三峡库区白家包滑坡变形特征与影响因素分析

彭 令，牛瑞卿

（中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉430074）

0 引言

中国是世界上滑坡灾害严重的国家之一，每年因滑坡而造成的经济损失均在十亿美元以上［1］。因此，对滑坡进行研究具有十分重要的意义。

国内外许多研究者对滑坡变形特征与各类影响因素进行了不同程度的分析［2-8］，但在利用多种监测数据，综合分析滑坡位移、速率和裂缝等变形特征及与降雨、库水位和地下水等影响因素之间的响应关系方面极为少见。本文针对三峡库区阶跃型滑坡，以白家包滑坡为例。统计分析滑坡位移、变形速率和裂缝监测数据，归纳滑坡运动演化特征。将位移速率与降雨、库水位和地下水等季节性动态因素进行影响机制分析，建立滑坡变形与外界动态影响因素之间的综合响应关系。

1 白家包滑坡工程地质概况

白家包滑坡位于秭归县归州镇向家店村，距香溪河入江口2.5km。滑坡剪出口位于高程135m；滑坡后缘以基岩为界，高程275m；滑坡南、北两侧以山脊为界。滑坡坡面坡度为10°～15°，前缘宽500m，后缘宽300m，纵长约550m，其面积约为 2.2×105m2，体积约为9.9×106m3，为一深层土质滑坡。滑坡位于亚热带季风气候区，雨量丰沛，四季分明，年平均降雨量为1028mm。降雨多集中在5至9月，平均占全年降雨的 67％［9］。

滑坡体物质主要由含碎块石粉质粘土和块裂岩组成，结构松散杂乱。滑坡及周围出露地层为侏罗系下统桐竹园组，岩性以长石砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主，岩层倾向 260°～285°，倾角为 30°～40°。滑坡区地下水的主要类型为松散堆积物孔隙水，且松散堆积层为滑坡区内主要含水地层，滑带为隔水层。地下水水位与降雨和水库水位相关，地下水的主要补给源为大气降雨，水库水位上涨时库水倒灌入滑坡体，其次为人工浇灌水。由于滑体位于香溪河河谷坡地，地下水具有就地补给、就地排泄的特点。

白家包滑坡为三峡库区专业监测滑坡，滑坡体上布设有GPS位移监测、裂缝监测、地下水位监测和降雨监测等（图1）。自2006年实行专业监测以来，曾发生过数次滑动变形，三峡库区135m水位蓄水前处于基本稳定。蓄水后，滑体大面积发生变形裂缝，处于不稳定状态。该滑坡主要诱发因素为库水涨落和季节性降雨。在外部诱发条件和触发因素改变情况下，滑坡体可能整体失稳，发生大规模滑移，进而造成严重地质灾害。

2 滑坡变形特征分析

2.1 GPS监测位移

白家包滑坡体上共布设4个GPS监测点，分别为ZG323～ZG326，各监测点位布置详见图 1。自2006年11月以来开始实施专业监测，截止2010年11月已经监测多期。累计位移监测曲线如图2所示。图中表明四个监测点变形位移具有同步性，但其位移变化幅度各异，监测点ZG323累计位移量最小，而ZG326位移量最大，说明滑坡体南侧变形相比北侧剧烈。整体上所有监测点地表位移呈现出阶跃型演化特征，分别在每年的5～9月出现突然上扬，10月至次年的4月趋于平稳，即每年的晚春至早秋季节位移出现阶跃式增长，其中夏季的6、7月位移变化最为突出，如2009年6月监测点ZG326较前一月位移剧增187mm。分析表明当斜坡在变形演化过程中，遭受季节性降雨和库水位等外界因素的作用，则累计位移—时间曲线呈现阶跃型演化特征。

图1 白家包滑坡专业监测布置示意图Fig.1 Schematicdiagramofmonitoring arrangementinBaijiabaolandslide

