非严格的线性关系。分析认为滑坡经历阶跃变形后会产生累积损伤效应，滑体内部的裂缝随整体变形逐步贯通导致抗滑力下降，整体稳定性降低，与此同时贯通的裂缝会提高滑坡体的渗透系数，导致滑坡对降雨事件更加敏感，再次经历较小规模的降雨事件时便会引发新一轮的阶跃变形。西侧变形体MJ01在3个阶跃阶段的变形量分别为51.2，40.2，45.2 mm，未随滑坡主体出现位移量递增现象，表明该区域仅出现浅部的土体滑移。阶段②、④、⑥的局部放大图显示：以局部放大图(f)为例，滑坡在阶跃变形过程中出现了多次加速-减速-加速循环，表明在阶跃阶段中滑坡的变形趋势会随降雨动态变化，如降雨停止滑坡逐渐减速进入蠕滑阶段，若出现降雨则再次转入新的加速周期中；滑坡进入阶跃加速的时间点同标志暴雨事件存在明显的滞后时间，前缘堆积体的滞后时间较长(2～7 d)，后缘坡体的滞后时间较短(0～1 d)，分析认为藕塘滑坡两级滑体的空间特征均为前厚后薄，降雨事件发生后，后缘区域雨水沿后缘岩体裂隙快速入渗，局部稳定性迅速下降，变形滞后时间较短，阶跃幅度较大；滑体前缘区域雨水沿第四系覆盖层的孔隙缓慢入渗，因此水位的抬升幅度较小，在受到后缘滑体变形产生的推移作用后才进入阶跃变形阶段，变形滞后时间较长。

由上述分析可知：藕塘滑坡的变形速率同降雨密切相关，雨季期间滑坡的蠕变速率明显大于枯水期；极端暴雨事件会诱发滑坡进入阶跃变形阶段，每次阶跃变形均可视为对滑坡体的一次扰动，多次扰动后滑坡失稳的概率将大幅提高；阶跃变形过程中的降雨事件决定此次阶跃事件的变形量与历时；不同区域的变形滞后时间同滑体厚度呈正相关。

3.2 滑坡对库水位的响应特征

由藕塘滑坡的空间结构可知一级滑体前缘涉水，为进一步了解藕塘滑坡一级滑体对库水位的响应特征，选取位于一级滑体的FJOT02(前缘)和FJOT05(后缘)监测点进行研究。为减少降雨对分析结果的干扰，提取少雨年(2018年1月至2020年6月)监测点的5 d位移速率同库水位、降雨量等特征参数进行定量分析(见表1和图7)。

图7 2018～2020年一级滑体位移速率随库水位-降雨量变化过程

表1 一级滑体监测点位移增量及相关参数信息统计

根据库水位的升降情况可将全年划分为4个阶段：水位下降期(174.00 m→145.00 m)、水位低位波动期(145.00 m↔156.00 m)、水位上升期(145.00 m→174.00 m)和水位高位波动期(174.00 m↔175.00 m)。一级滑体前缘在水位下降期和水位上升期对库水位变化表现出明显的响应特征。

水位下降期：A1①、A2(①、②)和A3(①、②)阶段，一级滑体前缘的累积位移量大于或近似于后缘，前缘在水位慢速下降期A2①(-0.1 m/d)与水位快速下降期A2③(-0.29 m/d)的变形量分别为1.00 mm(≈后缘1.33 mm)和5.84 mm(>后缘5.19 mm)，表明枯水期一级滑体变形主要受水库水位下降影响，前缘牵动后缘产生变形，变形量与水位下降速率正相关；A1(②、③)、A3③阶段虽然处于水位下降期，但受雨季降雨影响滑坡整体变形同步增加，后缘对降雨更敏感，变形的幅度更大，同样进入雨季的A2③阶段前缘变形量为5.84 mm(>后缘5.19 mm)，该阶段降雨强度(255 mm)与A1③(238 mm)和A3③(258.8 mm)相近，但平均日降雨量3.15 mm/d为同期最低(

