基于三峡库区库水位和降雨统计分析的八字门滑坡稳定性评价

魏 东, 王孔伟, 胡安龙, 靳宝萍, 朱 伟

(1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室, 湖北 宜昌 443002; 2.国家电网 国网甘肃经济技术研究院， 甘肃 兰州 730000)

滑坡的形成有内力和外力两方面因素，从地质作用来看，三峡库区库岸滑坡变形演化过程及分布与构造活动存在一定关系[1-3]；从外力作用来看，库水位变化和降雨作用对库岸滑坡的变形演化有重要影响[4-8]，不同变形阶段对应不同的主要影响因素和预测依据[9-10]。彭令等[11]以八字门滑坡为研究对象发现库水位变化和降雨量是导致滑坡季节性变化的主要因素；明成涛等[12]通过分析滑坡变形速率与库水位、降雨之间的相关性关系，发现暴雨或久雨以及首次高水位浸泡是引起曾家棚滑坡变形的主要因素；代贞伟等[13]通过研究三峡库区某滑坡变形特征发现滑坡的变形与库水位下降及集中降雨有明显关系。对三峡库区滑坡变形影响因素的分析，学者们主要采用通过以典型滑坡为研究对象进行定性分析[11-15]，而使用定量计算的方法分析滑坡主要变形因素的研究却很少[16]。

本文拟以三峡库区八字门滑坡为研究对象，利用滑坡的监测资料对八字门滑坡的变形进行定性的分析，然后在对库区水位及降雨定量分析的基础上确定20种工况，采用Geo-Studio计算八字门滑坡的稳定性，分析库水位及降雨对八字门滑坡的影响，为八字门滑坡的稳定性作出评价。

1 八字门滑坡基本情况

八字门滑坡位于三峡库区湖北省秭归县归州镇，长江北岸支流香溪河右岸河口处。三峡水库已淹没滑坡体前缘55～156 m段。地理坐标为110°45′30″N，30°58′16″E。岸坡呈南北走向，滑坡体呈撮箕状展布于岸坡坡脚，岩层产状为倾向292°∠29°,分布高程139～280 m，向东倾斜，滑体地面坡度10°～30°,呈阶梯状起伏。滑坡体长380 m，宽100～500 m，厚10～35 m，体积约2.00×106。

2 八字门滑坡变形特征分析

八字门滑坡体上现有ZG110，ZG111，GSC1，GSC2，GSC3，GSC4，GSC5，GSC7，GSC8，GSC9等10个GPS监测点，其中ZG110，ZG111为2003年开始监测，其余的监测点从2013年9月才开始监测。本文在收集2007年1月到2014年12月八字门滑坡监测资料、库水位和降雨数据的基础上，作出八字门滑坡累积位移—月降雨量—库水位关系曲线(图1—2)。

由图1—2可知: ①八字门滑坡10个GPS监测点累积位移监测曲线均为阶梯形状和随着时间呈增长趋势； ②滑坡监测点的位移具有同步性,每年5—7月滑坡GPS监测点快速变形，其中2009年5—7月，2012年5—7月变形最为剧烈。每年8月到第2年的4月监测点缓慢变形。 ③降雨和库水位变化对滑坡监测点的位移存在影响。

图1 八字门滑坡累积位移-月降雨量-库水位关系曲线1

(1) 库水位对八字门滑坡变形影响。三峡库区库水位每年均经历不同水位涨落，与各监测点累积位移和月位移变化过程有很好的对应关系。库水位上涨及平稳水位运行阶段并未引起八字门滑坡明显位移变化；而当库水位下降过程，则对滑坡位移变形影响很大，每次库水位下降均会导致滑坡累积位移上扬和月位移出现尖三角形。2006—2014年库水位经历了9次下降过程，累积位移变形曲线对应出现了9级台阶。

图2 八字门滑坡累积位移-月降雨量-库水位关系曲线2

(2) 大气降雨对八字门滑坡变形的影响。三峡库区降雨有明显季节性，而降雨量集中的时段，都是各监测点位移变形出现明显阶跃的时段，具体为：每年10月至次年3月，为降雨量较少的旱季，此阶段滑坡不出现明显位移变形；而当每年4—10月，库区进入汛期，降雨集中，此时滑坡开始有明显位移变形，尤其是6月和7月多发生100 mm以上的暴雨，这时段的滑坡位移变形往往更加明显。这说明集中降雨对滑坡的变形同样会产生重要影响。

3 滑坡稳定性分析

3.1 荷载工况

3.1.1 库水位分析 利用Origin做出2006—2014年三峡库区水位变化曲线(图3)，由图3可以看出三峡库区水位呈周期性变化。2006年库水位蓄水至156 m，2008年试验蓄水至172.8 m。2010年首次蓄水至175 m之后，坝前水位在145～175 m波动。根据三峡库区水位变化规律将2006—2014年划分为3个阶段：第1阶段为156 m蓄水阶段(2006—2007年)，第2阶段为三峡库区175 m试验性蓄水阶段(2008—2009年)，第3阶段为三峡库区175 m蓄水阶段(2010—2014年)。

