趙 龍 翔,蘇 愛 軍,鄒 宗 興,張 文,郭 兵
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心,湖北 武漢 430074; 2.重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治中心,重慶 401147)
滑坡是中國(guó)重要的地質(zhì)災(zāi)害類型,許多滑坡受降雨影響常常出現(xiàn)“大雨大滑,小雨小滑,無雨不滑”的現(xiàn)象。受全球氣候變化的影響,極端暴雨事件出現(xiàn)次數(shù)日益增多,總結(jié)滑坡變形與降雨等影響因素間的相關(guān)規(guī)律對(duì)滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治具有重大意義[1-3]。林孝松等[4]從頻次、周期變化、歷時(shí)、降雨量及雨型5個(gè)方面分析了降雨與滑坡的耦合作用關(guān)系,提出降雨型滑坡發(fā)生破壞是其內(nèi)在特征和外在因素共同作用的結(jié)果;李濱等[5]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)“14·9”極端暴雨誘發(fā)的特大型滑坡進(jìn)行調(diào)查,分析了不同類型滑坡在短時(shí)強(qiáng)降雨條件下的演化機(jī)制與破壞特征;代貞偉等[6]使用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算出藕塘滑坡的影響因素同位移的灰色關(guān)聯(lián)度,認(rèn)為當(dāng)月降雨量和前兩月降雨量為最主要的影響因素;張永雙等[7]通過室內(nèi)離心機(jī)試驗(yàn)?zāi)M了古滑坡在降雨作用下的復(fù)活演化過程,認(rèn)為裂縫的發(fā)育情況決定了滑坡對(duì)降雨的響應(yīng)程度。對(duì)滑帶土的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果也表明,長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)的滑帶土微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變,力學(xué)強(qiáng)度將大幅度下降[8-11]。
特大型滑坡變形是一復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是了解滑坡穩(wěn)定情況和變形機(jī)制的有效手段[12-14]。本文以三峽庫(kù)區(qū)典型的特大型多級(jí)水庫(kù)滑坡——藕塘滑坡為研究對(duì)象,定性分析滑坡的空間變形特征,結(jié)合日位移專業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、降雨量、庫(kù)水位和地下水位的變化情況,對(duì)滑坡的變形規(guī)律進(jìn)行定量總結(jié)。研究加深了對(duì)多級(jí)復(fù)雜滑坡變形機(jī)制的認(rèn)識(shí),可為此類滑坡的變形機(jī)制和動(dòng)態(tài)預(yù)警方面的研究提供參考。
藕塘滑坡位于重慶市奉節(jié)縣原安坪鎮(zhèn)境內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°17′48″~109°19′04″,北緯30°16′40″~30°17′44″,為特大型多級(jí)順層基巖滑坡,平面形態(tài)呈斜歪“倒立古鐘”狀,前緣高程90~102 m,后緣高程705 m左右?;聟^(qū)域出露的地層由老至新主要包括三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj2)石英砂巖,侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1Z)粉砂質(zhì)泥巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖,侏羅系下統(tǒng)自流井組(J1-2Z)砂巖、黏土巖、粉砂巖夾少量灰色頁(yè)巖和第四系覆蓋層(Q4)?;诨碌目臻g形態(tài)特征和鉆孔實(shí)際揭露情況,將滑坡劃分為二級(jí)滑坡區(qū),滑帶判定為珍珠沖組中的含炭黏土巖(見圖1)。其中一級(jí)滑體沿R5軟弱帶滑動(dòng),二級(jí)滑體沿R3軟弱帶滑動(dòng)。
