课题堆积体滑坡稳定性的实时定量评价法.docx
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课题堆积体滑坡稳定性的实时定量评价法
堆积体滑坡稳定性的实时定量评价法
摘要：
介绍一种以钻孔倾斜仪深部变形监测为基础的评价堆积体滑坡完整性程度（破坏程度）的完整性指标Si（破坏性指标Sf）的方法，该方法可以在施工过程中根据孔口累计变形中滑带和滑坡体累计变形的各自变化关系计算出Si和Sf指标值，实时定量评价滑坡施工过程中滑带自下而上渐进破坏过程中稳定性的变化。
破坏采用相对变形峰值标准，根据这种破坏标准可以看到，滑坡以滑带破坏为标志，滑带破坏则以滑带上盘破坏为标志。
滑坡完整时对应Si=1，Sf=0；滑坡完全破坏时Si=0和Sf=1，不同破坏程度对应于[0，1]之间的某一值。
工程实例表明，该方法不仅行之有效，而且非常方便。
关键词：
边坡工程；堆积体滑坡；稳定性；实时定量评价；深部变形；监测
中图分类号：
P642.22文献标识码：
A文章编号：
1000–6915（2008）10–2146–07
REAL-TIMEQUANTITATIVEASSESSMENTMETHODOFSTABILITY
FORTALUSLANDSLIDE
LIDi，ZHANGMan，LIYiming1，LIYundong2
1
1
（1.ResearchCenteronWaterEngineeringSafetyandDisasterPreventionoftheMinistryofWaterResourcesofthePeople′sRepublicofChina，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan，Hubei430019，China；2.ChangjiangInstituteofSurvey，Planning
andResearch，ChangjiangWaterResourcesCommission，Wuhan，Hubei430010，China）
Abstract：
Themechanicalparametersandboundaryconditionsoflandslideoftenchangewithtimeduringtheprocessofconstruction.Traditionalquantitativeassessingmethodsoflandslidestability，suchaslimitequilibriummethod，finiteelementmethodetc.，areprettydifficulttosimulatethedynamicmechanicalbehavioroflandslideduringtheprocessofconstructionatthepresenttime，soitcannotachievethereal-timequantitativeassessmentforlandslidestability.Areal-timequantitativeassessingmethodoflandslidestabilityinperiodofconstrictionisproposed.Thenewmethodbasedondeformationmonitoringatdepthoflandslidemayavoidtheerrorscausedbythenodeterminacyofcalculatingmodels，mechanicalparametersandboundaryconditionsetc.Accordingtotherespectiverelationshipoftheaccumulateddeformationofslidingsurfaceandslipmass，bycalculatingthevalueofSiandSf，thereal-timequantitativeassessingthestabilityofslidingsurfacefrombelowtoaboveintheprogressofconstructionisconducted.Thefailurecriterionisthepeakvalueofrelativedeformation.Accordingtothecriterion，thesymboloflandsideinstabilityisthefailureofslidingzonewhichismarkedbythedestroyofslidingzone′shangingwall.WhenSi=1orSf=0，thelandsideiscompletestability；whenSi=0orSf=1，thelandslideiseventualfailure.Differentdestructivecorrespondavaluebetween0and1.Moreover，itshowsthatthemethodiseasytouseandveryefficientinapplication.