图2 滑坡累计位移监测曲线Fig.2 Monitoringcurvesof accumulativedisplacementofthelandslide

图3 滑坡变形速率曲线Fig.3 Curvesofdisplacementrateofthelandslide

各监测点位移速率曲线如图3所示。从图中可以看出，位移速率—时间曲线具有波动型变化规律。在2007年6月、2008年7月、2009年6月和2010年6月，各监测点位移速率值均处于波峰，即每年的6月或7月滑坡变形最为剧烈，如2009年6月最大变形速率达187mm/月。原因为受降雨和库水位等外界因素的季节性作用，导致滑坡位移速率相应的呈现出季节性变化特征，而在每年的夏季6、7月，其降雨和库水位影响最大，相应位移速率均出现突变。监测点ZG326的变形速率在波峰处为最大，说明该监测点处受外界因素影响最为敏感。滑坡位移速率与外界因素之间的影响分析将在下面详细讨论。在2009年6月之前，监测点 ZG323的平均变形速率为12.6mm/月，而 ZG326的平均变形速率为13.9mm/月，说明滑坡体南侧变形快于北侧。但6月之后，ZG323的平均变形速率增大到20.5mm/月，并且比其它三个监测点的变形速率都大，而ZG326的变形速率基本保持不变，说明后期滑坡体南侧变形最为活跃，而北侧变形稳定。整个监测期监测点 ZG324的平均速率为 13.4mm/月，而 ZG325的平均速率为12.0mm/月，表明滑坡体中前部变形速率大于后缘，滑坡体运动具有牵引式特点。

GPS监测点位移运动方向如图4所示。图中表明，2007年6月之前滑坡体上各个监测点的运动方向不一，在2007年1～4月间有多次剧烈变化。2007年6月以后各监测点运动方向基本一致，均向约75°方向稳定运动。在滑坡变形初期，其内有三个大的运动方向变化区，监测点ZG324和 ZG325先期朝110°方向运动，但ZG324在2007年3月发生剧烈变化，转向为333°方向，到2007年4月又调整到与 ZG325基本保持一致，均向30°方向运动。监测点ZG323最早向240°方向运动，在2007年2月发生剧烈变化，转向为140°方向，到 5月运动方向基本稳定。监测点ZG326运动方向相对较为平稳，自2006年12月到2007年6月，逐渐由160°转向80°方向运动，期间没有发生大的改变。综合累计位移分析表明，该滑坡在2007年6月前累计位移很小，为滑坡的蠕动变形初期，其体内运动特征较为混乱，无统一运动方向；然而由于受降雨和库水位等影响，6月迎来首次剧烈变形，其运动速率达到该年最大值。经过这次剧烈变形后，滑坡体调整了运动模式，统一了运动方向，之后一直保持向主滑方向运动。

图4 滑坡运动方向曲线Fig.4 Curvesofmovingdirectionofthelandslide

2.2 裂缝监测位移

图5 裂缝位移监测曲线Fig.5 Monitoringcurvesofcrack displacementofthelandslide

根据白家包滑坡宏观变形调查资料，该滑坡在2007年5月以前，地表没有出现明显的变形迹象。6月在滑坡南侧公路一带路面出现拉裂缝；7月滑坡后缘出现弧形拉裂缝，裂缝宽为1～5cm，下座10cm，总长约160m。2008年7月，从滑坡中部穿过的公路及滑坡两侧边界处出现剪切下沉裂缝，路面受损。2009年5月，滑坡前部南侧公路路面出现拉裂变形，北侧公路路面拉张变形，裂缝走向 20°，宽 15cm，下座25cm，该裂缝向上呈雁列式展布，南北两侧裂缝与滑坡体后侧拉裂缝断续相连，构成滑体周缘弧形裂缝。

2009年10月在滑坡体上安装了四个相对位移监测点CK1～CK4，监测滑坡体中重要裂缝的张合情况，各监测点位布置详见图1。截止到 2010年11月，监测点CK2由于变形过大导致仪器损坏，无法获取数据，CK1、CK3和CK4获得多期数据，其监测曲线如图5所示。从图中可以看出，2010年3月之前，各裂缝监测点基本保持稳定，从4月开始CK4开始出现位移，但其位移量仅为20mm，7月出现最大位移为123mm，之后一直保持稳定。监测点CK1和 CK3自6月开始出现位移，CK1到8月之后相对基本稳定，而CK3则一直拉裂，变化剧烈，截止到2010年11月位移达177mm。综合分析表明滑坡体南侧4月最先开始出现裂缝，其原因可能为受本月库水位大幅度下降所致，但期间降雨量很少，所以滑坡北侧和正后缘却没有出现裂缝位移。5、6月开始降雨量随之增加，库水位继续下降，故CK1和CK3开始急剧变化。滑坡体北侧裂缝位移距离相对最小，而正后缘裂缝发育，变形相对剧烈，并一直持续拉裂，与之对应的是北侧累计位移量ZG323相对最小，而 ZG326最大。表明滑坡体上裂缝与变形位移具有较强的一致性，位移量越大的区域则裂缝越发育。原因为当滑体产生变形和裂缝后，降雨沿裂缝的入渗量明显增强，一方面在坡体内形成了较高的孔隙水动、静水压力和使土石体饱和，增加了滑体的下滑力；另一方面降低了滑带及滑体的力学强度，从而反过来加剧了滑体的变形。因此，裂缝越发育位移越大，而且降雨的作用越来越显著。

