滑坡变形特征的GPS监测信息识别研究

杨建国，晏鄂川，程温鸣

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074;2.重庆地质矿产研究院，重庆 400042;3.三峡库区地质灾害防治工作指挥部，湖北宜昌 443000)

1 研究背景

近几年，为了有效减少滑坡的危害性，国内已经广泛实施了滑坡专业监测工程，尤以三峡库区滑坡监测预警工程最为典型［1－2］。通过滑坡监测工程可以获取众多的监测数据信息(滑坡的变形、应力应变、降雨量和地下水位等)，但目前的难题是如何识别与应用这些监测数据信息，有效地应用于滑坡变形状态(或稳定性)的判别与预测预报研究［3－4］。马水山［4］等通过对滑坡监测资料的因子分析，探讨了滑坡变形的主要影响因素;文献［5－6］在滑坡监测位移－时间曲线形态的基础上，分析了滑坡的稳定性。目前，对于滑坡监测资料的分析与应用，主要集中在滑坡位移－时间曲线的形态研究，并结合滑坡演化阶段定性地分析滑坡稳定性状态与发展趋势。

本文以三峡库区近40个滑坡的GPS地表位移信息为基础，研究了地表位移曲线类型;识别监测点的位移特性与滑坡整体滑动位移的关系，从而揭示滑坡的变形状态或稳定性变化趋势;结合滑坡实例采用数值模拟方法对比研究了该滑坡的变形过程，结果与实际监测吻合较好。

2 滑坡GPS地表位移监测曲线类型

库水变动对滑坡的作用具有持续性、周期性等特点，滑坡变形也表现为一定的规律性。然而在对三峡库区大量滑坡的地表水平位移统计后发现(图1至图3)，只有少数变形量比较大的滑坡(图1)，其位移－时间曲线才具有明显的台阶上升状，对于大多数滑坡的累积位移－时间曲线很难或不表现为较好的可识性(单调性)，其位移值甚至回到零点(图3)。

图1 奉节F1滑坡监测累积位移-时间曲线Fig.1 Curves of cumulative displacement-time of F1 landslide at Fengjie

通过对三峡库区近40个滑坡GPS地表位移监测资料的分析，本文将库水作用下滑坡监测位移－时间曲线分为阶梯上升型、波动上升型与波动型3种类型(分别对应图1至图3)，其特征见表1。

3 滑坡地表水平位移变化规律分析

将典型的3类曲线(图1至图3)对应监测点的GPS数据按照x和y坐标随时间变化投影在平面上可显示其运动轨迹。

图2 巴东B1滑坡监测累积位移-时间曲线Fig.2 Curves of cumulative displacement-time of B1 landslide at Badong

图3 奉节F2滑坡监测累积位移-时间曲线Fig.3 Curves of cumulative displacement-time of F2 landslide at Fengjie

表1 库水作用下滑坡位移-时间曲线分类Table 1 Classification of cumulative displacement-time curves under the action of reservoir water

投影结果表明:阶梯上升型曲线监测点的运动轨迹(图4)在不同工况下的位移矢量方向近乎一致，且与勘察主滑方向呈小角度相交，单次运动矢量长度也较大;波动上升型曲线监测点整体的运动方向(图5)有一定的趋势性，整体趋势与勘察主滑方向夹角较小，但在局部阶段运动矢量方向杂乱，出现相交现象;波动型曲线监测点的运动轨迹(图6)在平面上很杂乱(类似微粒的布朗运动)，整体表现为围绕监测点初始位置震荡，震荡方向也与勘察主滑方向相差很大，不同工况下的位移矢量互相交叉。

图4 F1滑坡GPS监测点平面运动轨迹Fig.4 Plane trajectory of GPSmonitoring points of F1 landslide

图5 B1滑坡GPS监测点平面运动轨迹Fig.5 Plane trajectory of GPS monitoring points of B1 landslide

图6 F2滑坡GPS监测点平面运动轨迹Fig.6 Plane trajectory of GPS monitoring points of F2 landslide

上述曲线类型所对应的滑坡监测点运动轨迹特征，除与具体滑坡的地质特征、外界影响因素等方面有关外，可以从滑坡演化阶段上予以解释。当滑坡形成初期，内部点变形处于弹性阶段，变形量值较小，运动方向杂乱(类似于布朗运动)，表现为随着时间变化绕平衡点做震荡运动，滑坡整体运动方向的趋势性很小;当滑坡局部变形达到塑性状态时，也即滑坡整体处于弹性-塑性状态，内部点变形量值有所增大，呈“Z”字型向主滑方向运动，滑坡整体运动方向具有一定的趋势性;而当滑坡变形各点均处于塑性状态时，变形量值很大，各点运动轨迹以直线为主，滑坡的整体方向趋势性很强。因此，滑坡监测点运动轨迹的变化特征，在一定程度上也受控于该滑坡所处的变形阶段，不同的滑坡监测位移－时间曲线指示了滑坡的不同变形阶段。

因此，对于滑坡监测信息分析时，考虑到三峡库区水位变化较大的特点，在研究位移－时间曲线波动上升型与波动型滑坡或者由于滑坡地表起伏特征导致监测点运动方向与主滑方向相差较大时，应基于不同水位工况下的位移矢量变化情况来进行滑坡的变形预测与稳定性分析，才能准确地掌握监测点在不同工况下的真实运动规律。

