三峡库区白家包滑坡变形机理与预警模型研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 8基金项目:国家自然科学基金面上项目(4 2 1 7 2 3 0 3)通信作者:王国法(1 9 9 6-),男,硕士研究生,研究方向为地质灾害机理与防治.E-m a i l:g f w1 2 6 y e a h.n e tD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 0 8引用格式:王国法,邓茂林,周露露,等.三峡库区白家包滑坡变形机理与预警模型研究J.三峡大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 5(4):4 5-5 3.三峡库区白家包滑坡变形机理与预警模型研究王
2、国法1 邓茂林1,2 周露露1 董汉青1(1.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2;2.三峡大学 防灾减灾湖北省重点实验室,湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2)摘要:三峡库区自2 0 0 3年蓄水以来,库区有大量滑坡监测累积位移曲线呈阶跃型,此类滑坡在外界影响因素下集中在某一时间段内变形量大,其机理复杂、稳定性判断和预警难度大.通过研究滑坡的变形特征及诱发因素,有助于评估滑坡的稳定性,并构建合适的预警模型.本文以白家包滑坡为研究对象,综合分析1 5年人工和4年自动GN S S地表位移监测数据,结合野外宏观巡查及勘查资料,研究了白家包滑坡的变形机理;基于改进切线角以及全自
3、动监测数据定量化分析,获取滑坡等速变形速率和变形阶跃点,建立相应的预警模型.结果表明:白家包滑坡整体变形明显,滑坡变形主要集中于每年56月,滑坡累积曲线呈现典型的“阶跃”型的动态变形特性,受库水位升降作用影响表现出明显的“推拉效应”;库水位下降是白家包滑坡变形关键影响因素,且与库水位下降速率密切相关,在库水位快速下降期和低水位期,特大暴雨和持续降雨会促进变形;通过改进切线角方法及数据精细化分析,白家包滑坡的位移速率阈值为8.7mm/d,库水阈值为库水位下降至1 4 9m位移阶跃启动,最小下降速率为0.4m/d.关键词:白家包滑坡;位移阶跃;库水位;变形机理;预警模型中图分类号:P 6 4 2
4、文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 4 5-0 9S t u d y o n D e f o r m a t i o n M e c h a n i s m a n d W a r n i n g M o d e l o f B a i j i a b a o L a n d s l i d e i n T h r e e G o r g e s R e s e r v o i r A r e aWANG G u o f a1 D E N G M a o l i n1,2 Z HOU L u l u1 D ONG H a n q i n g
5、1(1.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g&A r c h i t e c t u r e,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a;2.H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f D i s a s t e r P r e v e n t i o n&M i t i g a t i o n,C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.,Y i c
6、h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t S i n c e t h e T h r e e G o r g e s R e s e r v o i r w a s i m p o u n d e d i n 2 0 0 3,a l a r g e n u m b e r o f l a n d s l i d e s i n t h e r e s e r v o i r a r e a h a v e b e e n m o n i t o r e d a n d t h e c u m u l a t i v e d i s p l a
7、c e m e n t c u r v e i s s t e p-s h a p e d.S u c h l a n d s l i d e s e x p e r i e n c e s i g n i f i c a n t d e f o r m a t i o n u n d e r e x t e r n a l i n f l u e n c e s w i t h i n a c e r t a i n p e r i o d o f t i m e,a n d t h e i r m e c h a n i s m s a r e t o o c o m p l e x t
8、o m a k e s t a b i l i t y a s s e s s m e n t a n d e a r l y w a r n i n g.B y s t u d y i n g t h e d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d i n d u c i n g f a c t o r s,i t i s h e l p f u l t o e v a l u a t e t h e s t a b i l i t y o f l a n d s l i d e s a n d b u i l d a