3 位移速率与外界影响因素分析

3.1 位移速率与降雨量

滑坡体上4个GPS监测点的平均位移速率与降雨量之间的关系如图6所示。从图中可以看出，三峡库区降雨具有季节性特征，即每年的5～9月为主要降雨期，其降雨量占全年降雨的65％以上。滑坡位移速率也随着季节性降雨呈现周期性变化规律，即每年位移速率的上扬均发生在该年降雨量突然增大期间，而年最大位移速率则发生在一年中最大降雨量前后一个月；年位移速率最小值均在年降雨量最小的冬季（12月～次年2月）。表明降雨量与滑坡位移速率具有明显的相关性，但降雨对其影响具有一定的滞后效应。在排除其它影响因素的作用下，降雨量的大小与位移速率的大小之间具有正相关性，即降雨量越大，其位移速率越大，例如2008和2010年5～9月累计降雨量分别为730mm和830mm，其年最大位移速率分别为18mm/月和65mm/月。但是2009年5～9月累计降雨量为最小仅550mm，然而最大位移速率却为最大达156mm/月，其原因为该期受到其它影响因素综合作用所导致。

分析表明降雨影响滑坡主要表现在以下5方面：①对边坡岩土体降雨起加载作用，饱和岩土体增大容重，产生动、静水压力；②降雨侵蚀坡脚，破坏坡体，改变边坡结构；③雨水渗入，弱化岩土体，泥化软化滑带，黏土矿物的水化作用导致黏着力降低，甚至消失，由此改变边坡力学性能；④滑坡体的渐进性破坏和渗透力的作用，促进滑移而剪应力增大或者促进滑移而抗剪强度降低［10］。⑤降雨补充地下水，导致地下水位的普遍抬高而引起孔隙水压力的增高和水动力条件的变化。因此，降雨是该滑坡位移变化的主要诱因之一，是导致其位移速率波动性变化的重要因素。

图6 平均位移速率与降雨量Fig.6 Diagramshowingaveragevelocityof monitoringpointsandprecipitation

图7 平均位移速率与库水位Fig.7 Diagramshowingaveragevelocityof monitoringpointsandreservoirwaterlevel

3.2 位移速率与库水位

三峡库区库水位变化具有季节性特征，即每年的5～9月为洪峰期，期间为每年降雨的主要季节，为迎接汛期洪水的到来，水库放水，库区水位下降。10月～次年4月为蓄水期，期间降雨量较少，为发电水库蓄水，库区水位上涨或保持在一定高水位。监测点平均位移速率与库水位之间的关系如图7所示。图中表明，年平均位移速率的增长均发生在洪峰到来的前期，即水库放水库水位下降时；位移速率最大值则处于库水位下降到最小值，如2010年6月库水位下降到最低水位147m，其位移速率达到最大值65mm/月。蓄水期位移速率基本保持稳定，即对滑坡变形影响较小。库水位下降的幅度对位移速率具有一定影响，如2009和2010年库水下降幅度远大于2007年和2008年，相应的位移速率增长幅度前者远大于后者。

库水位的下降速率与位移速率大小之间的相关性显著。平均位移速率与库水位速率曲线如图8所示，其中库水位速率正值表示库水位上升，负值表示库水位下降。从图中可以看出，库水位下降速率越大，滑坡位移速率增加越剧烈，如2007、2008、2009和2010年库水位下降的最大速率分别为-0.10m/d、-0.13m/d、-0.20m/d和 -0.16m/d，相应的最大位移速率分别为 29.4mm/月、18.5mm/月、155.7mm/月和65.2mm/月。因此，库水的快速下降对滑坡稳定性极为不利，是导致滑坡失稳的重要影响因素。库水位上升速率对位移速率基本无影响。库水位下降影响滑坡位移具有一定的滞后效应，例如2008年5月库水位下降速率最大，然而位移速率最大则发生在7月。原因为虽然2008年5、6月库水位下降速率最大，但是6月降雨相对较少仅68mm，缓解了库水位大幅下降对滑坡位移的影响，然而7月随着降雨量的增加，以及库水位一直持续下降并保持低水位，其综合效应导致7月迎来年最大位移速率。这也说明了2007年库水位下降的最大速率小于2008年，然而其最大位移速率却大于2008年。库水位下降速率对滑坡位移速率影响敏感性较强，如2009年库水位下降最大速率比2010年大20％，而最大位移速率前者比后者增长58％。

