库水位升降联合降雨作用下白家包滑坡稳定性评价

杨背背，殷坤龙，黄发明，周超

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074；2.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉430074）

库水位升降联合降雨作用下白家包滑坡稳定性评价

杨背背1，殷坤龙1，黄发明2，周超1

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074；2.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北武汉430074）

库水位升降和降雨通过改变三峡库区库岸滑坡岩土体的抗剪强度和应力状态，影响库岸滑坡的稳定性。为探讨白家包滑坡在库水位升降和降雨联合作用下的稳定性变化特征，本文首先根据GPS监测数据定性分析白家包滑坡变形规律，再采用Geo-studio软件计算4种工况下滑坡的稳定性系数，最后采用R/S分析法计算各GPS监测点累积位移的Hurst指数，并将Hurst指数值与Geo-studio数值模拟结果进行对比分析。结果表明：白家包滑坡累积位移曲线呈“阶跃状”特征；滑坡稳定性受库水位升降和降雨的综合影响，库水位下降时稳定性系数减小，上升时稳定性系数增大，降雨也能在一定程度上降低滑坡稳定性；175～145 m加降雨工况下滑坡最小稳定性系数为1.034，处于欠稳定状态；各监测点Hurst指数均介于0.5～1之间，表明未来滑坡变形将持续加剧，与滑坡变形定性分析及稳定性数值模拟结果一致。

白家包滑坡；库水位升降；降雨；R/S分析；滑坡稳定性

1 研究背景

库水位升降和降雨是诱发水库库岸滑坡的重要因素［1-2］，二者主要通过改变边坡岩土体的抗剪强度和应力状态影响边坡稳定性［3］。国内外由于库水位升降引发库岸滑坡的实例屡见不鲜。1963年意大利Vajoint水库在持续降雨和人为调控下库水位发生骤涨骤落，诱发了大规模库岸滑坡，毁灭了下游的一座城市和几个村镇，成为世界上最大的滑坡事件之一［4］。2003年6月，在三峡水库蓄水到139 m高程水位期间千将坪滑坡失稳，导致24人死亡或失踪［5-6］。因此，开展库水与降雨联合作用下滑坡稳定性研究具有重要的理论和实践意义。

目前，许多研究人员在库水位升降及降雨作用下滑坡稳定性评价方面开展了大量的研究工作。张桂荣等［7］针对三峡库区库水位调控方案和极端降雨情况，将暂态孔隙水压力分布用于滑坡极限平衡分析中，对不同降雨强度及库水位变动条件下秭归县八字门滑坡进行了稳定性分析，确定了该滑坡在不同工况下的失稳临界降雨强度。刘新喜［8］采用自编计算机程序开展了库水位骤降与降雨耦合作用下滑坡体稳定性计算。周永强等［9］运用非饱和土渗流理论和抗剪强度理论，以付家坪子高陡滑坡为例，采用极限平衡法，分析了库水位变化联合降雨工况下滑坡的稳定性。朱鹏谱［10］在考虑三马山滑坡区复杂水环境条件下，利用滑坡推力计算理论，分别对降雨和库水组合的7种不同工况进行稳定性分析，得出最不利滑坡稳定的工况。

这些研究主要是以滑坡内部的岩土力学作用机制为基础，采用数值模拟的方法探讨滑坡稳定性变化规律，较少结合滑坡的实际变形情况。而地表监测位移曲线能从滑坡地表宏观变形特征这一角度，反映滑坡真实的稳定性变化规律。因此把数值模拟结果与监测位移进行对比分析，能从坡体内部力学机制、地表宏观变形特征两个角度综合评估滑坡稳定性，将获得更全面可靠的滑坡稳定性特征。R/S分析法是一种描述和刻画非线性时间序列的有效方法，针对滑坡地表监测位移时序确定性与随机性共存的复杂非线性特征，采用R/S分析法对滑坡的长时期位移时序进行计算，能够较好地预测滑坡的变形趋势［11］。

因此，本文基于三峡库区白家包滑坡长期位移监测数据分析滑坡变形规律，在采用Geostudio软件进行数值模拟分析的基础上，结合地表监测位移时间序列的R/S分析法进行变形持续性判定。将数值模拟结果与R/S分析结果相互验证，达到对滑坡稳定性及发展趋势进行综合评估的目的。

