三峽庫區(qū)堆積層滑坡變形破壞演變機(jī)理

唐曉松鄭穎人譚萬鵬

（1后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶400041；2重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，重慶400041）

0 引言

滑坡演化機(jī)理旨在滑坡各種誘發(fā)因素作用下，顯示滑坡的發(fā)生、變形、破壞的全過程與時空規(guī)律，包括滑動的原因、運動的特點以及滑動演化的時空過程，從廣義上說，還應(yīng)包括滑坡的預(yù)報。

滑坡演變機(jī)理與工程地質(zhì)因素有關(guān)，因而各種滑坡的成因不同、機(jī)理不同，例如三峽庫區(qū)滑坡主要為基巖上的巖土堆積層滑坡，滑面就是基巖面，動因主要是重力與庫水升降作用。

當(dāng)前人們對滑坡演變機(jī)理一般是從宏觀觀察的角度上加以定性描述，依據(jù)滑坡的變形量大小，把滑坡分為弱變形階段、強(qiáng)變形階段和臨滑階段。隨著監(jiān)測儀器的發(fā)展，監(jiān)測滑坡的各種力學(xué)變量，尤其是位移監(jiān)測獲得了廣泛應(yīng)用。由此可依據(jù)監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)，應(yīng)用位移速度來描述滑坡的發(fā)展過程，齋藤把滑坡分為減速蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段。盡管人們獲得的是定量的位移與位移速度數(shù)據(jù)，但由于沒有把這些數(shù)據(jù)與滑坡演變過程緊密聯(lián)系起來，仍然不知道滑面的受力與發(fā)展過程、滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低的演變過程，也無法預(yù)測滑坡發(fā)生的時刻。因此急需提高并深化人們對滑坡演變機(jī)理的認(rèn)識，尤其是需要從定性認(rèn)識走向定量認(rèn)識，從模糊抽象認(rèn)識走向可視的具體認(rèn)識。當(dāng)前力學(xué)理論和計算技術(shù)的發(fā)展，使這種認(rèn)識的提升成為可能。本文就是應(yīng)用新近發(fā)展起來的數(shù)值極限分析方法（包括有限元強(qiáng)度折減法和超載法）[1-2]，或稱有限元極限分析方法[3-4]，并應(yīng)用國際上通用的軟件來提升這一認(rèn)識。這種方法原理十分簡單，是通過不斷降低巖土強(qiáng)度和進(jìn)行彈塑性數(shù)值計算，直至破壞，自動生成破壞面，并發(fā)生破壞信息。到破壞時的強(qiáng)度降低系數(shù)就是滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，其結(jié)果與傳統(tǒng)方法求得的穩(wěn)定安全系數(shù)完全一樣。該方法不僅能求滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，還能求出滑面的位置、形態(tài)與發(fā)展過程[3-4]，十分適用于滑坡演化機(jī)理的描述。

文章針對堆積層滑坡的變形破壞演變機(jī)理，采用了數(shù)值分析定量計算的方法，通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，來顯示滑面的發(fā)生、受力與演變過程；獲得監(jiān)測點的監(jiān)測位移速度與不同穩(wěn)定安全系數(shù)下的計算位移速度，以及監(jiān)測位移-時間曲線與不同穩(wěn)定安全系數(shù)下計算位移-時間曲線，由此可反映不同的滑坡發(fā)展階段；并通過計算位移-時間曲線與監(jiān)測位移-時間曲線的對比，確定不同時刻的滑坡的實時穩(wěn)定安全系數(shù)；由此可以定量區(qū)分滑坡的各個階段，獲得滑坡的臨滑時間及預(yù)測最終滑動時間，為滑坡的預(yù)報預(yù)警提供可靠依據(jù)，這就是本文要做的工作。

1 采用多手段、分階段分析滑坡蠕變破壞的演化過程[5]

人們對滑坡蠕變破壞演變過程的認(rèn)識，一般基于三種手段：一是通過宏觀現(xiàn)象的直接觀測；二是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析；三是通過對滑坡穩(wěn)定的定量力學(xué)分析。目前主要還是應(yīng)用前兩種手段，獲得的認(rèn)識是定性的和模糊抽象的，仍需要通過先進(jìn)的力學(xué)手段和計算手段，加強(qiáng)第三種分析手段，以獲得定量的、具體可視的機(jī)理認(rèn)識，下面對三種分析方法加以簡要闡述。