藕塘滑坡為受水庫(kù)蓄水影響復(fù)活的古滑坡,在長(zhǎng)江河谷演化的過程中發(fā)生過多次滑動(dòng),各級(jí)滑體具有不同的空間形態(tài)特征,見圖2~4。一級(jí)滑體縱長(zhǎng)約880 m,橫寬約1 100 m,面積約 9.0×105m2,前緣位于145.00 m水位線以下,形成廟包-藕塘一線厚約100 m的反翹段,東西兩側(cè)各存在一處淺部變形體,均由黏性土和碎裂巖體組成,沿巖土接觸面滑動(dòng),江邊至高程220 m處為原安坪鎮(zhèn)集鎮(zhèn)區(qū)(已搬遷),坡腳小于10°,地形較平緩,后緣相對(duì)較薄,整體向西微傾,整體形狀似勺狀。二級(jí)滑體縱長(zhǎng)約1 080 m,橫寬約600~800 m,面積約8.57×105m2?;w前緣剪出口高程約285~305 m,形成鵝頸項(xiàng)-雙大田滑坡堆積平臺(tái),以獅子包埡口為頂界,具有典型的雙溝同源地貌,東西兩側(cè)分別以山脊為界。二級(jí)滑體在長(zhǎng)江河谷發(fā)育過程中沿R3軟弱帶發(fā)生過3次大規(guī)模滑動(dòng),由高至低分別形成中大塘臺(tái)地、老祠堂臺(tái)地和鵝頸項(xiàng)臺(tái)地。
圖2 藕塘滑坡全貌照片
藕塘滑坡共布設(shè)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)25個(gè),另有3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(TN01,TN02,TN05)布置于東西兩側(cè)穩(wěn)定山脊上。
本文基于數(shù)據(jù)完整程度和分布位置選取典型的15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析:一級(jí)滑體4個(gè)(MJ01,F(xiàn)JOT02,F(xiàn)JOT03,F(xiàn)JOT05),二級(jí)滑體11個(gè)(FJOT06~FJOT08,F(xiàn)JOT10~FJOT12,ATU01~ATU05)。所選監(jiān)測(cè)點(diǎn)于2017年全部完成自動(dòng)化改造,實(shí)現(xiàn)全天候?qū)I(yè)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布及2017~2020年位移矢量見圖3。
圖3 滑坡區(qū)工程地質(zhì)平面
圖4 藕塘滑坡B-B’工程地質(zhì)剖面
由圖5可知:2014~2020年間,每年滑坡的階躍變形均發(fā)生于降雨集中的5~9月份,進(jìn)入枯水期后滑坡變形明顯趨緩;階躍變形量與當(dāng)年的降雨強(qiáng)度成正比,以二級(jí)滑體的FJOT10監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例,2016年年降雨量為780 mm,年位移量為198 mm,2017年年降雨量為1 643 mm,年位移量越升至422 mm,表明藕塘滑坡出現(xiàn)的變形階躍現(xiàn)象與降雨呈強(qiáng)相關(guān)。每年的庫(kù)水位升降期間滑坡未出現(xiàn)明顯的周期性變形跡象,可知藕塘滑坡的階躍變形同庫(kù)水位升降呈弱相關(guān)。
圖5 2014~2020年累積位移、降雨量、庫(kù)水位變化曲線
一級(jí)滑體2017年的變形曲線如圖6(a)所示。受益于前緣反翹段阻滑,一級(jí)滑體的變形程度最小。滑體前緣集鎮(zhèn)區(qū)(FJOT02)和東側(cè)變形體(FJOT03)經(jīng)工程治理(抗滑樁+片石護(hù)坡)穩(wěn)定性較高,年累積位移量約75 mm;西側(cè)變形區(qū)(MJ01)位于抗滑樁外側(cè),為一級(jí)滑體變形程度最大的區(qū)域,年累積位移量約170 mm;滑體后緣山體(FJOT05)變形較為劇烈,年累積位移量約160 mm。二級(jí)滑體2017年的變形曲線如圖6(b)所示。中大塘臺(tái)地的形成時(shí)間最早,西側(cè)山脊為其提供了側(cè)向摩阻力,在經(jīng)歷多次滑動(dòng)后仍具有較高的勢(shì)能,位于該區(qū)域的FJOT10、FJOT11、ATU01監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均累積位移量最高,分別為422,326,355 mm,變形方向?yàn)镹W12°左右;位于老祠堂和鵝頸項(xiàng)臺(tái)地變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形方向一致,為NE12°左右,變形量后高前低,F(xiàn)JOT12→FJOT06的變形量為264 mm→147 mm;鵝頸項(xiàng)臺(tái)地兩側(cè)坡體監(jiān)測(cè)點(diǎn)ATU03、ATU05的變形最為強(qiáng)烈,年累積位移值分別達(dá)419,413 mm,從地形上看兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于陡坡區(qū),在進(jìn)入枯水期后仍保持較快的蠕變速率,表明監(jiān)測(cè)變形量為淺表局部土體變形與滑坡整體位移的疊加值。
