考慮位移監(jiān)測的滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)研究*

湯羅圣，殷坤龍，陳麗霞

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間學(xué)院，湖北武漢430074)

0 前言

滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法目前主要有極限平衡法、概率分析方法和有限元法，國內(nèi)外很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。例如祝輝等［1］、鄭曉晶等［2］、廖武堅(jiān)［3］采用傳遞系數(shù)法、Morgenstern-Price法等極限平衡法對滑坡在降雨、庫水位等作用下的穩(wěn)定性及相應(yīng)的防治對策進(jìn)行了研究。周春梅等［4］、湯羅圣等［5］、肖莉麗等［6］基于蒙特卡洛法，采用剩余推力法的原理對滑坡在各種工況條件下的破壞概率進(jìn)行了探討，并對滑坡的危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)。黃顯貴等［7］、李紅衛(wèi)等［8］運(yùn)用有限元強(qiáng)度折減法理論，采用FLAC3D等數(shù)值模擬軟件對滑坡在地下水等因素作用下的穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評價(jià)方法進(jìn)行了研究。

雖然以上研究已取得了很多成果，但是這些方法都僅從力學(xué)的角度出發(fā)，而很少從滑坡的實(shí)際變形角度來考慮。為此，在運(yùn)用Morgenstern-Price法、蒙特卡洛－破壞概率方法和強(qiáng)度折減法從二維和三維的角度計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和破壞概率的基礎(chǔ)上，提出了考慮滑坡位移監(jiān)測的R/S分析方法對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)。以三峽庫區(qū)青龍咀滑坡為例，采用上述四種方法對該滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 R/S分析方法簡介

R/S分析方法最早是由H E Hurst提出來的［9－12］，其剛開始主要運(yùn)用于分形理論方面，后經(jīng)B B Mandelbrot等人的不斷完善，使該分析方法在許多方面應(yīng)用得越來越廣泛，滑坡時(shí)間預(yù)測預(yù)報(bào)就是其中一方面。其基本原理如下。

對于某一時(shí)間序列{ξ(t)}(t=1，2，3…)，則在時(shí)間τ內(nèi)該時(shí)間序列的均值為:

時(shí)刻t的累計(jì)離差為:

極差為:

標(biāo)準(zhǔn)差為:

統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明:

式中:k為比例參數(shù)，H為赫斯特指數(shù)。由式(5)可知赫斯特指數(shù)H為ln(R/S)－ln()雙對數(shù)坐標(biāo)中線性趨勢線的斜率。

H E Hurst及其他學(xué)者研究證明:

(1)如果{ξ(t)}是相互獨(dú)立，則H=1/2。

(2)如果H＞1/2，則所研究的時(shí)間序列是相關(guān)的，說明時(shí)間序列所代表的過程具有持久性，事物所處狀態(tài)不發(fā)生變化，H越偏離1/2，隨機(jī)成分越少。

(3)如果0＜H＜1/2，說明時(shí)間序列所代表的過程具有反持久性，事物狀態(tài)發(fā)生向相反方向轉(zhuǎn)變，H越接近0，隨機(jī)成分越少。

2 滑坡實(shí)例簡介－青龍咀滑坡

2.1 滑坡概述

該滑坡位于三峽庫區(qū)云陽縣巴陽鎮(zhèn)婁子村2組，巴陽溪左岸斜坡中下部。斜坡構(gòu)造上處于黃柏溪向斜西北翼、鐵峰山背斜南東翼。斜坡形態(tài)平直，沿南西方向展布的反向斜坡，屬低山丘陵剝蝕地貌。

滑體左側(cè)以沖溝為界，右側(cè)邊界以沖溝和巖層節(jié)理面為界，后緣以陡壁為界，前緣以堆積層與基巖為界。平面形態(tài)呈舌形，剖面形態(tài)呈凸形。滑坡體前緣高程179 m，后緣高程323 m。滑坡中前部坡度較陡，大概30°左右，中后部稍緩，大約21°左右?；麦w主滑方向265°，滑坡長約440 m，寬約400 m，土層平均厚度20 m，滑坡面積為17.6×104m2，滑體總變形規(guī)模352萬m3，屬二級大型土質(zhì)滑坡(圖1)。

圖1 滑坡平面圖

2.2 滑坡物質(zhì)組成

滑坡體物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)崩坡積粘性土夾碎塊石土組成，粘性土呈可塑狀，碎塊石含量占15%～30%，直徑一般在10～50 cm，結(jié)構(gòu)松散。

滑坡位于斜面坡體的中下部，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，屬崩坡積層下伏基巖面滑面，其滑動主要沿著第四系堆積體與下伏基巖面發(fā)育，形成以該界面形態(tài)為主的滑面。

滑坡屬第四系土層沿基巖面的線性滑坡，滑床為侏羅系中統(tǒng)(J2s)紫紅色、灰白色砂巖，巖層產(chǎn)狀115°∠7°，巖體節(jié)理裂隙、風(fēng)化裂隙發(fā)育(圖2)。

圖2 滑坡剖面圖

2.3 滑坡變形監(jiān)測情況

該滑坡共有GPS樁5個(gè)，其中變形監(jiān)測點(diǎn)3個(gè)，另外2個(gè)為布置在滑坡體外穩(wěn)定巖層上的基準(zhǔn)點(diǎn)(見圖1)。由于監(jiān)測資料有限，本文這里選取2007年1月～2009年10月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滑坡三個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)這段時(shí)間的累積位移－時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3 滑坡累積位移－時(shí)間曲線

