白鶴坪邊坡穩定性分析1

顧 全 周正華 李永義 史學磊 高橋千明

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白鶴坪邊坡穩定性分析1

顧 全1）周正華1）李永義1）史學磊2）高橋千明3）

1）南京工業大學交通運輸工程學院，南京 210009 2）中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定 071051 3）太平洋咨詢公司，東京，日本

邊坡監測可為掌握邊坡變形特征和規律提供依據，指導在邊坡發生嚴重變形時的應急處理。白鶴坪邊坡是三峽庫區的典型邊坡，依據邊坡的變形特征定性地認為該邊坡為潛在的推移式滑坡。1998年調查發現白鶴邊坡存在一定的滑移，為了對其實施監測預報、預警，減輕因其滑動而引起的地質災害，在該邊坡上建立了由10個GPS觀測點組成的邊坡位移觀測系統，以監測邊坡的變形。本文以2014年5月至2016年4月近兩年的白鶴坪邊坡變形觀測系統所獲得的位移數據為基礎，對邊坡的位移變形進行了統計，并結合數值模擬分析了邊坡的水平向相對位移。分析表明，在邊坡由緩變陡處變形顯著增加，邊坡現處于基本穩定狀態，其變形主要受降雨影響，每年汛期時（5—10月）邊坡變形量偏高。其次為庫水作用影響，江水對坡腳沖蝕，使邊坡前緣局部產生了小規模崩滑現象。

位移監測 GPS 滑坡 變形特征 數值模擬

引言

我國的地質災害發育且較嚴重，主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉陷等6類（王哲等，2006）。2015年全國共發生地質災害8224起，共造成229人死亡、58人失蹤、138人受傷，直接經濟損失24.9億元。其中滑坡比重最多，達到68.29%（來源于國土資源部全國地質災害通報（2015））。隨著西部大開發建設，高速公路、高速鐵路、水電工程等大規模工程活動的開展，滑坡的危害及造成的損失在逐年增加（鄭穎人等，2010；佘詩剛等，2014）。因此，滑坡的防治是一項十分艱巨的工作（李世海等，2006）。

基于高危邊坡變形監測的預警、預報可作為減緩地質災害風險的重要措施，正越來越為人們所重視（李長江等，2011）。為減少滑坡災害帶來的嚴重危害，科學準確地預測預報是關鍵（馮春等，2011）。1985年6月12日，湖北省秭歸縣發生了新灘大型滑坡，由于該滑坡的監測系統對滑坡進行了提前預警，使滑坡災害造成的經濟損失和人員傷亡降低到最低程度（胡其裕等，1986；陸業海，1985）；1991年6月9日，湖北省株歸縣雞鳴寺發生了滑坡，由于滑坡預報及時準確，當地各級政府決策果斷，措施得力，從而使險區居民1126人全部安全轉移（王發讀，1992；呂貴芳，1994）；1995年1月27日下午，鐵道部科學研究院西北分院對甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮黃茨滑坡半年來獲得的大量調查、監測資料進行了數次分析計算，對該滑坡災害發生的時間作出成功預報，避免了滑坡和公路間60余戶居民的人員傷亡（王恭先，1997；毛廣湘，2007）。這些監測預報的成功實例為探索研究滑坡災害預警積累了寶貴經驗。然而，我國現有滑坡預報預警系統未能全部覆蓋，仍有大量的地質災害發生在已有的預警點之外（唐亞明等，2012）。例如，2009年8月6日，位于四川省雅安市漢源境內省道306新線猴子巖段山體發生大面積滑移，由于缺乏相應的監測手段，沒有做好相關的預防以及準備工作，導致大渡河堵塞，形成罕見的堰塞湖，造成上游147戶農家、1774畝農田被淹沒，以及嚴重的人員傷亡（黃潤秋等，2009；李長江等，2011）。綜上所述，建立有效的邊坡監測預報系統，可以預警災害事故的發生時間，防止或減少人員傷亡及經濟損失（蔣興超，2010）。

白鶴坪邊坡是三峽庫區的典型邊坡，依據邊坡的變形特征可定性地認為該邊坡為潛在的推移式滑坡。1998年調查發現白鶴邊坡存在一定的滑移，為了對其實施監測預報、預警，減輕因其滑動而引起的地質災害，在該邊坡上建立了由10個GPS觀測點組成的邊坡位移觀測系統，以監測其變形。自2007年白鶴邊坡變形觀測系統投入運行以來，積累了一些邊坡位移觀測數據，為開展邊坡變形及其因素分析提供了寶貴資料。本文基于白鶴坪邊坡的地表水平位移監測數據，并結合降雨及庫水位信息，分析其變形特征及其主要影響因素，為邊坡的防治工程設計提供依據。