圖6 2017年累積位移與降雨量變化曲線
由上述分析可知,藕塘滑坡由于在歷史上經(jīng)歷過多次滑動(dòng),不同區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致變形量和變形方向均存在差異,一級(jí)滑體雖經(jīng)前期工程治理,但在降雨影響下仍會(huì)出現(xiàn)階躍變形,安全儲(chǔ)備不足;二級(jí)滑體變形量隨高程遞增,處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。
為細(xì)化研究滑坡對(duì)降雨的響應(yīng)特征,取暴雨年——2017年的專業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,該年滑坡區(qū)年降雨量達(dá)1 723 mm,滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)實(shí)施監(jiān)測(cè)以來的最大變形。
由變形曲線和原始數(shù)據(jù)可知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在強(qiáng)降雨事件的影響下均出現(xiàn)了3次典型的階躍變形事件(見圖6)。根據(jù)變形特點(diǎn)將2017年滑坡變形過程劃分為7個(gè)階段:階段①,低速蠕變階段,該階段為1~4月枯水期,無強(qiáng)降雨事件出現(xiàn),最大蠕變速率僅0.13 mm/d;階段②,首次階躍階段,出現(xiàn)于“5·11”強(qiáng)降雨事件后,該日降雨量237.5 mm,最大日位移速率達(dá)3.6 mm/d,持續(xù)時(shí)間約17 d;階段③,快速蠕變階段,該階段滑坡未出現(xiàn)明顯的加速現(xiàn)象,但保持較高的蠕變速度,最大蠕變速率為0.71 mm/d;階段④,二次階躍階段,出現(xiàn)于“7·7”強(qiáng)降雨事件后,該日降雨量為116.0 mm,最大日位移速率達(dá)7.6 mm/d,持續(xù)時(shí)間約23 d;階段⑤,快速蠕變階段,該階段中后期出現(xiàn)的“9·9”強(qiáng)降雨事件(90+99 mm)使蠕變速率明顯增加,降雨前最大蠕變速率為0.53 mm/d,降雨后升至0.96 mm/d;階段⑥,出現(xiàn)于“9·27”強(qiáng)降雨事件后(102.5 mm),誘發(fā)滑坡出現(xiàn)變形幅度最大的階躍事件,最大日位移速率達(dá)18.13 mm/d,持續(xù)時(shí)間約33 d;階段⑦,低速蠕變階段,11~12月份,隨著雨季結(jié)束,最大蠕變速率下降至0.36 mm/d。
滑坡各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)階躍變形階段累積的位移量依次遞增,以變形量最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)FJOT10為例,在②、④、⑥階段產(chǎn)生的位移量分別為25.4,77.1,220.6 mm,依次遞增,與各階段內(nèi)的累積降雨量并非嚴(yán)格的線性關(guān)系。分析認(rèn)為滑坡經(jīng)歷階躍變形后會(huì)產(chǎn)生累積損傷效應(yīng),滑體內(nèi)部的裂縫隨整體變形逐步貫通導(dǎo)致抗滑力下降,整體穩(wěn)定性降低,與此同時(shí)貫通的裂縫會(huì)提高滑坡體的滲透系數(shù),導(dǎo)致滑坡對(duì)降雨事件更加敏感,再次經(jīng)歷較小規(guī)模的降雨事件時(shí)便會(huì)引發(fā)新一輪的階躍變形。西側(cè)變形體MJ01在3個(gè)階躍階段的變形量分別為51.2,40.2,45.2 mm,未隨滑坡主體出現(xiàn)位移量遞增現(xiàn)象,表明該區(qū)域僅出現(xiàn)淺部的土體滑移。階段②、④、⑥的局部放大圖顯示:以局部放大圖(f)為例,滑坡在階躍變形過程中出現(xiàn)了多次加速-減速-加速循環(huán),表明在階躍階段中滑坡的變形趨勢(shì)會(huì)隨降雨動(dòng)態(tài)變化,如降雨停止滑坡逐漸減速進(jìn)入蠕滑階段,若出現(xiàn)降雨則再次轉(zhuǎn)入新的加速周期中;滑坡進(jìn)入階躍加速的時(shí)間點(diǎn)同標(biāo)志暴雨事件存在明顯的滯后時(shí)間,前緣堆積體的滯后時(shí)間較長(zhǎng)(2~7 d),后緣坡體的滯后時(shí)間較短(0~1 d),分析認(rèn)為藕塘滑坡兩級(jí)滑體的空間特征均為前厚后薄,降雨事件發(fā)生后,后緣區(qū)域雨水沿后緣巖體裂隙快速入滲,局部穩(wěn)定性迅速下降,變形滯后時(shí)間較短,階躍幅度較大;滑體前緣區(qū)域雨水沿第四系覆蓋層的孔隙緩慢入滲,因此水位的抬升幅度較小,在受到后緣滑體變形產(chǎn)生的推移作用后才進(jìn)入階躍變形階段,變形滯后時(shí)間較長(zhǎng)。
