譚家河滑坡監測與精細化預警模型研究

陳陸軍 易武 黃曉虎 陳建偉 周紅 何濤

摘要：為研究譚家河滑坡的變形閾值，通過綜合分析降雨、庫水位和GNSS自動監測等數據，針對譚家河滑坡實際情況，建立了譚家河滑坡的5級遞進式分級預警模型。研究結果顯示：①? 滑坡高水位位移變化小，低水位位移變化大；②? 譚家河滑坡位移速率與庫水位速率相關，庫水位下降、位移增加，庫水位上升、位移減小；③? 在庫水位160 m以下、庫水位速率閾值為0.6 m/d、位移速率閾值為0.5 mm/d條件下，滑坡形成“階躍”；④? 在庫水位下降期間以及低庫水位運行期，累計降雨量大于175 mm會對滑坡的變形產生影響，也可形成“階躍”。

關鍵詞：地質災害監測；精細化預警；階躍型滑坡；譚家河滑坡

中圖法分類號：P642.22 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.006

文章編號：1006-0081（2024）02-0034-10

0 引 言

水庫滑坡是水利工程遇到的地質災害之一，近年來相關研究取得了一定成果。在監測預警方面，根據統計發現，在三峽庫區145～175 m水位范圍內的滑坡共1 190多個，其余災害體也均有分布。三峽水庫庫水位在145～175 m間來回漲跌時，庫水位的上升和下降會引起地下水位的周期性波動，進而影響整個庫區內崩滑體的穩定性。殷躍平統計發現，90％以上的邊坡失穩破壞都與水有關，水是造成邊坡失穩的最主要外在因素。鄧茂林等通過分析初步確定木魚包滑坡在水位從175 m下降到170 m左右的過程中，存在明顯的位移加速現象；黃曉虎等確定了木魚包滑坡變形的庫水位閾值為172 m；侯時平、王世梅、黃鵬程、易武、汪標等通過監測數據總結和部分模擬得出庫水位的波動是引起滑坡變形的重要原因；雷德鑫、郭飛等通過監測數據分析和建立預警模型得出三峽庫區八字門滑坡和王家坡滑坡變形的降雨閾值；曹洪洋等結合四川雅安地質災害的區域危險性區劃，選取了該區域231個滑坡中由降雨誘發并有降雨記錄的56個滑坡為樣本，確定了滑坡當前一次持續降雨量和當前一次前期持續降雨量2個參數，以研究滑坡與降雨的關系。還有不少學者對庫區涉水滑坡的庫水位進行了初步分析，但專門把庫水位作為滑坡變形或破壞的閾值研究較少。

自三峽水庫2003年蓄水以來，針對宜昌三峽庫首（秭歸縣、興山縣、夷陵區）超過50處重大危險性滑坡等地質災害持續開展了專業監測預警工作。由于地質災害體結構的獨特復雜性，目前預警的精細化程度明顯不夠。本文結合理論方法和監測結果，分析得出關于水庫型滑坡“階躍”變形的相關閾值，建立閾值模型，有利于對滑坡穩定性狀態的判斷，并有助于推動宜昌地質災害從監測到預警的轉變，為三峽庫區范圍內同類型水庫型滑坡災害預警提供模型示范和理論依據。

1 滑坡基本情況

1.1 滑坡概況

譚家河滑坡處于長江的右岸，與三峽大壩壩址相距56 km，位于湖北省秭歸縣沙鎮溪鎮范家坪村一組，大地坐標：110°30′26.9″E，31°01′53.9″N。

滑坡區處于秭歸向斜和巴東復向斜的交匯處，裂隙主要以層面為主。滑坡發育于侏羅系下統香溪組石英砂巖和粉砂巖組成的順向坡地層中，其位于長江右岸，整體呈圈椅狀地貌（圖1），后部西側邊界有裂縫發育（圖2），后緣至高程432 m山包鞍部，坡面平坦開闊，左右兩側邊界以沖溝為界，前緣臨江，平面形態似葫蘆狀，剖面形態呈階梯狀，坡向340°，近西北向展布，自然坡度30°～45°，坡長約350 m，寬約70～270 m，面積為40萬m，平均厚度50 m，體積約2 200萬m，主滑方向340°。

譚家河滑坡體主要由碎石土組成，土石比為6∶4，其中包括粉質砂巖、砂巖和泥巖等；滑帶主要由粉質黏土和角礫組成，土質含量較高，土石比為 7∶3；滑床則由香溪組石英砂巖和粉砂巖組成，滑坡前緣涉水，在庫水周期性漲跌過程中，受坡體內部動水壓力作用，滑坡穩定性降低，進而發生變形破壞。

