堆积层滑坡在库水位变动与降雨共同作用下的阈值研究——以墓坪滑坡为例

高晨曦, 石长柏*, 闫 巍, 侯时平, 唐 玄, 安知利, 路永强

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

自三峡库区蓄水以来,在库水位以不同速率周期涨落和不同强度的降雨反复作用下,该库区产生了很多新生的堆积层滑坡,也诱发了古、老堆积层滑坡的复活[1-3]。同时,随着全国自动化监测设备的发展,三峡库区建立起了滑坡等地质灾害监测预警网络,但预警信息普遍虚警率较高。如何建立科学的滑坡预警预报模型,设置合理有效的预警阈值判据,准确为滑坡防范与应急处置提供及时可靠的信息成为当务之急。

目前滑坡预警阈值判据包括位移速率、降雨量及降雨强度、位移加速度、临界库水位下降速率等等[4]。许强等[5]利用改进的切线角,给出了斜坡加速变形阶段的定量划分标准和滑坡临滑预警判据。这一判据得到了广泛应用,但对于三峡库区阶跃型库岸滑坡的适用性不强。黄晓虎等[6]以滑坡“阶跃”变形曲线上的“破坏拐点”和“稳定拐点”确定变形加速区间,以此求解前期降雨、当次降雨以及位移速率阈值。贲琰棋等[7]对滑坡阶跃区段位移与前期降雨指标的相关性进行分析,从而确定了对滑坡稳定性最不利的前期降雨型式下的降雨阈值。左双英等[8]通过运用数值模拟建立三维试验模型,反演临界降雨量,并结合监测数据验证降雨预警阈值的合理性。宋琨等[9]研究在滑体渗透性和库水变动条件下的滑坡稳定性变化规律,其结果对于库区滑坡的监测预警有较强的应用价值。尚敏等[10]运用皮尔逊相关系数法对白家包滑坡变形与库水位、降雨的相关性进行定量计算,进一步明确白家包滑坡变形对库水位波动和降雨的响应程度。张桂荣等[11]利用极限平衡理论确定了不同库水位变化情况下滑坡失稳的临界降雨强度。

前人对库水位变动或降雨强度等单要素的阈值判据做了大量研究,但对于库水位变动及降雨强度两种要素共同作用下的阈值判据研究不够全面[12]。因此,本文在前人的基础上,以堆积层滑坡——墓坪滑坡为例,基于实时监测数据,并结合数值模拟方法,对库水位变动与降雨强度下的阈值进行研究,其成果可以为墓坪滑坡的监测预警预报工作提供依据,对涉水堆积层滑坡监测预警也有一定的借鉴。

1 典型滑坡特征

1.1 墓坪滑坡概况

墓坪滑坡位于湖北省香溪河左岸斜坡中下部,为三峡水库后续地质灾害防治群测群防监测点,行政区划隶属峡口镇白鹤村4组,S312省道从滑坡后缘穿过,交通条件较好。

滑坡主滑方向为270°,前缘为香溪河,后缘以省道S312为界,前缘高程135 m,后缘高程213 m,相对高差78 m。其平面上呈舌形,纵剖面上为凹形,滑体纵长205 m、宽160 m、面积3.28×104m2、平均厚度8 m、总体积约26.24×104m3,为中型土质滑坡。

区内出露侏罗系下—中统聂家山组(J1-2n)中厚—厚层状砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩互层,岩性较坚硬,力学强度较高,地层产状270°∠45°。上覆第四系残坡积堆积物(Qel+dl)碎石土,黄褐色,结构松散—稍密,据推测厚约6～10 m,上下薄、中间厚,土石比3∶7～4∶6,碎石成分以砂岩、泥质粉砂岩为主。

2021年4月在墓坪滑坡体内布设3台全自动GNSS地表位移监测点,其编号分别为GN01、GN02、GN03;在滑坡体外稳定的山体布设1个GNSS基准点(编号JZ1),构成墓坪滑坡GNSS监测网(图1、图2)。

