西南某水电站坝前堆积层斜坡变形预测与预警

周 辀,沈军辉,舒俊城,段伟锋,杨日昌,李 颖

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310000)

由于斜坡的变形破坏具有复杂性、随机性和不确定性，因此，关于斜坡变形的预测预警研究一直是工程地质界的热点，但同时也是最大的难点[1]。而堆积层滑坡作为滑坡的一种基本类型[2-3]，其分布范围广泛，物质组成的差异性大，空间结构的复杂性强，且具有与很多其他类型滑坡不同的特点[4-7]，尤其是当堆积层滑坡威胁到重大工程的施工和运营时，人类很难平衡生产、生活与滑坡灾害的矛盾，这也给地质工作者精准预测预警滑坡灾害提出了新的要求。

在滑坡预测模型研究方面[8-9]，具体包括确定性预报模型[10-13]、统计预报模型[14-17]、非线性预报模型[18-21]、综合预报模型[22-25]4类。然而，滑坡发生的主要原因是受斜坡应力状态的改变和滑带土物理力学参数的降低共同控制的，上述预测方法本质上是在已有的滑坡位移-时间函数基础上进行拟合和外推，一般用于“后验性”检验，而“先验性”预测成功的案例并不多见。其原因在于各预测模型的适用范围界定尚不明确，例如，若采取不相同的模型对某一滑坡的某一阶段的监测数据进行预测分析，其结果将会有很大出入；而对于某一滑坡不同监测阶段运用相同的预测模型，也会得出不同的预测结果。在研究滑坡是否进入临界破坏阶段的定量参数指标方面，将定量指标判定参数的数量作为划分滑坡预警判据研究的依据时，可分为单一参数预警判据[26-27]和双参数预警判据[22-23,28]，其中双参数预警判据在实际预警中取得了良好的效果[29-30]。

大量的滑坡实例表明，某些斜坡由于个性特征强烈[31]，其在变形-破坏过程中所呈现出的时间-空间演化特征和各变形定量参数并不会完全与预测结果相符合。因此，本文将在详细掌握研究对象地质背景条件的基础上，运用地质-力学-变形模型[22-23]和位移-时间曲线切线角法[32-33]对该堆积体变形破坏的临界位移和临滑变形速率开展预测研究，并结合其时间-空间演化规律[31]建立预警综合判据。在提高本研究对象预测预警可靠性的同时，也为将来类似斜坡的预测预警“先验性”研究提供借鉴。

1 地质体概况

1.1 堆积体基本特征

该堆积层斜坡位于水电站坝前右岸(凹岸)，距坝址约0.5 km，属高山峡谷地貌。整体形态呈“舌”形，沿江呈近东西向展布，坡向N70°E，坡度35°，海拔高度 2 050～2 500 m，面积约0.158×106m2，体积约 3.098 5×106m3。斜坡中后部下伏基岩内发育有断层f1。堆积层下部出露的基岩为变质钙质石英砂岩、黑云母石英片岩和板岩，属于上三叠统杂谷脑组(T3z)地层(图1)。

该堆积体地质成因复杂，为河谷快速下切之后多期次崩塌、滑坡堆积所形成。其中f1下盘基岩产状N9°～40°W/SW∠21°～68°，为逆向坡，不易发生大规模滑坡；但受构造及风化作用影响，岩体结构破碎，节理、裂隙发育，易发生崩塌，因此，在海拔高度 2 050～2 310 m的堆积层主要由堆积于早期形成的阶地平台附近的多期次崩塌构成。而f1上盘基岩产状N50°～60°W/NE∠15°～32°，为顺向坡，坡体结构有利于滑坡的发生，因此，海拔高度 2 310～2 500 m的堆积层主要由一期老滑坡堆积构成。堆积层上部的老滑坡体由块碎石土构成，块石完整性及成层性较好，且普遍具有早期滑动形成的揉皱；而老滑带产状为N20°～60°W/NE∠16°～31°，厚度0.6～1.0 m，主要由土夹碎石组成，结构中密，碎石具有一定的定向性和磨圆度(图1-A、B、C)。