3 滑坡穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 計(jì)算工況及抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取

為了采用以下方法對滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)，而監(jiān)測數(shù)據(jù)只有2007年1月－2009年10月這段時(shí)間的，所以這里選取的工況為滑坡2009年10月所處的實(shí)際工況。根據(jù)三峽水庫水位調(diào)度情況可知，此時(shí)壩前庫水位高度大約為159 m，所以本文的計(jì)算工況為:自重+壩前159 m水位。

根據(jù)基于工程地質(zhì)類比方法及三峽庫區(qū)二期項(xiàng)目中的區(qū)域統(tǒng)計(jì)成果［13－14］，得到了該滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均服從正態(tài)分布，其具體值如表1所示。

表1 滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)概率分布

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

結(jié)合滑坡實(shí)際變形情況、區(qū)域統(tǒng)計(jì)規(guī)律及參數(shù)反演分析，這里穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)采用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值如表2所示。

表2 滑坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3.2.1 二維滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

采用Geostuido中的slpoe/w模塊對該滑坡的二維穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，其條塊劃分及滑坡滲流場如圖4所示。

圖4 滑坡條塊劃分及滲流場

采用slope/w中的Morgenstern-Price法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，最后計(jì)算得到該滑坡的穩(wěn)定性為1.06。

3.2.2 三維滑坡穩(wěn)定性計(jì)算

采用大型通用有限元軟件ANSYS 10.0的前處理模塊建立該滑坡的三維地質(zhì)模型，滑坡地表通過點(diǎn)、線、面的生成順序，依次建成，滑動面的生成，主要依據(jù)Ⅰ-Ⅰ剖面，空間剖面數(shù)據(jù)采用自動差值方法進(jìn)行讀數(shù)?；碌娜S地質(zhì)模型如圖5所示。

圖5 滑坡三維地質(zhì)模型

采用有限元強(qiáng)度折減法，運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，得到該滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.21。

3.2.3 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析

從二維和三維滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，其穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，共同說明滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)這一結(jié)論的正確性。而對于兩種計(jì)算結(jié)果的區(qū)別，三維情況下計(jì)算的結(jié)果更具有說服力，因?yàn)槎S情況下考慮的穩(wěn)定性僅僅是滑坡的主剖面。從兩者的對比可知，其穩(wěn)定性系數(shù)相差還比較大，特別對于滑坡設(shè)計(jì)方面。因此，對于目前規(guī)范推薦的二維穩(wěn)定性計(jì)算方法有必要進(jìn)行進(jìn)一步探討。

3.3 破壞概率

考慮到滑坡在自重+壩前159 m水位工況條件下模擬的該滑坡滑帶大部分地下水位線以下，這里進(jìn)行破壞概率計(jì)算時(shí)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取表1中飽和強(qiáng)度的概率分布來進(jìn)行計(jì)算。

采用Geostudio中的slope/w進(jìn)行計(jì)算，得到了該滑坡在所選工況下的穩(wěn)定性系數(shù)概率分布圖和其破壞概率(圖6)，由圖6可知該滑坡的破壞概率為50.88%。

圖6 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)分布密度

3.4 R/S分析

采用公式①～⑤，并結(jié)合滑坡3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了滑坡2007年、2008年和2009年3年的Hurst指數(shù)值，具體如表3所示。

表3 滑坡Hurst指數(shù)值一覽表

3.5 滑坡穩(wěn)定性綜合評價(jià)

從滑坡二維和三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，其穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，說明滑坡無論是整體還是局部均處于穩(wěn)定狀態(tài);而依據(jù)邊坡穩(wěn)定程度分級表4可知，滑坡破壞概率在30%～60%之間，說明此時(shí)滑坡的危險(xiǎn)性為中等;從滑坡位移R/S分析結(jié)果可知，滑坡的Hurst指數(shù)值均大于0.5，說明滑坡2007－2009年這3年一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，與穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果一致，正好相互驗(yàn)證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以總的來說，在選取計(jì)算工況條件下該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，危險(xiǎn)性為中等。

表4 邊坡穩(wěn)定程度分級［15］

4 結(jié)論

通過以上研究，得到以下結(jié)論:

(1)在選取工況條件下，青龍咀滑坡二維和三維穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分別為1.06和1.21。

(2)滑坡在選取工況條件下的破壞概率為50.88%。

(3)由滑坡位移時(shí)間序列R/S分析結(jié)果可知，滑坡三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在2007－2009年3年的Hurst指數(shù)值均大于0.5，說明滑坡這段時(shí)間一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與R/S分析結(jié)果具有一致性，正好相互驗(yàn)證了各自的準(zhǔn)確性。

(5)由上述四種滑坡穩(wěn)定性評價(jià)方法得到該滑坡的綜合評價(jià)結(jié)果為:該滑坡在計(jì)算工況條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其危險(xiǎn)性為中等。

［1］祝輝，唐紅梅，李明，等．重慶－貴州高速公路向家坡滑坡穩(wěn)定性分析及防治對策研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(S1):2687－2693．

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［5］湯羅圣，殷坤龍，李德營．基于推廣Bayes方法參數(shù)優(yōu)化的滑坡穩(wěn)定性評價(jià)［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2010，21(4):33－37．

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