三舟溪滑坡在非汛期增加庫水位下降速率對其穩定性的影響

劉慶麗，殷坤龍，劉 磊

三舟溪滑坡在非汛期增加庫水位下降速率對其穩定性的影響

劉慶麗，殷坤龍，劉 磊

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

以三舟溪滑坡為例，在前期有比較完整監測資料的基礎上，分析滑坡變形破壞的歷史資料，研究滑坡活動與庫水位變化、降雨、地下水的響應關系；考慮滑坡的實際水力邊界，根據滑坡地下水監測數據及滑坡前緣發生的次級滑動，對滑坡巖土體水力學參數和抗剪強度參數進行反演分析；基于反演分析，評價三舟溪滑坡穩定性現狀，并預測在非汛期增加庫水位下降速率條件下滑坡的穩定性，分析論證滑坡在非汛期增加庫水位下降速率的可行性，為調整消落期庫水位下降速率閾值提供科學依據。結果表明：三舟溪滑坡為動水壓力與暴雨混合型滑坡，庫水位變化控制著滑坡體穩定性走勢，降雨則導致滑坡穩定性發生波動性變化；三舟溪滑坡目前處于潛在不穩定狀態，非汛期增加庫水位下降速率對滑坡穩定性影響不大，預測非汛期增大庫水位日降幅條件下，滑坡整體仍為潛在不穩定。關鍵詞：三舟溪滑坡；非汛期；庫水位下降速率；穩定性評價

根據國內外已建水庫的庫岸滑坡資料，水庫蓄水后的前幾年是庫區老滑坡復活和新生滑坡產生的主要時期[1]。自2003年三峽水庫蓄水以來，在庫水位升降和降雨的影響下，滑坡變形呈現波動性特點。中國長江三峽集團公司通過近七年以來對非汛期庫水位下降速率(0.6 m/d)的嚴格控制，使得庫區內涉水滑坡多年來以小變形的形式進行了應力調整，繼而在不同程度上增加了滑坡對庫水位降幅增加的承受能力。考慮到增加發電效益，提高水庫的調蓄能力,中國長江三峽集團公司提出可否利用滑坡現有的安全儲備，在確保其穩定的情況下組織論證滑坡在非汛期增大庫水位下降速率的可行性，解決三峽水庫運行調度存在的瓶頸問題。

目前學者們針對庫水聯合降雨作用下滑坡穩定性研究已開展了大量的工作。研究認為降雨和庫水對庫岸滑坡穩定性的影響是一個多因素耦合的過程，如雨水、庫水與滑坡巖土體相互作用效應問題[2]、降雨引起坡面徑流與坡體滲流的耦合問題[3]、滲流場與應力場的耦合問題[4]等。

本文以三舟溪滑坡為研究對象，利用地下水監測數據反演分析滑坡體水力學參數，解決了巖土體水力學參數難以取值的問題，并對其力學模型進行了優化，在此基礎上評價該滑坡在非汛期增加庫水位下降速率(期望值為0.8～1.2 m/d)的條件下的穩定性，為調整消落期庫水位下降速率閾值提供科學技術依據。

1 三舟溪滑坡基本特征

1.1 滑坡地形地貌及空間形態

三舟溪滑坡位于重慶市萬州區五橋至新田鎮移民公路北側，處于長江右岸岸坡地帶，所在斜坡單元位于萬州復向斜南東翼，屬侵蝕堆積低山丘陵地貌。斜坡地勢東高西低，地形上陡下緩，坡向為245°，下伏基巖巖層產狀為340°∠3°，為順向斜坡。

滑坡體平面形態呈箕形，長320 m，寬360 m，中部較厚，前后緣及滑體兩側相對較薄，平均厚度為10 m，面積為13.7萬m2，體積約1 35.6萬m3，見圖1；滑坡體剖面形態呈直線形，略有起伏，坡度為15°～24°；滑坡兩側以季節性沖溝為界，前緣剪出口南高北低，高程范圍為145～170 m，后緣以基巖陡崖為界，見圖2。

圖1 三舟溪滑坡監測布置平面圖Fig.1 Layout of the monitoring system of Sanzhouxi landslide

圖2 三舟溪滑坡工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of Sanzhouxi landslide