1.2 堆积体变形特征

自2017年7月14日堆积体在海拔高度2 340～2 420 m的边坡出现变形开始，截至2017年11月4日变形趋于停滞时，其变形特征大致可分为3个阶段：阶段Ⅰ，在海拔高度 2 415～2 420 m初步形成弧形拉裂缝L1；阶段Ⅱ，弧形拉裂缝L1进一步扩展、拉张、下错，变形体两侧形成断续延伸的侧翼剪张雁行式裂缝L2、L3；阶段Ⅲ，弧形拉裂缝L1继续扩展、拉张、下错，并与两侧雁行式裂缝L2、L3在海拔高度 2 385～2 415 m初步贯通。最终，拉裂缝L1最大下错高度1.8 m，最大累计位移2.4 m，变形区分布面积1.4×104m2，体积约0.15×106m3(图1)。

1.3 变形影响因素及机制

本次变形是受边坡工程施工(图2-A、B)和降雨因素(图2-C)共同作用所诱发。在边坡工程施工方面，主要体现在：开挖工作面不仅破坏了原坡表在长期风化和人类耕植作用下形成的具有一定隔水作用的黏粒土层，为降雨入渗坡体内部提供良好的通道，也改变了斜坡的原始地貌，提供了有利于变形发生的前缘临空条件(图2-A)和后缘汇水入渗条件(图2-B)。而降雨与变形发生的直接相关性(图2-C)主要体现在降雨入渗增加了岩土体的容重(表1)，使斜坡的下滑力增大，同时大幅度降低了滑带及错动带岩土体的强度(表1)。

1.4 变形失稳模式

综合现场调查、变形监测、岩土体强度试验的结果后发现：变形体后部的滑动是沿老滑坡滑带进行，而中前部的滑动是沿老滑坡滑体内部的错动带进行(图1-B、C)，其中块碎石土在天然与饱和状态下的强度参数均强于其后缘老滑坡滑带土(表1)；而地表裂缝的演化过程也表现出由后缘的拉裂缝L1逐步向前缘扩展形成侧翼剪张雁行式裂缝L2、L3的模式(图1)，且变形体范围内各地表位移监测点的累计位移均遵循后部测点大于前部的特征(图2-C)。这种变形由后缘逐渐向前缘发展，累计位移量值逐渐减小，具备上陡下缓的两段式复合滑带(31°→16°)，且前缘抗滑段岩土数值计算所需的体积模量K和剪切模量G根据K=E/[3(1-2μ)]和G=E/[2(1+μ)]由弹性模量E和泊松比μ计算得到；各材料均概化为弹塑性材料并遵循Mohr-Coulomb屈服准则体强度显著大于主动段和主滑段滑带土[34]，都说明该变形体的变形模式属于推移式[31]。

表1 堆积体岩土体物理力学参数综合取值Table 1 Summary of comprehensive values of physical and mechanical parameters of rock-soil mass in deposit

2 变形预测

2.1 基于地质-力学-变形模型的临界位移预测

2.1.1 地质-力学-变形模型的构建

基于地质-力学-变形模型预测临界位移的基本方法是[22-23,35]：以有限差分数值模拟技术为计算平台，在对斜坡变形进行工程地质综合分析的基础上，建立地质-力学模型，进行应力场-形变分析；不断校正斜坡的地质-力学计算模型，使之与斜坡实际变形特征和位移监测数据相“耦合”；将“耦合”后的模型运用有限差分强度折减法进行时间-空间的延拓计算，当计算至模型处于临界破坏状态时，其所得的位移值即为临界位移的预测值。

c′=c/FRF

(1)

φ′=tan-1(tanφ/FRF)

(2)

式中：FRF为折减系数;c、φ分别为原始内聚力、内摩擦角;c′、φ′分别为折减后的内聚力、内摩擦角。

根据堆积体工程地质主剖面图1-1'(图1-B)建立数值计算全尺寸模型，并在模型中布置与实际监测点TPlsB-2(变形体后缘)和TPlsB-5(变形体前缘)位置相同的监测点B2和B5，同时依照特征点位移突变判据的要求，在坡表和坡体内布设16个监测点(图3)。