Keywords：
slopeengineering；taluslandslide；stability；real-timequantitativeassessment；deformationoflandslideindepth；monitoring
收稿日期：
2008–06–12；修回日期：
2008–07–28
基金项目：
国家自然科学基金资助项目（40772193）；中央级公益科研院所基金资助项目（YWF200817）
作者简介：
李迪（1937–），男，1961年毕业于武汉大学数学系，现任教授级高级工程师，主要从事岩石力学试验和大坝安全监测方面的研究工作。
E-mail：
zhangmancky@
第27卷第10期李迪，等.堆积体滑坡稳定性的实时定量评价法2147
1引言
定量评价边（滑）坡稳定性的分析方法很多，以物理意义直观、评价方法简单的刚体极限平衡方法出现最早，虽然不能考虑介质变形，但至今仍被岩土工程界广泛应用
[1，2]
之有效的方法。
2.2监测成果
通常根据监测数据整理成累计变形–深度曲线、相对变形–深度曲线、相对变形过程线和累计变形过程线，供分析变形空间、时间变化的规律。
累积变形过程线常整理分析孔口高程的，相对变形过程线常整理分析滑带各高程的，必要时也可整理其他有关高程的各种曲线，甚至变形方向随深度的变化曲线等。
但本文只涉及顺坡向（A）的累计变形–深度曲线、相对变形–深度曲线、累计变形–时间曲线和相对变形–时间曲线，本文称后二者分别为累计或相对变形过程线。
（1）累计变形–深度曲线
倾斜孔测点i（i由孔底向上依次记为0，1，…，n，n为孔口总数，下同）某时刻t的累计变形Wit是指该点在该时刻相对孔底（不动点0）初始时刻t0水平变形的变化，假定倾斜仪孔铅直，初始时刻倾斜孔每点变形Wit0=0，则WitWit0=Wit，简记为Wi。
累计变形沿深度的分布曲线即累计变形–深度曲线。
顺坡方向常记以A+，逆坡向记A；顺河流向
－
。
20世纪60年代末70年代
初，在我国发展起来的有限元法可以将研究的介质由刚体发展到变形体，并在嗣后的40多年经历了数值模拟由连续介质发展到非连续介质，由小变形分析发展到大变形分析，由二维分析发展到三维分析的飞速发展的阶段
[3～8]
。
边（滑）坡稳定性的定量评价
方法随数值模拟方法的发展而不断发展。
近几年来，根据O.C.Zienkiewicz等早年提出的抗剪强度折减概念发展起来的有限单元或有限差分强度折减法为更多的从事工程应用的人们所青睐，并逐步应用于边（滑）坡的稳定性评价中
[9～12]
。
大量的边（滑）工程实
～15]
践表明，处于施工过程中的堆积体滑坡，其滑带的滑动面通常是自滑带的下盘向上盘逐渐变化的[13
，
因此力学参数也随滑动面的变化而变化，变化着的参数（如抗剪强度参数c和f）一般很难使上述传统的数值模拟方法跟随施工过程动态进行。
本文要介绍的基于堆积体滑坡深部变形监测的稳定性评价方法，可以作为工程施工阶段评价滑坡稳定性动态变化的方法，该方法不仅可以避免上述计算方法由于在计算模型、物理力学参数和地质边界条件方面的不确定性带来的误差，而且可以做到实时和定量。
同时，文中给出了一个符合工程实际、不具随意性的破坏标准，以及对施工过程长达4a的堆积体滑坡的稳定性进行评价的工程实例。
常记以B+，逆河流向记以B，以下同。
没有标明
－
“+”，“－”时，则一般表示顺坡向和顺河流向。
本文只研究顺坡（A）方向的变形特性。
（2）相对变形–深度曲线
倾斜孔某点i某时刻t的相对变形Wi是指两相邻测点i与i－1在t时刻累计变形之差。
因此，相对变形就是水平向剪切变形，相对变形沿深度的分布曲线即相对变形–深度曲线。
相对变形Wi可表示为
Wi=WiWi1
（1）Wi=∑Wj
（2）
j=1i
2滑坡深部变形监测
2.1监测方法
本文采取铅直向活动式钻孔倾斜仪，测量不同深度的水平变形（挠度），探头长50cm，铝合金质测量套管，套管穿过滑坡滑带3～5m。
通常每月观测1次，变形加速时加密。
观测顺坡向（用A表示）和顺河流向（与顺坡向垂直，用B表示）2个方向。
