长江科学院院报

长江科学院院报 >

2025 , Vol. 42 >Issue 11: 157 - 165

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240846

工程安全与灾害防治

地下水动态作用下厚层土质滑坡变形特征及机制

  • 邓茂林 , 1, 2 ,
  • 万航 3 ,
  • 周露露 4 ,
  • 苏鹏民 , 1, 2 ,
  • 俎全磊 5 ,
  • 周跃峰 6 ,
  • 易庆林 1, 2 ,
  • 左清军 1, 2
展开
  • 1 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
  • 2 三峡大学 土木与建筑学院, 湖北 宜昌 443002
  • 3 中国电建集团江西省电力设计院有限公司, 南昌 330096
  • 4 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室, 武汉 430010
  • 5 四川文茂建设工程检测有限公司, 成都 610045
  • 6 湖北省地质环境总站 灾害地质调查监测中心, 武汉 430034
苏鹏民(2000-),男,云南宣威人,硕士研究生,主要从事地质灾害机理研究。E-mail:

邓茂林(1980-),男,四川达州人,副教授,博士,主要从事地质灾害机理研究。E-mail:

Copy editor: 刘运飞

收稿日期: 2024-08-09

  修回日期: 2024-09-20

  网络出版日期: 2025-01-02

基金资助

国家自然科学基金项目(42172303)

收起

Deformation Characteristics and Mechanisms of Thick Soil Landslides under Dynamic Groundwater Conditions

  • DENG Mao-lin , 1, 2 ,
  • WAN Hang 3 ,
  • ZHOU Lu-lu 4 ,
  • SU Peng-min , 1, 2 ,
  • ZU Quan-lei 5 ,
  • ZHOU Yue-feng 6 ,
  • YI Qing-lin 1, 2 ,
  • ZUO Qing-jun 1, 2
Expand
  • 1 National Field Observation and Research Station of Landslides in Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
  • 2 School of Civil Engineering and Architecture, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
  • 3 Power China Jiangxi Electric Power Engineering Co., Ltd., Nanchang 330096, China
  • 4 Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 5 Sichuan Wenmao Construction Engineering Testing Co., Ltd., Chengdu 610045, China
  • 6 Geological Hazard Investigation and Monitoring Center, Hubei Geological Environmental Station, Wuhan 430034, China

Received date: 2024-08-09

  Revised date: 2024-09-20

  Online published: 2025-01-02

Fold

摘要

地下水的动态变化是诱发土质滑坡发生的重要因素。以三峡库区典型厚层土质滑坡——谭家湾滑坡为例,利用多年积累的全球导航卫星系统(GNSS)地表位移、地下水及降雨监测数据,结合多次现场调查,研究降雨条件下导致地下水水位动态变化诱发土质滑坡的变形机制。研究结果表明:谭家湾滑坡变形集中在中前部与左侧,且与降雨事件密切相关,前期降雨量决定坡体变形对前期单次强降雨的响应程度;此外,地下水位与降雨入渗有显著时空相关性,水位上升速率受前期和期间降雨强度影响;坡体变形的趋势受到水位动态变化的控制,同时坡体稳定性也受地下水位峰值持续时间的制约;降雨入渗后引起地下水动态迁移有2条路径,其中经路径AB形成的动水压力结合地形条件,促使了Ⅰ-1滑体的变形。研究成果可为降雨条件下土质滑坡变形机理、早期识别及预警等研究提供理论依据。

关键词： 土质滑坡; 降雨监测; 位移阶跃; 地表位移; 地下水; 滑坡变形机制; 谭家湾滑坡

本文引用格式

邓茂林 , 万航 , 周露露 , 苏鹏民 , 俎全磊 , 周跃峰 , 易庆林 , 左清军 . 地下水动态作用下厚层土质滑坡变形特征及机制[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(11) : 157 -165 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240846