1.2 監測網點布設情況

于2016年為滑坡新建了ZGX287、ZGX288、ZGX289、ZGX290等4個GNSS自動監測點，于2016年5月19日開始采集數據；新建3個自動測斜監測孔（QK1、QSK1、QSK2），監測孔巖心樣本見圖3～5，于2016年6月開始采集數據；新建1個下滑力自動監測孔，設備安裝后于2016年8月開始采集數據；2017年4月新建4個地表裂縫監測點、1個雨量站，具體布置見圖6～7。

陳陸軍 等 譚家河滑坡監測與精細化預警模型研究2 監測結果及分析

2.1 地表自動GNSS監測

如圖8所示，從2016～2020年的年位移量變化可以看出，年位移量逐年遞減，但2020年的位移量較2019年有所增加。總體來看，自2017年以來，年位移總體呈現下降趨勢。

通過圖9監測數據分析可知：譚家河滑坡變形的發生主要受庫水位的作用，屬于水庫型滑坡，其中，降雨集中區位移曲線發生相應波動，對滑坡變形起助推作用。譚家河滑坡整體處于蠕動變形階段，且中部和后緣部分變形比前緣部分變形大。以下將以ZGX287為代表進行分析。

從2016年5月19日開始監測，三峽庫水位從每年11月份到次年6月期間，水位從175 m下降到145 m左右，監測曲線出現突躍，滑坡變形變大，與其他時段相比，位移曲線在這段時間均呈現加速趨勢，表現出典型的由庫水位變化引起的“階躍”型的動態變形特性；而在每年7月份到次年11月份期間，庫水位上升，滑坡變形曲線趨于平緩。

2.2 庫水位影響

根據庫水位閾值要求和實際監測數據分析，選取譚家河滑坡2016年11月1日至2017年10月31日和2018年11月1日至2019年10月31日2個水文年進行分析，見圖10～11。

將2016年11月1日至2017年10月31日的第一個水文年階段分為5個階段進行分析，分別是高水位運行期（a～b）、庫水位下降期1（b～c）、庫水位下降期2（c～d）、低水位運行期（d～e）、庫水位上升期（e～f），見圖10。

高水位運行期（2016年11月1日至2016年12月9日）的39 d期間，水位在高于174 m的狀態運行，全自動監測點ZGX287累計位移量為2.7 mm，位移速率為0.1 mm/d。

庫水位下降期1（2016年12月9日至2017年4月30日）期間，從175 m高水位下降至160 m，速率為-0.1 m/d。自動監測點ZGX287在143 d內位移量為38.8 mm，位移速率為0.3 mm/d。這階段的位移速率比高水位運行期明顯增加2～3倍。滑坡變形明顯受到庫水位下降的影響。

庫水位下降期2（2017年4月30日至2017年6月10日）期間，水位從160 m降到145 m，速率為-0.4 m/d，自動監測點ZGX287在42 d累計位移量為27.2 mm，位移速率為0.6 mm/d，位移速率隨著庫水位下降速率的增加而增加。滑坡位移變形受庫水位下降速率的影響明顯。

低水位運行期（2017年6月10日至2017年8月20日）的72 d期間，自動監測點ZGX287位移量為42.3 mm，位移速率為0.6 mm/d，位移較前一階段變形變慢。在7月1～31日，因為7月6～9日的4 d強降雨，庫水位上漲。4 d降雨量分別為4.4 mm、47.2 mm、116.8 mm、32.8 mm，使庫水位突然升到156.8 m；在此之后的7月10～20日這11 d內沒有降雨，庫水位再次下降，位移變化大，位移速率達0.6 mm/d。這是庫水位下降和降雨雙重作用導致。

庫水位上升期（2017年8月20日至2017年10月21日）期間，庫水位由146.6 m上升到175.0 m，庫水位升高28.4 m，庫水上升速率為0.5 m/d。自動監測點ZGX287在這62 d位移量為10.9 mm，位移速率為0.2 mm/d。該階段的位移速率僅為庫水位下降期2階段的1/3。在此期間，8月24日至9月11日的19 d內降雨量為125.0 mm，9月18日至10月19日的32 d內降雨量為310.6 mm，兩次降雨量合計為435.6 mm，庫水位在10月18日達174 m，10月18日滑坡明顯變化，位移為0.8 mm/d。