9、p p r o p r i a t e e a r l y w a r n i n g m o d e l s.T h i s p a p e r t a k e s t h e B a i j i a b a o l a n d s l i d e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,c o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e s 1 5 y e a r s o f m a n u a l a n d 4 y e a r s o f a u t o m a t i c GN S S s u r f a c e
10、 d i s p l a c e m e n t m o n i t o r i n g d a t a,a n d c o m b i n e s f i e l d m a c r o s c o p i c i n s p e c t i o n a n d s u r v e y d a t a t o s t u d y t h e d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m o f B a i j i a b a o l a n d s l i d e.B a s e d o n t h e i m p r o v e d t a n g e n
11、 t a n g l e a n d a u t o m a t i c Q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f m o n i t o r i n g d a t a,t h e l a n d s l i d e s u n i f o r m d e f o r m a t i o n r a t e a n d d e f o r m a t i o n s t e p p o i n t a r e o b t a i n e d,a n d t h e c o r r e s p o n d i n g w a r n i n g 第
12、4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3m o d e l i s e s t a b l i s h e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t:(1)T h e o v e r a l l d e f o r m a t i o n o f t h e B a i j i a b a o l a n d s l i d e i
13、 s o b v i o u s.T h e l a n d s l i d e d e f o r m a t i o n i s m a i n l y c o n c e n t r a t e d f r o m M a y t o J u n e e a c h y e a r.T h e c u m u l a t i v e c u r v e o f t h e l a n d s l i d e p r e s e n t s a t y p i c a l s t e p t y p e o f d y n a m i c d e f o r m a t i o n c h
14、 a r a c t e r i s t i c s,a n d i t s h o w s a n o b v i o u s p u s h-p u l l e f f e c t d u e t o t h e r i s e a n d f a l l o f t h e r e s e r v o i r w a t e r l e v e l.(2)T h e r e s e r v o i r w a t e r l e v e l d r o p i s t h e k e y d r i v i n g f a c t o r f o r B a i j i a b a o
15、l a n d s l i d e d e f o r m a t i o n a n d i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e r e s e r v o i r w a t e r d r o p r a t e.D u r i n g t h e o p e r a t i o n p e r i o d o f t h e r a p i d d e c l i n e o f r e s e r v o i r w a t e r l e v e l a n d l o w w a t e r l e v e l c o n d i t
16、i o n,h e a v y r a i n a n d c o n t i n u o u s r a i n f a l l w i l l p r o m o t e d e f o r m a t i o n.(3)A c c o r d i n g t o t h e t a n g e n t a n g l e m e t h o d a n d d a t a r e f i n e m e n t a n a l y s i s,t h e t h r e s h o l d o f d i s p l a c e m e n t r a t e o f B a i j i
17、 a b a o l a n d s l i d e i s 8.7 mm/d,t h e t h r e s h o l d o f r e s e r v o i r w a t e r i s t h e s t e p s t a r t o f d i s p l a c e m e n t w h e n t h e r e s e r v o i r w a t e r l e v e l d r o p s t o 1 4 9 m,w i t h a m i n i m u m d e c r e a s e r a t e o f 0.4 m/d.K e y w o r d