水位波动期：B1①和B2①阶段，库水位保持在145.00 m附近，前缘的变形速率逐渐回落，后缘的变形速率随降雨波动，该区段变形主要受降雨影响；B1②和B2②阶段，库水位在(145.00 m↔156.00 m)间波动，前缘在两个阶段中后期及C1阶段前期(151.00 m→161.00 m)和C2①阶段(145.00 m→161.00 m)均出现了短暂的负速率，分析认为该现象主要是库水位上升江水反向渗入坡体导致的；D1和D2阶段库水位在174.00 m左右波动，区段内库水位变化幅度和降雨量均较小，滑体后缘变形量大于前缘，表明在不受外界影响因素作用的情况下前缘较稳定位移速率接近于0，后缘处于蠕滑状态。

水位上升期：C1(151.00 m→174.00 m)和C2②(161.00 m→174.00 m)阶段，一级滑体前缘的累积位移量大于后缘，表明随着库水位上升一级滑体的变形模式再次转为前缘牵动后缘；其中，C1阶段的水位上升速率(0.56 m/d)大于C2②阶段(0.35 m/d)，累积位移量(2.43 mm)却小于C2②阶段(2.56 mm)，表明变形与水位上升速率弱相关。

由上述分析可知，正常情况下的库水位变化虽不会导致一级滑体出现类似于降雨诱发的阶跃事件，但会对滑体前缘的稳定性造成一定影响：水位下降期(174.00 m→145.00 m)和水位上升中后期(161.00 m→174.00 m)，受库水位影响一级滑体前缘的稳定性下降，在降雨作用下更容易出现较大变形；在水位上升前期由于水位上升反向渗入坡体，滑体稳定性会小幅度抬升；水位低位波动期(145.00 m↔156.00 m)滑体变形主要由降雨控制，水位高位波动期(174.00 m↔175.00 m)变形主要为后缘山体的浅部蠕滑。

4 藕塘滑坡变形机制分析

根据上文分析滑坡对降雨和库水位变化的响应特征和藕塘滑坡2017年的地下水位变化情况(MZK03布置于一级滑体集镇区，MZK05布置于二级滑体鹅颈项平台，观测间隔为10 d，见图8)，可以认为藕塘滑坡的变形机制包括以下两点。

图8 2017年藕塘滑坡地下水位变化曲线

(1) 降雨是滑坡阶跃变形的主控因素。降雨会引起滑坡区的地下水位出现明显波动，2017年每次阶跃变形的标志暴雨事件出现后，MZK05监测点的地下水位快速上涨，最大涨幅近10 m(如A′B′段)，水头差形成指向坡外的渗透压力、滑体自重上升导致滑体增加的下滑力、滑带在饱和状态下力学性质下降以及地下水位上升引起的浮托力上升使滑体的抗滑力降低，各项不利作用相互叠加诱发滑坡开始阶跃变形。降雨终止后地表水停止入渗，但由于滑带土的透水性较差(黏土岩，渗透系数2.4×10-6cm/s)，地下水位回落速度缓慢长期保持高位，当再次出现强降雨时地下水位将快速升至高位引起新一轮的阶跃变形(如C′D′、E′F′段)。

(2) 库水位变化影响滑坡的局部稳定性。库水位变化的影响范围仅限于一级滑体前缘：① 水位下降期，地下水位随库水位逐渐下降(如AB段)，于坡体内外形成水头差，产生朝向坡外的渗透压力，导致前缘阻滑段的抗滑力下降，出现降雨时滑坡中后段的水位快速抬高，水头差进一步增大，此时更容易诱发滑坡出现阶跃变形。② 水位低位波动期，由于库水位变化速率较快幅度较小，地下水位未出现明显波动，对稳定性的影响有限(如BC段)。③ 水位上升期，145.00 m→161.00 m区段内库水位快速上升，滑体前缘在反向渗透压力的作用下出现小幅度回缩，此时库水位上升对滑坡稳定性有利；161.00 m→175.00 m区段内，库水位上升速率变慢渗透压力减小的同时，地下水位上升形成的浮托力导致前缘阻滑段的抗滑力减小再次对稳定性产生不利影响(如DE段)。