傾倒變形體邊坡變形監(jiān)測與預(yù)警實例分析

王海軍， 馮 立， 李光偉

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

傾倒變形體是因為邊坡內(nèi)部存在一組傾角很陡的結(jié)構(gòu)面，將邊坡巖體切割成許多平行的塊體，而臨近坡面的陡立塊體緩慢地向坡外彎曲和倒塌，是巖質(zhì)邊坡破壞的主要模式之一。隨著人類工程活動的日益頻繁及范圍的擴大，在水利水電、礦山、鐵路、公路等方面都出現(xiàn)了大量傾倒變形體邊坡，這些邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)不僅涉及到工程本身的安全，同時也涉及到其周圍整體環(huán)境的安全[1-3]。因此對傾倒變形體邊坡的正確認(rèn)識、合理設(shè)計、準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報，避免或減小傾倒變形體邊坡變形失穩(wěn)破壞所造成的災(zāi)害和損失，是工程技術(shù)人員必須引起重視的問題。

傾倒破壞一般發(fā)育于地表臨空面附近的坡體淺部，傾倒變形體的穩(wěn)定性主要受其傾倒變形的程度所控制，其外變形體周邊的條件以及坡體內(nèi)部的層面、結(jié)構(gòu)面的性狀、地下水等因素也在一定程度上影響著傾倒變形體的穩(wěn)定性。由于邊坡工程的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，要在工程設(shè)計階段準(zhǔn)確無誤地預(yù)測巖土體的基本狀況及其在施工、運行過程中的變化，目前還存在很大困難。因此邊坡工程安全不僅依賴于合理的工程設(shè)計、施工、運行，而且取決于貫穿在工程設(shè)計、施工和運行的安全監(jiān)測。

大多數(shù)的傾倒變形體邊坡失穩(wěn)都能夠從前期監(jiān)測數(shù)據(jù)中得到體現(xiàn)[4-5]，通過外觀監(jiān)測數(shù)據(jù)，即位移量、合位移方向等，能夠直觀地反映出邊坡的失穩(wěn)過程[6]。因此通過高頻次的外觀數(shù)據(jù)來對不穩(wěn)定傾倒變形體邊坡進行安全穩(wěn)定評價，是一種有效的預(yù)警預(yù)報手段。

本文通過對西藏某水電站導(dǎo)流明渠右岸邊坡的變形監(jiān)測，預(yù)警到邊坡整體失穩(wěn)過程，對此傾倒變形體邊坡工程監(jiān)測實例加以深入分析，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

西藏某水電站所處河流流向呈N50°E，河谷呈“U”型寬谷，河谷寬約50～80 m。右岸岸坡殘留Ⅱ級階地，階地高程3 255～3 256 m，階地下部為基巖陡坎；內(nèi)側(cè)山體較雄厚，坡度35°～40°，在高程3 300～3 310 m間分布有寬約20～50 m的緩坡平臺。

水電站的導(dǎo)流明渠邊坡位于右岸壩肩上游段，坡頂高程3 300 m，坡高約100 m。邊坡巖體主要為變質(zhì)砂巖、硅質(zhì)板巖和絹云母石英片巖，呈薄層狀不等厚互層，巖層走向為陡傾坡內(nèi)。邊坡于2014年6月開挖，2015年1月下旬開挖完成，除高程3 205～3 233 m段開挖邊坡未支護外，其余邊坡已經(jīng)全部進行系統(tǒng)支護，并且分別在高程為3 250 m、3 261 m和3 267 m處布置三排錨索，其中2號公路以上為系統(tǒng)支護公路邊坡。

