三峡库区三门洞滑坡变形特征与影响因素分析

易庆林 覃世磊 文 凯 周 宝 曾怀恩

(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. 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002; 3. 三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 湖北 宜昌 443002; 4. 三峡大学 湖北省水电工程施工与管理重点实验室， 湖北 宜昌 443002)

三峡库区自2003年蓄水以来，已经造成一系列库岸边坡失稳，对当地人民生命安全以及长江干流支流的航运造成了极大的安全隐患[1]．多年来三峡库区地质灾害问题引起了许多专家学者的关注，并进行了深入的分析研究，取得了丰富的成果[2-9]．三峡库区秭归沙镇溪镇三门洞滑坡作为库区专业监测滑坡，自2006年10月实施专业监测以来，该滑坡一直处于蠕滑变形阶段，近期专业监测报告反映该滑坡变形速率急剧增加，滑坡体地表变形明显，目前已处于欠稳定状态．该滑坡体上现有3户居民，共15人受到威胁，并且滑坡一旦失稳不仅威胁滑坡体上居民的生命财产安全，也将直接威胁长江支流青干河河道以及过往船只的安全．因此本文拟对三门洞滑坡进行变形特征分析以及对滑坡体变形的外界影响因素进行研究，分析滑坡变形与影响因素间的响应关系．

1 滑坡工程地质概况

滑坡体主要由崩坡积物组成，物质成分为碎块石土．滑坡及周边出露地层为侏罗系下统香溪群(J1x)，岩性主要为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，岩层倾向90～110°，倾角为25～35°．岩层走向与岸坡总体走向大致相同，属斜向结构岸坡．滑坡区地下水类型以孔隙水为主，主要赋存于第四系堆积碎石土体之中，砂岩为相对隔水层．坡面地下水沿岩土体孔隙向青干河汇聚，顺层面见有渗水现象．

三门洞滑坡平面形态为舌形，岩层倾向与坡面走向基本一致，滑坡前缘坡度较缓，中部和后缘逐步变陡．斜坡形态呈西高东低的凹形坡，滑体后缘高程350 m，前缘高程140 m，滑坡体前缘常年位于水位以下，后缘呈园弧状，以基岩为界，右侧以陡坎临空面为界，左侧以基岩山脊为界，平均坡度15°，均宽300 m，滑体长830 m，滑体面积24.9×104m2．滑坡体积448×104m3．主滑方向66°．

据现场地质调查，三门洞滑坡体物质主要为第四系残坡积碎石土，层厚10～20 m，土石比4∶6～3∶7，结构相对较松散，碎石成分主要为砂岩，碎石直径为2～3 cm，土主要为粘土，具有稍湿可塑的特性．其滑面为覆盖层与基岩的接触面，滑床主要由紫红或浅灰色泥岩和泥质砂岩构成．

2 滑坡变形特征分析

2.1 宏观变形特征

据调查，滑坡在2003年三峡水库135m蓄水后发生了较大变形；主要表现在2007年4月以后，滑坡地表发生明显变形．滑坡体前缘形成长约100 m，宽约10 cm，下座70cm的裂缝；滑坡后缘出现多处雁列式裂缝，断续延伸30 m；滑坡中部公路外侧处出现了长约20 m，宽度10 cm，下座15 cm的裂缝．2008年7月滑坡体前缘右侧出现新张裂缝，该裂缝走向70°，长约50 m，宽15 cm．2009年4月之后滑坡体中部公路处形成新拉张裂缝，裂缝走向110°，长约30 m，宽10 cm，同年6月该裂缝继续拉张10 cm，在此裂缝的持续变形影响下，最终将滑坡分割为两部分，其中滑坡下部变形位移大，上部变形相对较小．

图1 滑坡体后缘和前缘宏观变形图

近几年滑坡变形情况有所加剧，如2016年7月，在降雨的情况下，滑坡中部和前缘右侧发生坍塌；2016年8月：滑坡后缘左侧边界处村民墙体由于滑坡持续变形，导致部分墙体倒塌；2017年5月后，滑坡中后部左侧边界新修建的墙体再次出现裂缝，裂缝宽度1～5 mm，与原有裂缝走向基本一致．滑坡中前部右侧边界与村级公路交汇处路面破损严重，路面拉裂，路基下沉，缝宽5～12 cm；2017年10月，三门洞滑坡上下部分都出现明显的变形迹象，滑坡边界原有裂缝不断延伸扩展，左侧边界进一步贯通，裂缝呈剪切性，后缘边界裂缝呈拉张性．右侧边界裂缝呈剪张性，大部分呈连通趋势．

