周 辀,沈軍輝,舒俊城,段偉鋒,楊日昌,李 穎

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 310000)

由于斜坡的變形破壞具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和不確定性，因此，關(guān)于斜坡變形的預(yù)測預(yù)警研究一直是工程地質(zhì)界的熱點，但同時也是最大的難點[1]。而堆積層滑坡作為滑坡的一種基本類型[2-3]，其分布范圍廣泛，物質(zhì)組成的差異性大，空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性強(qiáng)，且具有與很多其他類型滑坡不同的特點[4-7]，尤其是當(dāng)堆積層滑坡威脅到重大工程的施工和運營時，人類很難平衡生產(chǎn)、生活與滑坡災(zāi)害的矛盾，這也給地質(zhì)工作者精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)警滑坡災(zāi)害提出了新的要求。

在滑坡預(yù)測模型研究方面[8-9]，具體包括確定性預(yù)報模型[10-13]、統(tǒng)計預(yù)報模型[14-17]、非線性預(yù)報模型[18-21]、綜合預(yù)報模型[22-25]4類。然而，滑坡發(fā)生的主要原因是受斜坡應(yīng)力狀態(tài)的改變和滑帶土物理力學(xué)參數(shù)的降低共同控制的，上述預(yù)測方法本質(zhì)上是在已有的滑坡位移-時間函數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行擬合和外推，一般用于“后驗性”檢驗，而“先驗性”預(yù)測成功的案例并不多見。其原因在于各預(yù)測模型的適用范圍界定尚不明確，例如，若采取不相同的模型對某一滑坡的某一階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析，其結(jié)果將會有很大出入；而對于某一滑坡不同監(jiān)測階段運用相同的預(yù)測模型，也會得出不同的預(yù)測結(jié)果。在研究滑坡是否進(jìn)入臨界破壞階段的定量參數(shù)指標(biāo)方面，將定量指標(biāo)判定參數(shù)的數(shù)量作為劃分滑坡預(yù)警判據(jù)研究的依據(jù)時，可分為單一參數(shù)預(yù)警判據(jù)[26-27]和雙參數(shù)預(yù)警判據(jù)[22-23,28]，其中雙參數(shù)預(yù)警判據(jù)在實際預(yù)警中取得了良好的效果[29-30]。

大量的滑坡實例表明，某些斜坡由于個性特征強(qiáng)烈[31]，其在變形-破壞過程中所呈現(xiàn)出的時間-空間演化特征和各變形定量參數(shù)并不會完全與預(yù)測結(jié)果相符合。因此，本文將在詳細(xì)掌握研究對象地質(zhì)背景條件的基礎(chǔ)上，運用地質(zhì)-力學(xué)-變形模型[22-23]和位移-時間曲線切線角法[32-33]對該堆積體變形破壞的臨界位移和臨滑變形速率開展預(yù)測研究，并結(jié)合其時間-空間演化規(guī)律[31]建立預(yù)警綜合判據(jù)。在提高本研究對象預(yù)測預(yù)警可靠性的同時，也為將來類似斜坡的預(yù)測預(yù)警“先驗性”研究提供借鑒。

1 地質(zhì)體概況

1.1 堆積體基本特征

該堆積層斜坡位于水電站壩前右岸(凹岸)，距壩址約0.5 km，屬高山峽谷地貌。整體形態(tài)呈“舌”形，沿江呈近東西向展布，坡向N70°E，坡度35°，海拔高度 2 050～2 500 m，面積約0.158×106m2，體積約 3.098 5×106m3。斜坡中后部下伏基巖內(nèi)發(fā)育有斷層f1。堆積層下部出露的基巖為變質(zhì)鈣質(zhì)石英砂巖、黑云母石英片巖和板巖，屬于上三疊統(tǒng)雜谷腦組(T3z)地層(圖1)。