1.2 滑坡物質組成及結構特征

滑坡體物質結構松散，由第四系殘積、坡積成因的粉質黏土夾碎塊石組成，土石比為8∶2～7∶3，粉質黏土呈黃褐色，可塑狀，碎石粒徑為0.2～3.3 cm，塊石常見塊度小于5 cm，大者可達直徑1 m以上。滑坡主滑面為松散堆積體與下伏基巖接觸面，滑面粗糙[5]；次級滑動面由前緣開挖導致，滑面上可見明顯擦痕、鏡面，擦痕方向為245°，見圖3。滑坡滑帶物質以粉質黏土為主，含少量砂巖、泥巖碎屑，結構松散，遇水易軟化，滑床為侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)砂巖、泥巖互層，巖層產狀為340°∠3°，見圖2。

圖3 次級滑動面Fig.3 Secondary landslide

1.3 滑坡體地下水動態變化特征

滑坡體地下水以松散層孔隙水為主，受到大氣降雨與庫水位調度的雙重影響產生波動。庫水位于高水位175 m時，水文孔STK-1穩定地下水位埋深為1 m，水文孔STK-2穩定地下水位埋深為1.7 m；而庫水位于低水位145 m時，水文孔STK-1穩定地下水位埋深為3.9 m，水文孔STK-2穩定地下水位埋深為4.1 m。滑坡體約1/3體積處于地下水位變動帶范圍內。

根據水文孔STK-1、STK-2地下水位監測數據，分析了地下水位變化與降雨和庫水位的響應關系，詳見圖4和圖5。由圖4和圖5可見：①水文孔STK-1與水文孔STK-2地下水位變化趨勢一致，對降雨非常敏感，與庫水位變化的相關性并不明顯；②據水文孔STK-1地下水位監測數據，庫水位在高水位175 m運行時，計算地下水浸潤線水力坡度角為7.4°;③2014年12月底至2015年3月初期間基本無降雨，庫水位由174 m降至162 m時，相應的水文孔STK-1地下水位由176.5 m降至175 m，水文孔STK-2地下水位由191.9 m降至189.8 m;④降雨對地下水影響強烈，但雨后持續高水位的效果會迅速減弱，地下水高水位的保持時間較短，如2013年5月25日降雨量達到115 mm時，水文孔STK-1地下水位由175.1 m升至176.7 m，水文孔STK-2地下水位由191.9 m升至192.9 m，此時庫水位以0.5 m/d的速率下降，降雨停止后，兩水文孔地下水位下降速率為0.2 m/d;⑤降雨期間，在野外應用電導線測法校核地下水位，證實一定量的降雨確實能導致監測孔內地下水位突變。分析認為此時監測孔為集水孔，監測孔內地下水位為非穩定水位，并不能代表整個滑坡體內的地下水位動態變化，因此該滑坡地下水位的長期變化趨勢仍然隨著庫水位的變化而變化，而降雨則導致地下水位波動性變化。

圖4 水文孔STK-1地下水位與庫水位和降雨的 響應關系曲線Fig.4 Response curves of the groundwater level at hydrological hole STK-1 to the reservoir level and the precipitation

圖5 水文孔STK-2地下水位與庫水位和降雨的響應 關系曲線Fig.5 Response curves of the groundwater level at hydrological hole STK-2 to the reservoir level and the precipitation

1.4 滑坡變形特征

三舟溪滑坡自1992年4月開始后部出現地表裂縫，長100 m，此后變形呈增多、加劇的趨勢。2003年6月，庫水位由69 m漲到132 m，中部地表出現拉張裂縫及下錯現象。鑒于滑坡明顯的宏觀變形特征和對三峽庫區長江航運造成威脅的可能性，該滑坡被列為庫區三期專業監測點，并于2006年埋設GPS監測設備。其中，WZ03監測點于2007年5月基座錯斷，裂縫寬5 cm，2010年6月裂縫擴大至20 cm，基座完全斷開。同時，滑坡后緣五橋-新田公路局部開裂和下沉，滑坡中前部和右側多處發育地裂縫和錯落陡坎，堰塘圍堰出現開裂變形和漏水現象。