由上述分析可知:藕塘滑坡的變形速率同降雨密切相關(guān),雨季期間滑坡的蠕變速率明顯大于枯水期;極端暴雨事件會(huì)誘發(fā)滑坡進(jìn)入階躍變形階段,每次階躍變形均可視為對(duì)滑坡體的一次擾動(dòng),多次擾動(dòng)后滑坡失穩(wěn)的概率將大幅提高;階躍變形過程中的降雨事件決定此次階躍事件的變形量與歷時(shí);不同區(qū)域的變形滯后時(shí)間同滑體厚度呈正相關(guān)。
由藕塘滑坡的空間結(jié)構(gòu)可知一級(jí)滑體前緣涉水,為進(jìn)一步了解藕塘滑坡一級(jí)滑體對(duì)庫(kù)水位的響應(yīng)特征,選取位于一級(jí)滑體的FJOT02(前緣)和FJOT05(后緣)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究。為減少降雨對(duì)分析結(jié)果的干擾,提取少雨年(2018年1月至2020年6月)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的5 d位移速率同庫(kù)水位、降雨量等特征參數(shù)進(jìn)行定量分析(見表1和圖7)。
圖7 2018~2020年一級(jí)滑體位移速率隨庫(kù)水位-降雨量變化過程
表1 一級(jí)滑體監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增量及相關(guān)參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)
根據(jù)庫(kù)水位的升降情況可將全年劃分為4個(gè)階段:水位下降期(174.00 m→145.00 m)、水位低位波動(dòng)期(145.00 m?156.00 m)、水位上升期(145.00 m→174.00 m)和水位高位波動(dòng)期(174.00 m?175.00 m)。一級(jí)滑體前緣在水位下降期和水位上升期對(duì)庫(kù)水位變化表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)特征。
水位下降期:A1①、A2(①、②)和A3(①、②)階段,一級(jí)滑體前緣的累積位移量大于或近似于后緣,前緣在水位慢速下降期A2①(-0.1 m/d)與水位快速下降期A2③(-0.29 m/d)的變形量分別為1.00 mm(≈后緣1.33 mm)和5.84 mm(>后緣5.19 mm),表明枯水期一級(jí)滑體變形主要受水庫(kù)水位下降影響,前緣牽動(dòng)后緣產(chǎn)生變形,變形量與水位下降速率正相關(guān);A1(②、③)、A3③階段雖然處于水位下降期,但受雨季降雨影響滑坡整體變形同步增加,后緣對(duì)降雨更敏感,變形的幅度更大,同樣進(jìn)入雨季的A2③階段前緣變形量為5.84 mm(>后緣5.19 mm),該階段降雨強(qiáng)度(255 mm)與A1③(238 mm)和A3③(258.8 mm)相近,但平均日降雨量3.15 mm/d為同期最低( 水位波動(dòng)期:B1①和B2①階段,庫(kù)水位保持在145.00 m附近,前緣的變形速率逐漸回落,后緣的變形速率隨降雨波動(dòng),該區(qū)段變形主要受降雨影響;B1②和B2②階段,庫(kù)水位在(145.00 m?156.00 m)間波動(dòng),前緣在兩個(gè)階段中后期及C1階段前期(151.00 m→161.00 m)和C2①階段(145.00 m→161.00 m)均出現(xiàn)了短暫的負(fù)速率,分析認(rèn)為該現(xiàn)象主要是庫(kù)水位上升江水反向滲入坡體導(dǎo)致的;D1和D2階段庫(kù)水位在174.00 m左右波動(dòng),區(qū)段內(nèi)庫(kù)水位變化幅度和降雨量均較小,滑體后緣變形量大于前緣,表明在不受外界影響因素作用的情況下前緣較穩(wěn)定位移速率接近于0,后緣處于蠕滑狀態(tài)。 水位上升期:C1(151.00 m→174.00 m)和C2②(161.00 m→174.00 m)階段,一級(jí)滑體前緣的累積位移量大于后緣,表明隨著庫(kù)水位上升一級(jí)滑體的變形模式再次轉(zhuǎn)為前緣牽動(dòng)后緣;其中,C1階段的水位上升速率(0.56 m/d)大于C2②階段(0.35 m/d),累積位移量(2.43 mm)卻小于C2②階段(2.56 mm),表明變形與水位上升速率弱相關(guān)。 