該堆積體地質(zhì)成因復(fù)雜，為河谷快速下切之后多期次崩塌、滑坡堆積所形成。其中f1下盤基巖產(chǎn)狀N9°～40°W/SW∠21°～68°，為逆向坡，不易發(fā)生大規(guī)模滑坡；但受構(gòu)造及風(fēng)化作用影響，巖體結(jié)構(gòu)破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，易發(fā)生崩塌，因此，在海拔高度 2 050～2 310 m的堆積層主要由堆積于早期形成的階地平臺附近的多期次崩塌構(gòu)成。而f1上盤基巖產(chǎn)狀N50°～60°W/NE∠15°～32°，為順向坡，坡體結(jié)構(gòu)有利于滑坡的發(fā)生，因此，海拔高度 2 310～2 500 m的堆積層主要由一期老滑坡堆積構(gòu)成。堆積層上部的老滑坡體由塊碎石土構(gòu)成，塊石完整性及成層性較好，且普遍具有早期滑動形成的揉皺；而老滑帶產(chǎn)狀為N20°～60°W/NE∠16°～31°，厚度0.6～1.0 m，主要由土夾碎石組成，結(jié)構(gòu)中密，碎石具有一定的定向性和磨圓度(圖1-A、B、C)。

1.2 堆積體變形特征

自2017年7月14日堆積體在海拔高度2 340～2 420 m的邊坡出現(xiàn)變形開始，截至2017年11月4日變形趨于停滯時，其變形特征大致可分為3個階段：階段Ⅰ，在海拔高度 2 415～2 420 m初步形成弧形拉裂縫L1；階段Ⅱ，弧形拉裂縫L1進(jìn)一步擴(kuò)展、拉張、下錯，變形體兩側(cè)形成斷續(xù)延伸的側(cè)翼剪張雁行式裂縫L2、L3；階段Ⅲ，弧形拉裂縫L1繼續(xù)擴(kuò)展、拉張、下錯，并與兩側(cè)雁行式裂縫L2、L3在海拔高度 2 385～2 415 m初步貫通。最終，拉裂縫L1最大下錯高度1.8 m，最大累計位移2.4 m，變形區(qū)分布面積1.4×104m2，體積約0.15×106m3(圖1)。

1.3 變形影響因素及機(jī)制

本次變形是受邊坡工程施工(圖2-A、B)和降雨因素(圖2-C)共同作用所誘發(fā)。在邊坡工程施工方面，主要體現(xiàn)在：開挖工作面不僅破壞了原坡表在長期風(fēng)化和人類耕植作用下形成的具有一定隔水作用的黏粒土層，為降雨入滲坡體內(nèi)部提供良好的通道，也改變了斜坡的原始地貌，提供了有利于變形發(fā)生的前緣臨空條件(圖2-A)和后緣匯水入滲條件(圖2-B)。而降雨與變形發(fā)生的直接相關(guān)性(圖2-C)主要體現(xiàn)在降雨入滲增加了巖土體的容重(表1)，使斜坡的下滑力增大，同時大幅度降低了滑帶及錯動帶巖土體的強(qiáng)度(表1)。

1.4 變形失穩(wěn)模式

綜合現(xiàn)場調(diào)查、變形監(jiān)測、巖土體強(qiáng)度試驗的結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：變形體后部的滑動是沿老滑坡滑帶進(jìn)行，而中前部的滑動是沿老滑坡滑體內(nèi)部的錯動帶進(jìn)行(圖1-B、C)，其中塊碎石土在天然與飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)均強(qiáng)于其后緣老滑坡滑帶土(表1)；而地表裂縫的演化過程也表現(xiàn)出由后緣的拉裂縫L1逐步向前緣擴(kuò)展形成側(cè)翼剪張雁行式裂縫L2、L3的模式(圖1)，且變形體范圍內(nèi)各地表位移監(jiān)測點的累計位移均遵循后部測點大于前部的特征(圖2-C)。這種變形由后緣逐漸向前緣發(fā)展，累計位移量值逐漸減小，具備上陡下緩的兩段式復(fù)合滑帶(31°→16°)，且前緣抗滑段巖土數(shù)值計算所需的體積模量K和剪切模量G根據(jù)K=E/[3(1-2μ)]和G=E/[2(1+μ)]由彈性模量E和泊松比μ計算得到；各材料均概化為彈塑性材料并遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則體強(qiáng)度顯著大于主動段和主滑段滑帶土[34]，都說明該變形體的變形模式屬于推移式[31]。