2015年1月中旬，施工區(qū)經(jīng)歷雨雪天氣后，1月21日現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)高程3 240～3 308 m范圍內(nèi)多處出現(xiàn)橫向拉裂縫，裂縫長度由數(shù)米到數(shù)十米不等，裂縫寬度1～4 cm，呈間斷連續(xù)狀。1月23日開始布置外觀監(jiān)測點，在變形邊坡上分3個斷面，修建了18個變形監(jiān)測點，邊坡監(jiān)測點布置見圖1。1月25日取得初始值，1月26日至1月31日每天觀測2次，2月1日后，觀測頻次加密至每2 h觀測一次。1月29日邊坡高高程監(jiān)測點首先出現(xiàn)平面合位移量加大，位移速率從6.5 mm/d變?yōu)?1.2 mm/d，1月29日到2月3日期間，位移速率以5 mm/d左右的速度遞增，2月3日已達到24.6 mm/d。監(jiān)測單位連續(xù)發(fā)出滑坡預(yù)警，2月3日零點至2月4日零點，位移速率陡增至6 mm/h，2月4日8 ∶50左右，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。邊坡變形破壞的范圍為：上下游長約200 m，高度約100 m，平均厚度約20 m，方量約為30～35萬 m3。邊坡失穩(wěn)破壞面貌見圖2。

圖1 導(dǎo)流明渠上游段邊坡監(jiān)測布置示意

圖2 導(dǎo)流明渠上游段邊坡失穩(wěn)破壞面貌

2 失穩(wěn)破壞的機理分析

導(dǎo)流明渠右岸邊坡變形破壞是在特定的自然與地質(zhì)環(huán)境條件下形成和發(fā)生的，其機制為上部卸荷拉裂-中部傾倒折斷-下部下坐垮塌。邊坡之所以發(fā)生失穩(wěn)破壞并不是單純受重力而向臨空方向傾倒的結(jié)果，而是受到多種因素的影響，這些因素既包括外部地質(zhì)環(huán)境條件，也包括巖體內(nèi)部條件，而且這些因素之間是相互作用、相互影響的。

邊坡變形破壞的巖體內(nèi)部因素主要為：

(1)邊坡的岸坡組成為陡傾坡內(nèi)的薄層狀巖體，層面產(chǎn)狀與岸坡小角度相交，邊坡易向外發(fā)生彎曲、傾倒。

(2)邊坡巖性主要為薄層狀～中厚層狀的變質(zhì)砂巖、硅質(zhì)板巖和絹云母石英片巖組成，巖塊強度總體為較軟～中硬巖，總體強度較低。

(3)邊坡內(nèi)主要發(fā)育三組裂隙，在局部形成不利于邊坡穩(wěn)定的不利組合。三組裂隙分別為EW/S∠50°～70°，與岸坡小角度相交，陡傾坡內(nèi)；SN /E(W)∠80°～85°，垂直層面發(fā)育，與岸坡大角度相交，延伸一般3～10 m，間距10～30 cm； N50°～60°W /NE∠40°～45°，與岸坡小角度相交，延伸一般3～10 m，間距30～100 cm。另外，2號公路內(nèi)側(cè)坡及開口線附近發(fā)育f8小斷層，產(chǎn)狀近EW/S∠70°，斷層呈東西向延伸，長約630 m，屬Ⅲ級結(jié)構(gòu)面。斷層破碎帶及影響帶寬度約為1～3 m，主要由含炭質(zhì)硅質(zhì)板巖經(jīng)強烈變形后形成的密集劈理及石英脈透鏡體組成。

(4)邊坡的巖體內(nèi)隨機發(fā)育規(guī)模大小不等的數(shù)條構(gòu)造帶，破壞了邊坡巖體的完整性。

邊坡變形破壞的環(huán)境因素為：

(1)冰雪融水是誘發(fā)山體變形的主要因素之一，水沿地表裂縫入滲，降低了巖體的物理力學(xué)強度。同時晝夜正負(fù)溫的交替作用，裂隙水的反復(fù)凍融均會導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)較大的變形。

(2)邊坡巖體在自然條件下，巖體本身存在卸荷傾倒現(xiàn)象，邊坡開挖會造成其應(yīng)力調(diào)整，產(chǎn)生傾向坡外的拉應(yīng)力，使原本存在的卸荷裂隙進一步向外拉張，產(chǎn)生對邊坡穩(wěn)定性不利的影響。

