基于专业监测的三峡库区蓄水后滑坡变形机理与预警判据研究

【摘要】国内外水库工程特别是大型水库工程中,水库蓄水及库水位周期性的循环涨落,经常会诱发库岸新老滑坡的产生或复活,这类受库水影响、由库岸斜坡孕育的滑坡通常称为库岸滑坡(或水库型滑坡)。大量调查和研究表明,在丘陵和山区水库中,因蓄水运行而造成库岸滑坡产生和复活的现象非常普遍。以长江三峡工程库区为例,仅据国务院2002年批复的《三峡库区地质灾害防治总体规划》,库区内就有各类滑坡、崩塌2490处,若包括此后在蓄水后新产生的以及后续调查中新发现的大量滑坡体,其数量、规模和潜在危害是极其惊人的。库岸滑坡的失稳破坏比其他条件下的滑坡失稳破坏影响范围更加广泛,危害形式更为多样,不仅包括滑坡体上所能造成的直接危害,还存在对滑坡影响范围内的间接危害。例如：滑坡变形破坏对滑坡体上的人员、建筑物及其它基础设施造成的直接危害；滑坡入江减少水库的有效库容,形成堰塞湖并堵塞河道；滑坡高速失稳后激发的次生涌浪对航运、沿岸居民或建筑物以至枢纽建筑物的施工和运行造成危害。因此,三峡库区库岸滑坡变形规律与预测预报研究具有重要的理论和实际意义。论文以三峡库区蓄水后发生变形的堆积层滑坡为研究对象,基于地质调查、资料收集、现场监测、理论计算等多学科交叉理论和研究方法,全面收集库岸滑坡基础地质资料(包括地形地貌、地层岩性、地质构造等),气象水文资料(包括历年降雨监测资料及库水位调度资料)、详细勘察资料(包括工程地质图、地形图、剖面图、岩土体物理力学试验和水文地质试验数据)以及二三期专业监测灾害点监测资料(包括地表位移、深部位移以及地下水位等),分析总结了库区中典型库岸滑坡的专业监测技术和方法,同时,从空间和时间两个方面归纳了三峡库区蓄水后库岸滑坡灾害的变形特征和规律。在此基础上,从影响滑坡变形的内因和外因两个方面分析了库区滑坡变形失稳的影响因素,并针对降雨型滑坡、水库型滑坡和降雨-水库型滑坡三种类型进行了滑坡变形机理研究和讨论。最后,采用数值模拟的方法,针对这三种类型的滑坡开展了滑坡预测预报判据研究,建立了基于多元数据源的综合预警模型,为三峡库区滑坡灾害的预测预报、应急预案和制定提供科学合理的理论依据。论文在三峡库区典型库岸滑坡专业监测系统的归纳总结方面,主要从专业监测方案设计、监测内容、主要监测仪器及性能及数据处理方式等方面进行阐述和概况。在库区蓄水库岸滑坡变形特征研究方面,主要是在空间上,以区县或岩组为单位,统计分析三峡库区蓄水后库岸变形滑坡的空间分布规律,分析地形地貌特征、岸坡结构特征、岩性特征、水文地质特征对变形滑坡的空间分布的影响；在时间上,分析滑坡变形随时间变化的过程和分析滑坡变形速率增大时段与库水位变化或降雨时段之间的对应关系。在库区蓄水库岸滑坡变形机制研究方面,主要是结合库岸滑坡工程地质条件、滑坡地表位移监测资料以及降雨和库水位调度资料,进行详细的滑坡稳定性影响因素分析,研究滑坡在库水和降雨条件下的稳定性及其变形机理。在三峡库区蓄水后库岸变形滑坡预测预报判据研究方面,主要是选择典型滑坡实例,基于数值模拟方法,分析滑坡在多种工况条件下的变形趋势,确定滑坡破坏的危险工况,进而建立基于多元数据源的综合预警判据体系,包括位移判据、主滑面剪切面塑性贯通率判据、降雨量强度判据等。通过以上一系列的分析和研究,论文主要取得了以下一些成果和结论：(1)总结归纳了三峡库区典型库岸滑坡的专业监测系统。在三峡库区对滑坡采取大地形变监测、地表裂缝位移监测、滑体深部位移监测、地下水位和孔隙水压力观测、滑坡推力监测、诱发因素监测、相关人类活动监测、宏观地质巡查监测等专业监测方法进行监测。监测周期在非汛期为每月监测一次,汛期每月监测二次,若变形加剧,或在暴雨、久雨期间,滑坡变形有连续增大的趋势则及时加密监测。主要监测仪器有：全站仪、GPS监测、钻孔倾斜仪、地下水位动态自动监测仪和光纤滑坡推力测量系统。库区监测数据的处理方式包括监测数据的采集、预处理和监测成果整理。监测信息包括监测内容涉及施测项目全部测点成果数据和计算结果数据。(2)对三峡库区蓄水后滑坡的分布规律进行了分析和研究分别选取典型滑坡研究三峡库区蓄水后滑坡的空间和时间分布规律。以树坪滑坡为例,分析变形滑坡空间分布特征：1)树坪滑坡：自监测以来,树坪滑坡呈现阶跃变形特征,并表现出区域差异性的变形特征,变形部位主要集中在滑坡东侧、中部和滑坡西侧下部一带即主滑区内；树坪滑坡的变形不仅在平面上存在明显差异性,还在高程上表现出了垂直的分布特征,这主要是由于水库蓄水后,库水升降作用对200m高程以下滑坡区域受影响相对较大,而200m高程以上区域受库水影响小,甚至基本不受影响,海拔高程为200m以下的滑坡地段地表位移大于海拔高程为200m以上的滑坡地段,变形较大的区域均位于180m高程以下,且表现出越接近库水位175m高程的区域其变形速率越大的特征；树坪滑坡深部变形,根据坡体深度的不同,其变形也存在明显的差异,多年的监测资料表明,滑坡主滑区西侧(QZK1和QZK2)浅层滑带的变化要大于深层滑带变化,浅-表层与深部变形不同步。