18、s B a i j i a b a o l a n d s l i d e;s t e p w i s e d i s p l a c e m e n t;r e s e r v o i r w a t e r l e v e l;d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m;e a r l y w a r n i n g m o d e l 三峡库区滑坡灾害众多,尤其是三峡水库开始蓄水以来,大量涉水老滑坡发生变形复活,2 0 0 3年7月1 3日,在三峡水库初期蓄水1个月后发生了千将坪滑坡1,树坪古滑坡自2 0 0 3年蓄水后复活发生较大变形,连续多年一直持
19、续变形2-3.2 0 0 8年开始试验性蓄水1 7 2m时,同年1 1月2 3日,龚家坊斜坡发生坍塌产生3 0多米涌浪4.在进入水库1 4 51 7 5m每年升降运行期后,仍不断有滑坡灾害发生,如2 0 1 4年9月2号发生杉树槽滑坡5、2 0 1 9年1 2月1 0日发生卡门子湾滑坡6.为确保三峡水库的运营和库区居民生命财产安全,三峡库区自2 0 0 3年6月开始实施地质灾害监测预警体系,由于及时监测预警,避免发生了重大人员伤亡和财产损失7.白家包滑坡为三峡库区专业监测的地质灾害点之一,自2 0 0 6年1 1月开始监测以来,该滑坡每年发生一次较为规律的阶跃变形,当遭受库水升降作用和降雨等外
20、界因素的影响,其位移呈陡坎式增长,易导致滑坡监测预警预报的误判.厘清滑坡变形失稳的诱发因素和变形机理是防治滑坡灾害的基础,并对此类型滑坡建立合理的预警模型,是有效防止滑坡变形破坏造成巨大损失的重要方法.许强8认为常用的阈值预警方法会出现高误报率和漏报率,可以加强对监测数据和基于变形等关键指标建立预警判据和模型.许强等9基于变形速率阈值和改进切线角为预警指标建立了四级预警判据,成功实现了对甘肃黑方台滑坡的预警.对于白家包滑坡变形机理1 0-1 2、影响因素以及变形与库水、降雨之间的相关性1 3等的研究已非常深入,但量化监测数据获取相关经验阈值却少见报道,针对库区滑坡结合变形机理和相关阈值,进而寻
21、求多指标建立新的预警方法的文献更为罕见.因此,在前人的研究基础上,对白家包滑坡2 0 0 62 0 2 1年的人工和2 0 1 72 0 2 1年的全自动监测数据资料进行精细化分析,结合多年野外宏观变形巡查,分析白家包滑坡的变形特征,揭示库水及降雨作用对滑坡变形的响应机理,并得到滑坡阶跃变形的库水阈值以及变形速率阈值,建立合理的多指标预警模型,为进一步提升库区地灾预警预测提供理论技术支撑.1 滑坡工程地质概况1.1 滑坡概况白家包滑坡位于三峡库区秭归县归州镇,展布于长江北岸支流香溪河右岸,距香溪河与长江交汇处2.5 k m.滑坡分布高程7 32 7 0m,滑坡整体西高东低,滑坡体南北两侧以同源
22、冲沟分界,两侧及后缘边界为岩土接触面,后缘地形呈圈椅状,中前部较缓后部陡,为典型的靠椅状滑坡.滑体地面坡度1 0 3 0,剖面呈阶梯状起伏,平面形态为舌形.滑坡体长5 5 0m,均宽4 0 0m,滑坡体最厚处约8 0m,平均厚度4 5m,体积约9 9 01 04m3(如图12所示).图1 白家包滑坡航拍全貌图滑坡发育于侏罗纪下统香溪组(J 1 x)长石石英砂岩及泥岩互层 组成的逆向 坡中,岩层 产状为2 5 0 3 0 .滑体主要为灰黄褐黄色夹深灰色的碎块石土层,由块石、碎石及粉质黏土组成,渗透性很低.滑带为灰黄色和紫红色粉质黏土夹碎石角砾,粉质黏土64三 峡 大 学 学 报(自 然 科 学
23、版)2 0 2 3年8月图2 白家包滑坡监测点布置图呈软可塑状,滑带土局部表面具磨光面、擦痕.1.2 滑坡历史变形特征自三峡水库2 0 0 3年6月蓄水后,白家包滑坡开始发生明显的宏观变形迹象.首先是滑坡边界局部出现张性裂缝,滑坡边界裂缝继续扩张,有贯通趋势,其次穿越滑坡体中部的秭兴公路也出现拉裂缝及滑坡体上房屋出现开裂等变形迹象.根据每月的宏观巡查报告发现,滑坡体变形主要发生于每年的57月,基本是库水位下降至1 4 5m时,产生较大的变形现象.滑坡整体出现变形,局部变形存在差异,特别值得注意的滑坡变形迹象是滑坡左侧边界裂缝在每年库水快速下降期间会张开,而在库水位上升至高水位时,裂缝会闭合.裂
24、缝主要展布于公路、滑坡后缘、两侧等位置(见图2中a c,图3中a c).图3 白家包滑坡工程地质-剖面图2 监测数据分析2.1 人工G N S S监测通过图45和监测数据可知,人工GN S S监测点Z G 3 2 3Z G 3 2 6累积位移在1 4 1 0.31 9 7 2.2mm之间,监测点Z G 4 0 1Z G 4 0 2累积位移在2 9 8.87 2 8.5mm之间,滑坡各监测点累积水平位移大小变化具有一致性,滑坡位移主要发生在库水快速下降阶段,月位移量在5月底至6月初逐渐增加至最大值,滑坡变形曲线出现突跃,而在每年其他月份期间,滑坡的累积位移变形曲线趋于平缓,滑坡变形呈现典型的“阶
25、跃式”特征,甚至在高水位期间,滑坡的累积位移曲线会出现一段下降的变形趋势.从年位移上看,每年位移量在5 02 5 0mm之间,一次阶跃占年位移的9 0%以上,如图6所示.-图4 人工GN S S监测曲线与库水位、月降雨量关系图-图5 人工G N S S监测点位移速率和库水变化速率关系图图6 人工G N S S监测年位移量2.2 自动G N S S监测图7显示,截至2 0 2 1年1 2月3 1日,白家包滑坡自动监测点Z D 1,Z D 2,Z D 3的累积水平位移大小分别为2 5 7.2,2 9 2.8,4 3 5.3mm.白家包滑坡的自动监测累积位移曲线与人工监测累积位移曲线变化趋势相同,每
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