图1 墓坪滑坡监测点布置图Fig.1 Layout of monitoring points for Muping landslide

图2 墓坪滑坡1-1′剖面图Fig.2 Geological cross section 1-1′ of Muping landslide

1.2 墓坪滑坡变形发展过程

墓坪滑坡自2021年5月开始出现地表宏观变形,变形区主要发生在滑坡右后部位置。区域内出现明显的拉张裂缝,随着时间推移裂缝不断扩大,其前后演化对比过程如图3所示。

图3 滑坡全貌与典型地表裂缝特征Fig.3 Landslide panorama and typical surface crack characteristics

2021年5月滑坡右后部出现拉张裂缝,裂缝宽2～3 cm、长约10 m,局部坍滑变形(图3-a);同年8月滑坡右侧出现新的拉张裂缝,裂缝长约3～5 m、张开宽2～5 cm,局部出现坍滑现象(图3-b);2022年3月滑坡右侧中后缘出现多条拉张裂缝,裂缝长5～20 m、宽5～30 cm、可见深5～20 cm(图3-c);同年6月滑坡右侧中后缘裂缝走向170°,延伸方向长约5～20 m、宽25～45 cm、深约40 cm,下座陡坎高15～40 cm(图3-d);同年9月宏观巡查未发现裂缝继续增大迹象(图3-e)。

1.3 墓坪滑坡变形影响因素

为分析墓坪滑坡变形过程与降雨量、库水位变化的响应规律,将2021年5月—2022年12月期间GN01、GN02、GN03监测点地表累积位移、库水位与日降雨量的监测数据绘制成图表,如表1、图4所示。从图表中可以看出,测点GN01的地表位移变形量较大,累积位移达2 504.67 mm,且呈现阶跃变形特征。测点GN01累积位移曲线在2021年5—9月、2022年3—6月期间持续增长,因此,测点GN01变形主要发生在连续降雨与库水位变化期间。故降雨、库水位变化与墓坪滑坡变形之间具有较强的相关性,是导致墓坪滑坡变形的主要因素。

表1 墓坪滑坡GN01监测点地表累积位移、库水位、降雨量统计表Table 1 Statistical table of surface displacement,reservoir water level and rainfall at GN01 monitoring point of Muping landslide

图4 墓坪滑坡地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系Fig.4 The relationship between surface cumulative displacement,reservoir water level,daily rainfall and time of Muping landslide

由墓坪滑坡测点GN01地表位移变形速率与库水位变化速率、日降雨量间的相互关系图(图5)显示,从2021年到2022年、且在2021年5月中旬至2022年3月下旬期间,测点GN01地表位移变形速率超过50 mm/d,该时期伴随着库水位快速下降或强降雨等外界因素影响;在库水位处于平稳运行期或库水位上升期且降雨量较小时,测点GN01地表位移变形速率也相应较小,这说明库水位下降与强降雨对墓坪滑坡变形影响较大[13]。

图5 墓坪滑坡地表位移变形速率—库水位变化速率—日降雨量—时间关系Fig.5 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level fluctuation rate,daily rainfall and time of Muping landslide

以7天时间为区间,选取墓坪滑坡2021年5月—2022年7月期间GN01监测点地表累积位移、库水位与降雨量监测数据绘制成表,如表1所示。由表中第①、③组数据可知,滑坡变形受降雨与库水位下降因素共同影响;由第②、⑧组数据可知,滑坡变形受库水位下降因素影响;由第④、⑦组数据可知,滑坡变形受降雨因素影响;由第⑤、⑦组数据可知,在降雨量基本相同情况下,库水位上升速率越大滑坡变形量越小,即库水位上升对滑坡的稳定性是有利的;由第⑥组数据可知,滑坡仅在库水位快速上升期间较稳定。综上所述:在库水位下降、降雨期间,滑坡变形加剧。形成涉水滑坡的变形特征,与降雨有关,也与库水位快速下降引起异常的动水压力相关,导致滑坡出现阶跃的变形特质,因此,判定墓坪滑坡为“降雨—动水压力型”滑坡。

2 基于监测数据的阈值研究

2.1 变形阶段选取

2021年5月—2022年12月期间,测点GN01的位移变形速率出现5次明显的增大区间,对应累积位移曲线的5次阶跃变形,并对5处阶跃段进行编号,分别为a、b、c、d、e,如图6、图7所示。

图6 墓坪滑坡测点GN01地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.6 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level,daily rainfall and time of Muping landslide measuring point GN01