2.2 GPS监测位移变形特征

三门洞滑坡体上共布设2条基本平行的监测纵剖面，监测纵剖面方向与滑坡主滑方向66°大致相同．滑坡体上布设了6个GPS监测点，构成2纵3横监测剖面，各监测点位置如图1所示，监测点ZG362与ZG365位于滑坡体的前缘，监测点ZG361与ZG364位于中部，监测点ZG360与ZG363位于后缘．该滑坡从2006年10月开始专业监测，滑坡体上的6个监测点变形位移具有一定的同步性，但其位移变化幅度各异，如图3所示，其中位于滑坡后缘右侧的监测点ZG360变形位移最小，为983.859 mm，位于滑坡前缘左侧的监测点ZG365变形位移最大，为2 841.157 mm，整体表现为滑坡体前缘变形较后缘剧烈．滑坡变形呈阶跃型变形演化特征，每年的5～9月份累积位移曲线会突然上升，10月至次年3月累积位移曲线基本趋于平稳．

图2 三门洞滑坡专业监测点布置及滑动方向示意图

图3 累积位移-时间图

从图4可看出，各监测点变形速率-时间曲线具有一定的波动型规律．在2007年6月、2008年6月、2009年3月、2012年3～5月、2015年6月、2016年7月、2017年6月和10月，各监测点位移速率都处于波峰位置，即相应月份滑坡的变形情况最为活跃．2009年3月和2017年10月最为显著，分别达到了187.96(mm/月)和196.05(mm/月)．

图4 GPS监测点变形速率-时间曲线图

从图4可看出2007、2012、2015、2016以及2017年的位移变化速率在每年的6～8月都是很突出，在6～8月各个监测点的位移速率达到最高，表明每年的6～8月滑坡变形最为剧烈．从图中还可看出位于滑坡体前缘的监测点ZG362和ZG365的变形最为活跃，表明滑坡体前缘受外界因素影响最为敏感，目前监测点ZG362和ZG365的累积位移分别已达到2 178.1 mm、2 841.2 mm．结合图3累积位移-时间曲线分析ZG363和ZG364的变形趋势可看出，在2017年10月之前ZG363和ZG364的累积位移一直小于ZG361的累积位移，但在2017年10月秋汛之时该位置的变形量突增并反超监测点ZG361的累积位移，从变形速率曲线还可看出滑坡体左侧监测点ZG363、ZG364和ZG365比滑坡体右侧监测点ZG360、ZG361和ZG362的变形更为活跃，整体表现出滑坡体左侧的变形快于右侧的变形特征．最终认为滑坡体变形特征，不仅具有前缘变形大于后缘变形的特征，而且还具有左侧变形快于右侧的特征．

变形主要影响因素分析：影响滑坡体变形的因素，分为内因和外因：内因由边坡岩土体的性质、地质构造、岩体结构等组成，常常起着主要的控制作用；外因为地表水和地下水、地震、风化、人工开挖、爆破以及工程荷载等，常常起着诱发作用．对于三峡库区多数滑坡来说，大气降雨与库水位是滑坡体变形的主要外界影响因素．

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2.3 降雨的影响

当地降雨具有明显的季节性特征，即每年的5～9月为主要降雨期，降雨量占全年降雨量的70%左右．各监测点变形速率与降雨量的关系如图5所示．

图5 GPS监测点变形速率-降雨量-时间曲线图

从图5可以看出，滑坡变形速率随季节性降雨呈现出周期性变化，即每逢降雨集中期变形速率曲线均会上扬，年最大变形速率一般会出现在最大降雨量之后，年变形速率最小值则出现在降雨量最小的季节．分析表明降雨量与滑坡变形速率呈正相关，且降雨量越大降雨期越长，变形速率也就越大，但降雨与位移之间的响应有一定的滞后性．例如2007和2016的最大月降雨量分别为7月的224 mm和6月190.9 mm，当年最大变形速率分别为8月的83.317 mm/月和7月的83.5 mm/月．

分析可知2017年降雨对滑坡变形的影响十分显著，由于2017年汛期和秋季连续性强降雨，5～10月期间一共降雨1 028 mm，占2017年全年降雨量的78.52%，加剧了滑坡体的变形量，监测点ZG360、ZG361、ZG362、ZG363、ZG364和ZG3652在2017年变形量分别达到190.6 mm、387.3 mm、214.7 mm、534.6 mm、539.9 mm、442.6 mm，并于2017年10月滑坡体的变形速率达到最大196.05 mm/月．