1.1 滑坡蠕變破壞的宏觀現(xiàn)象的觀測分析

表1 滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標(biāo)

由于人們長期以來都采用這一手段分析滑坡機(jī)制，目前已積累了較多經(jīng)驗[6]，但這種認(rèn)識仍然是經(jīng)驗性的、模糊抽象的，不確定性很大，單憑這一認(rèn)識不能認(rèn)清滑坡蠕變破壞的機(jī)制。在這一認(rèn)識基礎(chǔ)上，可把滑坡的全過程分為穩(wěn)定、弱變形、強(qiáng)變形和臨滑四個階段，表1從現(xiàn)場觀測、監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值計算三方面給出了滑坡階段的劃分及其相應(yīng)的評價指標(biāo)。

1.2 滑坡蠕變破壞的監(jiān)測位移分析

隨著監(jiān)測儀器的發(fā)展，滑坡的位移監(jiān)測日益普及，這些數(shù)據(jù)為滑坡演變機(jī)制的研究提供了新的分析手段。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著滑坡變形的發(fā)展，位移速度逐漸增大，齋藤據(jù)此提出了滑坡蠕變的三個階段：減速蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段[7-8]，可以作為劃分滑坡階段的依據(jù)，但從實用方便起見還可將第三階段分為：加速蠕變段與劇速蠕變段，從而形成減速蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段與劇速蠕變階段四個階段。其中，加速蠕變階段表示滑坡將加速發(fā)展，劇速蠕變階段表示進(jìn)入臨滑狀態(tài)，即將發(fā)生滑坡。上述四個階段可以簡化為變形速度為零、等速、加速、劇速四個階段，由此與穩(wěn)定、弱變形、強(qiáng)變形和臨滑四個階段相對應(yīng)。

圖1所描述的是典型的、具有普遍意義的滑坡位移-時間曲線，圖1中A點表示等速蠕變和加速蠕變的臨界點、B點表示加速蠕變過渡段和劇速蠕變的臨界點。但在實際工程中，不同成因類型的滑坡，其位移-時間曲線可能會有所差別，尤其是受各方面條件的限制（如監(jiān)測周期、監(jiān)測精度等），或滑坡在其發(fā)展演化過程中遭受不同類型外界因素的影響，使得滑坡位移-時間曲線變得更加復(fù)雜。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標(biāo)見表1。

圖1 滑坡蠕變四階段的劃分

通過對三峽庫區(qū)大量滑坡監(jiān)測資料進(jìn)行歸納總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，對于三峽庫區(qū)內(nèi)大量存在的堆積體滑坡而言，其滑坡位移-時間曲線大致有曲線型（圖2a）和階梯型（圖2b）兩類。由于下雨、庫區(qū)水位升降等原因，對于下部地形較平緩的滑坡，一般產(chǎn)生均勻向前滑動，出現(xiàn)曲線型位移-時間曲線；而對于下部地形較陡和易受庫水水位波動影響的滑坡，一般出現(xiàn)臺階形位移-時間曲線。

圖2 堆積體滑坡位移-時間曲線

2 滑坡蠕變破壞與穩(wěn)定性的定量分析

上述兩種分析方法，只能定性地確定滑坡的演化過程，更重要的是要定量地確定滑坡的演化過程：包括監(jiān)測點的位移-時間曲線，滑面的受力、變形、破壞的演化過程，滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)的降低過程，以及滑坡的預(yù)警預(yù)報過程。這里采用數(shù)值計算的方法對松散堆積體滑坡的變形破壞演變機(jī)理進(jìn)行研究。

2.1 監(jiān)測點位移-時間曲線的計算

監(jiān)測點位移-時間曲線除了可用測量獲得，也可通過黏彈塑性模型計算確定。本文選用FLAC3d軟件中Cvisc模型進(jìn)行計算，其一維應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變模型如圖3所示。