图7 墓坪滑坡测点GN01地表位移变形速率—库水位变化速率—日降雨量—时间关系曲线Fig.7 The relationship between surface displacement deformation rate,reservoir water level fluctuation rate,daily rainfall and time of Muping landslide measuring point GN01

2.2 降雨、库水位阈值分析

选取2021年5月7—25日墓坪滑坡自动监测点GN01地表累积位移、库水位与日降雨量数据,绘制出滑坡a阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线,如图8所示。分析图像可知,2021年5月10—22日库水位由157.76 m下降至152.35 m,平均下降速率达0.42 m/d;5月11—17日出现连续7日降雨,累积降雨量达45.8 mm,5月15日单日降雨量达到最大,为18.9 mm;而地表累积位移在5月10—22日之间急剧增大,达277.8 mm。

图8 滑坡a阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.8 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide a step section

选取2021年6月2—27日墓坪滑坡自动监测点GN01地表累积位移、库水位与日降雨量数据,绘制出滑坡b阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线,如图9所示。分析图像可知,2021年6月4—23日库水位由148.77 m下降至146.57 m,平均下降速率达0.11 m/d;6月9—19日累积降雨量达57.3 mm,6月19日单日降雨量达到最大,为21.8 mm;而地表累积位移在6月4—23日之间急剧增大,达248.6 mm。

图9 滑坡b阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.9 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide b step section

选取2021年8月9日—9月6日墓坪滑坡自动监测点GN01地表累积位移、库水位与日降雨量数据,绘制出滑坡c阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线,如图10所示。分析图像可知,2021年8月9—31日库水位由146.17 m上升至157.14 m,平均上升速率达0.5 m/d;8月18—27日累积降雨量达89.8 mm,8月26日单日降雨量达到最大,为41.6 mm;而地表累积位移在8月9—25日持续增加、8月26—31日之间急剧增大,达198.5 mm。在2022年9—10月,库水位快速上升期间,测点GN01地表累积位移变形量较小,故c阶跃段地表位移变形主要受降雨的影响。

图10 滑坡c阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.10 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide c step section

选取2022年3月15日—4月2日墓坪滑坡自动监测点GN01地表累积位移、库水位与日降雨量数据,绘制出滑坡d阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线,如图11所示。分析图像可知,2022年3月20—29日库水位由165.28 m上升至165.39 m,平均上升速率达0.012 m/d;3月20—25日累积降雨量达84.6 mm,3月20日单日降雨量达到最大,为45.1 mm;而地表累积位移在3月20—29日之间急剧增大,达256.6 mm。

图11 滑坡d阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.11 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide d step section

选取2022年5月12日—6月8日墓坪滑坡自动监测点GN01地表累积位移、库水位与日降雨量数据,绘制出滑坡e阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线,如图12所示。分析图像可知,2022年5月15日—6月3日库水位由164.04 m下降至147.41 m,平均下降速率达0.83 m/d;5月18—28日累积降雨量达22.3 mm,5月25日单日降雨量达到最大,为8.5 mm;而地表累积位移在5月15日—6月3日之间急剧增大,达520.9 mm。

图12 滑坡e阶跃段地表累积位移—库水位—日降雨量—时间关系曲线Fig.12 The surface cumulative displacement-reservoir water level-daily rainfall-time curve of landslide e step section

将滑坡监测点阶跃变形阶段的位移、降雨量、库水位指标汇总成表,如表2所示。阶段a:4～10 d累积降雨量为45.8 mm,库水位平均下降速率为0.42 m/d,测点GN01地表位移产生较大变形,故该阶段受降雨量与库水位下降的共同影响;阶段b:4～10 d累积降雨量为57.3 mm,库水位平均下降速率较小,为0.11 m/d,测点GN01地表位移产生较大变形,故该阶段主要受降雨量影响,库水位下降速率对滑坡影响较小;阶段c:4～10 d累积降雨量为89.8 mm,库水位平均上升速率为0.48 m/d,测点GN01地表位移变化量较库水位下降期间小;阶段d:4～10 d累积降雨量为84.8 mm,库水位平均上升速率较小,为0.011 m/d,测点GN01地表位移变化量较阶段c大,故在降雨量基本相同的情况下,库水位上升速率越大地表位移变形量越小;阶段e:4～10 d累积降雨量较小,为22.3 mm,库水位平均下降速率为0.83 m/d,测点GN01地表位移产生较大变形,故该阶段主要受库水位下降速率的影响。