3 監(jiān)測成果及分析

3.1 邊坡變形的時間特征

邊坡的失穩(wěn)破壞一般都是漸變變形到突變破壞的發(fā)展過程，變形量超過一定范圍、某個時間開始變形加快、邊坡巖體裂縫發(fā)展增大等，這些都是邊坡將要失穩(wěn)破壞的征兆。大量的滑坡實例位移數(shù)據(jù)顯示，邊坡的變形演化過程具有典型的三階段特征，分別為：初始變形、等速變形和加速變形階段。初始變形不易被發(fā)現(xiàn)，或發(fā)現(xiàn)時已進入初始變形階段中后期。等速變形階段為主要變形監(jiān)測期。加速變形階段還可細分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。初加速階段明顯表現(xiàn)為滑坡率逐漸增加，滑坡趨勢增加；中加速階段邊坡滑坡率進一步增大，邊坡滑動趨勢也進一步增大；臨滑階段其實就是邊坡滑落與未滑落的一個臨界狀態(tài)期。

邊坡特征點位移速率過程線見圖3。從邊坡特征點位移速率過程線可以看出：邊坡傾倒變形體的變形已經(jīng)處于加速變形階段，其變形發(fā)展大致可分三個階段。

(1)初加速階段：1月26日～1月28日期間，測點最大平面合位移速率約為6.5 mm/d。

(2)中加速階段：1月29日～2月3日期間，由于坡腳部位導(dǎo)流明渠底板持續(xù)開挖及爆破作業(yè)影響，邊坡變形明顯加速，到2月3日0 ∶00時，最大平面合位移速率增至24.6 mm/d。

(3)臨近失穩(wěn)階段：2月3日～2月4日期間，2月3日19時觀測，最大平面合位移速率為4.62 mm/h，2月4日7時30分觀測各測點位移速率急劇拉升，最大平面合位移速率達到18.62 mm/h。2月4日8 ∶50左右，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖3 傾倒變形體邊坡特征點位移速率過程線

3.2 傾倒變形體邊坡變形的空間特征

依據(jù)監(jiān)測成果，可以將邊坡變形從空間上大致劃為三個區(qū)域：

(1)傾倒變形體后緣影響區(qū)。該區(qū)域位于變形破壞區(qū)的后緣，變形量在5 mm以內(nèi)，現(xiàn)場巡視未發(fā)現(xiàn)較明顯的裂縫或其他變形跡象，開挖邊坡后緣以上處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)傾倒變形體中部變形區(qū)。該區(qū)域位于高程3 240 m馬道與高程3 273 m的中部，該區(qū)域在邊坡失穩(wěn)前，平面最大累計合位移變形量在42.8～200.8 mm之間。

(3)傾倒變形體頂部最大變形區(qū)。該區(qū)域位于高程為3 289 m的馬道與開口線內(nèi)拉裂縫前緣之間，該區(qū)域在邊坡失穩(wěn)前，平面最大累計合位移變形量在148.4～348.2 mm之間。

從監(jiān)測的斷面上分，邊坡3-3剖面的位移最大，2-2剖面的位移次之，1-1剖面的位移相對最小。從監(jiān)測點位移軌跡圖可以看出，變形方向基本一致，邊坡為整體變形。

4 失穩(wěn)預(yù)警方法探討

邊坡失穩(wěn)破壞災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報可以為邊坡工程的施工和運行安全提供重要保證，為做出合理、有效的處置措施贏得時間，從而避免邊坡失穩(wěn)災(zāi)害事故的發(fā)生。因此邊坡失穩(wěn)破壞災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報是邊坡穩(wěn)定性控制的重要組成部分，是當(dāng)今國際邊坡工程研究的前沿課題。但值得注意的是，預(yù)警值的級別劃分并沒有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，應(yīng)該充分考慮到地址條件和工程要求等各種因素的影響，同時還應(yīng)結(jié)合設(shè)計理論計算及類似工程經(jīng)驗來確定。