Abstract

[Objective] Dynamic groundwater changes represent one of the key controlling factors in the initiation of soil landslides. Investigating their response characteristics and mechanisms under rainfall is crucial for understanding landslide stability and evolutionary processes. [Methods] Taking the typical thick soil landslide—Tanjiawan landslide—in the Three Gorges Reservoir area as the research subject, this study systematically analysed the influence mechanism of groundwater level dynamics under rainfall by relying on multi-year continuous high-precision GNSS surface displacement data, automated groundwater level monitoring data, regional rainfall records, and information obtained from repeated field geological surveys on landslide geological structure, sliding mass structure characteristics, and groundwater recharge and discharge conditions. [Results] Deformation of the Tanjiawan landslide was concentrated in the mid-front and left-side areas and was closely related to rainfall events. Antecedent cumulative rainfall, to a certain extent, determined the slope's deformation response to a subsequent single heavy rainfall event. When cumulative rainfall was sufficient, even moderate single rainfall intensity may induce significant deformation. Groundwater level changes and rainfall infiltration showed distinct spatiotemporal correlation. The rate of water level rise was influenced by rainfall infiltration conditions and jointly controlled by both the antecedent effect and the concurrent effect of rainfall intensity. After rainfall infiltration, dynamic groundwater migration followed two main paths: one along route AB rapidly converged on the frontal area, generating strong hydrodynamic pressure; the other migrated slowly within the sliding mass, producing a cumulative effect on overall water content and pore water pressure. The hydrodynamic pressure generated along route AB, when coupled with local topographic conditions, directly drove deformation of the I-1 sliding mass, triggering local accelerated deformation or even failure. [Conclusions] Slope deformation trends are significantly controlled by dynamic groundwater changes, whereas slope stability is, to a certain extent, constrained by the duration of peak groundwater level. Prolonged high water levels markedly reduce slope stability. Moreover, monitoring data shows a certain lag between groundwater level rise and slope deformation rate, a characteristic that provides important reference value for early identification and early warning of thick soil landslides. This study provides a theoretical basis for research on the deformation mechanism, early identification, and early warning of soil landslides under rainfall conditions.

Key words： soil landslide; rainfall monitoring; displacement step; surface deformation; groundwater; deformation mechanism; Tanjiawan landslide

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

地下水对滑坡灾害的作用包括力学作用、物理作用和化学作用三大类,其中力学作用最为明显。地下水对滑坡的作用机理在预测、评价和防治地质灾害中具有重要作用[1]。降雨事件发生时,滑坡体受到降雨入渗的影响,会引起地下水位的动态变化[2],进而改变滑坡体内部的应力状态,诱发变形。地下水涨落量与位移变化量存在对应关系[3],滑坡的稳定性受地下水位变化量控制[4-5]。此外,地下水动力场大多为非稳定运动渗流场,在降雨作用下会发生频繁的动态变化,从而影响滑坡的稳定性[6-7]。因此,考虑地下水动态作用因素是研究滑坡变形特征及机制的关键。
三峡库区地处我国西南地区,区内滑坡多分布于长江两岸,滑坡地下水充足,群测群防滑坡数量多,滑坡体常因地下水在岩土体中流动而失稳,其中谭家湾滑坡是三峡库区典型受降雨影响的深层土质滑坡。Vallet等[8]认为地下水深层补给量是深层降雨型滑坡失稳的重要因素。近年来,张富灵等[9]通过系统分析监测数据,揭示了强降雨和持续性降雨是影响谭家湾滑坡变形的重要外因,而库水位变动对其影响较小。张海艳等[10],Zhang等[11]通过量化滑坡位移和降雨之间的关系,获得了滑坡不同区域的预警关键指标和阈值;宋琨等[12]、Li等[13]、Wang等[14]认为谭家湾滑坡变形高度响应降雨入渗,同时基覆界面存在优势渗流通道,即“孔隙渗流+裂隙优势流”的综合渗流模式;张群等[15]通过浸润峰深度较土体厚度的关系来确定潜在滑面是否处于基覆界面;简文星等[16]分析了坡体倾角和小降雨强度对入渗的影响;Padilla等[17]指出滑坡发生虽然滞后于降雨开始,但与降雨强度峰值有时间重合。上述文献分析了深层土质滑坡在各因素作用下变形破坏机理复杂[18-19],但很少提及地下水位实际动态过程以及地下水位变化各阶段与坡体变形状态的相关性,因此,获取各核心变量与滑坡变形机理的相关性对其机理研究显得尤为关键。通过自动与人工监测,考虑降雨以及地下水动态升降,对厚层大型土质滑坡的变形机理开展深入研究具有重要意义[20-23]。
本文以谭家湾厚层土质滑坡为例,通过长期的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)地表位移、地下水及降雨量监测数据,并结合多次现场调查,分析了水位升降对降雨入渗的响应,深入研究了地下水动态作用下诱发厚层土质滑坡的作用机理,以期对我国类似坡体的致灾机理研究提供参考,并对不稳定坡体进行早期识别、预警与防控。

1 谭家湾滑坡概况

谭家湾滑坡位于湖北省秭归县水田坝乡上坝村一组,多年平均降雨量1 493.2 mm,降雨主要集中在4—10月份。谭家湾滑坡所在斜坡出露的主要地层为侏罗系上统蓬莱组(J3p),斜坡表层为第四系滑坡堆积物( ${Q}_{4}^{del}$)。滑坡平面呈“舌”形,从横向上看,总体形态呈两侧边缘高中部低的不规则凹形,平均宽295 m,最大纵长440 m,平均厚约25 m,面积约11.3×104 m2,体积约282.5×104 m3,属大型深层土质滑坡。结合其宏观变形特征,将谭家湾滑坡分为Ⅰ和Ⅱ两个滑体,又将Ⅰ号滑体分为Ⅰ-1和Ⅰ-2两个变形区。
谭家湾滑坡共布设有5个地表位移人工监测点,于2006年11月在滑坡同一纵剖面上布设3个人工监测点(ZG331、ZG332、ZG333),2016年6月在滑坡中部布设2个人工监测点(ZG396、ZG397);作为宜昌市2019年一级专业监测点,又布设11个GNSS地表位移自动监测点(G1—G11);同时在钻孔ZK1、ZK3与ZK4中布设了3个地下水位监测点(S1—S3)。滑坡工程地质平面图以及监测仪器布设情况如图1所示。
图1 谭家湾滑坡平面

