基于三峽庫區(qū)庫水位和降雨統(tǒng)計分析的八字門滑坡穩(wěn)定性評價

魏 東, 王孔偉, 胡安龍, 靳寶萍, 朱 偉

(1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室, 湖北 宜昌 443002; 2.國家電網(wǎng) 國網(wǎng)甘肅經(jīng)濟技術(shù)研究院， 甘肅 蘭州 730000)

滑坡的形成有內(nèi)力和外力兩方面因素，從地質(zhì)作用來看，三峽庫區(qū)庫岸滑坡變形演化過程及分布與構(gòu)造活動存在一定關(guān)系[1-3]；從外力作用來看，庫水位變化和降雨作用對庫岸滑坡的變形演化有重要影響[4-8]，不同變形階段對應(yīng)不同的主要影響因素和預(yù)測依據(jù)[9-10]。彭令等[11]以八字門滑坡為研究對象發(fā)現(xiàn)庫水位變化和降雨量是導(dǎo)致滑坡季節(jié)性變化的主要因素；明成濤等[12]通過分析滑坡變形速率與庫水位、降雨之間的相關(guān)性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)暴雨或久雨以及首次高水位浸泡是引起曾家棚滑坡變形的主要因素；代貞偉等[13]通過研究三峽庫區(qū)某滑坡變形特征發(fā)現(xiàn)滑坡的變形與庫水位下降及集中降雨有明顯關(guān)系。對三峽庫區(qū)滑坡變形影響因素的分析，學(xué)者們主要采用通過以典型滑坡為研究對象進行定性分析[11-15]，而使用定量計算的方法分析滑坡主要變形因素的研究卻很少[16]。

本文擬以三峽庫區(qū)八字門滑坡為研究對象，利用滑坡的監(jiān)測資料對八字門滑坡的變形進行定性的分析，然后在對庫區(qū)水位及降雨定量分析的基礎(chǔ)上確定20種工況，采用Geo-Studio計算八字門滑坡的穩(wěn)定性，分析庫水位及降雨對八字門滑坡的影響，為八字門滑坡的穩(wěn)定性作出評價。

1 八字門滑坡基本情況

八字門滑坡位于三峽庫區(qū)湖北省秭歸縣歸州鎮(zhèn)，長江北岸支流香溪河右岸河口處。三峽水庫已淹沒滑坡體前緣55～156 m段。地理坐標(biāo)為110°45′30″N，30°58′16″E。岸坡呈南北走向，滑坡體呈撮箕狀展布于岸坡坡腳，巖層產(chǎn)狀為傾向292°∠29°,分布高程139～280 m，向東傾斜，滑體地面坡度10°～30°,呈階梯狀起伏?；麦w長380 m，寬100～500 m，厚10～35 m，體積約2.00×106。

2 八字門滑坡變形特征分析

八字門滑坡體上現(xiàn)有ZG110，ZG111，GSC1，GSC2，GSC3，GSC4，GSC5，GSC7，GSC8，GSC9等10個GPS監(jiān)測點，其中ZG110，ZG111為2003年開始監(jiān)測，其余的監(jiān)測點從2013年9月才開始監(jiān)測。本文在收集2007年1月到2014年12月八字門滑坡監(jiān)測資料、庫水位和降雨數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，作出八字門滑坡累積位移—月降雨量—庫水位關(guān)系曲線(圖1—2)。

由圖1—2可知: ①八字門滑坡10個GPS監(jiān)測點累積位移監(jiān)測曲線均為階梯形狀和隨著時間呈增長趨勢； ②滑坡監(jiān)測點的位移具有同步性,每年5—7月滑坡GPS監(jiān)測點快速變形，其中2009年5—7月，2012年5—7月變形最為劇烈。每年8月到第2年的4月監(jiān)測點緩慢變形。 ③降雨和庫水位變化對滑坡監(jiān)測點的位移存在影響。

