加卸載響應(yīng)比在某水庫滑坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

代天帆 易慶林 胡大儒 楊巧佳 趙能浩

（1.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北宜昌 443002）

滑坡的變形與破壞是一個復(fù)雜的過程，影響因素很多.大量事實表明，90%以上的滑坡失穩(wěn)與水有關(guān)，水是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的最活躍和最普遍的因素［1］.

由于地下水、降雨及庫水對滑坡的穩(wěn)定性變化有著重要的影響，因此研究水的變化規(guī)律與滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律的相互關(guān)系是解決該類型滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵.賀可強等［2－5］將加卸載響應(yīng)比理論成功用于降雨型堆積層滑坡時間預(yù)測預(yù)報當(dāng)中，并深入研究了此類型滑坡加卸載響應(yīng)比動力學(xué)參數(shù)，分析了滑坡的位移動力學(xué)特征和滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律.

目前加卸載響應(yīng)比理論多用于以降雨型堆積層滑坡的時間預(yù)測預(yù)報中，而對于水庫型滑坡穩(wěn)定性規(guī)律分析較少.三峽工程竣工后，庫水在一定的調(diào)度下進行周期性的升降，庫岸邊坡巖土體在庫水循環(huán)作用下巖性劣化，邊坡的穩(wěn)定性受到嚴重的影響.鑒于庫水變化在水庫型滑坡穩(wěn)定性變化過程中有著極其重要的作用，所以可以研究庫水變化規(guī)律與滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律間的相應(yīng)關(guān)系.本文運用加卸載響應(yīng)比理論的基本原理，建立滑坡庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型，據(jù)此進行滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律探究.

1 加卸載響應(yīng)比理論簡介

加卸載響應(yīng)比理論［6－8］通常用于研究非線性系統(tǒng)失穩(wěn)識別及時空預(yù)報領(lǐng)域.非線性系統(tǒng)趨近失穩(wěn)前，可用系統(tǒng)對加載響應(yīng)率與卸載響應(yīng)率之比（即加卸載響應(yīng)比，LURR）來定量描述，定義響應(yīng)率為

加卸載響應(yīng)比定義為

式中，ΔP為加卸載增量（ΔP＋和ΔP－分別為加載增量和卸載增量）；ΔR為加卸載響應(yīng)增量（ΔR＋和ΔR－分別為加載和卸載響應(yīng)增量）；X為響應(yīng)率（X＋和X－分別為加載與卸載的響應(yīng)率）；Y 為加卸載響應(yīng)比.

當(dāng)荷載較小時，P與R呈線性或近似線性關(guān)系，加卸載響應(yīng)率X＋與X－基本相等，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)荷載不斷增大，逐漸趨近臨界值Pcr時，響應(yīng)率也隨之增大，系統(tǒng)進入潛在不穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)荷載繼續(xù)增大時，X＋迅速增大，系統(tǒng)失穩(wěn).

Y值可以定量地刻畫非線性系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)的程度，也可以作為非線性系統(tǒng)失穩(wěn)識別的判據(jù).當(dāng)Y→1時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Y＞1時，系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)；當(dāng)Y→∞時，系統(tǒng)失穩(wěn).滑坡是一個典型的非線性系統(tǒng)，因此，也可運用加卸載響應(yīng)比理論來進行滑坡的變形規(guī)律的研究.

2 庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型

式中，ΔV＋表示邊坡水位加載期間的平均位移速率變化；ΔV－為邊坡水位卸載期間的平均位移速率變化；ΔH＋為邊坡為加載時水位變化平均值；ΔH－為邊坡卸載時水位平均變化值.

對具備一定條件下的邊坡，當(dāng)庫水位上升到一定高度可引起邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大時，這個庫水位上升過程相當(dāng)于對邊坡進行了卸載；當(dāng)庫水位下降而引起了邊坡穩(wěn)定系數(shù)的減小時，相當(dāng)于對邊坡進行了加載［9］.當(dāng)庫水位上升或下降時，滑坡的自重應(yīng)力及靜水壓會隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化，其在滑坡主滑方向產(chǎn)生的下滑力分量與抗滑力分量大小難以直接判斷，因此在庫水的作用下滑坡的穩(wěn)定性變化情況并不是由庫水上升或下降單獨確定［10］，不能簡單地將庫水升降量做為加卸載增量.

由式（2）知，庫水加卸載響應(yīng)增量分別對應(yīng)庫水加卸載量，因此我們可以通過加卸響應(yīng)增量的大小反過來定義庫水升降時的加卸載增量：當(dāng)Vi－Vi－1＞0時，對應(yīng)的庫水位變化值視為加載量；當(dāng)Vi－Vi－1＜0時，對應(yīng)的庫水位變化值視為卸載量.

據(jù)此建立的庫水位－位移速率加卸載響應(yīng)比模型為

3 工程實例分析

3.1 滑坡概況

滑坡位于長江主干道的南岸，形成于兩近南北向的沖溝間，單斜順層斜坡，南高北低，向長江展布.滑坡平面呈不規(guī)則“圈椅”狀，主滑方向20°，屬深層大型土質(zhì)堆積層滑坡.滑坡南北長500m，東西寬430m，面積21.5×104m2，滑體平均厚度約30m，體積645× 104m3.