2012年，本課題組對三舟溪滑坡地表裂縫展開全面調查，其監測布置見圖1。地表裂縫主要發育在滑坡中前部，共計9條，寬度1～12 cm，深度6～27 cm。9條裂縫中，6條呈直線形、平行排列，長度50～120 m，走向為330°～350°，近垂直于滑坡主滑方向，以拉張破壞為主；另外3條呈弧形，由滑坡右側向滑坡左側裂縫走向由340°逐漸轉變為245°并向滑坡前緣延伸，與滑坡主滑方向趨于一致，裂縫有進一步變形拉裂、延展的趨勢[5]。2014年7月，滑坡體前緣興建碼頭，引發次級滑坡，次級滑坡體高程范圍為165～177 m。三舟溪滑坡變形跡象明顯，綜合滑坡宏觀變形現象和歷史，該滑坡處于蠕滑變形狀態，具有潛在不穩定性。

圖6和圖7為2007—2014年三舟溪滑坡各GPS監測點水平累計位移變化與月降雨量和庫水位的響應關系曲線。由圖6和圖7可見，前緣WZ03監測點水平累計位移增加明顯，具明顯的階梯狀特征，中部和后部各GPS監測點水平累積位移呈現緩慢增長的趨勢，且WZ03監測點水平累計位移階躍性變化均伴隨大于100 mm的月降雨量，說明降雨對監測點的位移具有促進作用；滑坡變形與庫水位的相關關系復雜，水平累計位移在2007—2009年階躍性變化出現在庫水位下降至平穩期，其余水平累計位移階躍性變化出現在庫水位上升期，可見滑坡位移的變化對庫水位波動響應具有一定的滯后性。

圖6 各GPS監測點的水平累計位移曲線Fig.6 Curves of horizontal cumulative displacement at GPS monitoring sites

圖7 WZ03監測點水平累計位移與庫水位和降雨的 響應關系曲線Fig.7 Response curves of the horizontal cumulative displacement at site WZ03 to the reservoir level and the precipitation

2 三舟溪滑坡模型建立及優化

2.1 模型建立

本文探究庫水位波動聯合降雨作用下，三舟溪滑坡在非汛期增加庫水位下降速率的可行性。三舟溪滑坡主滑方向為245°，前緣剪出口南高北低，高程范圍為145～170 m，滑坡體前緣位于三峽水庫蓄水位以下，受到水庫蓄水的影響。因此，本次選取圖1中Ⅰ-Ⅰ′剖面作為計算剖面,滲流模型邊界條件為：滑坡體前緣的水頭邊界根據庫水位確定，坡體表面為降雨入滲邊界，基巖面為隔水零流量邊界[6]。

2.2 模型優化

2.2.1 滲流模型的優化

在上述滲流模型建立的基礎上，為使模型模擬所得結果與實際相符，需利用實際水文監測數據反演滑坡巖土體水力學參數，進而優化滲流模型。因此，滲流模型的優化過程實際是滑坡巖土體水力學參數的反演過程[7]。

本文采用GeoStudio軟件對滑坡進行滲流場模擬，當滑坡巖土體處于非飽和狀態時，視滑坡巖土體滲透系數和體積含水量為坡體孔隙水壓力的函數，采用Van Genuchten經驗曲線和飽和狀態時的參數來確定各計算參數。

由于反演涉及的參數眾多，且各參數與孔隙水壓力間關系復雜，尚無成熟函數關系表達式，因此本文采用灰色關聯進行滑坡巖土體水力學參數反演。首先通過比較實際監測曲線與模擬曲線兩者的相關性來分析滑坡巖土體各參數的敏感性；然后依據參數敏感性大小順序調整各參數；最后綜合對比得出與實際監測曲線最吻合的滑坡巖土體水力學參數組合。三舟溪滑坡巖土體各水力學參數的確定過程如下：

(1) 飽和體積含水率的確定

滑坡巖土體飽和體積含水率的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

上式中：Gs為土粒的相對密度；ρs為土粒的密度(g/cm3);ρw為4℃時蒸餾水的密度(g/cm3)；e為孔隙比；γ′為土的浮重度(kN/m3);mw為土中水質量(g);γw為4℃時水的重度(kN/m3);Vw為土中水體積(m3);Vv為土中孔隙體積(m3);V為土的總體積(m3);ms為土粒質量(g);Vs為土粒體積(m3);w為土的飽和質量含水率；ρd為土的干密度(g/cm3)；θw為土的飽和體積含水率。