表1 堆積體巖土體物理力學(xué)參數(shù)綜合取值Table 1 Summary of comprehensive values of physical and mechanical parameters of rock-soil mass in deposit

2 變形預(yù)測

2.1 基于地質(zhì)-力學(xué)-變形模型的臨界位移預(yù)測

2.1.1 地質(zhì)-力學(xué)-變形模型的構(gòu)建

基于地質(zhì)-力學(xué)-變形模型預(yù)測臨界位移的基本方法是[22-23,35]：以有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)為計算平臺，在對斜坡變形進(jìn)行工程地質(zhì)綜合分析的基礎(chǔ)上，建立地質(zhì)-力學(xué)模型，進(jìn)行應(yīng)力場-形變分析；不斷校正斜坡的地質(zhì)-力學(xué)計算模型，使之與斜坡實際變形特征和位移監(jiān)測數(shù)據(jù)相“耦合”；將“耦合”后的模型運用有限差分強(qiáng)度折減法進(jìn)行時間-空間的延拓計算，當(dāng)計算至模型處于臨界破壞狀態(tài)時，其所得的位移值即為臨界位移的預(yù)測值。

c′=c/FRF

(1)

φ′=tan-1(tanφ/FRF)

(2)

式中：FRF為折減系數(shù);c、φ分別為原始內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角;c′、φ′分別為折減后的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。

根據(jù)堆積體工程地質(zhì)主剖面圖1-1'(圖1-B)建立數(shù)值計算全尺寸模型，并在模型中布置與實際監(jiān)測點TPlsB-2(變形體后緣)和TPlsB-5(變形體前緣)位置相同的監(jiān)測點B2和B5，同時依照特征點位移突變判據(jù)的要求，在坡表和坡體內(nèi)布設(shè)16個監(jiān)測點(圖3)。

根據(jù)巖土體物理力學(xué)試驗的結(jié)果(表1)設(shè)定模型各區(qū)的計算參數(shù)，并選取TPlsB-2測點的實測位移-時間曲線與模型計算B2測點的位移-時步曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為實際監(jiān)測時間的1 d，相當(dāng)于數(shù)值計算中的35 step(圖4)。當(dāng)模型計算到 2 975時步時，其應(yīng)力、位移、應(yīng)變和塑性區(qū)分布情況與實際斜坡變形狀態(tài)(2017年11月4日的變形狀態(tài))趨于一致，因此，將該狀態(tài)設(shè)置為地質(zhì)-力學(xué)-變形模型的初始狀態(tài)。

2.1.2 變形破壞臨界位移預(yù)測

a.特征點位移突變失穩(wěn)判據(jù)

以模型的初始狀態(tài)作為變形預(yù)測的起始時刻，為保證獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，對前期折減計算的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)增量取0.005，而對模型即將發(fā)生失穩(wěn)破壞時的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)增量改取0.001。計算結(jié)果顯示，除監(jiān)測點P4、P8、P11、P12、P13、P14、P15、P16外，其余各監(jiān)測點的位移突變特征都在折減系數(shù)增大到一定值時出現(xiàn)(圖5)。

由于強(qiáng)度折減系數(shù)增量較小，需要對變形曲線進(jìn)行擬合才能準(zhǔn)確得出變形失穩(wěn)破壞時的折減系數(shù)和臨界位移值。由各監(jiān)測點合位移與折減系數(shù)的關(guān)系曲線可得，其二者整體上滿足如下指數(shù)方程

k=aeb/(δ+c)

(3)

式中：k為折減系數(shù)；a、b、c為待定系數(shù)；δ為合位移。

選取監(jiān)測點B2和B5作為主要特征點。因為在推移式變形中后緣變形量大，易于觀測分析；而前緣變形量雖然較小，但對斜坡的失穩(wěn)破壞卻起著至關(guān)重要的作用(圖6)。