圖3 FLAC3d中Cvisc蠕變模型示意圖

該模型由馬克斯韋爾模型、開爾文模型（兩個模型串連成為Burger模型）和一個塑性元件串連而成。圖3中，σ為巖土體應(yīng)力，Em、Ek、ηm和ηk分別為彈性模量、粘彈性模量、馬克斯韋爾粘滯系數(shù)和開爾文粘滯系數(shù)，σf為巖土體材料的屈服強(qiáng)度，εm、εk和εp分別為馬克斯韋爾體、開爾文體的應(yīng)變和塑性應(yīng)變。如果將ηm取為零，而開爾文體的參數(shù)不為零時，Cvisc模型將退化為廣義開爾文模型和摩爾-庫侖塑性元件的串聯(lián)。為簡便起見，本文在位移-時間曲線的計算中采用的是上述模型。圖4列出了不同穩(wěn)定安全系數(shù)條件下的滑坡位移-時間曲線，從圖中可以看出，隨著時間的增加，位移不斷增加，而且曲線的變化還與滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)有關(guān)。穩(wěn)定安全系數(shù)越小，位移-時間曲線越陡，表明穩(wěn)定安全系數(shù)小時，位移迅速增加。

圖4 數(shù)值計算位移趨勢曲線與監(jiān)測位移關(guān)系曲線

滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)與滑面的強(qiáng)度有關(guān)，滑面強(qiáng)度越低，滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)越小?；碌姆€(wěn)定安全系數(shù)可采用粘彈塑性有限元強(qiáng)度折減法計算[9-10]，也可采用彈塑性有限元強(qiáng)度折減法計算[3]，兩者結(jié)果一致，這主要是因為穩(wěn)定安全系數(shù)與變形無關(guān)。隨著滑面強(qiáng)度的降低，即滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)的降低，可給出計算位移和位移速度的演變過程。圖5列出了不同穩(wěn)定安全系數(shù)條件下滑坡位移速度-時間關(guān)系曲線，圖5（a）為穩(wěn)定安全系數(shù)1.10時的位移速度-時間曲線，隨著時間的增長，位移速度-時間曲線趨于零，即為穩(wěn)定狀態(tài)；圖5（b）、圖5（c）顯示變形速率趨于常數(shù)，表明坡體處于等速蠕變和弱變形階段；圖5（d）、圖5（e）顯示變形速率逐漸增大，表明坡體處于加速蠕變和強(qiáng)變形階段。當(dāng)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.01或1.00時，計算失真，此時坡體處于臨滑階段。根據(jù)數(shù)值計算指標(biāo)進(jìn)行的滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標(biāo)見表2。其中，等速蠕變階段的滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.10～1.04，是從偏于安全考慮的。

圖5 不同穩(wěn)定安全系數(shù)時的位移速度-時間曲線

表2 滑坡體物理力學(xué)參數(shù)表

2.2 滑動面的發(fā)展過程

滑坡的蠕變破壞是一個漸進(jìn)累積的過程，坡體內(nèi)的滑動面，在外部環(huán)境作用下隨著應(yīng)力轉(zhuǎn)移和調(diào)整而不斷擴(kuò)展，直至貫通的滑動面完全屈服，最后發(fā)展到滑動面整體破壞。傳統(tǒng)的分析方法不僅無法顯示滑動面的貫通過程，更不能直接顯示滑面的受力、變形與破壞的全過程，而采用有限元強(qiáng)度折減法則可以較好地解決上述問題。通過分析不同折減系數(shù)條件下，即不同穩(wěn)定安全系數(shù)下坡體內(nèi)的塑性應(yīng)變增量云圖，可以直觀地看到坡體內(nèi)的滑動面隨穩(wěn)定安全系數(shù)的降低而逐漸擴(kuò)展并貫通，直至破壞的全過程，滑坡失穩(wěn)時的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.00。