Fig.1 Plan view of Tanjiawan landslide

根据钻孔资料揭示,谭家湾滑坡滑体为含碎石粉质黏土,黄褐-红褐色,稍湿,可塑-硬塑,土石比约为7∶3,碎石直径一般为1~5 cm。滑带主要为软塑状含砾粉质黏土,红褐色、褐黄色,湿,软塑-可塑状,土石比为9∶1,滑带厚度0.2~0.4 m,平均厚0.3 m,滑带土强度较低,遇水极易软化。滑床为侏罗系上统蓬莱组(J3p),由石英砂岩、紫红色砂岩泥岩组成,泥砂质结构,厚层状构造,属软-较硬层状泥砂岩工程地质岩组,力学强度不均一。谭家湾滑坡Ⅰ—Ⅰ'剖面整体呈前后陡,中部缓的圆弧-直线复合形态(见图2)。
图2 谭家湾滑坡Ⅰ-Ⅰ'剖面

Fig.2 Cross-section Ⅰ-Ⅰ' of Tanjiawan landslide

2 谭家湾滑坡变形特征

2.1 地表变形特征

谭家湾滑坡于2014年9月,首次发生较大规模的局部变形,变形面积约1万m2,体积约2万m3,其后部出现了一定程度的下错,下错高度约1~2 m;中部归水公路出现路基下沉,路面破损等现象;下部出现鼓胀变形,变形段略微向坡体外突出。2017年10月出现了整体变形特征,此后先后于2018年7月,2020年6月、7—8月、10月,2021年8—9月出现多次较大变形,坡体表现为整体蠕滑。截至2024年6月,谭家湾滑坡宏观变形特征如图3(a)—图3(o)所示。
图3 谭家湾滑坡体地表变形特征

Fig.3 Surface deformation characteristics of Tanjiawan landslide

2.2 滑坡监测变形特征

滑坡前缘基本不涉水,且前缘有桩板墙治理工程,故本文对该滑坡不考虑库水影响。谭家湾滑坡历年地表监测位移数据如图4所示,其中图4(a)为ZG331、ZG333、ZG397、ZG396和ZG332监测点2006年12月18日—2022年12月18日近17 a的地表位移人工监测数据,图4(b)为G3,G7,G8和G11监测点2019年11月2日—2023年3月17日近3 a的地表位移自动监测数据。从谭家湾滑坡地表累计位移-时间监测曲线可以看出:①人工和自动监测曲线均呈现近台阶状阶跃变化;②ZG331、ZG333、ZG397、ZG396、ZG332累计位移依次递减,G11、G8、G7、G3累计位移依次递减;③相比其他监测带点,ZG331与G11累计位移较大,根据监测设备布设的位置判断,谭家湾滑坡I-1变形区的后部和左侧变形最为剧烈。
图4 监测点累计位移-时间曲线

Fig.4 Time-history curves of cumulative displacement of monitoring points

以变形最大的全自动监测点G11为例,分析滑坡对降雨的响应特征,G11共计有9次(a—i)阶跃,其中6次(a、c、e、f、g、h)阶跃均出现了前期单次强降雨情况(63.4、42、59、47.4、43.2、48.6 mm)。b、d、i阶跃的前期单次降雨仅分别为24.8、25.8、3.6 mm,同时前期累计降雨量分别为142.4、192.6、223.5 mm,均位于高值;当单日降雨量为44.6 mm,前期累计降雨量为113.4 mm时,坡体却未发生明显阶跃。
以上分析表明,前期阶段性累计降雨量的大小决定了阶跃出现的概率对前期单次降雨事件的敏感程度,两者耦合作用下致使坡体启滑。谭家湾滑坡变形主要集中在2020年,2022年基本无变化,降雨是谭家湾滑坡发展的主要诱发因素。

3 地下水诱发谭家湾滑坡变形规律

地下水是滑坡变形失稳的重要因素,决定了坡体受到的静水压力及渗透压力,不利于坡体的稳定。通过对ZK1、ZK2、ZK3与ZK4的地下水位埋深进行测量发现,4个位置的地下位埋深存在显著差异,其流动规律以及对坡体变形稳定性的影响值得进一步探讨。钻孔以及地下水位埋深情况如表1和图5所示。
表1 钻孔地下水位埋深统计