2 地质概况

白家包滑坡位于三峡库区湖北省秭归县归州镇向家店村2组，长江支流香溪河右岸斜坡地带，为深层土质滑坡。滑坡前缘剪出口高程为135 m；后缘与基岩接触，高程约265 m；左右两侧以山脊为界。滑坡平面上呈短舌状，滑体东西长约550 m，南北宽约为400 m，总体积约为9.90×106m3，其平面图见图1。

图1 白家包滑坡平面图

白家包滑坡滑体物质主要为灰黄色、褐黄色粉质黏土夹块碎石及碎块石土，其成因为古滑坡堆积体；滑带土主要为灰黄色夹杂紫红色可—软塑状态的粉质黏土夹碎石角砾；滑床主要为侏罗系下统桐竹园组长石石英砂岩、粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，岩层产状为260°～280°∠30°～40°。白家包滑坡工程地质剖面图见图2。

图2 白家包滑坡工程地质剖面图

滑坡区地表水主要经由地表发育的冲沟排泄，地下水主要向香溪河排泄。地下水的主要类型为坡积物孔隙水和基岩裂隙水，且坡积物为滑坡区内主要含水地层，滑带为隔水层。地下水水位变动主要受大气降雨和库水位的影响。由于滑坡体自后缘向前缘，其物质结构由较松散变为较密实，因此其渗透性表现为中后部较中前部好。

白家包滑坡历史上曾发生多次滑动变形。2003年三峡库区135 m水位蓄水前，滑坡变形微弱；蓄水后，滑坡体上发育大面积变形裂缝［12］。2003年7月下旬连降大雨，雨后白家包滑坡后缘与基岩接触处、多处房屋、中部公路均出现不同程度的裂缝［13］。

3 滑坡GPS变形监测分析

白家包滑坡于2006年9月开始实施专业监测，坡体上共布设4个GPS监测点（ZG323—ZG326），各监测点位布置见图1。根据该滑坡的累积位移监测数据与同期的降雨量及三峡水库库水位调度资料绘制了监测点累积位移、大气降雨量与库水位的关系见图3。如图3所示，各监测点累积位移均随时间的推移不断增加，变形趋势基本一致，但位移变化幅度各异。其中，ZG323累积变形量最小，ZG326累积变形量最大，表明滑坡右侧较左侧变形强烈。

三峡大坝自2008年9月开始175 m试验性蓄水，白家包滑坡变形呈明显“阶跃状”特征。每年的4—9月，各监测点累积位移-时间曲线呈明显上升趋势，即各监测点位移速率增大；而在每年10月至次年3月，各监测点累积位移—时间曲线则相对趋于平稳。库水位下降及低水位运行时段，滑坡变形明显；相反，库水位上升及高水位运行期，滑坡变形相对微弱。说明库水位下降对滑坡稳定性的影响大于库水位上升的影响。此外，库水位下降时三峡库区正处于多雨期，降雨也能够在一定程度上影响滑坡的稳定性。降雨的季节性及库水位变动的规律性使白家包滑坡的变形和稳定性状态也存在着周期性变化规律。

图3 白家包滑坡累积位移-大气降雨量-库水位-时间关系曲线

4 数值模拟与R/S分析原理

4.1 稳定性计算原理

4.1.1 滑坡饱和与非饱和渗流模型库水位以上滑坡体处于非饱和状态，库水位以下处于饱和状态。库水位升降和降雨入渗导致滑坡体内地下水位不断变化，土体在饱和状态和非饱和状态之间转换，属于饱和与非饱和渗流问题［14］。以水头h作为控制方程的因变量，则饱和-非饱和渗流控制方程为：

式中：kx、ky分别为水平方向和垂直方向的饱和渗透系数，m/s；ρw为水的密度；g为重力加速度；mw为比水容重，

在得到岩土体的土水特征曲线和渗透性函数曲线之后，并附加边界条件和初始条件，即可得到滑坡体的瞬态渗流场。

4.1.2 极限平衡法Morgenstern-price法（简称M-P法）是一种常用的极限平衡法，由于该方法在滑裂面的形状、静力平衡以及多余未知数的迭代方面不做任何假定，因而可以确定任意滑裂面的边坡稳定性，也能较好地反映出最危险滑面各条块间相互作用力的情况［9］。本文采用M-P法计算不同工况下白家包滑坡的稳定性系数。