1 白鶴坪邊坡概況

白鶴坪邊坡位于巫山縣建坪鄉跳石村2組（31.06°N，109.96°E），為長江右岸斜坡。邊坡前緣和后緣高程分別為115m和540m，相對高差為425m，平均坡度27°，推測主滑動方向為340°（正北方向為0°，逆時針變化），邊坡變形區域約為8.55×105m2，體積約為2.138×107m3，為巨型推移式土質邊坡（圖1）。

邊坡體由崩坡積物構成，邊坡中部至后緣平臺地表松散物質以白鶴坪后緣陡崖崩塌產生的塊石為主，土體含量小于10%，其中塊石成分多為塊徑0.1—5cm的灰-深色灰巖塊體；邊坡中部及前緣處的松散物質主要為碎（塊）石土，碎（塊）石成分以灰-灰綠色的灰巖和砂巖為主，常見塊徑5—10cm，局部見塊徑1—4m的弧石，土的成分主要為黃褐色粉質粘土，一般呈硬塑狀，遇水易軟化。

推測滑面為松散堆積物與下伏基巖接觸帶，即基覆界面，從邊坡剖面形態（圖2）可以看出，滑面沿主滑方向的剖面形態呈凸形；滑床為志留系地層，邊坡中下部滑床為志留系下統羅惹坪組（S1lr）薄層粉砂質泥巖夾薄層粉砂巖及少量薄層細砂巖；邊坡中上部滑床由志留系下統紗帽組（S1s）紫紅色夾灰綠色粉砂質泥巖和薄層巖屑石英砂巖等組成。

綜上可知，該邊坡為“土-巖”二元結構，推測滑帶為基覆界面。邊坡所在的地形坡度較陡、臨空面較大、邊坡體松散層遇水易軟化等因素使該邊坡易于變形，存在潛在滑坡風險。

2 變形監測

經現場調查發現，白鶴坪邊坡體于1998年9月開始出現變形，變形的宏觀表現為邊坡中上部少部分民房出現拉張裂縫，長近3m，寬1—3cm。2006年在三峽庫區地質災害防治工作指揮部的主持下，將白鶴坪崩邊體納入了三峽庫區巫山縣三期地質災害專業預警工程，建立了由10個GPS監測點組成的邊坡變形監測系統，其中位于該邊坡后緣東南側基巖場地上的GPS監測點（WS02-11）為基準點，其余9個監測點分布于邊坡體上，且WS02-04、WS02-01、WS02-02、WS02-06形成1條主縱監測剖面I-I＇（圖1）。

圖1 白鶴坪邊坡平面圖及形變監測點分布

圖2 白鶴坪邊坡工程地質剖面圖

監測系統主要設備為天寶Trimble4600型單頻GPS接收機（圖3），其體積小、操作簡便、精度高、成本低、穩定耐用，水平定位精度可達到±10mm＋1ppm，垂直精度可達到±20mm＋1ppm。

圖3 GPS監測裝置

3 變形監測數據分析

自2007年開展邊坡變形監測以來，剖面I-I＇上4個GPS監測點（WS02-04、WS02-01、WS02-02、WS02-06）積累了一些寶貴的觀測數據。據2007年1月—2016年4月最終累計變形量顯示，4個監測點邊坡累計位移分別為361.3mm、502.9mm、560.3mm和320.8mm，本文以2014年5月—2016年4月期間的觀測數據為基礎，分析了邊坡總體變形趨勢，結果表明，近年來邊坡總體呈蠕滑變形趨勢。

由剖面I-I＇的4個監測點的變形監測位移（圖4）可知：近兩年，WS02-04、WS02-01、WS02-02和WS02-06的水平向累計位移分別為87.3mm、95.9mm、106.3mm、80.3mm。邊坡前緣處監測點WS02-06的水平向累計位移最小；靠近后緣的WS02-04、WS02-01、WS02-02水平向累計位移較大，呈現明顯的推移式滑坡的變形運動特征。邊坡近后緣處，特別是監測點WS02-02處，由于地形由緩變陡，加之受周圍的房屋荷載作用以及巖土體較厚等因素影響，邊坡變形最大。

圖4 白鶴坪邊坡GPS監測水平向位移曲線

4 邊坡變形影響因素分析

諸多研究表明，降雨和水庫水位的變化是水庫發生滑坡的主要誘發因素（Riemer，1995；鄧建輝等，2003；李曉等，2004；李英等，2008）。白鶴坪邊坡作為前緣涉水邊坡，亦會受到這兩種因素的影響。