Table 1 Statistics of groundwater depths from boreholes

孔号 孔深/m 孔位标高/m 水位埋深/m 水位标高/m
ZK1 38.7 298.9 8.2 290.7
ZK2 37.3 279.0 5.2 273.8
ZK3 25.1 270.0 5.8 264.2
ZK4 27.5 208.0 16.9 201.1
图5 Ⅰ-Ⅰ'剖面地下水位埋深

Fig.5 Groundwater depth along cross-section Ⅰ-Ⅰ'

3.1 地下水响应降雨入渗特征分析

在谭家湾滑坡钻孔ZK1、ZK3与ZK4中布设了3个地下水位监测点(S1—S3),依据2020-04-14—2020-12-31内S1—S3地下水位与日降雨量的监测数据,选取1—4四个时段进行分析(图6)。图6中地下水位监测数据每日自动采集,数据中断部分为设备故障导致。
图6 不同水位监测点-日降雨量关系

Fig.6 Daily rainfall vs. groundwater level at different monitoring points

对比监测数据可以看出,S1对降雨响应敏感,表现为显著的地下水位抬升,而后迅速降低,而S2和S3响应降雨后水头较稳定,在4个阶段中同步表现为地下水位微降。此现象表明在S2、S3所处位置后部存地下水渗漏通道,导致水位抬升有限,而S1地处滑坡后缘,弧状的地形特征使得S1区域内具备滞水能力,随后在降雨条件下迅速响应,成为地下水系统的主要补给区,同时地下水输送至S2、S3需要时间,故S1地下水位下降滞后于S2和S3。
S1水位升降速率与日降雨量的变化关系如图7所示。由图7可知,S1在2020年共出现了9次速率峰值,针对峰值出现时的前期降雨量,以及水位上升期间的降雨量统计于表2,进一步分析S1降雨入渗补给地下水特征:①地下水水位变化滞后响应降雨1~2 d,S1地下水位受前期降雨强度影响显著,前期累积降雨量越大,S1水位上升速率越大。②期间连续降雨强度与S1速率峰值呈正比,对峰值阶段1、3、8、9进行对比分析表明:在S1地下水位处于上升状态,且期间降雨强度>前期降雨强度时,峰值速率主要由期间连续降雨强度决定。
图7 S1水位升降速率-日降雨量变化曲线

Fig.7 Daily rainfall vs. groundwater level fluctuation rate at monitoring point S1

表2 S1水位升降速率、日降雨量及GNSS对应自动监测变形量统计

Table 2 Statistics of groundwater level fluctuation rate at monitoring point S1, daily rainfall, and GNSS-monitored deformation

峰值
阶段		 S1水位速率上升阶段 前期连
续降雨
天数		 前期连续
降雨量/
mm		 期间
降雨
天数		 期间降
雨量/
mm		 间隔
天数		 S1平均
上升速率/
(m·d-1)		 S1最大
变形速率/
(m·d-1)		 G11
变形/
mm		 G11最大
变形速率/
(mm·d-1)
开始日期 结束日期
1 2020-04-19 2020-04-24 2 65.0 2 21.8 2 2.9 5.8 9.33 3.55
2 2020-05-09 2020-05-13 4 32.8 4 3.4 1 1.08 1.98 17.23 4.53
3 2020-06-15 2020-06-25 7 29.4 7 76.6 2 2.79 7.78 430.78 170.82
4 2020-07-17 2020-07-21 8 36.6 4 14.6 1 1.94 4.23 61.61 18.37
5 2020-07-26 2020-7-29 2 53.4 2 7.8 1 0.76 1.85 185.47 86.25
6 2020-08-23 2020-08-28 6 44.8 1 28.8 2 0.92 1.94 6.52 13.02
7 2020-09-17 2020-09-30 9 49.6 10 33.2 1 0.58 2.10 39.93 2.66
8 2020-10-02 2020-10-08 1 59.0 4 84.2 1 3.00 9.12 1 383.5 543.19
9 2020-11-18 2020-11-27 2 50.6 7 47.8 1 2.49 6.06 93.76 21.47

注:前期连续降雨、期间降雨、间隔天数分别指S1水位上升速率峰值前最近一次连续降雨、S1水位速率上升期间降雨、距离前期降雨的时间。

综上所述,地下水位与降雨S1地下水位对降雨入渗响应具有显著的时空相关性,且其水位上升速率与前期降雨强度和期间连续降雨强度密切相关,降雨入渗补给机制在地下水动态变化中起到了关键作用。