4 实例分析

4.1 滑坡概况

三峡库区某滑坡位于长江左岸，巴东县东瀼口镇。滑坡前缘高110 m，后缘高255 m，纵长230 m，宽580 m，平均厚度15 m，总面积13.34×104m2，总体积200.1×104m3，平面形态呈横长形，总体坡向170°，剖面形态为凹型，高程185 m上发育滑坡平台，平均坡度10°～15°。滑坡后壁因后期改造已不明显，东西两侧各发育有一条面流沟，横断面呈“V”字形，沟谷宽20～40 m，切深10～20 m，两冲沟构成了滑坡东西侧边界(见图7照片)。滑体为第四系滑坡堆积碎块石土(Qdel)，一般厚度10～30 m，土石比4∶6，结构较为松散，渗透性较强;滑床为巴东组第二段(T2b2)紫红色泥质粉砂岩，斜坡结构类型为顺向坡;滑带为粉质黏土夹碎石、角砾，厚度40～160cm，见图8。

图7 滑坡全貌Fig.7 Panorama of the landslide

该滑坡为一复活型老滑坡，三峡水库蓄水后，滑坡中前部涉水，在滑体重度增加，滑带土力学参数降低，及孔隙压力、渗透力作用等因素影响下产生复活。

4.2 滑坡监测资料分析

该滑坡主监测剖面各点水平位移自2007年3月份以来变动很大(图9)，受库水位变化影响变形速率存在一定差异，呈现震荡趋势，具有波动上升型的曲线特征。总体趋势为高水位时变形较低水位明显，且表现出库水位上升阶段累计位移呈小幅波动，库水位下降阶段变形速率突然增大变形加剧的特征。滑坡地下水位监测显示，其变化在非雨季与库水变化具有很高的一致性(见图10)。

上述特点表明，库水位变化作用对该滑坡的变形发展有很大影响。

图8 滑坡工程地质剖面图Fig.8 Engineering geological profile of the landslide

图9 滑坡主剖面水平累积位移曲线Fig.9 Curves of cumulative horizontal displacement-time of the landslide(main section)

图10 滑坡前缘地下水位监测曲线Fig.10 Curves of observed groundwater level at the front edge of the landslide

4.3 滑坡监测点运动规律模拟

根据滑坡物质组成及结构特征，将该滑坡的物理介质概化滑体土与滑床基岩2种介质。计算模型范围，顺河流方向长741.21 m，垂直河谷方向宽为569.42 m，模型最大高度310 m，底部高程0 m。运用ANSYS建立的滑坡三维数值计算模型如图11所示。图中，编号S1，S2，S3分别代表主剖面G1，G2，G3地表GPS监测点。从计算精度与准确性角度出发，滑床网格单元大小取为40 m，滑体网格单元取为10 m，共9 844个节点，50 553个单元。计算参数根据现场测试、经验取值以及参数反演综合获得，见表2。鉴于监测数据的完整性与三峡库区水位正常调度情况，模拟截取2008年8月至2009年9月间的监测资料作为数值模拟的计算工况。根据库水位调度曲线“稳定-骤升-缓降-稳定”4个大的时间，为此可根据曲线突变点的个数将其概化为8种计算工况，具体见表3。

图11 滑坡三维数值计算模型Fig.11 Three-dimensional numerical model of the landslide

4.4 模拟结果分析

通过FLAC3D数值计算，根据监测点G3在8种工况下的x和y位移值与矢量角，将其运动轨迹绘制在坐标平面，得到了监测点在不同工况下的位移矢量图(见图12)，与实际监测运动轨迹在对应时间段内吻合得较好。将模拟监测点位移累积值以及在主滑方向的投影值与实际位移进行对比(图13)，表现出很好的一致性。

分析图12的模拟结果也显示:工况1至4，滑坡监测点位移矢量大小在10mm左右，矢量方向与主滑方向反向大角度相交，即指向坡内，表明库水上升对滑坡的稳定性影响较小，且由于监测点位移指向坡内有利于滑坡稳定;工况5至8，监测点位于矢量大小最大达到了30mm，矢量方向与主滑方向正向小角度相交，即指向坡外，表明库水下降对滑坡的稳定性影响很大，为滑坡的不利工况。分析结果月滑坡实际特征吻合。

图12 滑坡前缘监测点实际与数值模拟平面运动轨迹Fig.12 The actual and simulated plane motion trajectories of monitoring points at the front edge of the landslide

图13 数值模拟位移曲线与实际位移曲线Fig.13 Displacement-time curves obtained from the simulation and the monitoring

表2 岩土体物理力学参数取值表Table 2 Physical and mechanical parameters of rock and soil

5 结论

(1)通过对库区40个滑坡变形监测数据分析，将库水作用下滑坡监测位移－时间曲线分为阶梯上升型、波动上升型与波动型3类，得出在滑坡监测位移累积量值较小时，其变形－时间曲线往往具有很强烈的波动性。

(2)将滑坡GPS监测点按x和y坐标随时间的变化投影在平面上，可以获得滑坡监测点的实际运动轨迹。对于累积位移－时间波动型滑坡监测点实际运动轨迹与勘察主滑方向存在较大差异。

(3)滑坡的最终位移场是其所经历的所有工况所产生位移场的矢量叠加而形成的，单独考虑其累积位移量值或将其投影到主滑方向来分析滑坡稳定性及变形预测，会产生较大误差。

(4)通过对三峡库区某滑坡监测位移信息分析与数值模拟，表明该滑坡是典型的库水作用渗透压力型滑坡。表现出库水上升时监测点位移量值较小，且位移方向大致指向坡内;库水下降时监测点位量值较大，且位移方向与坡向一致，为该滑坡的不利工况。

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