圖1 八字門滑坡累積位移-月降雨量-庫水位關(guān)系曲線1

(1) 庫水位對八字門滑坡變形影響。三峽庫區(qū)庫水位每年均經(jīng)歷不同水位漲落，與各監(jiān)測點累積位移和月位移變化過程有很好的對應(yīng)關(guān)系。庫水位上漲及平穩(wěn)水位運行階段并未引起八字門滑坡明顯位移變化；而當(dāng)庫水位下降過程，則對滑坡位移變形影響很大，每次庫水位下降均會導(dǎo)致滑坡累積位移上揚和月位移出現(xiàn)尖三角形。2006—2014年庫水位經(jīng)歷了9次下降過程，累積位移變形曲線對應(yīng)出現(xiàn)了9級臺階。

圖2 八字門滑坡累積位移-月降雨量-庫水位關(guān)系曲線2

(2) 大氣降雨對八字門滑坡變形的影響。三峽庫區(qū)降雨有明顯季節(jié)性，而降雨量集中的時段，都是各監(jiān)測點位移變形出現(xiàn)明顯階躍的時段，具體為：每年10月至次年3月，為降雨量較少的旱季，此階段滑坡不出現(xiàn)明顯位移變形；而當(dāng)每年4—10月，庫區(qū)進入汛期，降雨集中，此時滑坡開始有明顯位移變形，尤其是6月和7月多發(fā)生100 mm以上的暴雨，這時段的滑坡位移變形往往更加明顯。這說明集中降雨對滑坡的變形同樣會產(chǎn)生重要影響。

3 滑坡穩(wěn)定性分析

3.1 荷載工況

3.1.1 庫水位分析 利用Origin做出2006—2014年三峽庫區(qū)水位變化曲線(圖3)，由圖3可以看出三峽庫區(qū)水位呈周期性變化。2006年庫水位蓄水至156 m，2008年試驗蓄水至172.8 m。2010年首次蓄水至175 m之后，壩前水位在145～175 m波動。根據(jù)三峽庫區(qū)水位變化規(guī)律將2006—2014年劃分為3個階段：第1階段為156 m蓄水階段(2006—2007年)，第2階段為三峽庫區(qū)175 m試驗性蓄水階段(2008—2009年)，第3階段為三峽庫區(qū)175 m蓄水階段(2010—2014年)。

統(tǒng)計2006—2014年庫水位變化速率，上升的最大速率為5.6 m/d，下降的最大速率為4 m/d，主要速率處于[0，0.4 m/d)區(qū)間上。統(tǒng)計得出庫水位變化變化速率在[-1.2，1.2 m/d)區(qū)間的概率為0.967 8>0.95。因此進行邊坡穩(wěn)定性計算時三峽庫區(qū)水位速率模擬值控制在[-1.2，1.2 m/d)比較合理。

圖3 2006-2014年三峽庫區(qū)水位變化

3.1.2 庫水位工況的確定 由于未來三峽庫區(qū)水位變化主要為第3階段175 m蓄水階段，利用MATLAB軟件統(tǒng)計出2010—2014年三峽庫區(qū)水位變化的6個相關(guān)指標(biāo)如表1所示。由表1可知，從2010—2014年，每年水位變化的時間基本穩(wěn)定在300 d左右，水位總變化幅度在105～137.6 mm。由于2013年水位變化總幅度最大，2014年水位變化總幅度較小。因此將2013和2014年庫水位變化作為2個基準(zhǔn)工況。

表1 2010-2014年三峽庫區(qū)水位變化相關(guān)指標(biāo)

由圖4分析可知2010—2014年每年庫水位變化都可以大致分為6個階段，每個階段都呈線性變化。故利用如下公式對每個階段的庫水位進行線性擬合分析。

圖4 2010-2014年三峽庫區(qū)庫水位分段線性擬合

(1)

式中：yij——第i年j階段庫水位(m)；xij——第i年j階段時間(d)；aij——第i年j階段斜率；bij——第i年j階段截距。

利用MATLAB對2010—2014年每年每個階段的庫水位進行線性擬合進行求解分析，可以得出2010—2014每年庫水位分段線性擬合結(jié)果如圖4所示。

利用如下公式求出三峽庫區(qū)庫水位變化的平均工況。

yk=ck*xk+dk

(2)

式中：yk——第k階段平均庫水位(m)；xk——第k階段時間(d)；ck——第k階段斜率；dk——第k階段截距。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，求解出平均庫水位相關(guān)數(shù)據(jù)。并做出三峽庫區(qū)庫水位變化平均工況結(jié)果如圖5所示。