3.2 滑坡响应动态地下水变形特征

由图4和图6可知,谭家湾滑坡变形最剧烈的G11监测点共计发生9次阶跃变形,每次阶跃往往处于S1、S2、S3水头差增大的时候,此时产生的坡体下滑力较大;其中有6次阶跃变形集中在降雨充沛的2020年,由于滑体主要为含碎石粉质黏土,结构松散、透水性良好,降雨容易入渗至基覆界面,降低土体的抗剪强度。
谭家湾滑坡主要是孔隙渗流+裂隙优势流的综合渗流模式,该模式下降雨入渗导致的地下水补给激增,或者排泄水位异常变动都将引起坡体内水动力学条件的剧变,造成坡体失稳[12]。为得出诱发滑坡变形关键指标,为谭家湾滑坡的后期监测预警提供一定的理论支撑,针对2020-04-14—2020-12-30位移阶跃显著期间,分析2020年G11变形量响应坡体上部S1监测点动态地下水位的相关特征(图8)。
图8 G11累计位移、S1地下水位-日降雨变化关系

Fig.8 Relations among G11 cumulative displacement, S1 groundwater level, and daily rainfall

根据G11累计位移划分a、b、c、d、e,f共6个变形显著的时段。其中S1地下水位>285 mm的时段(b、c、e、f的地下水位最大值分别为297、295.41、296.14、292.8 m)对应的平均日位移速率加快(b、c、e、f分别为74.71、41.39、159.62、15.55 mm/d);而在低水位的a、d时段(277、274 m)内平均日位移速率则显著降低(3.65、13.82 mm/d)。可见高地下水位(>285 m)能有效驱动坡体变形。此外,G11在e时段前期(2020-09-08—2020-10-03)26 d内的降雨量高达193 mm,而此期间位移增量仅为75.7 mm。所以仅把降雨作为滑坡失稳破坏的预警判据存在一定局限性,这是因为土体对降雨的调节能力会随着降雨条件和土壤含水率的差异而变化,同时滑坡体物质组成与其透水性能也表现出差异[24]。
b-e时段内地下水位出现了4次涨落过程,为进一步分析地下水动态作用,将其精细划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ变形时段,每个时段约取30 d。Ⅰ时段为2020-06-11—2020-07-08;Ⅱ时段为2020-07-15—2020-08-21;Ⅲ时段为2020-08-21—2020-09-15;Ⅳ时段为2020-09-30—2020-10-30(图9)。
图9 Ⅰ—Ⅳ时段G11累计位移S1地下水位-日降雨变化关系

Fig.9 Variation relationship diagram of G11 cumulative displacement S1 groundwater level- daily rainfall during Periods Ⅰ—Ⅳ

Ⅰ时段S1地下水位由268.14 m➝298 m,上涨30.68 m,累计位移由0.18 m➝1.54 m,增幅1.36 m,累计降雨量为220 mm。Ⅰ时段在2020-06-16—2020-06-21期间累计降雨量为57.4 mm,降雨抬升地下水位存在“滞后”效应,1~2 d后,S1地下水位开始抬升,4 d后于2020-06-21抬升18.36 m达到临界值286.5 m时,G11响应地下水,变形开始发展。在S1地下水位趋向峰值298 m的过程中,位移曲线变形态势显著增强,S1地下水位维持在298 m高水位的过程中,位移曲线趋于平缓,直至2020-07-12随着水位下降至289.14 m后,滑坡体变形逐步稳定。
Ⅱ时段在2020-07-15—2020-07-31期间S1地下水位由288.75 m➝298 m,上涨9.25 m,累计位移由1.62 m➝2.33 m,增大了0.71 m,累计降雨量为101.2 mm,此时段地下水位高,但降雨量较Ⅰ时段低。
Ⅱ时段在2020-07-15—2020-07-21期间累计降雨量为3 806 mm,降雨抬升水位“滞后”1~2 d,4 d后G11位移曲线继续快速上抬,此时S1地下水位为297 m,显著高于Ⅰ、Ⅳ阶段的临界值。S1地下水位在低于最高值298 m后位移曲线上升趋势减缓,直至2020-08-05水位下降至290 m时变形趋于稳定。
Ⅳ时段在2020-09-30—2020-10-07期间S1地下水位由276.89 m➝297.62 m,上涨20.73 m,累计位移由2.72 m➝4.11 m,变形量达1.39 m。Ⅳ时段在2020-10-02单日降雨量高达59 mm,之后5 d内累计降雨量为143 mm,强降雨后S1地下水位立即抬升,无明显“滞后”现象,1 d后累计位移在S1地下水位为280 m时迅速上升,在S1地下水位达到297 m时G11变形曲线逐渐稳定。
综上,Ⅰ、Ⅳ时段降雨天数均>20 d,平均累计降雨量达182 mm,临界S1地下水位达280 m。Ⅱ时段降雨量较Ⅰ、Ⅳ时段低,但初始地下水位回落相对少,紧接Ⅰ时段,即高达288 m,表明坡体变形稳定性受地下水位的持续时间的制约。降雨量Ⅲ时段(2020-08-22—2020-09-12)由于累计降雨仅有53.6 mm,地下水位相对低(最高277 m),G11位移曲线阶跃活动则不明显。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ时段处于高地下水位运行期,这些时段降雨量大、坡体变形显著且位移平均增幅为1.16 m,稳定性较差。因此,在降雨频密期间除获取雨强外,需密切关注地下水位的动态变化,结合理论预测坡体变形的发展态势。
为进一步分析地下水诱发滑坡机制,根据b—e时段内的4次地下水位涨落过程,归纳了各地下水诱发因素下滑体的变形机制(见图10)。由图10可以看出,在Ⅰ时段内,G11平均日位移速率为46.41 mm/d,此阶段地下水位抬升高度和速率分别为30.68 m和4.29 m/d,地下水位峰值可达298.08 m,为4个阶段中最高,在汛期补给后地下水动态变化较为频繁,动水压力对滑体压力明显增加,导致滑坡体变形速率上升;Ⅱ阶段内雨强减弱,并持续到Ⅲ阶段,地下水位抬升高度与抬升速率分别降至9.25 m和2.47 m/d,同时位移速率也由20.81 mm/d降至8.8 mm/d,滑坡体变形趋于平缓;在Ⅳ阶段时,前期强降雨使土石体趋于饱和状态,滑带与滑体的力学性质已发生变化,同时地下水位与地下水日均抬升速率分别迅速增大至20.73 m和3.49 m/d,平均日位移速率则随即提升到104.58 mm/d,滑坡体发生剧烈变形。S1地下水位与G11位移变形具有较强关联性,能有效反映滑坡体的变形机制,故考虑地下水位作为滑坡失稳判据较为充分。
图10 地下水诱发因素下滑坡变形机制