实践证明，钻孔倾斜仪测量资料丰富，成果连续、稳定，受外界环境影响少，能及时发现滑坡深部滑带的发生、发展、滑带的位置和厚度，有其他地表测量仪器难以替代的优点，是一种监测边（滑）坡稳定性行
孔口累计变形可表示为
Wn=∑Wj（3）
j=1n
孔口累计变形是自孔底不动点至孔口之间各测点相对变形的总和。
某点i（含孔口n）某时刻t的累计变形是该点以下自孔底向上各点相对变形累加的总和。
（3）相对变形过程线
相对变形随时间的变化曲线，简称相对变形过
2148岩石力学与工程学报2008年
程线，有时也以相对变形–时间曲线来表示。
（4）累计变形过程线
累计变形随时间的变化曲线，简称累计变形过程线，有时也以累计变形–时间曲线来表示。
深度/m
孔口累计变形/mm
孔口累计变形
O
WABWBC
WCN
NW
3滑坡稳定性评价的Si（Sf）指标分析法
3.1评价稳定性的客观基础
本文研究的堆积体滑坡主要指存在顺层缓倾角潜在滑带的基岩滑坡。
在深部变形监测中遇到的长江干流上的黄腊石滑坡、清江干流上的茅坪滑坡以及鄂西水布垭电站近坝区的多个滑坡都属这类滑坡。
在利用铅直向活动式钻孔倾斜仪进行顺层缓倾角堆积体滑坡深部变形监测时可以看到，滑坡破坏以潜在的滑带破坏为标志，滑带破坏以滑带上盘破坏为标志。
进一步监测过程中发现，滑带的破坏首先在滑带的下盘（主滑面）发生，然后自下盘向上盘逐渐发展。
这种现象在水布垭电站近坝区出现滑动的3个滑坡上都可以观测到。
在既有开挖又有加固的滑坡施工过程中，滑带的上述过程有时长达数年
[13～15]
2001–02–17
C1
B1
B
C
A
H
（a）实测曲线（b）概化曲线
图1孔口累计变形–深度分布概化曲线
Fig.1Relationbetweenaccumulativedeformationofthehole
entranceanddepth
（3）点N表示孔口地表，折线CN表示滑带上盘以上直至地表滑坡段的变形曲线。
（4）点A表示钻孔孔底，为变形参考点（不动点），折线AB表示滑带下盘（主滑面）以下直至孔底滑坡段的变形曲线。
（5）点B，C在纵轴（OH）上的投影B1，C1分别代表滑带下、上盘在地表以下的位置，C1B1表示滑带的厚度。
（6）以WN，WC，WB和WA分别表示N（孔口）、
。
在分析节2.2整理出的4类曲线成果中发
现，相对变形–深度曲线是确定滑动发生、滑带位置及厚度的依据；滑带各高程相对变形过程线是分析滑带变形破坏发生原因和发展过程的有效手段；而孔口累计变形–深度曲线提供了实时定量评价堆积体滑坡稳定性评价的Si（Sf）指标分析法的可靠基础。
3.2累计变形–深度曲线的概化
堆积体滑坡的孔口累计变形的形式一般如图1（a）所示。
孔口累计变形是滑带下盘以下至孔底不动点、滑带（上、下盘之间）和滑带以上至孔口（滑坡地表）相对变形的总和。
为便于分析，它可以概化为由3段折线组成，如图1（b）所示，横坐标W表示孔口累计变形，纵坐标H表示滑坡地表（钻孔孔口）以下的深度，向下为正。
概化曲线的组成和含义[15]如下：
（1）在W-H平面坐标系中，概化曲线由AB，
C（滑带上盘）、B（滑带下盘、主滑面）和A（孔底）的累计变形，A为相对不动点，则有
WBC=WCWB（4）WCN=WNWC（5）WAB=WBWA=WB（6）
式中：
WBC，WCN，WAB分别为滑带、上盘以上滑坡体和下盘以下滑坡体的累计变形。
由式（4）～（6）可得
WBC+WCN+WAB=WN（7）由式（7）可以看出，式（7）与图1（b）表示的几何含义一致，即孔口累计变形为式（4）～（6）左边3部分各自累计变形的总和，右边为ON线段的长度。
并且可以看到，孔口累计变形–深度曲线是整个滑坡体变形性状的反映。
3.3Si（Sf）指标分析法
BC和CN三段折线组成。
（2）点B表示滑带的下盘，点C表示滑带的上盘，折线BC表示滑带段变形曲线；WB，WC分别为点B，C的累计变形。
第27卷第10期李迪，等.堆积体滑坡稳定性的实时定量评价法2149