滑坡滑體主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，這幾種成因的巖土體分層性差.其物質(zhì)由碎石、塊石、角礫和粉質(zhì)粘土、粘土組成，結(jié)構(gòu)松散，透水性較好.滑帶以含碎石或者含角礫粉質(zhì)粘土為主，部分滑帶巖土物質(zhì)成分為角礫土和粘土，可塑－軟塑狀，土石比為9∶1～7∶3，滑帶巖芯大多呈柱狀.

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

滑床地層為侏羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）深灰色薄至中厚層粉砂巖夾薄層狀泥巖、煤層，偶夾巖屑長石石英細砂巖，結(jié)構(gòu)較致密，堅硬，巖心多呈柱狀，泥巖、頁巖易風(fēng)化，鈣質(zhì)、硅質(zhì)粉砂巖抗風(fēng)化能力較強，巖層傾向15°～20°，傾角32°～36°，呈單斜構(gòu)造，未見大的斷裂破碎帶.

圖2 滑坡1－1′剖面圖

3.2 滑坡水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

滑坡主滑區(qū)內(nèi)布設(shè)7個地表GPS變形監(jiān)測點，在滑體外圍穩(wěn)定地段布設(shè)2個GPS基準(zhǔn)點.通過自2003年以來的專業(yè)監(jiān)測表明，滑坡的變形主要發(fā)生在滑體預(yù)警區(qū)內(nèi)，滑體其它部位變形較小.本文取滑坡體內(nèi)部最具代表性的變形點JC01進行研究分析，監(jiān)測時間取自2008年1月至2012年12月，其水平位移－庫水位關(guān)系如圖3所示.由圖3可知，滑坡在庫水周期性循環(huán)作用下總體位移曲線為階梯狀，從總體上看滑坡累計位移呈逐漸增長趨勢，但滑坡位移速率在2008年最大，在2012年最小，在此期間總體呈逐步下降趨勢.從局部上看，監(jiān)測點在每年5～7月份變形較大，這主要是由于同期長江庫水位大幅下降產(chǎn)生的，致使滑坡加速變形，而7月份后隨著庫水逐漸上升，滑坡累計為基本保持穩(wěn)定，由此可見庫水下降是引起該滑坡滑動的主要因素，基于庫水變化在該堆積層滑坡演變過程中起著重要的誘發(fā)作用，可建立堆積層滑坡庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型研究庫水作用規(guī)律與滑坡災(zāi)害發(fā)生在時間上的對應(yīng)關(guān)系.

圖3 JC01號地表變形監(jiān)測點水平位移－庫水位關(guān)系圖

3.3 滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律探究

根據(jù)邊坡庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型理論，劃分滑坡從2008年1月～2012年12月的加卸載區(qū)間，見表1.

表1 加卸載區(qū)間劃分

根據(jù)邊坡庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型理論，滑坡從2008年1月～2012年12月的加卸載增量和加卸載響應(yīng)增量見表2.

表2 加卸載計算結(jié)果

最后通過庫水位－位移速率加卸載響應(yīng)比模型（式3）計算滑坡加卸載響應(yīng)比，見表3.

表3 加卸載響應(yīng)比計算結(jié)果

由表3可知，在2008年滑坡加卸載響應(yīng)比顯著大于1，說明滑坡處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，在2009～ 2012年間，滑坡加卸載響應(yīng)比略大于1，說明滑坡逐步處于基本穩(wěn)定狀態(tài).加卸載響應(yīng)比在2008年較大，總體呈逐步下降趨勢，說明滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)逐年有所改善.從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出，滑坡的變化速率在2008年最大，同時在2008年至2012年間總體呈逐步減小趨勢，這與加卸載響應(yīng)比理論計算的結(jié)果相符合，說明庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型理論能夠應(yīng)用于滑坡的穩(wěn)定性變化趨勢預(yù)測中.

4 結(jié) 論

1）滑坡預(yù)測預(yù)報中，位移數(shù)學(xué)統(tǒng)計預(yù)測模型較為常見.本文以庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型為位移動力學(xué)預(yù)測模型，根據(jù)庫水位變化在庫水型滑坡失穩(wěn)過程中所起的關(guān)鍵作用，以及庫水加卸載響應(yīng)增量與加卸載增量間的對應(yīng)關(guān)系劃分加卸載區(qū)間，建立庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型，并對滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律進行探究.該模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，而且在分析解釋導(dǎo)致滑坡位移速率變化的原因與機制方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢.

2）通過工程實例分析與計算，發(fā)現(xiàn)其加卸響應(yīng)比在2008年至2012年間呈逐步減小趨勢，說明滑坡逐步趨向穩(wěn)定，這與該監(jiān)測點位移速率在此期間逐步減小的變化規(guī)律相吻合，表明對于庫水型堆積層滑坡，以庫水位為加卸載響應(yīng)參數(shù)的堆積層滑坡庫水位－位移加卸響應(yīng)比理論在該類型滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律的研究中是一種較為準(zhǔn)確和有效的方法.

3）基于庫水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測模型進行滑坡穩(wěn)定性規(guī)律研究這一課題的理論目前還并不完善，在理論和實踐方面都需要進行更深層次的研究，其在庫水主導(dǎo)型滑坡的變形失穩(wěn)過程研究中有一定的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景.

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