表2揭示了指數(shù)函數(shù)方程(3)對各監(jiān)測點數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，其相關(guān)性系數(shù)均在0.99左右，而斜坡穩(wěn)定性系數(shù)(S)的相對差值為

表2 模型各監(jiān)測特征點k-δ曲線擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of k-δ curve of each monitoring characteristic point of the model

[(Smax-Smin)/Smin]×100%=[(1.05162-

1.0461)/1.0461]×100%=0.528%

由于相對差值浮動較小，考慮到穩(wěn)定性計算的冗余度，模型后緣B2監(jiān)測點和前緣B5監(jiān)測點的合位移δ在方程(3)中的折減系數(shù)k可取最小值1.0461，因此，合位移δ計算結(jié)果為

b.剪應(yīng)變增量和塑性區(qū)貫通失穩(wěn)判據(jù)

圖7和圖8揭示，模型中剪應(yīng)變增量和剪切塑性區(qū)均在實際變形體范圍內(nèi)和滑帶附近基本貫通。綜合上述3種判據(jù)得出：變形體在后緣監(jiān)測點B2處的變形量達(dá)到6.69 m或前緣監(jiān)測點B5處的變形量達(dá)到0.449 m時，處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)。

S為斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)

2.2 基于位移-時間曲線的臨滑變形速率預(yù)測

2.2.1 位移切線角法的優(yōu)化

斜坡由變形到破壞的過程中，其累計位移-時間曲線(s-t曲線)通常需經(jīng)歷3個階段，即初始、等速和加速變形階段[32,36]。而在這其中，曲線橫坐標(biāo)與曲線中某時刻切線的夾角，被稱為s-t曲線中該時刻的位移切線角。由于s-t曲線橫縱坐標(biāo)的量綱可變，即改變橫縱坐標(biāo)系的比例后，該時刻的位移切線角也會隨之改變，但是其整體曲線依然會表現(xiàn)出變形-破壞三階段的模式，從而使預(yù)測結(jié)果表現(xiàn)出不唯一性的特點[32-33,36]。

由于s-t曲線等速變形階段s與t之間呈線性關(guān)系，因此，可以計算出累計位移值s與等速位移速率v的比值，其中v可以視為恒定值，從而把s-t曲線中的橫縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為具備時間量綱一致性的特征[32-33,36]。

(4)

式中：Δs(i)為某一單位時間段內(nèi)斜坡變形位移變化量；T(i)為變換后與時間相同量綱的縱坐標(biāo)值。

圖9為通過(4)式計算后得出的T-t曲線，而公式(5)為經(jīng)過上述改進(jìn)后的切線角αi表達(dá)式。

(5)

式中：ti為某一監(jiān)測時刻；Δt為對應(yīng)Δs的單位時間段；ΔT為單位時間段內(nèi)T(i)的變化量。

根據(jù)上述分析得出：αi<45°時斜坡處于初始變形階段；αi≈45°時斜坡處于等速變形階段；αi>45°時斜坡處于加速變形階段。

2.2.2 臨滑變形速率預(yù)測

對堆積體模型進(jìn)行變形-破壞的全過程數(shù)值計算，并根據(jù)臨界位移預(yù)測中時步-時間的擬合結(jié)果建立變形體模型后緣B2測點的s-t曲線和T-t曲線(圖9)。

通過對比大量滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)[32-33,36]后發(fā)現(xiàn)：T-t曲線中切線角>45°時，斜坡進(jìn)入加速變形階段。對該階段進(jìn)一步細(xì)分：45°<切線角<80°為初加速階段；80°≤切線角<85°為中加速階段；切線角≥85°為臨滑階段。將上述T-t曲線中的切線角節(jié)點數(shù)據(jù)代入原s-t曲線，得到加速變形各亞階段的變形速率區(qū)間：等速變形階段變形速率為0.013 m/d；初加速變形階段變形速率為0.013～0.06 m/d；中加速變形階段變形速率為0.06～0.109 m/d；臨滑階段變形速率為>0.109 m/d。