4.1 降雨對邊坡變形的影響

基于每年雨季的變形觀測及下雨量數據統計得到了如表1、圖5所示的結果，由此可以看出，邊坡體各個部位在每年5—10月雨季位移量較大，約占每年總位移量的70%以上，其中觀測點WS02-04在2015年5月—2016年4月的汛期期間水平位移量達年度總位移量的近95%，且邊坡各個部位變形具有同步性。因此，邊坡地表位移與降雨量成正相關關系，降雨量越大，邊坡變形越大，反之邊坡變形則較小。

表1 白鶴坪邊坡監測點變形比率與降雨比率關系

圖5 白鶴坪邊坡GPS監測水平向位移與降雨關系曲線

邊坡的變形與降雨有著直接的關系：首先，邊坡的含水量由于雨季降雨量的暴增使得邊坡土體的重度驟增，增加了下滑的可能性；其次，降雨使得巖土的力學參數，如內摩擦角和粘聚力等降低，使得邊坡的抗滑性降低；最后，巖土體中地下水位的抬升，使得孔隙水壓力增加（張友誼等，2007；張玉等，2013），巖土體的有效應力減小，使得邊坡的抗滑力減小，邊坡更易失穩。由此，降雨作用使得邊坡的下滑力增大，抗滑力減小，邊坡的變形隨之增大，這就不難理解為何白鶴坪邊坡在雨季變形量比非雨季大。

4.2 庫水位對邊坡變形的影響

圖6為白鶴坪邊坡剖面I-I＇上各測點地表水平方向的變形量與庫水位的關系曲線。從圖中可以看出，在庫區水位寬幅波動的條件下，邊坡體在剖面I-I＇各地表位移監測點均呈近直線變化態勢，隨庫水位變化無明顯的波動，尤其位于邊坡體下部的WS02-06號監測點，其位移與庫水的上升以及下降無明顯的變化關系，說明邊坡變形與庫水位波動的相關性較差。但由于邊坡前緣長期浸泡于長江水中，江水對坡腳的沖蝕對邊坡前緣的變形有一定的影響。

綜上所述，降雨是引起白鶴坪邊坡變形的主要影響因素，庫水位波動是次要因素。

圖6 白鶴坪邊坡GPS監測水平向位移與庫水位關系曲線

5 邊坡穩定性數值分析

由前文分析可知，引起白鶴坪邊坡變形的主要影響因素是降雨量，而降雨量與地下水存在補給關系，降雨使地下水水位抬升，進而影響邊坡的穩定。為了深入分析汛期白鶴坪邊坡的穩定性，本文將根據汛期期間鉆探所獲得的鉆孔資料及地下水位，建立二維邊坡分析模型，并結合白鶴坪邊坡地表水平向監測數據分析邊坡的水平向相對位移。

5.1 數值分析模型

根據白鶴坪邊坡巖土分布特征，將白鶴坪邊坡簡化為由堆積體、潛在滑帶與基巖3部分組成，如圖7所示。以有限差分法軟件Flac3d為分析平臺，采用四邊形單元對白鶴坪邊坡進行網格剖分，建立了二維邊坡分析模型（見圖7），分析模型邊界條件為：底部為固定邊界，兩側邊界水平向位移為0。鑒于潛在滑帶較薄，故將其設置為無厚度的接觸面。在基于Flac3d的數值模擬中，邊坡體采用理想彈塑性本構模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb強度準則。依據現場取樣、室內試驗所確定的巖土參數列于表2。

圖7 白鶴坪邊坡計算模型

表2 白鶴坪邊坡巖土體力學參數取值表

5.2 模擬結果分析

考慮到雨季邊坡水位抬升，潛在滑帶處于飽水狀態，本文基于邊坡體二維分析模型，分析了潛在滑帶在飽水狀態下的邊坡變形。為了刻畫邊坡體相對變形程度，以邊坡體水平向最大位移為參考值，計算得到了邊坡體各觀測點水平向位移與參考值的比值，并據此繪制了相應的云圖，如圖8所示。圖中所示結果表明，邊坡的水平向累計位移最大的區域位于邊坡的近后緣部位和中部較陡的斜坡段，具體表現為：①近坡體后緣部位地形較為平坦，變形相對較小，在坡體由緩變陡處水平向位移急劇陡增；②中部斜坡段由于地形較陡，地下水水位較高，變形亦較大；③坡體近庫水段相對變形較小。上述變形特征與實際監測結果在測點WS02-02處位移最大相吻合。