根据岩土体物理力学试验的结果(表1)设定模型各区的计算参数，并选取TPlsB-2测点的实测位移-时间曲线与模型计算B2测点的位移-时步曲线进行拟合，拟合结果为实际监测时间的1 d，相当于数值计算中的35 step(图4)。当模型计算到 2 975时步时，其应力、位移、应变和塑性区分布情况与实际斜坡变形状态(2017年11月4日的变形状态)趋于一致，因此，将该状态设置为地质-力学-变形模型的初始状态。

2.1.2 变形破坏临界位移预测

a.特征点位移突变失稳判据

以模型的初始状态作为变形预测的起始时刻，为保证获取的监测数据具有连续性，对前期折减计算的抗剪强度折减系数增量取0.005，而对模型即将发生失稳破坏时的抗剪强度折减系数增量改取0.001。计算结果显示，除监测点P4、P8、P11、P12、P13、P14、P15、P16外，其余各监测点的位移突变特征都在折减系数增大到一定值时出现(图5)。

由于强度折减系数增量较小，需要对变形曲线进行拟合才能准确得出变形失稳破坏时的折减系数和临界位移值。由各监测点合位移与折减系数的关系曲线可得，其二者整体上满足如下指数方程

k=aeb/(δ+c)

(3)

式中：k为折减系数；a、b、c为待定系数；δ为合位移。

选取监测点B2和B5作为主要特征点。因为在推移式变形中后缘变形量大，易于观测分析；而前缘变形量虽然较小，但对斜坡的失稳破坏却起着至关重要的作用(图6)。

表2揭示了指数函数方程(3)对各监测点数据的拟合结果，其相关性系数均在0.99左右，而斜坡稳定性系数(S)的相对差值为

表2 模型各监测特征点k-δ曲线拟合结果Table 2 Fitting results of k-δ curve of each monitoring characteristic point of the model

[(Smax-Smin)/Smin]×100%=[(1.05162-

1.0461)/1.0461]×100%=0.528%

由于相对差值浮动较小，考虑到稳定性计算的冗余度，模型后缘B2监测点和前缘B5监测点的合位移δ在方程(3)中的折减系数k可取最小值1.0461，因此，合位移δ计算结果为

b.剪应变增量和塑性区贯通失稳判据

图7和图8揭示，模型中剪应变增量和剪切塑性区均在实际变形体范围内和滑带附近基本贯通。综合上述3种判据得出：变形体在后缘监测点B2处的变形量达到6.69 m或前缘监测点B5处的变形量达到0.449 m时，处于临界失稳状态。

S为斜坡的稳定性系数

2.2 基于位移-时间曲线的临滑变形速率预测

2.2.1 位移切线角法的优化

斜坡由变形到破坏的过程中，其累计位移-时间曲线(s-t曲线)通常需经历3个阶段，即初始、等速和加速变形阶段[32,36]。而在这其中，曲线横坐标与曲线中某时刻切线的夹角，被称为s-t曲线中该时刻的位移切线角。由于s-t曲线横纵坐标的量纲可变，即改变横纵坐标系的比例后，该时刻的位移切线角也会随之改变，但是其整体曲线依然会表现出变形-破坏三阶段的模式，从而使预测结果表现出不唯一性的特点[32-33,36]。

由于s-t曲线等速变形阶段s与t之间呈线性关系，因此，可以计算出累计位移值s与等速位移速率v的比值，其中v可以视为恒定值，从而把s-t曲线中的横纵坐标转换为具备时间量纲一致性的特征[32-33,36]。

(4)

式中：Δs(i)为某一单位时间段内斜坡变形位移变化量；T(i)为变换后与时间相同量纲的纵坐标值。

图9为通过(4)式计算后得出的T-t曲线，而公式(5)为经过上述改进后的切线角αi表达式。

(5)