根據上述公式計算得到三舟溪滑坡巖土體飽和體積含水率為0.4。

(2) 飽和滲透系數的確定

三舟溪滑坡巖土體滲透系數選取非汛期期間2014-01-01至2014-03-10進行反演，期間基本無降雨，庫水位由173.43 m降至162.39 m。滲流場模擬以水文監測得到的穩定地下水位為初始地下水位，庫水位為173.43 m時,水文孔STK-1初始穩定地下水位高程為175.6 m，水文孔STK-2為191.57 m。滑坡巖土體飽和滲透系數反演過程的模型邊界條件為滑坡體前緣水頭邊界根據庫水位確定，173.43 m往下均為庫水位變水頭邊界，基巖面為隔水零流量邊界。

水文孔STK-1與STK-2的地下水位變化趨勢基本一致，但位于滑坡前緣的水文孔STK-1，由于接受來自更高高程處的坡面匯流，降雨期間地表水入滲量較大，導致地下水位波動也隨之較大，影響因素更為復雜,因此本文選取水文孔STK-2地下水位監測數據反演飽和滲透系數和降雨入滲系數。

三舟溪滑坡滑體物質為粉質黏土夾碎塊石，局部具孔隙結構，塊石分布不均，模擬過程假定坡體物質為均質體，不斷調整坡體物質飽和滲透系數，反演出能夠代表整個坡體的飽和滲透系數值，其反演結果見圖8。由反演結果得到三舟溪滑坡Ⅰ-Ⅰ′剖面粉質黏土夾碎塊石的飽和滲透系數為2.2×10-6m/s。

圖8 非汛期滑坡體不同飽和滲透系數下水文孔STK-2 地下水位監測值與模擬值對比圖Fig.8 Comparison of monitoring and simulation data at hydrological hole STK-2 with various saturated infiltration coefficients of the landslide mass in non-flood season

(3) 降雨入滲系數的確定

在上述滲透系數確定的基礎上，選取水文孔STK-2在2013-06-26至2014-06-26一個水文年的地下水位進行降雨入滲系數的反演，其反演結果見圖9。降雨入滲系數反演過程的模型邊界條件為：滑坡體前緣為變水頭邊界，根據庫水位確定；坡體表面為降雨入滲邊界，量值為實際降雨量與降雨入滲系數的乘積；基巖面為隔水零流量邊界。不斷調整降雨入滲系數，由于滑坡體地表裂縫眾多，使得地下水位對降雨反應敏感，因此取降雨入滲系數為0.3。

圖9 非汛期滑坡體不同降雨入滲系數下水文孔STK-2 地下水位監測值與模擬值對比圖Fig.9 Comparison of monitoring and simulation data at hydrological hole STK-2 with various precipitation recharge coefficients of the landslide mass in non-flood season

最終模擬的地下水位與監測地下水位兩者的灰色關聯度為0.75，其結果較為理想，說明得到的滑坡巖土體水力學參數組合較為可靠，最終達到了滲流模型優化的目的。

2.2.2 力學模型的優化

滑坡滑體抗剪強度參數優選過程即為力學模型的優化過程。鑒于滑坡變形對抗剪強度參數極為敏感，且滑坡失穩主要取決于滑體抗剪強度參數，因此抗剪強度參數選取應結合工程地質調查的滑坡穩定性狀態、變形特征進行抗剪強度參數反演分析，最后根據室內試驗、野外大剪試驗和工程類比方法綜合確定[8]。三舟溪滑坡在庫水位變動聯合降雨的影響下變形嚴重，多次發生次級滑坡，具備反演條件。

據勘察資料，三舟溪滑坡滑體抗剪強度參數初選值見表1，因滑體實際抗剪強度參數值應介于天然強度和飽和強度之間[9]，因此抗剪強度參數取值應考慮如表2所示的組合。基于三舟溪滑坡變形破壞歷史資料，2014年8月滑坡體前緣興建碼頭，引發次級滑坡，因此水力邊界考慮庫水位由158 m升至152 m期間實際降雨；計算邊界用次級滑坡體高程范圍165～177 m；根據滑坡不同發育階段的穩定性系數取值范圍(見表3)，滑坡體前緣穩定系數FS取為1，基本符合滑坡滑動時的實際情況。