据专业监测资料分析可知，2017年三门洞滑坡出现了3次加速变形过程(如图7所示)．①第一加速阶段3月25至5月27，在库水下降和持续降雨双重影响作用下，期间滑坡体变形速率上升，并于5月22达到最大2.36 mm/d；此期间库水位由163.68 m下降至157.43 m总共下降6.25 m，库水平均降速为0.156 m/d；沙镇溪镇出现持续性降雨，最大降雨量为90.2 mm/d，降雨天数高达23 d，共降雨273.8 mm，占全年降雨量的20.91%，结合图6分析认为此变形加速阶段受库水下降和持续性降雨的双重影响，但此次滑坡变形主要诱因为持续性降雨；②第二加速阶段6月初至7月中旬，受降雨和库水下降滞后性的影响，滑坡体变形速率在7月21日上升至3.087 mm/d；库水在此期间一直处于低水位145 m附近波动，库水在前一段时间由5月初的157.43快速下降至6月10日的145.35 m，共下降12.08 m，库水平均降速为0.431 m/d；此期间沙镇溪镇降雨27 d，最大降雨量为53.4 mm/d，降雨量为271.6 mm，占全年降雨20.75%，结合图6并对比加速阶段①分析认为该阶段受降雨和库水下降滞后性综合影响，但库水下降滞后性的作用更加显著．③9月中旬至10月下旬，受持续性强降雨影响，滑坡体变形速率在10月25日快速上升至6.76 mm/d；库水在此期间由150.49 m上升至174.19 m，共上升23.7 m，库水平均上升速率为0.527 m/d；此期间沙镇溪镇发生持续性强降雨天气，共降雨33 d，最大降雨量为53.4 mm/d，降雨量为392.4 mm，占全年降雨量的30%，结合(图6)并对比加速阶段①和②分析认为该阶段受持续性强降雨影响十分显著．

图6 2017年监测点累积位移-库水位-降雨量-时间图

图7 2017年监测点日均变形速率-时间图

综合分析降雨对滑坡体的作用机制如下，大气降雨不仅冲刷坡体表面形成坍塌，侵蚀破坏坡脚造成斜坡结构改变，另外降雨还沿着表面裂隙渗入坡体内部，增加滑体重度，形成孔隙渗透水压，软化滑体滑带，从而造成下滑力增大，坡体抗滑力减小．因此降雨是三峡库区滑坡变形的重要外界影响因素之一，并且分析表明降雨强度越大，降雨时长越长，将会引起滑坡体的变形越明显越活跃．

2.4 库水涨落影响

三峡库区运行期间库水呈周期性升降的变化规律，并且具有季节性特征．每年汛期到来之前6月10日左右库水位都必须要降至防洪限制水位145 m左右，并在汛期6～9月期间对库水进行防洪调控；9月10日左右水库开始蓄水，经过1～2个月的蓄水，库水位升至175 m左右，并保持高水位运行到12月底，次年的1月初库水位开始下降，经过5个月左右的调节，库水位于6月10日左右降至最低水位145 m左右，用来迎接汛期的到来．

据三门洞滑坡GPS监测累积位移-降雨量-库水位-时间曲线图(图8)可知，滑坡变形与库水位下降存在着较大的相关性．

图8 GPS监测点累积位移-降雨量-库水位-时间曲线图

在每年的6～9月，三峡库区进入低水位运行或者水位快速消落期，滑坡累积位移曲线在此阶段有一个明显的变形陡坎，即监测点变形量在此期间急剧增大；之后11月至次年1月水库进入高水位运行或缓慢消落期，累积位移曲线在此阶段将会逐渐趋于平缓，在此期间各监测点变形速率降低并趋近于零．因此库水位的波动是造成滑坡呈现周期性阶跃特征的一个重要因素，并且还具有明显的滞后效应．

分析图9监测点变形速率-库水位-时间图可知，监测点变形速率的上升一般都发生在库水位快速下降的后期，并且变形速率的峰值一般都出现在库水位下降到最低位置的汛期．如2008年6月库水位下降到144.72 m，变形速率达到峰值6.10 mm/d．