三峽庫區(qū)某堆積層滑坡如圖6所示。

該滑坡穩(wěn)定性主要受到降雨與庫水位上升到156m后庫水浸泡的影響，計算中應(yīng)考慮滑體與滑帶強(qiáng)度降低。由于庫水位變動不大，對穩(wěn)定性影響很小，因此不予考慮。計算中不能直接采用勘察設(shè)計時的強(qiáng)度參數(shù)，但對泊松比、彈性模量可采用試驗數(shù)據(jù)，黏滯系數(shù)則采用基于監(jiān)測位移的復(fù)變量求導(dǎo)法反演確定[11-13]，可以得出滑帶土的黏滯系數(shù)為，滑坡體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

圖6 滑坡地質(zhì)模型

由于滑體與滑帶受雨水和庫水入滲影響，強(qiáng)度已經(jīng)降低，不能采用勘察時的強(qiáng)度參數(shù)，這里先求出坡體失穩(wěn)臨界狀態(tài)，即穩(wěn)定安全系數(shù)為1.00時對應(yīng)的c、tanφ值，然后按照比例增加c、tanφ值，給出穩(wěn)定安全系數(shù)為1.08、1.05、1.04、1.03、1.02、1.01時的c、tanφ值， 再采用黏彈塑性或彈塑性模型計算剪切應(yīng)變增量（圖7），由此可以看出滑面的塑性區(qū)與剪切塑性應(yīng)變的發(fā)展過程。由圖7可以看出，當(dāng)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05時，滑面塑性區(qū)接近貫通；穩(wěn)定安全系數(shù)為1.03時，塑性區(qū)完全貫通，但整個滑面尚未達(dá)到極限應(yīng)變狀態(tài)，計算還收斂，不會發(fā)生整體破壞，直到穩(wěn)定安全系數(shù)為1.01時，滑面即將破壞。圖7能直觀、定量地顯示滑面的受力、變形到破壞的演變?nèi)^程，這是當(dāng)前蠕變破壞機(jī)理定性分析做不到的。

圖7 剪切應(yīng)變增量云圖

2.3 滑坡實時穩(wěn)定安全系數(shù)的確定與滑坡的預(yù)警預(yù)報

滑坡穩(wěn)定性的定量分析，最重要的就是確定滑坡實時的穩(wěn)定安全系數(shù)。通過不同穩(wěn)定安全系數(shù)對應(yīng)的計算位移-時間曲線與監(jiān)測時間曲線的對比，可以較為準(zhǔn)確地判斷滑坡的實時穩(wěn)定狀態(tài)，即可確定滑坡實時穩(wěn)定安全系數(shù)。

計算位移-時間曲線與監(jiān)測位移-時間曲線的對比，主要看兩者的曲線斜率是否一致，因為它與穩(wěn)定安全系數(shù)有很好的一致性，此外也可以參看總位移量的大小是否一致。如圖4所示，不管從監(jiān)測曲線的斜率變化來看，還是從總位移量來看，都與穩(wěn)定安全系數(shù)1.04的計算曲線相近，由此可判斷該滑坡此時的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.04左右，這樣就可以確定滑坡實時穩(wěn)定安全系數(shù)，并能明確知道當(dāng)前滑坡處于哪一穩(wěn)定階段，這對滑坡的預(yù)警預(yù)報起著關(guān)鍵作用。

滑坡實時穩(wěn)定安全系數(shù)的確定對滑坡變形階段的劃分與預(yù)警預(yù)報有著重要作用，當(dāng)穩(wěn)定安全系數(shù)在1.10～1.04時，滑坡處于弱變形階段；1.04～1.01時處于強(qiáng)變形階段；小于1.01時處于臨滑階段。這都可以通過滑坡實時穩(wěn)定安全系數(shù)加以預(yù)報。而臨滑階段還可以采用更為準(zhǔn)確的預(yù)警方法，如采用回歸與智能方法相結(jié)合的修正齋藤預(yù)報公式，以確定準(zhǔn)確的滑坡日期。只要提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)是臨滑或接近臨滑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用上述方法一般都能達(dá)到理想的預(yù)測結(jié)果。由上可見，滑坡蠕變破壞演化機(jī)理可從觀察、監(jiān)測、計算三個方面分析，最終得到可視的、定量的、可預(yù)測的滑坡變形破壞機(jī)理與時空規(guī)律，并為滑坡的準(zhǔn)確預(yù)報提供可靠依據(jù)。

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