考慮上述實際邊界條件、不同抗剪強度參數取值組合情況(見表2)、前緣滑坡體的穩定系數，并綜合室內試驗、野外大剪試驗等結果，最終三舟溪滑坡滑體抗剪強度參數取值為c=23.3 kPa，φ=11.7°，其結果較為可靠。

表1 滑坡滑體抗剪強度參數初選值

表2 c、φ組合情況一覽表

表3 滑坡不同發展階段的穩定系數[10]

3 三舟溪滑坡穩定性現狀分析

基于上述模型優化，采用Morgenstern-Price極限平衡法對三舟溪滑坡體穩定系數進行計算，可得到整個水庫正常運行期(2013年1月27日至2014年7月26日，共計546天)不同工況下滑坡穩定系數變化情況，見圖10。

圖10 滑坡體穩定系數與庫水位和降雨的響應關系曲線Fig.10 Response curves of stability coefficients of the landslide mass to the reservoir level and the precipitation

由圖10可見，在庫水位變動和降雨影響下，三舟溪滑坡屬動水壓力與降雨混合型滑坡，穩定系數整體趨勢為庫水位下降，滑坡體穩定系數下降，庫水位下降至153 m繼續下降時，滑坡體穩定系數略有上升。

從地下水動力學的力學機理上看，在庫水位下降過程中，庫水對滑坡體穩定性作用主要體現在兩個方面：①滑坡體內的地下水向庫水補給，導致滑坡體內的孔隙水壓力減小，有效應力增大，使得滑坡下滑力和法向應力都會增加，法向應力增大導致抗滑力增大，因此有效應力增大對滑坡穩定性的影響受滑面傾角和內摩擦角的變化影響，同時存在增大或減小滑坡穩定性的可能；②滑坡前緣受庫水靜水壓力的作用，庫水位下降，靜水壓力減小，不利于滑坡穩定。分析認為：影響滑坡體穩定性的因素主要為②，①中地下水浸潤線凸度越大，孔隙水壓力正效應作用效應越小，滲透壓力負效應作用效應越大。

三舟溪滑坡庫水位下降過程中作用于坡體表面的靜水壓力減小，使滑坡抗滑力減小，同時指向坡體外側的動水壓力不利于滑坡體穩定性，但因庫水位下降、地下水滲出而造成的滑坡體抗剪強度上升的效果有限，最終導致滑坡體穩定性降低[11]。三舟溪滑坡體Ⅰ-Ⅰ′剖面前緣剪出口高程為153 m，庫水位下降至153 m繼續下降時，作用于坡體的靜水壓力不變且為零，坡體內地下水位繼續下降，滲透壓力負效應略小于孔隙水壓力正效應，滑坡體穩定性略有上升。

上述模擬結果顯示，三舟溪滑坡穩定系數隨著庫水位下降而下降，受降雨影響較明顯，屬動水壓力與降雨混合型滑坡，一次降雨過程導致滑坡體穩定系數最大減小0.137。可見，庫水位變化控制著滑體的穩定系數走勢,降雨則導致穩定系數波動性變化，兩者共同作用于滑坡體上，不同程度地影響著滑坡的整體變形[12]。

4 三舟溪滑坡穩定性預測評估

本次預測工況的模擬是在修正模擬參數的基礎上完成的，根據三峽水庫水位日降幅對庫區地質災害影響的調查評價研究工作技術要求，按照表4工況和荷載組合進行三舟溪滑坡穩定性計算與評估。其中，降雨強度按照暴雨強度重現期為50年一遇標準考慮。

表4 穩定性計算工況與荷載組合表

本文統計了1960—2013年54年間萬州區降雨情況，即4～6月份連續降雨天數和總降雨量，見圖11,并采用皮爾遜Ⅲ型曲線擬合降雨統計結果，得到的降雨頻率曲線，見圖12。選取50年一遇(即降雨頻率為2%)作為計算工況，累計降雨量為280 mm,降雨強度為280/3=93.3 mm/d,時間設置為庫水位由155 m降至152 m區間內，坡體表面為降雨入滲邊界條件。