圖5 三峽庫區(qū)庫水位變化平均工況

3.1.3 三峽庫區(qū)降雨工況確定 利用概率統(tǒng)計分方法對三峽庫區(qū)2006—2014年降雨劃15個區(qū)間進行統(tǒng)計分析，得到三峽庫區(qū)降雨概率統(tǒng)計如表2所示。

由表2可知，2006—2014年三峽庫區(qū)日降雨量為0～150 mm/d，因此本文確定的降雨工況為50，100，150 mm/d。

3.1.4 計算工況的確定 根據(jù)前期研究確定了3種庫水位基準(zhǔn)工況和3種降雨工況，組合庫水位和降雨這2種工況可以確定出20種計算工況如表3。

3.2 滑坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

3.2.1 模型建立及參數(shù)選取 根據(jù)滑坡的結(jié)構(gòu)特征，本文利用Geo-Studio建立模型。模型中參數(shù)選取主要是依據(jù)滑坡勘察報告中已有的巖土力學(xué)參數(shù)、滲透試驗及附近滑坡相似巖土體的參數(shù)，通過工程地質(zhì)類比及地質(zhì)分析法予以適當(dāng)修正后確定(如表4所示)。

表2 三峽庫區(qū)降雨統(tǒng)計分析

表3 三峽庫區(qū)滑坡數(shù)值模擬計算工況

表4 滑坡巖土體力學(xué)參數(shù)

3.2.2 模擬結(jié)果及分析 根據(jù)上述選取的參數(shù)及建立的模型，可以通過Geo-Studio計算出上述20種工況的最小安全系數(shù)(表5)。并作出工況4一年365 d安全系數(shù)和庫水位對比分析(圖6)。

表5 八字門滑坡不同組合工況下的最小穩(wěn)定系數(shù)m

圖6 工況4穩(wěn)定分析

由表5可知，20種工況下八字門滑坡穩(wěn)定系數(shù)大于1，說明八字門滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，但累積位移分析表明八字門滑坡存在局部不穩(wěn)定。綜上所述可知，八字門滑坡局部存在不穩(wěn)定性，但整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

分別比對庫水工況和降雨工況下的穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)庫水工況不變降雨工況發(fā)生變化時，最小穩(wěn)定系數(shù)變化相對較小。當(dāng)降雨工況不變庫水工況發(fā)生變化時，最小穩(wěn)定系數(shù)在庫水位穩(wěn)定在175水位、庫水位穩(wěn)定在145水位、2014年庫水位波動、平均庫水位、2013年庫水位波動5種工況下依次減小。結(jié)果表明，降雨和庫區(qū)水位對八字門滑坡穩(wěn)定性存在影響，庫區(qū)水位對八字門滑坡穩(wěn)定性的影響較大，庫區(qū)水位變化幅度越大，八字門滑坡穩(wěn)定性就越差。

由圖6可知，當(dāng)庫水下降時八字門滑坡的安全系數(shù)變小，當(dāng)庫水位上升時八字門滑坡的安全系數(shù)變大。因此，可以說明庫水位的變化與八字門滑坡的安全系數(shù)變化具有同步性。

4 結(jié) 論

(1) 八字門滑坡累積位移監(jiān)測曲線階梯形狀并隨著時間呈增長趨勢，其中監(jiān)測點的位移具有同步性，每年5—7月滑坡監(jiān)測點快速變形，每年8月到第2年的監(jiān)測點緩慢變形。

(2) 每次庫水位下降均會導(dǎo)致八字門滑坡累積位移上揚。2006—2014年庫水位經(jīng)歷了9次下降過程，而相應(yīng)的累積位移變形曲線對應(yīng)出現(xiàn)了9級臺階。

(3) 八字門滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。降雨和庫區(qū)水位對八字門滑坡穩(wěn)定性存在影響，庫區(qū)水位對八字門滑坡穩(wěn)定性的影響較大，庫區(qū)水位變化幅度越大，八字門滑坡穩(wěn)定性就越差。

(4) 當(dāng)庫水下降時八字門滑坡的安全系數(shù)變小，當(dāng)庫水位上升時八字門滑坡的安全系數(shù)變大,因此庫水位的變化與八字門滑坡的安全系數(shù)變化具有同步性。