Fig.10 Mechanism of landslide deformation induced by groundwater

3.3 地下水渗流与地质力学模式

地下水位受降雨影响致使坡体变形的过程涉及复杂的地下水流动和传输机制。谭家湾滑坡在经历同期降雨强度条件下,Ⅰ-1较Ⅰ-2滑体变形剧烈,上下滑体变形区别明显。野外地质巡查发现,Ⅰ-2滑体前缘陡坎处(Ⅰ滑体分界处)可见1处泉点,这是由于坡体内含水介质渗透系数较大,集中降雨转换为裂隙优势流渗透后,致使土体基质吸力快速减弱,在S1处局部范围内形成过渡性饱和区域,快速形成高地下水位,结合降雨持续的入渗和地形地貌的制约,孕育了局部区域内地下水的良好补径排条件,由表1可知,ZK1、ZK2、ZK3的地下水位埋深分别为8.2、5.2、5.8 m,表明此区域地下水较浅,最终于Ⅰ-2滑体前缘陡坎处露头并大量渗出,形成通畅的地下水渗水通道AB;同时,由于BC段高差达60 m,地形条件相较AB发生显著变化,该区域地下水不易滞存,未渗出的地下水通过AC路径沿基覆界面封存于Ⅰ-1滑体内部,导致C点的ZK4地下水位埋深增至16.9 m,此为地下水AC路径。故推测谭家湾地下水主要有AB和AC两部分水流路径,见图5。同时,中部裂缝补给的地下水进入Ⅰ-1滑体覆盖层后,易携带细小土颗粒在架空的块石中运移,这也降低了Ⅰ-1滑体的稳定性。
结合监测数据与野外巡查,笔者认为谭家湾滑坡为地下水的动态迁移作用下导致的降雨型平推式滑坡,地质力学模式示意图如图11所示,主要可分为3个阶段:①阶段性降雨在地形条件下转换为孔隙渗流和裂隙优势流补给S1地下水,水位开始抬升,见图11(a);②在高水头带来的动水压力和孔隙水扬压力的协同作用下,Ⅰ滑体分界处产生较大的水平推力,冲开了土石,逐渐形成张拉裂缝,随后Ⅰ-1滑体发生平推式滑移,见图11(b)。而Ⅰ-2滑体地下水沿后缘入渗,自陡坎处裂缝流出后,地下水对坡体变形的有效影响较小,故Ⅰ-2滑体变形不显著;③在渗水通道畅通后,地下水沿着陡坎流出,基覆界面地下水难以积聚,再次遭遇雨强时,地下水补给量也已达不到图11(b)之前的水平,降雨对坡体稳定性的影响整体削弱,坡体变形趋于平稳,见图11(c)。
图11 地下水迁移与地质力学模式示意