圖11 1960—2013年間萬州區降雨統計圖Fig.11 Statistical graph of the precipitation in Wanzhou during 1960—2013

圖12 降雨頻率曲線Fig.12 Precipitation frequency curve

圖13為三舟溪滑坡Ⅰ-Ⅰ′剖面不同計算工況與荷載組合下的滑坡穩定系數。由圖13可見，根據滑坡穩定性分級評價規定，滑體在庫水位由159 m降至145 m過程中，增大庫水位下降速率至1.2 m/d時，其穩定性系數為1.041，仍處于潛在不穩定狀態；庫水位相同下降速率工況下，庫水位下降到不同水位的滑坡穩定系數變化趨勢相同，都是先減小后增大，庫水位下降至153 m時，達到其最小穩定系數;隨著庫水位下降速率由0.6 m/d增大至1.2 m/d，滑坡穩定系數僅下降了0.007，變化幅度很小。

圖13 不同工況下滑坡體的穩定系數Fig.13 Curves of stability coefficients of the landslide mass in different working conditions

庫水位下降對三舟溪滑坡體穩定性影響主要是由于庫水位由175 m降至153 m，靜水邊界力減小造成，非汛期159 m增大庫水位下降速率對滑坡體穩定性幾乎沒有影響，分析認為這是由于滑坡體前緣剪出口153 m高程較高所致。因此，增加庫水位日降幅對滑坡穩定性影響很小，降雨對滑坡穩定性有一定的影響，預測在非汛期增大庫水位日降幅條件下，三舟溪滑坡整體仍為潛在不穩定。

5 結 論

(1) 三舟溪滑坡巖土體水力學參數反演結果為：飽和滲透系數為2.2×10-6m/s，飽和體積含水率為0.4，降雨入滲系數為0.3，抗剪強度參數c為23.3 kPa、φ為11.7°，經檢驗比較合理。

(2) 三舟溪滑坡穩定性受降雨影響較明顯，該滑坡屬動水壓力與暴雨混合型滑坡，庫水位變化控制著滑坡穩定性走勢，降雨則導致滑坡穩定性出現波動性變化[13]。

(3) 三舟溪滑坡目前處于潛在不穩狀態，滑坡穩定系數最小值為1.041，隨著庫水位下降速率由0.6 m/d增大至1.2 m/d，滑坡穩定系數僅下降了0.007，變化幅度很小，預測在非汛期增大庫水位日降幅條件下，滑坡整體仍為潛在不穩定。

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Effect of Raising of the Drawdown Rate of the Reservoir Level on the Stability of Sanzhouxi Landslide in Non-flood Season

LIU Qingli,YIN Kunlong,LIU Lei

(FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

On the basis of the relatively complete monitoring information,this paper takes Sanzhouxi landslide as a case study to analyze the historical information of the landslide deformation and the relations among the landslide activity and the reservoir level,precipitation and groundwater.Then,considering the hydraulic boundary conditions,the paper retrieves the hydraulic parameters and shear strength parameters of the landslide rock mass according to the monitoring data of groundwater and the secondary slide in front of Sanzhouxi landslide respectively.Next,based on the above analysis,the paper evaluates the stability of Sanzhouxi landslide,and furthermore predicts the stability under condition of raising the drawdown rate of the reservoir level in non-flood season,and demonstrates the practicability of this condition,which provides scientific basis for the threshold of the descending rate of reservoir level during the fluctuating period.The results indicate that Sanzhouxi landslide belongs to the type of hydrodynamic pressure and the precipitation.The change of reservoir level controls the trend of the landslide stability and the precipitation leads to fluctuation of the landslide stability.Raising the drawdown rate of the reservoir level in non-flood season has little effect on the stability of Sanzhouxi landslide which would remain to be in latent instability when the drawdown rate is raised.

Sanzhouxi landslide;non-flood season;drawdown rate of the reservoir level;stability evaluation

1671-1556(2016)02-0102-08

2015-08-13

2015-11-15

國家自然科學基金項目(41572292)

劉慶麗(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向為地質災害預測預報與風險評價。E-mail:liuql09@lzu.cn

X93；TV697.2+3

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.020