式中：ti为某一监测时刻；Δt为对应Δs的单位时间段；ΔT为单位时间段内T(i)的变化量。

根据上述分析得出：αi<45°时斜坡处于初始变形阶段；αi≈45°时斜坡处于等速变形阶段；αi>45°时斜坡处于加速变形阶段。

2.2.2 临滑变形速率预测

对堆积体模型进行变形-破坏的全过程数值计算，并根据临界位移预测中时步-时间的拟合结果建立变形体模型后缘B2测点的s-t曲线和T-t曲线(图9)。

通过对比大量滑坡监测数据[32-33,36]后发现：T-t曲线中切线角>45°时，斜坡进入加速变形阶段。对该阶段进一步细分：45°<切线角<80°为初加速阶段；80°≤切线角<85°为中加速阶段；切线角≥85°为临滑阶段。将上述T-t曲线中的切线角节点数据代入原s-t曲线，得到加速变形各亚阶段的变形速率区间：等速变形阶段变形速率为0.013 m/d；初加速变形阶段变形速率为0.013～0.06 m/d；中加速变形阶段变形速率为0.06～0.109 m/d；临滑阶段变形速率为>0.109 m/d。

3 预警综合判据

3.1 变形时间-空间演化规律

根据推移式变形3个阶段演化特征和地质力学模型[31,34]，得到该变形体现有及推测的时间-空间演化规律(图10)[31]。

i.变形前开挖阶段(2016年6月24日-2017年6月15日)，该阶段堆积体未发生明显变形，但是为变形奠定了重要的基础，进一步可划分为：变形前施工便道开挖阶段(i-1)、变形前支护工程施工阶段(i-2)。

ii.初始变形阶段(2017年6月16日-2017年7月31日)，该阶段受前期开挖和连续降雨影响，变形体后缘出现弧形拉张裂缝，并已从未发生明显变形阶段过渡至变形显著发展阶段。

iii.等速变形阶段：iii-1.该阶段变形体后缘拉裂缝继续扩展的同时，两侧雁行式裂缝初现，后缘滑带也初步形成(2017年8月1日-2017年8月31日)；iii-2.变形体后缘拉裂缝继续扩展并与后缘两侧雁行式裂缝初步贯通，中后部滑带初步贯通，并向前缘发展(变形体目前处于这一阶段)(2017年9月1日-2017年11月4日)。

iv.加速变形-破坏阶段，该阶段变形体后缘和两侧裂缝将加速贯通，前缘抗滑段出现大量隆胀裂缝，变形曲线趋于陡立，最终抗滑段滑面贯通，发生滑坡灾害。

3.2 预警综合判据

基于《中华人民共和国突发事件应对法》对滑坡灾害的预警分级：注意(蓝色)、警示(黄色)、警戒(橙色)、警报(红色)4个等级，结合变形体变形定量预测和时间-空间演化规律分析的成果，提出该堆积体变形-破坏预警的综合判据(图11)。

4 结 论

a.本文研究的堆积层斜坡，地质成因复杂，为多期次崩塌、滑坡堆积所形成。斜坡上部老滑坡堆积体内的变形，是受其本身的坡体结构和物质组成特征控制，并在边坡工程施工和降雨的共同作用下诱发的。

b.构建了地质-力学-变形模型进行岩土体强度折减的有限差分计算，并使之与实际监测数据相“耦合”。通过对该模型做时间和空间延拓，预测变形体失稳时的临界位移，其中后缘B2监测点的临界位移为6.69 m，前缘B5监测点的临界位移为0.449 m。

c.对模型进行全过程数值计算，获得变形体后缘B2监测点的s-t曲线，通过优化的位移切线角法转换为横纵坐标相同时间量纲的T-t曲线，当T-t曲线中的位移切线角达到85°时变形体进入临滑阶段，由此得出变形体后缘B2监测点的临滑变形速率为0.109 m/d。

d.该斜坡变形的时间-空间演化规律为：变形体经历了初始变形——后缘拉裂缝形成阶段和等速变形——中段侧翼剪张裂缝产生阶段，尚未进入加速变形——前缘隆胀裂缝形成阶段。

e.基于变形体变形定量预测和时间-空间演化规律分析的成果，提出该堆积体变形-破坏预警的综合判据，提高了预警的准确性，也为将来类似斜坡的预测预警研究提供借鉴。