2)通过对白家包滑坡变形监测结果分析,该滑坡的变形具有明显的时间分布特征：从2007年开始,每年的4-9月,各监测点累积位移-时间曲线明显呈上扬趋势,即各监测点位移量及速率较全年平均值明显增大；而在每年10月至次年3月期间,各监测点累积位移-时间曲线相对趋于平稳,即各监测点位移速率减小,即使得多年的累积位移-时间曲线呈现出明显的“阶跃状”特征,从2007到2012年,在每年的4-9月(尤其是6-7月)期间,累积位移变形曲线对应出现了6级台阶。(3)针对滑坡不同的主要诱发因素,分别研究了降雨型滑坡、库水诱发型滑坡和降雨联合库水作用下滑坡的变形机理。1)三峡库区典型库岸滑坡变形的主要地质影响因素有：地层岩性、地质构造、地形地貌和岸坡结构等,而主要的诱发因素有：降雨、库水位涨落和人类工程活动。通过对库岸滑坡基本地质因素和诱发因素的分析,找出各因素与滑坡发生的相互关系及其分布规律,为滑坡的变形机理分析提供依据。2)降雨是三峡库区库岸滑坡失稳的最主要的诱发因素之一。通过研究滑坡发生与暴雨频次、降雨周期、降雨总量、降雨强度和降雨形式的相互关系,找出该地区降雨分布特征及其对滑坡的影响规律,为典型降雨型滑坡变形机理分析提供基础和依据。3)库水诱发型滑坡主要包括软化效应诱发型、悬浮减重效应和动水压力诱发型三个亚类。库水位上升过程中,主要是通过滑坡岩土体性质的变化和浮托力作用来影响滑坡的稳定性；库水位下降过程中,主要是通过动水压力、静水压力和超孔隙水压力的作用导致滑坡稳定性降低。4)选取三角滩滑坡作为代表性滑坡来分析降雨型滑坡的变形机理。通过对该滑坡2007年到2009年的地表位移监测资料的分析可知,随着降雨量的增加,滑坡中后部监测点位移变形大于滑坡前缘监测点位移,这说明降雨对滑坡的稳定性有较大的影响,且属于推移-蠕滑型滑坡。5)选取染房滑坡作为代表性滑坡研究库水诱发型滑坡的变形机理。通过对滑坡位移监测资料的分析可以发现,滑坡前、中、后部的变形均与库水位之间存在明显的相关性,尤其当库水位大于154.5m时,这种现象尤为明显。在库水位骤升过程中,滑坡位移有减小趋势,而在库水位缓降过程中,滑坡位移有先缓慢增加后急剧增加的趋势,且下降过程中的位移变化具有一定的滞后性。6)在分别研究降雨型滑坡和库水诱发型滑坡的基础上,选取花园养鸡场滑坡作为代表性滑坡来研究降雨和库水位联合作用下的滑坡变形机理。通过对滑坡位移监测资料的分析可知,库水位上升期对应的滑坡水平向累计位移表现为滑坡前缘监测点GPS3、右侧监测点GPS5和GPS6随着库水位上升而陡增,库水位平稳期对各监测点的变形发展趋势均无影响,库水位下降期对应滑坡前缘位移增大,而后缘变化不太明显。库水位下降期中随着降雨量的增加,位移逐渐增大,降雨对花园养鸡场滑坡稳定性有一定的影响。综上,该滑坡受库水和降雨的综合影响。(4)基于数值模拟方法,建立了三峡库区典型库岸滑坡的预警模型和判据。1)选取三角滩滑坡作为代表性滑坡来分析降雨型滑坡的预警判据。该滑坡为土质非涉水滑坡,通过选取极端工况来进行滑坡数值模拟和预测预报研究。该滑坡在降雨强度为120mm/d时局部前缘很可能已经发生破坏；当降雨量为120mm/d～150mm/d,连续降雨3的情况下极有可能发生由局部到整体的破坏过程,因此将该滑坡的降雨强度判据定为120mm/d。2)选取染房滑坡作为代表性滑坡研究库水诱发型滑坡的预警判据。该滑坡为涉水土质滑坡,通过建立滑坡三维数值计算模型和滑坡渗流场模拟,分析不同工况下的滑坡变形破坏特征并进行滑坡变形预测分析,该滑坡的最危险工况是库水位从159.8m下降到145.8m。3)在分别研究降雨型滑坡和库水诱发型滑坡的基础上,选取花园养鸡场滑坡作为代表性滑坡来研究降雨和库水位联合作用下的滑坡的预警判据。通过不同工况条件下滑坡数值模拟计算,确定坝前库水位162m下降至145m+50年一遇暴雨为最危险工况。以最危险工况为例,对花园养鸡场滑坡进行预测预报判据研究,最终得出该滑坡的暴雨预警值降雨强度为50mm/d,连续降雨3天。
【作者】程温鸣；
【导师】殷坤龙；
【作者基本信息】中国地质大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】三峡库区；滑坡；变形机理；预警；

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