白家包滑坡因滑体物质为含砾石黏土，渗透性差，水库蓄水时，水向坡体内渗透缓慢，库水位与滑坡体地下水水位形成负落差，反压坡体，有利于滑坡体的稳定；而水库退水时，地下水向水库排水，由于坡体渗透性差，地下水排除缓慢，形成地下水与库水位的正落差，动水压力指向坡体外侧，不利于滑坡的稳定，特别是在水位下降速度较大时，表现出弱透水滞后型滑坡的变形特征。因此，库水位变化，特别是库水位下降是导致库区涉水滑坡变形的主要因素［3］，对滑坡位移速率波动性演化具有重要影响。

图8 平均位移速率与库水位升降速率Fig.8 Diagramshowingaveragevelocityof monitoringpointsandtherateofreservoirwaterlevel

3.3 位移速率与地下水位

监测点平均位移速率与地下水位之间的关系如图9所示。图中表明，地下水位变化具有波动性特征，其高水位分布于每年的6～10月，而低水位处于每年的2～4月。2006年11月 ～2010年11月地下水位SK1和SK2的标准差分别为0.523和0.441，说明地下水位波动性相对较强，而且监测点SK1处比SK2处波动性更大，即地下水位变化幅度更强。原因为监测点SK1位于滑坡体中上部，其所处高程大于SK2，所受库水位变化更为剧烈。地下水位 SK1和SK2的相关系数为0.6，表明它们之间具有一定相关性，即其变化趋势基本一致。地下水位 SK1和 SK2的变化主要受库水位和降雨的影响。

SK1和SK2平均地下水位与降雨量和库水位之间的关系如图10所示。从图中可以看出地下水位主要随库水位的上升而抬高；每年5～9月降雨量增大，地下水位也相应的抬高，但其抬高幅度相对于库水位的影响较小。如2008年11月库水位上升到172m，相应平均地下水位抬高到最大值-1.1m。平均地下水位和库水位的标准差系数分别为18.9和5.6，说明地下水位变化比库水位变化波动性更强，即地下水位变化更为复杂，其主要是地下水位变化受库水位和降雨的综合作用所导致。当库水位下降而降雨量增大时，如果降雨量较大其作用足够缓解库水位的影响，则地下水位也会抬高，如2007年5月、2008年5月和2009年5月；相反，则地下水位随库水的下降而降低。当库水位上升而降雨量减少时，如果库水位上升幅度较小而降雨量剧减，则地下水位相应也会降低，如2007年10月；相反，则地下水位仍然抬高，如2008年11月，库水位剧烈上升14.5m，而降雨量减少102mm，但地下水位仍抬高0.4m。当库水位下降或上升，而降雨量同时也减少或增加时，相应的地下水位降低或抬高，而且其变化幅度最大。

图9 平均位移速率与地下水位Fig.9 Diagramshowingaveragevelocityof monitoringpointsandgroundwaterlevel

图10 地下水位与降雨量和库水位Fig.10 Diagramshowingaveragegroundwaterlevelof monitoringpoints，precipitationandreservoirwaterlevel

分析表明三峡库区的地下水以大气降雨就地补给为主，水动态特征随季节性而变化。滑坡区地下水位随库水位的涨落而变化，并保持密切的水力联系。综合表现为地下水位受降雨和库水位的双重影响而变化，它们之间具有复杂的响应关系。地下水的赋存和运移是对滑坡稳定性产生影响的主要自然因素之一。一方面地下水位升高，降低了滑坡体的有效应力；另一方面地下水的长期浸泡，降低滑体及滑带上的力学强度［11］。这两方面的作用均直接降低滑坡稳定性，导致其位移速率的变化。

4 结论

本文以三峡库区白家包滑坡为例，利用多种监测数据，综合统计分析了滑坡位移、变形速率和裂缝等变形特征。通过位移速率与降雨、库水位和地下水之间的影响机制分析，建立了滑坡变形与外界动态影响因素之间的响应关系。结果表明滑坡在2007年6月之前为蠕动变形初期，由于受降雨和库水位等外界因素的作用，6月滑坡发生剧烈变形，之后一直保持约75°主滑方向运动。滑坡体中前部位移速率大于后缘，其变形具有牵引式特点。滑体上裂缝与变形位移具有一致性，位移量越大的区域裂缝越发育。降雨量和库水位变化是引起滑坡阶跃型变形的主要因素，其中降雨强度、库水位下降及下降速率是导致滑坡位移速率波动大小的关键因子。

致谢本文滑坡监测数据均来源于三峡库区地质灾害防治工作指挥部，在此表示衷心感谢!

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