如节3.1中指出的，滑坡的破坏是以滑带的破坏为主要标志，在开挖与加固同时的滑坡施工过程中，存在顺层缓倾角滑带的滑坡破坏过程可能很长，而且，在滑带破坏过程中，滑带变形WBC逐渐增加，而滑带以上滑坡体的变形WCN逐渐减少。
为了按此规律找到一个衡量滑带破坏程度的定量指标，并根据该指标的变化实时评价滑坡稳定性的定量变化，定义：
4工程实例
4.1工程概况
水布垭电站坝址区下游顺层堆积体滑坡位于左岸大崖以东脚下，上距坝轴线800余米，距溢洪道挑流鼻坎300余米，距最深冲点60余米。
由主滑坡体及东、西两级滑坡体经过局部解体而成，结构较复杂。
滑坡总面积0.196km2，滑体厚度25～40m，最厚约64.8m。
总体积约5.88×106m3。
Si=
滑带上盘以上至孔口的累计变形
=
滑带下盘以上至孔口的累计变形孔口的累计变形滑带上盘的累计变形
=
孔口的累计变形滑带下盘的累计变形
该滑坡边界较清楚，西侧为大崖陡壁，东侧以榨房沟为界；后缘高程430m，“圈椅”状地形明显；滑体前缘呈向南突出的弧形，剪出口高程200～210m。
滑坡在平面形状上呈一长形的喇叭，东西宽130～370m，最宽460m，南北长870m。
在滑坡两侧发育有东西2个次级滑体，在平面形态上皆呈扇形分布。
主滑体和东西两侧的次级滑体地表主要为砾质黏土夹少量碎石，厚度1～10m，黏土含量多，结构较密实；滑体中部为基岩解体大块体夹黏土及碎石、碎屑或黏土夹碎石、块石，分布连续。
滑体中上层为大块石、块石夹碎石及黏土，厚度5.3～40.7m；滑带主要分布于滑体与基岩之间，厚度0.1～9.5m，呈带状展布；次滑带主要分布于滑体中部，厚度0.20～3.15m，连续性、完整性略差（见图2）。
IN14–1——倾斜仪孔P14–1——渗压计
高程/m
WCN
（8）
WBC+WCN
滑带上盘的累计变形滑带下盘的累计变形Sf==
滑带下盘以上至孔口的累计变形WBC
=1Si（9）
WBC+WCN
Si，Sf的物理意义和特性如下：
（1）Si，Sf都分别为一个比值，分母为滑带下盘与孔口之间的累计变形；Si的分子为滑带上盘以上滑坡体的累计变形WCN，Sf的分子为滑带的滑动变形WBC，当滑带下盘滑动变形尚未产生即
WBC=0时，则Si=1，Sf=0，视滑带完整，滑动Si=尚未开始；当滑带上盘达到破坏即WCN=0时，0，Sf=1，视滑带和滑坡达到破坏，并分别称Si和
Sf为滑坡完整性指标和破坏性指标，Si，Sf的变化区间分别为[1，0]与[0，1]。
（2）根据式（5）和（6）定义的Si，Sf指标不仅有上述0和1两个极端情况下明确的物理意义，而且
Si，Sf两个比值的分子和分母都分别是两个累计变形之差，这样可以消除观测中同时发生的相同观测误差，突出滑带及上盘以上至孔口间变形的变化和
图2水布垭滑坡深部变形监测断面布置图
Fig.2Layoutdiagramonmonitoringsectionofalandslide′s
deepdeformationofShuibuyaslope
Si，Sf的变化规律。
（3）根据每次钻孔倾斜仪的观测值，可以很快计算出一对Si，Sf值，对比前后Si，Sf值的变化，就可以实时、定量评价滑坡稳定性的变化。
（4）与传统的滑坡稳定性定量评价法相比，它避免了确定计算模型、计算参数、滑坡边界与实际不一致所带来的误差，这是一个突出的优点，当前的所有数值计算模型是很难做到这一点的。
4.2滑坡稳定性评价的Si（Sf）指标分析法
（1）基本资料
本文根据前缘埋设的IN14–6孔自2002年5月～2006年3月期间观测计算的Si指标变化过程线进行分析（见图3（a）），也可根据相应的Sf变化过程线进行评价。
为节省篇幅，Sf指标变化过程线未予同时列出。
2150岩石力学与工程学报2008年
Si
表1滑坡前缘Si（Sf）指标（部分）变化表
Table1Si（Sf）index（thepart）infrontedgeoflandslide
日期/年月日
Si
Sf
历时
孔口累计
（前后相隔）/d变形/mm
备注
2002年4月前部开挖，