4.2 R/S分析R/S分析法（重标极差分析法）能够通过判断时序的分形特征与长程相关性，确定时间序列趋势性的持续和强度［11，15-16］。由R/S分析法建立的Hurst指数可作为判断时间序列数据遵从随机游走程度的指标。R/S分析的一般步骤如下所示：

分别计算每个子区间Ia的标准差SIa、累积均值离差序列{}xk，a、极差RIa，有

研究表明：H=0.5时，时间序列在各尺度上均相互独立；H=1时，时间序列完全正相关；0.5＜H＜1时，时间序列具有持续性，过去和将来的变化趋势为正相关，且H越接近1，表明持续性越强；0＜H＜0.5时，时间序列具有反持续性，过去和将来的变化趋势为负相关，且H越接近0，表明负趋势性越强。因此，Hurst指数可以用于判断滑坡未来的变形趋势。

5 稳定性综合评价

采用M-P法和地表监测位移时间序列的R/S分析法，探讨该滑坡在库水位升降联合降雨作用下的稳定性现状及发展趋势。

5.1 白家包滑坡地质模型选取白家包滑坡A-A主剖面为计算剖面，建立Geo-studio［17］计算模型，见图4。渗流计算边界条件设定基岩面为隔水零流量边界；坡体表面为降雨入渗边界；库水以下坡体为库水位边界。初始地下水位线的拟合结果以SK1监测孔地下水位监测数据为依据（图5），具有可靠性。

5.2 稳定性计算参数白家包滑坡岩土体抗剪强度参数主要根据勘察资料以及前人已有的研究成果综合获取［12］，具体参数取值见表1。滑坡体饱和渗透系数取8.7×10-5m/s，其渗透系数曲线见图6，饱和体积含水量取0.3，本文所用的土水特征曲线是Van-Genuchten模型拟合而成，结果如图7所示。

图4 稳定性计算模型图

图5 SK1号监测孔水位—时间关系曲线

表1 稳定性计算参数表

图6 渗透系数曲线

图7 土水特征曲线

5.3 计算工况依据库水位实际调度情况，将一年划分为4个时段：T1为10月份；T2为11月至次年4月；T3为5月初至6月中旬；T4为6月中旬到9月［18］，由库水位调度方案曲线（图8）设定库水上升速率为1 m/d，库水位下降速率设定0.67 m/d。

根据秭归县2007年1月～2012年12月降雨情况统计分析，设定T1时段（10月）降雨强度值为50 mm/d，T3时段（5月初至6月中旬）降雨强度为120mm/d，连续3天降雨作为降雨入渗计算初始条件。降雨发生在最初往往比发生在最末更危险［9］，因此设置从第4天起连续降雨3天。计算工况见表2。

图8 库水位调度方案示意图

表2 滑坡稳定性计算工况

5.4 稳定性计算结果采用Geo-studio软件中的Seep/W模块模拟白家包滑坡在不同库水位和降雨工况下的地下水位线，将滑坡体中的暂态孔隙水压力代入到slope/W中，根据M-P法计算滑坡的稳定性系数。不同工况下滑坡稳定性系数变化曲线如图9所示。

随着库水位上升，滑坡稳定性系数增大，这是由于库水位上升为滑坡提供了支撑力，相当于增大了滑坡的抗滑力。当库水位下降时，滑坡稳定性系数减小，主要原因是库水位下降过程中，随着滑坡体内地下水的渗流，渗透压力（动水压力）普遍作用于渗流场中的所有土粒上，但由于该滑坡体透水性弱，坡体内地下水位的变化速度远远跟不上地表水（库水位）的调整速度，地下水位的水力梯度明显增大，动水压力明显增强；同时，大部分坡体饱和度仍然较大，其重度也较大，从而导致滑坡整体稳定性降低。因此库水位下降对该滑坡稳定性更为不利，这也与GPS位移监测数据分析结果一致。