同理，分析第二個水文年（2018年11月11日至2019年10月31日）可得出相似結論（圖11）。

綜合2個水文年的分析，對比同一個水文年內不同水位運行期速率，見圖12～13。綜合分析2個階段的變形速率，可得以下規律。

（1）譚家河滑坡位移量和庫水位升降呈現強相關性，高水位滑坡位移變化較小，低水位滑坡位移變化較大。

（2）譚家河滑坡位移速率受庫水位升降速率的影響，位移速率隨庫水位下降速率的增加而增加，在160～145 m間到達最大值，進而形成“階躍”；在庫水位上升期間，滑坡位移速率減小。

（3）庫水位上升的水位差形成的水壓力產生了

3 譚家河滑坡預警模型

3.1 閾值分析

根據2016～2020年監測數據，對比庫水位-降雨量、位移速率-庫水位速率如圖14所示。由圖14可看出，有5個時間段的位移速率發生較大波動，對應圖中灰色區域，庫水位下降和降雨量增大引起位移發生明顯變化，故對這5個區間單獨分析，見圖15～19。

（1）2016年5月20日至10月11日。因期間內儀器出現問題，降雨數據缺失。由圖15可得：6月23日至8月31日期間水位抬升，上升速率為1.7 m/d，此時正處于低水位期，出現的水位上升推測是降雨造成的。在9月21日，位移速率達到3.4 mm/d，根據前文規律，在庫水位上升階段位移速率下降，此處卻上升，推測為該階段發生局部強降雨，造成短期位移快速上升。

（2）2017年4月1日至2018年1月3日。由圖16可得，從2017年5月10日至6月11日，庫水位下降速率明顯加快，庫水位速率是-0.4 m/d，累計位移為23.8 mm，位移速率為0.7 mm/d，累計降雨量為162 mm。7月1～28日水位發生漲幅，7月6～9日的4 d累計降雨量為201.2 mm，位移變化較小，最大位移速率為1.2 mm/d。

（3）2018年5月2日至7月20日。由圖17可看出，5月6日至6月6日，水庫處于低水位運行期間，水位下降速率為-0.5 m/d，降雨量累計達到69.2 mm，累計位移為18.5 mm，位移速率是0.6 mm/d；6月18～21日累計降雨量是175 mm，在6月21日當天位移速率最高，為5.9 mm/d。可見在低水位運行期，單日降雨量大于120 mm會對滑坡變形產生較大影響。

（4）2019年3月16日至8月2日。由圖18可看出，3月17日至4月17日處于庫水位下降期間，庫水位下降速率是-0.3 m/d，累計降雨量145.4 mm，這32 d的累計位移為10.3 mm，位移速率為0.3 mm/d；5月14日至6月6日這24 d累計位移10 mm，位移速率為0.4 mm/d，庫水位下降速率是-0.5 m/d，累計降雨量92.6 mm。

（5）2020年4月9日至9月10日。由圖19可看出，4月9～21日屬于水位下降期，庫水位下降速率是-0.4 m/d，累計降雨量115.0 mm，13 d內累計位移3.6 mm，位移速率0.3 mm/d；4月28日至5月14日期間，庫水位下降速率是-0.3 m/d，累計降雨量為37.4 mm，累計位移7.8 mm，位移速率0.5 mm/d；5月21日至6月8日期間，庫水位下降速率-0.4 m/d，累計降雨量140 mm，累計位移5.5 mm，位移速率0.3 mm/d。

綜合分析這5個階躍時間段得到相關信息見表1。

3.2 相關閾值

3.2.1 庫水位閾值

譚家河滑坡發生位移“階躍”的現象主要是由于庫水位下降引起的，即從每年1月份開始，分為3個階段：①? 庫水位以不低于0.4 m/d的速率從175 m下降到160 m；②? 庫水位以不低于0.5 m/d的速率從160 m下降到145 m；③? 水位在低水位 145 m 運行。因此，結合前文分析，選取位移和庫水位變化較為明顯的2020年庫水位下降期進行分析，見圖20。

由圖20可知，庫水位下降期，在庫水位降至160 m之后，庫水位速率約-0.6 m/d，位移變化曲線大于0.5 mm/d的情況會持續20 d左右。此外，結合2018年6月18～21日低水位期間的數據分析，這期間累計降雨量達175 mm，位移速率有波動，呈增加趨勢，說明降雨對滑坡位移起到一定促進作用。綜上分析，-0.6 m/d的庫水位速率為滑坡發生“階躍”的最小值。