Fig.11 Schematic diagram of groundwater migration and geomechanical model

4 结论

(1)谭家湾滑坡在自然条件下处于稳定状态,变形主要发生在2020年,其中阶跃型变形局部集中于坡体中前部以及左侧,且与降雨事件密切相关:前期降雨量影响坡体对单次强降雨的响应水平。
(2)地下水位与降雨入渗响应具有显著的时空相关性,其水位上升速率与前期降雨强度和期间连续降雨强度密切相关,降雨入渗补给机制在地下水动态变化中起到了关键作用。
(3)阶跃变形突出的时段(如b、c、e、f),均对应高地下水位(>285 m),表明高地下水位对大变形的产生具有显著的驱动作用。坡体变形的趋势亦受到水位动态变化的控制:地下水位在达临界值后开始抬升,趋向并维持在峰值期间,位移曲线变形态势由显著上升至趋于平缓,同时,坡体变形稳定性也受峰值持续时间的制约。
(4)谭家湾滑坡为地下水动态迁移作用下导致的降雨型平推式滑坡,且地下水主要有AB和AC两条路径。阶段性降雨入渗后,水位开始抬升,在高水头带来的动水压力和孔隙水扬压力的协同作用下,Ⅰ滑体分界处产生较大的水平推力,Ⅰ-1滑体发生平推式滑移,而Ⅰ-2滑体变形不显著。在渗水通道畅通后,基覆界面地下水难以积聚,降雨对坡体稳定性的影响整体削弱。
综上,除了将降雨作为滑坡失稳预警的判据,还需密切关注地下水位的动态变化,结合理论预测坡体变形的发展态势,对进一步研究地下水动态作用下降雨型滑坡的成因机理及早期识别预警工作具有重要意义。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
黄润秋, 徐则民, 许模. 地下水的致灾效应及异常地下水流诱发地质灾害[J]. 地球与环境, 2005, 33(3):1-9.

(HUANG Run-qiu, XU Ze-min, XU Mo. Hazardous Effects of Underground Water and Extraordinary Water Flow-induced Geohazards[J]. Geology-geochemistry, 2005, 33(3):1-9. (in Chinese))

[2]
IVERSON R M. Landslide Triggering by Rain Infiltration[J]. Water Resources Research, 2000, 36(7): 1897-1910.

DOI

[3]
贺可强, 王荣鲁, 李新志, 等. 堆积层滑坡的地下水加卸载动力作用规律及其位移动力学预测: 以三峡库区八字门滑坡分析为例[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(8): 1644-1651.

(HE Ke-qiang, WANG Rong-lu, LI Xin-zhi, et al. Load-unload Dynamic Law of Groundwater Level and Dynamic Displacement Prediction of Debris Landslide:A Case Study of Bazimen Landslide in Three Gorges Reservoir[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(8): 1644-1651. (in Chinese))

[4]
张作辰. 滑坡地下水作用研究与防治工程实践[J]. 工程地质学报, 1996, 4(4): 80-85.

(ZHANG Zuo-chen. Study on Groundwater Action of Landslide and Its Prevention Engineering Practice[J]. Journal of Engineering Geology, 1996, 4(4): 80-85. (in Chinese))

[5]
魏丽敏, 何群, 林镇洪. 考虑地下水影响的滑坡稳定性分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(3):422-426.

(WEI Li-min, HE Qun, LIN Zhen-hong. Stability Analysis of Landslide under Influence of Groundwater[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(3):422-426. (in Chinese))

[6]
李晓, 张年学, 廖秋林, 等. 库水位涨落与降雨联合作用下滑坡地下水动力场分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(21): 3714-3720.

(LI Xiao, ZHANG Nian-xue, LIAO Qiu-lin, et al. Analysis of Groundwater Dynamic Field of Landslide under the Combined Action of Reservoir Water Level Fluctuation and Rainfall[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(21): 3714-3720. (in Chinese))

[7]
XU Q, LIU H, RAN J, et al. Field Monitoring of Groundwater Responses to Heavy Rainfalls and the Early Warning of the Kualiangzi Landslide in Sichuan Basin, Southwestern China[J]. Landslides, 2016, 13(6):1555-1570.

DOI

[8]
VALLET A, VARRON D, BERTRAND C, et al. A Multi-dimensional Statistical Rainfall Threshold for Deep Landslides Based on Groundwater Recharge and Support Vector Machines[J]. Natural Hazards, 2016, 84(2):821-849.

DOI

[9]
张富灵, 邓茂林, 周剑, 等. 长江三峡库区谭家湾滑坡基本变形特征及机理分析[J]. 长江科学院院报, 2021, 38(1):78-83.

DOI

(ZHANG Fu-ling, DENG Mao-lin, ZHOU Jian, et al. Basic Deformation Characteristics and Mechanism of Tanjiawan Landslide in the Three Gorges Reservoir Area[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2021, 38(1):78-83. (in Chinese))

DOI

[10]
张海艳, 简文星, 杨涛, 等. 降雨作用下三峡库区秭归谭家湾滑坡监测预警研究[J]. 安全与环境工程, 2022, 29(4):129-138.