目前，在邊坡穩(wěn)定性預(yù)測與評價眾多方法中，極限平衡法和位移時序預(yù)測方法一直都是邊坡工程穩(wěn)定性評價和滑坡預(yù)測預(yù)報所采用的主要方法。極限平衡法是建立在邊坡失穩(wěn)機制與受力條件清晰明確基礎(chǔ)上的力學(xué)評價模型，是一種無時間參數(shù)的靜態(tài)力學(xué)評價模型，建模的局限與苛刻條件均使極限平衡法在邊坡失穩(wěn)的預(yù)測預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用中受到了極大局限。位移時序預(yù)測方法是以滑坡位移監(jiān)測為基礎(chǔ)，以位移參數(shù)及其變化作為邊坡是否穩(wěn)定的預(yù)測參數(shù)與評價準(zhǔn)則。其具有精度高、易實施且反映邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)直觀等優(yōu)點，已在我國重大滑坡監(jiān)測預(yù)警與防治中得到了廣泛的應(yīng)用且發(fā)揮了重要作用[9]。本文采用位移時序預(yù)測方法(位移速率和平面累計合位移與垂直累計位移差方法)對傾倒變形體邊坡失穩(wěn)進行預(yù)警分析。

4.1 采用位移速率判斷

國內(nèi)工程界通常參考日本地滑對策技術(shù)協(xié)會的建議[10]，采用位移速率來判斷邊坡是否穩(wěn)定，該判斷方法是由測得的土體位移速率大小及位移傾向是否顯著做為判斷的依據(jù)，其建議如表1所示。按照表1的建議，當(dāng)邊坡的日位移量達到20 mm以上時，邊坡將會出現(xiàn)失穩(wěn)。

表1 位移速率與邊坡穩(wěn)定性判斷建議

導(dǎo)流明渠上游段傾倒變形體邊坡在1月29日到2月3日期間，平面合位移速率以5 mm/d左右的速度遞增，2月3日已達到24.6 mm/d，按照表1的定義，邊坡已經(jīng)達到預(yù)警的程度，監(jiān)測單位成功發(fā)出邊坡失穩(wěn)破壞的預(yù)警。

4.2 采用平面累計合位移與垂直累計位移差比較法判斷

當(dāng)邊坡的平面累計合位移與垂直累計位移的差值逐漸增大時，邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)的風(fēng)險將有所增加，本文采用邊坡的平面累計合位移與垂直累計位移的差值作為邊坡失穩(wěn)預(yù)警的判斷指標(biāo)。

布置在邊坡中部2-2監(jiān)測斷面上部的TP8和TP9兩測點同時刻的平面合位移與垂直位移之差的過程線見圖4，從圖4可以看出：各變形階段的平面合位移與垂直位移之差帶有顯著的階段特征。當(dāng)平面合位移與垂直向位移差值小于20 mm時，表明水平向與垂直向位移比較同步，可以認(rèn)為邊坡處于勻速變形階段。當(dāng)平面合位移和垂直向位移差值達到20～70 mm時，表明水平向變形加快，同時邊坡垂直向有明顯的下坐變形，可以認(rèn)為邊坡處于加速變形階段。當(dāng)平面合位移和垂直向位移差值大于70 mm時，表明邊坡正在快速向臨空面傾倒及下坐變形，可以認(rèn)為邊坡處于臨近失穩(wěn)階段，需要發(fā)出邊坡失穩(wěn)破壞的預(yù)警。

圖4 邊坡特征點平面累計合位移與垂直累計位移差過程線

5 結(jié) 論

邊坡安全監(jiān)測能夠獲取邊坡體在不同時間的真實狀態(tài)，已成為評價邊坡體穩(wěn)定狀態(tài)的重要手段之一，邊坡安全監(jiān)測及預(yù)測預(yù)報研究則是邊坡穩(wěn)定性研究中的重要課題之一，也是一個世界性的科學(xué)難題。以西藏某水電站導(dǎo)流明渠傾倒變形體邊坡變形監(jiān)測為例，分別采用位移速率和平面累計合位移與垂直累計位移差方法可以有效地預(yù)警邊坡失穩(wěn)。為同類工程在施工期過程安全監(jiān)測提供參考。