图9 GPS监测点变形速率-库水位-时间图

三峡库区在2008～2009年期间进行175 m试验性蓄水，此期间库水升降对滑坡变形的作用表现的十分显著．具体分析分3个阶段进行，第一阶段：2008年5月中旬至2008年9月，此阶段处于2008年的汛期，库水先由149 m快速下降至防洪限制水位，之后一直处于低水位145 m左右运行，期间共降雨742.4 mm，占全年降雨量61.8%，最大降雨量为8月29日77.9 mm/d，期间滑坡体出现周期性阶跃变形，最大变形位移为ZG365的452.13 mm，此期间库水对滑坡变形的影响具有一定的滞后，滞后期约为10 d左右；结合(图10)分析得出该阶段是由降雨和库水位下降共同作用引起的滑坡体变形，这表明在库水位下降期间若出现持续性降雨或强降雨，将对滑坡体的稳定性产生更大的影响．第二阶段：2008年10月至2009年2月，此阶段处于三峡库区首次蓄水至172.8 m和第一次高水位运行期间，滑坡体在此期间出现了大幅度的变形，最大变形位移为587.60 mm，变形速率持续上涨至5.24 mm/d，期间共降雨253.3 mm，最大降雨量为32.4 mm/d；结合图10分析认为该阶段的主要影响因素是175 m实验性蓄水，库水从低水位145 m附近经过48 d的蓄水直接达到了172.8 m，库水上升平均速率为0.574 m/d，库水的快速上升使得滑坡体前缘经受高水位浸泡，约30 m高的滑坡前缘被水浸泡，库水对滑坡体前缘产生的软化效应以及悬浮减重效应，使得坡体松散物质以及滑带的力学性质急剧降低，加之坡体内部应力重新调整，最终导致了滑坡体在此期间的持续大幅度变形．第三阶段：2009年3月至2009年6月，此阶段处于第一次高水位下降阶段，库水由3月初165 m下降至6月初的145 m，库水平均下降速率为0.18 m/d，因为该阶段为第一次由高水位下降至145 m，滑坡体在此阶段变形持续加剧，最大变形位移为428.62 mm，最大变形速率6.27 mm/d；结合图10～11分析认为此阶段滑坡体持续变形主要影响因素是库水下降．

图10 2008～2009年监测点累积位移-库水位-降雨量-时间图

图11 2008～2009年监测点日均变形速率-时间图

分析图12库水位升降速率-监测点变形速率-时间图可知，库水位升降速率与监测点变形速率具有明显的相关性，如2016年6月，三峡库区水位日降幅调整后由原0.6 mm/d升至1.2 mm/d，三门洞滑坡最大变形速率由原1.58 mm/d上升至2.61 mm/d．2017年7月11日至8月5日，库水位由156.17 m降至146.03 m，日均下降0.42 m，其中最大日升降幅度为1.11 m/d，当月最大变形速率为2.90 mm/d．由此分析表明滑坡的变形对库水位快速下降的响应十分敏感，库水下降速率越快，对滑坡的稳定性影响越大．

图12 GPS监测点变形速率-库水位升降速率-时间图

综合分析认为，该滑坡主要物质成分为粉质粘土夹块碎石及碎块石土，渗透性差，下伏基岩斜顺层，且相对隔水，为退水滞后性滑坡．因此库水对该滑坡的影响主要体现如下，当库水位处于上升期间时，库水位高于地下水位，形成负落差反压坡体，浮托力抵消部分滑坡的下滑力，产生有利于滑坡稳定的结果；但当库水位下降时，由于库水下降速率高于地下水下降速率，形成了库水水位低于地下水位的情况，从而导致地下水向水库排水，地下水渗出较慢形成的落差将不断增加，产生的动水压力也逐渐扩大，滑坡的稳定性不断降低，在此期间滑坡体的变形将尤为突出并呈现出一定的滞后性．特别是库水位快速消落时，稳定性降低的幅度将会更大，滞后性也表现得特别明显．

3 结 论

本文以三峡库区三门洞滑坡为对象，根据宏观巡查数据和GPS专业监测数据，综合分析了滑坡体地表位移，裂缝和变形速率等变形特征．通过分析滑坡体变形速率与降雨、库水位升降以及库水位升降速率之间的关系得出以下结论：

1)滑坡体不仅具有前缘变形大于后缘的牵引式运动特征，还具有左侧变形快于右侧的运动特征，滑坡整体上呈现出前缘快、后缘慢、指向青干河的运动特征；近期滑坡体变形尤为活跃，目前处于蠕滑欠稳定阶段．

2)滑坡属于退水滞后型滑坡，大气降雨和库水升降是其外界主要影响因素，受库水和汛期降雨季节性周期性的影响，滑坡呈阶跃型变形特征，并且阶跃幅度的大小随着降雨强度，降雨时长，降雨量，库水位下降速率的上升而增大．

3)滑坡受库水位和降雨的强烈影响，并具有敏感的响应机制，尤其在每年汛期，库水位快速下降至防洪限制水位，此时滑坡体受到强烈的动水压力和降雨共同作用，致使滑坡体在此期间变形特别突出，因此建议此期间的专业监测预警工作应适当增加密度并与当地群测群防工作紧密联系，以防险情发生．