3 預(yù)警綜合判據(jù)

3.1 變形時間-空間演化規(guī)律

根據(jù)推移式變形3個階段演化特征和地質(zhì)力學(xué)模型[31,34]，得到該變形體現(xiàn)有及推測的時間-空間演化規(guī)律(圖10)[31]。

i.變形前開挖階段(2016年6月24日-2017年6月15日)，該階段堆積體未發(fā)生明顯變形，但是為變形奠定了重要的基礎(chǔ)，進(jìn)一步可劃分為：變形前施工便道開挖階段(i-1)、變形前支護(hù)工程施工階段(i-2)。

ii.初始變形階段(2017年6月16日-2017年7月31日)，該階段受前期開挖和連續(xù)降雨影響，變形體后緣出現(xiàn)弧形拉張裂縫，并已從未發(fā)生明顯變形階段過渡至變形顯著發(fā)展階段。

iii.等速變形階段：iii-1.該階段變形體后緣拉裂縫繼續(xù)擴(kuò)展的同時，兩側(cè)雁行式裂縫初現(xiàn)，后緣滑帶也初步形成(2017年8月1日-2017年8月31日)；iii-2.變形體后緣拉裂縫繼續(xù)擴(kuò)展并與后緣兩側(cè)雁行式裂縫初步貫通，中后部滑帶初步貫通，并向前緣發(fā)展(變形體目前處于這一階段)(2017年9月1日-2017年11月4日)。

iv.加速變形-破壞階段，該階段變形體后緣和兩側(cè)裂縫將加速貫通，前緣抗滑段出現(xiàn)大量隆脹裂縫，變形曲線趨于陡立，最終抗滑段滑面貫通，發(fā)生滑坡災(zāi)害。

3.2 預(yù)警綜合判據(jù)

基于《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》對滑坡災(zāi)害的預(yù)警分級：注意(藍(lán)色)、警示(黃色)、警戒(橙色)、警報(紅色)4個等級，結(jié)合變形體變形定量預(yù)測和時間-空間演化規(guī)律分析的成果，提出該堆積體變形-破壞預(yù)警的綜合判據(jù)(圖11)。

4 結(jié) 論

a.本文研究的堆積層斜坡，地質(zhì)成因復(fù)雜，為多期次崩塌、滑坡堆積所形成。斜坡上部老滑坡堆積體內(nèi)的變形，是受其本身的坡體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成特征控制，并在邊坡工程施工和降雨的共同作用下誘發(fā)的。

b.構(gòu)建了地質(zhì)-力學(xué)-變形模型進(jìn)行巖土體強(qiáng)度折減的有限差分計算，并使之與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相“耦合”。通過對該模型做時間和空間延拓，預(yù)測變形體失穩(wěn)時的臨界位移，其中后緣B2監(jiān)測點的臨界位移為6.69 m，前緣B5監(jiān)測點的臨界位移為0.449 m。

c.對模型進(jìn)行全過程數(shù)值計算，獲得變形體后緣B2監(jiān)測點的s-t曲線，通過優(yōu)化的位移切線角法轉(zhuǎn)換為橫縱坐標(biāo)相同時間量綱的T-t曲線，當(dāng)T-t曲線中的位移切線角達(dá)到85°時變形體進(jìn)入臨滑階段，由此得出變形體后緣B2監(jiān)測點的臨滑變形速率為0.109 m/d。

d.該斜坡變形的時間-空間演化規(guī)律為：變形體經(jīng)歷了初始變形——后緣拉裂縫形成階段和等速變形——中段側(cè)翼剪張裂縫產(chǎn)生階段，尚未進(jìn)入加速變形——前緣隆脹裂縫形成階段。

e.基于變形體變形定量預(yù)測和時間-空間演化規(guī)律分析的成果，提出該堆積體變形-破壞預(yù)警的綜合判據(jù)，提高了預(yù)警的準(zhǔn)確性，也為將來類似斜坡的預(yù)測預(yù)警研究提供借鑒。