200206230.82200208230.80200302200.77200305010.67200308240.51200309030.58
0.180.200.230.330.490.420.480.530.560.590.590.620.640.640.640.620.620.620.620.62
4215.32002年5月12日建立
基准值
104（62）27.2285（181）50.0355（70）65.5
470（115）71.1下盘31.5m破坏480（10）89.831.5m扩容破坏到31.0m深，
685（205）128.8
31.0m扩容（点S1）
116.7
30.0m扩容–压密转803（118）128.2
折点865（62）128.6破坏到30.5m882（17）136.030.5m扩容
132.6上盘变形加速（点S2）138.8
2005年1月21日972（90）145.9
30m处卡孔观测停止2005年9月8日恢复
1215（243）145.9
观测
146.4154.51318（103）139.730.5m扩容停止1441（123）153.41462（21）149.3
日期/年月（a）Si指标历时曲线
滑带相对变形/mm－200205200212200306200401200408200502200509200603200610
200111200403270.52200404250.47200407230.44200409230.41200410100.41200410270.38200411240.36
/年月日期（b）滑带相对变形
200306孔口累计变形/mm
200404200409200502200507200512200605200610
200311200501080.36200509080.36200510250.38200511250.38200512200.38200604220.38200605260.38
日期/年月（c）孔口累计变形
图3水布垭滑坡IN14–6孔Si指标及其变形过程线Fig.3RelationofindexSianddeformationprocessofShuibuya
landslidefortheholeofNo.IN14–6
为清楚了解滑带的具体破坏过程，配合分析Si
指标的变化原因，更有利于评价滑坡稳定性的变化，图3（b）给出了滑带相对变形过程线，表1对破坏过程中发生的某些特征事件作出了文字纪要。
图3（c）给出了相应Si指标变化过程的孔口累计变形过程线。
（2）稳定性评价
堆积体滑坡稳定性评价的Si（Sf）指标分析法是适用于滑坡施工期的实时定量方法，它是在视建立观测初始值时滑坡完整性指标Si=1，相应的破坏性指标Sf=0的前提下，告诉人们在施工影响条件下某时刻滑坡完整性（破坏性）的变化，而这种变化是以Si（Sf）的变化定量表征的，方法行之有效，非常方便，水布垭电站近坝区上述滑坡稳定性变化具体评价如下：
①从图3（a）和表1可以看出，位于滑坡前部的
注：
历时指相隔建立基准值日的天数；前后相隔指相邻2次计时间隔的天数；备注中的31.5，31.0，30.5m均指地表以下的深度。
6月23日的Si=0.82，Sf=0.18。
这是由于230～234m高程的上坝公路、抗滑桩早在同年4月以前开始施工开挖，由于施工的影响，在40d左右的时间内测孔所在部位的完整性降低了18%，如果有关各方能共同努力，尽早实施监测，尽早掌握施工对滑坡稳定性的影响，采取相应的防护措施，将更有利于工程的建设。
②到2004年年底，随230m高程抗滑桩加固完成，220～230m高程挡土墙发挥作用，208m高程的4排固结灌浆和帷幕完成等，滑坡前部基本稳定，稳定时的Si=0.36，相应Sf=0.64。
也就是说，从
2002～2004年3a间由于施工的影响，滑坡的完整性指数由0.82降低到0.36，相对2002年5月12日的完整性降低了64%。
IN14–6孔，2002年5月12日建立基准值，2002年
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