表2 滑坡监测点阶跃变形阶段的位移、降雨量、库水位指标统计表Table 2 Statistical table of displacement,rainfall and reservoir water level indicators during the step deformation stage of landslide monitoring points

综上所述,在库水位变化与降雨共同作用下滑坡变形阈值在库水位下降期间如下:①当库水位下降速率介于0.11～<0.42 m/d、4～10 d累积降雨量≥57.3 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形;②当库水位下降速率介于0.42～<0.83 m/d、4～10 d累积降雨量≥45.8 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形;③当库水位下降速率≥0.83 m/d、4～10 d累积降雨量≥22.3 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形。

3 基于数值模拟的阈值研究

3.1 模型建立

基于墓坪滑坡地质资料,以滑坡1-1′剖面作为计算剖面,建立二维有限元网格计算模型(图13),采用Geostudio软件分析滑坡的渗流场、变形场,确定不同工况下滑坡的阈值大小。计算模型长265 m、高225 m,计算域包括滑体、滑带和滑床3个区域[1]。根据附近滑坡的地质勘查资料类比确定墓坪滑坡计算参数值,如表3所示。

表3 墓坪滑坡数值模拟参数Table 3 Numerical simulation parameters of Muping landslide

图13 墓坪滑坡数值模型Fig.13 Numerical model of the Muping landslide

3.2 模拟工况设计

由前文表2分析可知,墓坪滑坡变形阶段主要发生在165 m库水位以下,故设置工况时,库水位变化区间设置在165～145 m之间。库水位变化速率分别设置为1.2、0.8、0.4 m/d。2021—2022年单日最大降雨量为45 mm,以此为依据,将连续3日累积降雨量设置为50、100、150 mm。在库水位下降期间,控制变量,改变降雨量或库水位下降速率,具体工况见表4。

表4 库水位下降阶段降雨量、库水位工况设计Table 4 Design of rainfall and reservoir water level conditions during the drawdown stage of reservoir water level

3.3 计算结果分析

按上述工况进行稳定性模拟分析,结果如图14所示。由图14可知,库水位下降速率及降雨强度均对墓坪滑坡的稳定性有较大的影响。当降雨强度不变时,随着库水位下降速率的增大,墓坪滑坡失稳所需的时间更少,如当降雨强度为连续3 d累积降雨量150 mm不变,库水位以0.4、0.8、1.2 m/d速率下降时,墓坪滑坡稳定系数出现第一个拐点的时间分别为14、9、5 d。当库水位下降速率不变时,随着降雨强度的增大,墓坪滑坡的稳定系数易随之降低,即稳定性降低。综合分析,当库水位下降速率≥0.4 m/d、且连续3 d累积降雨量≥100 mm时,墓坪滑坡易发生变形。

图14 相同库水位变化速率下改变降雨量大小的滑坡曲线Fig.14 Curve of landslide with varying rainfall under the same rate of change of reservoir water level

4 结论

(1) 墓坪滑坡变形主要发生在连续降雨与库水位下降期间。降雨量、库水位下降与墓坪滑坡变形之间具有较强的相关性,是导致墓坪滑坡变形的主要因素。

(2) 通过数据分析在库水位下降期间所得阈值为:①当库水位下降速率介于0.11～<0.42 m/d、4～10 d累积降雨量≥57.3 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形;②当库水位下降速率介于0.42～<0.83 m/d、4～10 d累积降雨量≥45.8 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形;③当库水位下降速率≥0.83 m/d、4～10 d累积降雨量≥22.3 mm时,墓坪滑坡测点GN01处地表位移易发生变形。

(3) 通过数值模拟所得阈值为:当库水位下降速率≥0.4 m/d、且连续3 d累积降雨量≥100 mm时,墓坪滑坡易发生变形。

(4) 本文仅以墓坪滑坡为例,研究结果普适性不强。因此,如何寻找一个普遍适用的阈值判据还需进一步研究。