由上述分析可知,正常情況下的庫(kù)水位變化雖不會(huì)導(dǎo)致一級(jí)滑體出現(xiàn)類似于降雨誘發(fā)的階躍事件,但會(huì)對(duì)滑體前緣的穩(wěn)定性造成一定影響: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),受庫(kù)水位影響一級(jí)滑體前緣的穩(wěn)定性下降,在降雨作用下更容易出現(xiàn)較大變形;在水位上升前期由于水位上升反向滲入坡體,滑體穩(wěn)定性會(huì)小幅度抬升;水位低位波動(dòng)期(145.00 m?156.00 m)滑體變形主要由降雨控制,水位高位波動(dòng)期(174.00 m?175.00 m)變形主要為后緣山體的淺部蠕滑。 根據(jù)上文分析滑坡對(duì)降雨和庫(kù)水位變化的響應(yīng)特征和藕塘滑坡2017年的地下水位變化情況(MZK03布置于一級(jí)滑體集鎮(zhèn)區(qū),MZK05布置于二級(jí)滑體鵝頸項(xiàng)平臺(tái),觀測(cè)間隔為10 d,見圖8),可以認(rèn)為藕塘滑坡的變形機(jī)制包括以下兩點(diǎn)。 圖8 2017年藕塘滑坡地下水位變化曲線 (1) 降雨是滑坡階躍變形的主控因素。降雨會(huì)引起滑坡區(qū)的地下水位出現(xiàn)明顯波動(dòng),2017年每次階躍變形的標(biāo)志暴雨事件出現(xiàn)后,MZK05監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水位快速上漲,最大漲幅近10 m(如A′B′段),水頭差形成指向坡外的滲透壓力、滑體自重上升導(dǎo)致滑體增加的下滑力、滑帶在飽和狀態(tài)下力學(xué)性質(zhì)下降以及地下水位上升引起的浮托力上升使滑體的抗滑力降低,各項(xiàng)不利作用相互疊加誘發(fā)滑坡開始階躍變形。降雨終止后地表水停止入滲,但由于滑帶土的透水性較差(黏土巖,滲透系數(shù)2.4×10-6cm/s),地下水位回落速度緩慢長(zhǎng)期保持高位,當(dāng)再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨時(shí)地下水位將快速升至高位引起新一輪的階躍變形(如C′D′、E′F′段)。 (2) 庫(kù)水位變化影響滑坡的局部穩(wěn)定性。庫(kù)水位變化的影響范圍僅限于一級(jí)滑體前緣:① 水位下降期,地下水位隨庫(kù)水位逐漸下降(如AB段),于坡體內(nèi)外形成水頭差,產(chǎn)生朝向坡外的滲透壓力,導(dǎo)致前緣阻滑段的抗滑力下降,出現(xiàn)降雨時(shí)滑坡中后段的水位快速抬高,水頭差進(jìn)一步增大,此時(shí)更容易誘發(fā)滑坡出現(xiàn)階躍變形。② 水位低位波動(dòng)期,由于庫(kù)水位變化速率較快幅度較小,地下水位未出現(xiàn)明顯波動(dòng),對(duì)穩(wěn)定性的影響有限(如BC段)。③ 水位上升期,145.00 m→161.00 m區(qū)段內(nèi)庫(kù)水位快速上升,滑體前緣在反向滲透壓力的作用下出現(xiàn)小幅度回縮,此時(shí)庫(kù)水位上升對(duì)滑坡穩(wěn)定性有利;161.00 m→175.00 m區(qū)段內(nèi),庫(kù)水位上升速率變慢滲透壓力減小的同時(shí),地下水位上升形成的浮托力導(dǎo)致前緣阻滑段的抗滑力減小再次對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響(如DE段)。 (1) 藕塘滑坡受降雨和庫(kù)水位共同影響,降雨是滑坡變形的主控因素,強(qiáng)降雨事件會(huì)誘發(fā)滑坡整體出現(xiàn)階躍變形,庫(kù)水位升降對(duì)滑坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響較小且范圍僅限于一級(jí)滑體前緣。 (2) 滑坡不同區(qū)域階躍變形的滯后時(shí)間同滑體厚度呈正相關(guān),階躍變形時(shí)的滑坡對(duì)降雨更加敏感,小程度的降雨也可能誘發(fā)滑坡進(jìn)入新的加速周期。對(duì)藕塘滑坡進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí),大暴雨后一段時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)的任何降雨都需要高度警惕。 (3) 庫(kù)水調(diào)節(jié)周期內(nèi),庫(kù)水位下降期(174.00 m→145.00 m)和上升中后期(161.00 m→174.00 m)藕塘滑坡一級(jí)滑體的穩(wěn)定性最差,更容易發(fā)生整體滑動(dòng),在此期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和巡查力度。 (4) 降雨引起滑坡區(qū)域的地下水位變化是滑坡階躍變形的直接原因,藕塘滑坡的防治要點(diǎn)在于快速疏干降雨后滑坡內(nèi)部滯留的入滲雨水,有效降低滑坡區(qū)地下水位的抬升幅度。4 藕塘滑坡變形機(jī)制分析
5 結(jié) 論