统计2006—2014年库水位变化速率，上升的最大速率为5.6 m/d，下降的最大速率为4 m/d，主要速率处于[0，0.4 m/d)区间上。统计得出库水位变化变化速率在[-1.2，1.2 m/d)区间的概率为0.967 8>0.95。因此进行边坡稳定性计算时三峡库区水位速率模拟值控制在[-1.2，1.2 m/d)比较合理。

图3 2006-2014年三峡库区水位变化

3.1.2 库水位工况的确定 由于未来三峡库区水位变化主要为第3阶段175 m蓄水阶段，利用MATLAB软件统计出2010—2014年三峡库区水位变化的6个相关指标如表1所示。由表1可知，从2010—2014年，每年水位变化的时间基本稳定在300 d左右，水位总变化幅度在105～137.6 mm。由于2013年水位变化总幅度最大，2014年水位变化总幅度较小。因此将2013和2014年库水位变化作为2个基准工况。

表1 2010-2014年三峡库区水位变化相关指标

由图4分析可知2010—2014年每年库水位变化都可以大致分为6个阶段，每个阶段都呈线性变化。故利用如下公式对每个阶段的库水位进行线性拟合分析。

图4 2010-2014年三峡库区库水位分段线性拟合

(1)

式中：yij——第i年j阶段库水位(m)；xij——第i年j阶段时间(d)；aij——第i年j阶段斜率；bij——第i年j阶段截距。

利用MATLAB对2010—2014年每年每个阶段的库水位进行线性拟合进行求解分析，可以得出2010—2014每年库水位分段线性拟合结果如图4所示。

利用如下公式求出三峡库区库水位变化的平均工况。

yk=ck*xk+dk

(2)

式中：yk——第k阶段平均库水位(m)；xk——第k阶段时间(d)；ck——第k阶段斜率；dk——第k阶段截距。

代入相关数据，求解出平均库水位相关数据。并做出三峡库区库水位变化平均工况结果如图5所示。

图5 三峡库区库水位变化平均工况

3.1.3 三峡库区降雨工况确定 利用概率统计分方法对三峡库区2006—2014年降雨划15个区间进行统计分析，得到三峡库区降雨概率统计如表2所示。

由表2可知，2006—2014年三峡库区日降雨量为0～150 mm/d，因此本文确定的降雨工况为50，100，150 mm/d。

3.1.4 计算工况的确定 根据前期研究确定了3种库水位基准工况和3种降雨工况，组合库水位和降雨这2种工况可以确定出20种计算工况如表3。

3.2 滑坡稳定性的数值模拟分析

3.2.1 模型建立及参数选取 根据滑坡的结构特征，本文利用Geo-Studio建立模型。模型中参数选取主要是依据滑坡勘察报告中已有的岩土力学参数、渗透试验及附近滑坡相似岩土体的参数，通过工程地质类比及地质分析法予以适当修正后确定(如表4所示)。

表2 三峡库区降雨统计分析

表3 三峡库区滑坡数值模拟计算工况

表4 滑坡岩土体力学参数

3.2.2 模拟结果及分析 根据上述选取的参数及建立的模型，可以通过Geo-Studio计算出上述20种工况的最小安全系数(表5)。并作出工况4一年365 d安全系数和库水位对比分析(图6)。

表5 八字门滑坡不同组合工况下的最小稳定系数m

图6 工况4稳定分析

由表5可知，20种工况下八字门滑坡稳定系数大于1，说明八字门滑坡整体处于稳定状态，但累积位移分析表明八字门滑坡存在局部不稳定。综上所述可知，八字门滑坡局部存在不稳定性，但整体处于稳定状态。

分别比对库水工况和降雨工况下的稳定系数，当库水工况不变降雨工况发生变化时，最小稳定系数变化相对较小。当降雨工况不变库水工况发生变化时，最小稳定系数在库水位稳定在175水位、库水位稳定在145水位、2014年库水位波动、平均库水位、2013年库水位波动5种工况下依次减小。结果表明，降雨和库区水位对八字门滑坡稳定性存在影响，库区水位对八字门滑坡稳定性的影响较大，库区水位变化幅度越大，八字门滑坡稳定性就越差。

由图6可知，当库水下降时八字门滑坡的安全系数变小，当库水位上升时八字门滑坡的安全系数变大。因此，可以说明库水位的变化与八字门滑坡的安全系数变化具有同步性。

4 结 论

(1) 八字门滑坡累积位移监测曲线阶梯形状并随着时间呈增长趋势，其中监测点的位移具有同步性，每年5—7月滑坡监测点快速变形，每年8月到第2年的监测点缓慢变形。

(2) 每次库水位下降均会导致八字门滑坡累积位移上扬。2006—2014年库水位经历了9次下降过程，而相应的累积位移变形曲线对应出现了9级台阶。

(3) 八字门滑坡整体处于稳定状态。降雨和库区水位对八字门滑坡稳定性存在影响，库区水位对八字门滑坡稳定性的影响较大，库区水位变化幅度越大，八字门滑坡稳定性就越差。

(4) 当库水下降时八字门滑坡的安全系数变小，当库水位上升时八字门滑坡的安全系数变大,因此库水位的变化与八字门滑坡的安全系数变化具有同步性。