基于监测数据的某库区土质边坡变形原因分析

余允吉，方大勇，廖珊珊，姚华国，丘文新

(1.广东省水利水电科学研究院， 广东广州 510635;2.广东省岩土工程技术研究中心， 广东 广州 510635)

某水利枢纽库区沿河岸土质边坡有较明显的土体沉降位移、房屋开裂等情况出现。为了解边坡变形发展情况，定期对上述土体和建筑物变形区域进行沉降、水平位移和裂缝开合度观测，监测时间历时8个月，共进行了12次测量。还采用了土体表面滑动远程自动化监测手段，实时观测边坡土体裂缝的变化。收集监测时间段内监测区域的降雨数据、地表气温数据和坝前水位变化数据用于辅助分析。

1 变形监测方案

根据边坡变形的情况和范围，划分为4个边坡变形区域，分别编号1、2、3、4区。1、2、3区布置土体裂缝观测点，2、3、4区布置土体水平位移与沉降观测点。其中2区还布置了土体表面滑动自动化观测点。

根据各测区的特点，收集不同的环境变量数据，对比各环境变量与库岸边坡的关系，从而探究边坡变形原因。各测区观测点布置方案见表1所示。

水库库岸滑坡是常见的地质灾害，降雨及库水位的作用往往是导致其位移与失稳的最主要动因[1]。各测区边坡均在江边，且位于水库上游，受到水库坝前水位的影响，因此收集观测期间大坝每日坝前水位，作为环境对比变量。外江水位变化是一致的，只需关注坝前水位相对变化量即可。

收集观测期间水库所在地区每日分时降雨量数据和每日最高、最低气温数据，作为环境的降雨变量和温度变量。

2 监测方法和设备

水平位移采用瑞士莱卡TS30全站仪(标称精度：0.5″，0.6 mm+1 ppm)；沉降观测主要采用索佳SDL1X高精度数字水准仪(标称精度为0.2 mm/km)。

土体表面裂缝测量采用远程自动化监测和常规标点法测量。自动化监测系统包括自动化数据采集软件、MIC-YHD-500L 型拉线式位移计、裂缝及太阳能供电系统、远程网络适配器、电压数据采集器及其他附属设备。常规的标点法测缝主要采用游标卡尺。

3 观测结果与边坡变形原因分析

为了简化图表，方便对比，本文将所有观测数据按照测区和监测项目划分，将同一测区同一观测项目的观测数据整理成累计平均观测值，用以代表该测区的平均沉降、水平位移或裂缝变化值。

3.1 各测区沉降、水平位移、土体裂缝与坝前水位的关系

图1～3分别为各测区沉降、水平位移、土体裂缝与坝前水位的关系图。可以看出，在初期(7月份之前)，坝前水位在142～148 m水位区间反复升降，此时各测区沉降、水平位移和土体裂缝基本均处于增大阶段，且变化量基本都在此阶段完成了。

此后坝前水位从147 m水位稳定降落到139.5 m左右，各测区沉降、水平位移和土体裂缝反而基本稳定，只有2区和3区的沉降有缓慢增加。

从库岸边坡的整体稳定性来讲，边坡迎水侧处于水位降落期，一方面可能受渗透力影响荷载增大，另一方面水位下降，抗力随之减少，从而导致边坡稳定性减小，滑坡范围内的土体位移可能会随之增大。而各测区的观测数据并不满足以上规律，各测区变形量主要发生在高水位时期，水位降落期边坡变形反而较稳定。因此，库岸边坡的水位降落，或者说坝前水位的变化，并不是此次边坡变形的主要原因之一。

3.2 各测区沉降、水平位移、土体裂缝与降雨量的关系

图4～6分别为各测区沉降、水平位移、土体裂缝与降雨量的关系图。可以看出，初期(7月份之前)处于雨季，降雨量明显较大，各测区的各项观测值也明显增大，变形量主要发生在此阶段。此后降雨量明显较小，变形也趋于稳定了。

降雨量越大，集雨面积内的水库水量越大，水库坝前水位相应就越高，与图1～3是契合的。但是水位变化并不是此次边坡变形的主要原因。

发生降雨时，随着雨水下渗，滑坡体自重增加，土体含水量增加，孔隙水压力增大，从而基质吸力降低，土体强度参数减小，下滑力增大。因此，降雨是此库岸边坡变形的主要原因之一。

3.3 2区土体表面滑动原因分析

图7与图8为2区的土体表面裂缝张开量观测结果与坝前水位、当地气温、当地降雨量的关系对比。采用远程自动化监测手段，监测时间为7月—12月，历时6个月，正好处于坝前水位稳定降落期和降水量较小时期。

自动化观测频率为1 h一次。从图7可看出，每日24次的“实时累积观测值”的变化幅度很稳定，夏天约为2 mm，冬天略低，约为1 mm。原因可能为观测墩之间的土体和观测设施均会受每日气温变化的影响。对比图8的每日温差，夏天温差大，观测变化幅度大，冬天温差小，变化幅度小。为了消除每日温差的影响，取每天24次的土体裂缝张开量平均值作为当日观测值，为图8中的日平均累计变化量。

由图7可看出，2区土体裂缝张开量与坝前水位变化有一定的相关性。坝前水位较稳定时，滑动量变化较为平稳，坝前水位下降时，滑动量有增大趋势。这与前文3.1的分析结论并不一致。而由于7月以后降雨量较少，观测值与降雨量没有明显的相关性。

但是由图8可看出，土体裂缝张开量变化曲线与气温的变化曲线相关性明显。夏天气温变化稳定时，滑动量几乎不变(0 mm)，冬天气温逐渐下降时，滑动量也随之增大(7 mm)。

综合图7和图8的分析，结合3.1和3.2的分析结论，可以得出，2区7月份以后的土体表面累计 7 mm的滑动量观测值，主要是气温变化导致的。除掉气温因素，2区该时期的土体表面位移基本稳定。

3.4 滑坡类型分析

按水对滑坡的作用将滑坡分为降水型滑坡和水库型滑坡，其中，降雨型滑坡为主要类型，占滑坡总数的90%[2]。经过观测数据的分析和变形原因的探究，可以得知，本文库岸边坡的库区水位降落不是此次边坡变形的主要原因，而降雨才是变形的主要原因之一。因此，此次库岸边坡属于降雨型。

4 结语

本文通过对土体表面滑动进行远程自动化监测，结合传统监测手段，定期对土体和建筑物变形区域进行沉降、水平位移和裂缝开合度观测。根据库区环境特点对观测数据进行整理，分析各测区沉降、水平位移、土体裂缝变化量与坝前水位、降雨量、气温等环境变量之间的关系，分析得出该库岸边坡变形的主要原因为降雨，坝前水位与之关系不大，此库岸边坡类型为降雨型。通过各环境变量的综合分析判断出气温对自动化观测的影响不可忽视，有时是观测量变化的主要来源，在监测结果分析时，需找到并剔除掉气温变化的影响。

此外受观测条件所限，无法具体测量气温变化量与位移观测量之间的数值关系，也无法区分降雨因素和库水位降落因素在边坡变形因素中的具体占比，有待今后作进一步的研究。