3.2.2 位移速率閾值

在2017年5月至2020年5月期間，譚家河滑坡的變形位移曲線出現多次明顯的“階躍”。以天（d）為等時間監測期次，提取滑坡位移變形數據。以相鄰的兩個觀測期次的中心為探索點，構建滑坡位移變形的探索點序列。以探索點為中心建立若干不同次數的結算點，運用最小二乘法求解探索點前、后附近曲線的線性回歸系數。

在T時刻所處的結算點中，首先對T前的n個數據做線性回歸，并求出回歸系數k（T）；同時對T后的n個數據做線性回歸，并求出回歸系數k（T）。

式中：S為T時刻對應的位移監測值。

為精確獲取k（T）、k（T），求出j=2，3，4，…，n對應的k（T）、k（T），k（T）、k（T），k^（4）（T）、k（T），…，k（T）、k（T），并求其加權平均數：

計算結算點T對應的一階差分，記作Δ（T）：

對Δ（T）序列，計算其二階差分，記作Δ（T）：

沿著監測時間T尋找，序列中Δ（T）、Δ（T）出現明顯的正值區間時，其起點即為破壞拐點，同理Δ（T）、Δ（T）出現明顯的負值區間時，其起點即為穩定拐點，兩者之間的區間為滑坡的加速變形區間。在此基礎上，分析位移變形曲線內的破壞拐點至穩定拐點的加速變形區間的位移速率，可以獲取相應的位移速率閾值。

根據上述公式，選取位移曲線在2017～2020年中多次“階躍”情況，計算得到譚家河滑坡的變形速率閾值v為0.5 mm/d。

3.3 預警模型

3.3.1 設計思路

根據譚家河滑坡實際情況，建立的預警模型應當適合滑坡的庫水位升降速率和位移變形特征，能夠提供簡單明了、可靠準確的預警信號，根據滑坡的5級遞進式分級預警模型建立譚家河滑坡的預警模型（表2）。

3.3.2 預警方法

在x-y坐標系中，橫坐標表示庫水位速率、縱坐標表示位移速率，通過兩者關系建立起譚家河滑坡臨界預警線。設每一次預警過程中，監測到的位移速率和庫水位速率對應坐標為（x，y），則點（x，y）經過原點的直線方程為

將庫水位下降速率閾值0.6 m/d作為x坐標軸的點（0，0.6），位移變形速率閾值 0.5 mm/d作為y軸上的點（0.5，0），預警紅色中心線為兩個閾值（0，0.6）、（0.5，0）兩點的連線，這條中心線作為預警滑坡可能發生的臨界線，可以得到預警紅色中心線的方程為

根據公式（7）和（8）可以得到位移速率x和庫水位速率y表示的點（x，y）與坐標原點的連線與預警中心線的交點坐標：

公式（9）中計算所得（x，y）與坐標原點的連線與預警中心線的交點（x，y）是在臨界預警線上的一個坐標值，（x，y）距離原點的距離為

監測的位移速率和庫水位速率（x，y）到坐標原點的距離為

交點（x，y）到原點的距離l與監測的位移速率和庫水位速率（x，y）到坐標原點的距離l的比值設為λ，即

當λ=1時，監測的位移速率和庫水位速率（x，y）就是預警中心線上的點。以臨界預警線為中心，確定風險等級為Ⅲ級的范圍為 0.8≤λ≤1.2。

根據表2中的滑坡預警5級分級，利用線性劃分原則，計算出譚家河滑坡的5級預警線性方程，見表3。

根據表3得出的線性方程，得出譚家河滑坡在庫水位變化下的分級預警示意，見圖21。

4 結 論

（1）譚家河滑坡位移量和庫水位升降呈現強相關性，高水位滑坡位移變化小，低水位滑坡位移變化大。

（2）譚家河滑坡位移量受庫水位升降速率的影響，庫水位下降期間位移量相對上升，庫水位下降速率慢，位移速率增長慢；庫水位下降速率快，位移速率增長快。其中，水位下降至160 m后，速率增加明顯，滑坡變形增大，進而形成“階躍”。庫水位上升期間，滑坡位移速率減小。

（3）譚家河滑坡在庫水位160 m以下時，庫水位閾值為0.6 m/d，位移速率閾值為0.5 mm/d。針對譚家河滑坡實際情況，根據滑坡的5級遞進式分級預警模型建立了譚家河滑坡的預警模型，考慮了位移速率以及庫水位下降速率等相關閾值，能夠提供簡單明了、可靠準確的預警信號。

（4）降雨對譚家河滑坡變形有一定的助推作用。在庫水位下降期間以及低庫水位運行期，累計降雨量大于175 mm會對滑坡的變形產生明顯的影響，也可形成“階躍”。

參考文獻：

［1］ 何滿潮，王旭春，姚愛軍，等.長江三峽庫區巴東黃土坡滑坡敏感因子分析［C］∥三峽庫區地質環境暨第二屆中日地層環境力學國際學術討論會論文集.北京：煤炭工業出版社，1996：50-58.