圖8 邊坡水平向相對位移分布特征

圖9為邊坡剪應變增量云圖。從中可以看出，剪應變增量變化基本沿基覆界面，即潛在滑帶分布。結合圖8可以看出，坡體近后緣處及中部坡度由緩變陡處剪應變增量變化最大。

圖9 邊坡剪應變增量云圖

邊坡坡的穩定性分析與評價是工程地質中的一項重要工作（黃雅虹等，2017），本文以強度折減法作為理論依據，用Flac3d的內嵌編程語言計算邊坡的安全系數，結果為1.65，大于1.0，結合剪應變增量云圖可知邊坡的潛在滑動面未形成貫通破壞區，該邊坡在潛在滑帶飽水狀態下處于基本穩定狀態。

綜上所述，數值模擬結果揭示的坡體變形規律與監測結果相吻合，總體上由坡體前緣至后緣，變形呈逐漸增大的趨勢，但在邊坡中由緩變陡處變形陡增。此外，數值分析結果表明，白鶴坪邊坡現處于基本穩定狀態，但在久雨和暴雨條件下仍需關注邊坡的變形狀態，并在邊坡兩處變形較大的部位做好防護措施。

6 結語

本文基于白鶴坪邊坡近兩年地表位移監測數據對邊坡變形及其影響因素進行了分析，并結合邊坡地形地貌、巖土分布特征建立了二維分析模型，模擬了地下水對坡體變形的影響，獲得了以下幾點認識：

（1）綜合近兩年的監測數據分析表明，白鶴坪邊坡為潛在的推移式滑坡；邊坡中后部變形相對較大，在降雨等誘發條件下，可能發生局部滑移，此處應是今后該邊坡治理的重點區域。

（2）久雨和暴雨是誘發邊坡變形破壞的最直接因素，大氣降水一部分直接滲入松散堆積體或沿裂隙滲入巖體，使邊坡體和滑動帶巖土體的內摩擦角和粘聚力降低，因此在汛期需謹防邊坡滑坡災難的發生。

（3）坡體前緣由于受流水的侵蝕、沖刷作用以及庫區水位漲落影響，坡腳軟弱結構面臨空導致坡體前緣的抗滑物質易被水流沖刷帶走，從而加劇斜坡的變形，使坡體局部失穩。

（4）數值模擬結果與實際觀測結果較為相符，邊坡由緩變陡處變形顯著增加，提示在邊坡治理時應注重邊坡由緩變陡處的防范；穩定性數值模擬結果表明，白鶴坪邊坡現處于基本穩定狀態。

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Stability Analysis of Baiheping Slope

Gu Quan1), Zhou Zhenghua1), Li Yongyi1), Shi Xuelei2)and Chiaki Takahashi3)

1) College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China 2) Center for Hydrogeology and Environmental Geology, Baoding 071051, Hebei, China 3) Pacific Consultants Co. Ltd, Tokyo, Japan

The slope monitoring is useful in providing the basic information for the slope deformation characteristics and regularity of the slope. It can help us to deal with emergencies under the condition of severe deformation of the slope. Baiheping slope is a typical one in the Three Gorges Reservoir area. The slope is considered to be a potential traction type based on deformation characteristics of the slope. There was a certain slip along Baiheping slope by the survey in 1998. In order to predict and prevent the potential geological disasters caused by sliding, a slope displacement monitoring system composed of 10 GPS observation sites was set up to monitor the deformation of the slope. Based on the displacement data from the Baiheping slope deformation monitoring system from May 2014 to April 2016, we analyzed the horizontal relative displacement of the slope combined with numerical simulation. Our results show that the slope deformation is significantly increased in the part where sharp dip tend to be gently and the slope is in a stable state. The slope deformation is mainly affected by rainfall. The slope has a relatively high slope deformation in annual flood season (May to October). Moreover, due to river erosion on the slope, a small scale landslide appears in the front of the slope under the action of reservoir water.

Displacement monitoring; GPS; Landslide; Deformation characteristics; Numerical simulation

10.11899/zzfy20170309

國家自然科學基金項目（41374049），國家自然科學基金青年項目（51308291）

2017-05-31

顧全，男，生于1989年。碩士研究生。主要從事邊坡穩定性研究。E-mail：guquan2012@sina.com

周正華，男，生于1962年。研究員，博導。研究領域：防災減災與防護工程。E-mail：bjsmoc@163.com