库水位升降联合降雨的工况与库水位单独作用时相比，滑坡稳定性系数均有所减小，分析原因主要是降雨入渗会使滑体物质软化而导致其抗剪强度降低，同时使处于非饱和状态的滑坡土体的饱和度增加，导致下滑力增大，这些作用都不利于滑坡稳定。

175～145 m加降雨工况下最小稳定性系数为1.034，低于要求的最低安全系数值1.05，说明白家包滑坡在该工况下处于欠稳定状态。库水位下降作用下稳定性系数降幅为0.112，而增加降雨条件时稳定性系数下降0.131，仅相差0.019，说明该滑坡受库水和降雨的综合影响，但以库水下降影响为主。由于白家包滑坡为深层土质滑坡，长期连续降雨才能有效抬升其地下水位进而改变坡体稳定状态。降雨量及降雨历时对白家包滑坡稳定性的影响还需进一步探讨。

5.5 监测位移R/S分析采用R/S分析方法，计算白家包滑坡4个GPS监测点2007年1月至2012年12月累积位移监测数据的Hurst指数，结果见表3。结果显示各监测点Hurst指数均介于0.5～1之间，表明各监测点位移时间序列具有正持续性，且趋势是增强的。预测白家包滑坡的变形位移将持续增大，其整体稳定性欠佳。根据各监测点Hurst指数与1的接近程度可以判断增量位移序列的趋势强度。其中ZG326的Hurst指数最大，推测白家包滑坡右前缘更易发生变形破坏。

表3 累积位移Hurst指数计算结果

6 结论

（1）白家包滑坡呈现出明显的“阶跃状”变形特征，且滑坡右侧较左侧变形强烈。降雨的季节性及库水位变动的规律性导致滑坡变形和稳定性状态也存在周期性变化规律。

（2）数值模拟结果显示该滑坡受库水和降雨的综合影响，但以库水位变动影响为主。库水位下降时，滑坡稳定性系数减小，库水位上升时，滑坡稳定性系数增大。175～145 m加降雨工况下滑坡最小稳定性系数为1.034，滑坡处于欠稳定状态。

（3）R/S分析结果表明各监测点的Hurst指数均介于0.5～1，预示白家包滑坡变形有继续扩大的趋势。稳定性计算结果与R/S分析结果保持一致，综合评价白家包滑坡欠稳定，在库水位下降和强降雨条件下，应加强监测并及时采取防灾措施。

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Stability analysis of Baijiabao landslide under reservoir water level fluctuation and rainfall

YANG Beibei1，YIN Kunlong1，HUANG Faming2，ZHOU Chao1
（1.Engineering Faculty，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan430074，China；
2.Geological Survey，China university of Geosciences（Wuhan），Wuhan430074，China）

Reservoir water level fluctuation and rainfall can influence landslides stability by changing the shear strength and stress state.In order to explore the landslide stability characteristics under the combina⁃tion effect of water level fluctuation and rainfall，the paper analyzes the deformation features of Baijiabao landslide based on GPS monitoring displacement data.Then Geo-studio software is used to calculate the safety factor of Baijiabao landslide in four working conditions.Finally，R/S method is used to calculate the Hurst index of four GPS monitoring points and is compared with stability analysis result.The results show that Baijiabao landslide with step-style displacement characteristic is affected by reservoir water level fluctu⁃ation and rainfall.The landslide safety factor decreases with water level drawdown and increases with water level rise.Rainfall can also reduce the landslide stability to a certain extent.In the condition of 175-145m water level and rainfall，the minimum safety factor of Baijibao landslide is 1.034 and means that the land⁃slide lacks stability.Besides，the Hurst index of four GPS monitoring point are all between 0.5 and 1，sug⁃gesting that the landslide deformation will be continuous，which is consistent with the results of stability analysis.

Baijiabao landslide；reservoir water level；rainfall；R/S analysis；landslide stability

P642.22

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.010

1672-3031（2016）06-0460-08

（责任编辑：李琳）

2016-04-14

国家自然科学基金项目（41572292，41572289）

杨背背（1990-），女，山东济宁人，博士生，主要从事地质灾害风险评价研究。E-mail：cugyangbeibei@163.com

殷坤龙（1963-），男，安徽当涂人，博士，教授，主要从事滑坡灾害预测预报与风险评价研究。E-mail：yinklong@163.com