［2］ 殷躍平，張晨陽，閆慧，等.三峽水庫蓄水運行滑坡滲流穩定和防治設計研究［J］.巖石力學與工程學報，2022，41（4）：649-659.

［3］ 殷躍平，黃波林，李濱，等.三峽庫區消落帶溶蝕巖體劣化指標研究［J］.地質學報，2021，95（8）：2590-2600.

［4］ 鄧茂林，易慶林，韓蓓，等.長江三峽庫區木魚包滑坡地表變形規律分析［J］.巖土力學，2019，40（8）：3145-3152，3166.

［5］ 黃曉虎，雷德鑫，郭飛，等.基于變形監測的運動型滑坡臨災預警系統研究［J］.防災減災工程學報，2019，（5）：802-808.

［6］ 黃曉虎，雷德鑫，夏俊寶，等.降雨誘發滑坡階躍型變形的預測分析及應用［J］.巖土力學，2019，40（9）：3585-3592，3602.

［7］ 黃曉虎，夏俊寶，雷德鑫.一種基于位移監測的“降雨階躍型”滑坡預警系統［J］.中國地質災害與防治學報，2018，29（6）：68-76.

［8］ 侯時平，王水華，閆巍.三峽庫區秭歸縣譚家河滑坡變形原因淺析［J］.資源環境與工程，2018（增1）：69-72.

［9］ 王世梅，劉佳龍，王力，等.三峽水庫庫水位升降對譚家河滑坡影響分析［J］.人民長江，2015，46（8）：83-86.

［10］ 黃鵬程，王鳴，易武，等.庫水作用下譚家河滑坡變形特征分析［J］.水電能源科學，2018，36（8）：113-115.

［11］ 易武，邵薈兆，黃曉虎，等.庫水位變動條件下譚家河滑坡變形閾值分析［J］.三峽大學學報（自然科學版），2023，45（4）：38-44.

［12］ 汪標，易慶林，鄧茂林，等.降雨與庫水作用下譚家河滑坡變形響應規律分析［J］.人民長江，2023，54（4）：141-149.

［13］ 雷德鑫.三峽庫區王家坡滑坡降雨閾值及預警預報研究［D］.宜昌：三峽大學，2019.

［14］ 郭飛，黃曉虎，鄧茂林，等.三峽庫區“階躍”型滑坡變形機理與預警模型［J］.測繪學報，2022，51（10）：2205-2215.

［15］ 曹洪洋，任曉瑩.基于粗糙集理論的區域降雨型滑坡預測預報［J］.水文地質工程地質，2017，44（2）：117-123.

（編輯：高小雲）

Research on monitoring and refined early warning model of Tanjiahe landslideCHEN Lujun，YI Wu，HUANG Xiaohu，CHEN Jianwei，ZHOU Hong，HE Tao

（1.National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River，Yichang 443002，China； 2.Key Laboratory of Geological on Three Gorges Reservoir Area，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract： To study the deformation threshold of Tanjiahe landslide，through the comprehensive analysis of rainfall，reservoir water level and GNSS automatic monitoring data，according to the actual situation of Tanjiahe Landslide，a five-level progressive grading early warning model of Tanjiahe landslide was established. The results showed that： ① The displacement of high water level of landslide changed less，and the displacement of low water level changed greatly. ② The displacement rate of Tanjiahe landslide was related to the rate of reservoir water level.The displacement increased with the decreased of reservoir water level. The displacement decreased with the increased of reservoir water level. ③ When the reservoir water level was below 160 metres，the reservoir water level threshold was 0.6 m/d，and the displacement rate threshold was 0.5 mm/d，the slope formed a step jump. ④ During the decline of reservoir water level and the operation period of low reservoir water level，the cumulative rainfall greater than 175 mm could affect the deformation of the landslide，and it could also form a step jump．

Key words： geological hazard monitoring；refined early warning；step jump landslide；Tanjiahe landslide