(ZHANG Hai-yan, JIAN Wen-xing, YANG Tao, et al. Research on Monitoring and Early Warning of Landslide at Tanjiwan, Zigui, Three Gorges Reservoir Area under Rainfall[J]. Safety and Environmental Engineering, 2022, 29(4):129-138. (in Chinese))

[11]
ZHANG F L, DENG M L, YI Q L, et al. Deformation Characteristics and Thresholds of the Tanjiawan Landslide in the Three Gorges Reservoir Area, China[J]. Journal of Mountain Science, 2022, 19(5): 1370-1385.

DOI

[12]
宋琨, 陈伦怡, 刘艺梁, 等. 降雨诱发深层老滑坡复活变形的动态作用机制[J]. 地球科学, 2022, 47(10):3665-3676.

(SONG Kun, CHEN Lun-yi, LIU Yi-liang, et al. Dynamic Mechanism of Rain Infiltration in Deep-seated Landslide Reactivate Deformation[J]. Earth Science, 2022, 47(10): 3665-3676. (in Chinese))

[13]
LI B, TIAN B, TONG F, et al. Effect of the Water-air Coupling on the Stability of Rainfall-induced Landslides Using a Coupled Infiltration and Hydromechanical Model[J]. Geofluids, 2022(1): 3036905-3036905.

[14]
WANG L, CHEN Y, WANG S, et al. Response of Landslide Deformation to Rainfall Based on Multi-index Monitoring: a Case of the Tanjiawan Landslide in the Three Gorges Reservoir[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2022, 81(6): 231.

DOI

[15]
张群, 许强, 易靖松, 等. 南江红层地区缓倾角浅层土质滑坡降雨入渗深度与成因机理研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38(8): 1447-1455.

(ZHANG Qun, XU Qiang, YI Jing-song, et al. Rainfall Infiltration Depth and Formation Mechanism of Slow-inclination Soil Landslides in Nanjiang[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(8): 1447-1455. (in Chinese))

[16]
简文星, 许强, 童龙云. 三峡库区黄土坡滑坡降雨入渗模型研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(12): 3527-3533, 3548.

(JIAN Wen-xing, XU Qiang, TONG Long-yun. Rainfall Infiltration Model of Huangtupo Landslide in Three Gorges Reservoir Area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(12): 3527-3533,3548. (in Chinese))

[17]
PADILLA C, ONDA Y, IIDA T, et al. Characterization of the Groundwater Response to Rainfall on a Hillslope with Fractured Bedrock by Creep Deformation and Its Implication for the Generation of Deep-seated Landslides on Mt. Wanitsuka, Kyushu Island[J]. Geomorphology, 2014, 204: 444-458.

DOI

[18]
邓茂林, 易庆林, 韩蓓, 等. 长江三峡库区木鱼包滑坡地表变形规律分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(8): 3145-3152,3166.

(DENG Mao-lin, YI Qin-lin, HAN Bei, et al. Analysis of Surface Deformation Law of Muyubao landslide in Three Gorges Reservoir Area[J]. Rock and Soil Mechanic, 2019, 40(8): 3145-3152,3166. (in Chinese))

[19]
邓茂林, 周剑, 易庆林, 等. 三峡库区靠椅状土质滑坡变形特征及机制分析[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(7):1296-1303.

(DENG Mao-lin, ZHOU Jian, YI Qing-lin, et al. Characteristics and Mechanism of Deformation of Chair-shaped Soil Landslides in Three Gorges Reservoir Area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(7):1296-1303. (in Chinese))

[20]
POLEMIO M, SDAO F. The Role of Rainfall in the Landslide Hazard: The Case of the Avigliano Urban Area (Southern Apennines, Italy)[J]. Engineering Geology, 1999, 53(3/4): 297-309.

DOI

[21]
CHIGIRA M. September 2005 Rain-induced Catastrophic Rockslides on Slopes Affected by Deep-seated Gravitational Deformations, Kyushu, Southern Japan[J]. Engineering Geology, 2009, 108(1/2): 1-15.

DOI

[22]
FAN X M, XU Q, ZHANG Z Y, et al. The Genetic Mechanism of a Translational Landslide[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68(2): 231-244.

DOI

[23]
TSOU C Y, FENG Z Y, CHIGIRA M. Catastrophic Landslide Induced by Typhoon Morakot, Shiaolin[J]. Geomorphology, 2011, 127(3/4): 166-178.

DOI

[24]
汪标. 降雨及库水作用下特大型碎裂顺层岩质滑坡变形特征及机制研究[D]. 宜昌: 三峡大学, 2023.

(WANG Biao. Deformation Characteristics and Mechanism of Super-large Cataclastic Bedding Rock Landslide under the Action of Rainfall and Reservoir Water: A Case Study of Tanjiahe Landslide[D]. Yichang: China Three Gorges University, 2023. (in Chinese))

Options
文章导航

/

〈 〉

*严禁使用本系统存储、处理、传输涉密信息*
版权所有 © 《长江科学院院报》编辑部
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司