王洪德,高幼龍,薛星橋,金梟豪,王 剛
中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051
目前國內(nèi)外關(guān)于滑坡監(jiān)測的研究多集中在滑坡監(jiān)測方法、監(jiān)測儀器以及預測預報方面,相關(guān)的研究內(nèi)容多集中在新技術(shù)新方法的開發(fā)與應用以及預測預報模型的研究,而對于如何建立一個有效的、優(yōu)化的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)則缺乏足夠的重視。
研究表明,對于滑坡監(jiān)測體系基礎(chǔ)理論以及鏈式關(guān)系,國內(nèi)外還未開展過相關(guān)方面的研究。國內(nèi)學者僅從滑坡地質(zhì)模型、監(jiān)測模型的角度出發(fā),初步探討了建立典型滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的可行性[1-2]。晏鄂川等[1]在總結(jié)國內(nèi)外滑坡分類體系研究的基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)科學分析方法,建立以滑體特征、動力成因、活動特征為主控因素的典型滑坡分類體系,并以此為基礎(chǔ),以滑坡監(jiān)測預報為目的,遴選出滑體組構(gòu)特征、動力成因、變形運動特征和發(fā)育階段4個控制性因素作為建模要素,建立了典型滑坡的基本地質(zhì)模型,同時提出了以典型滑坡地質(zhì)模型建立滑坡監(jiān)測模型的必要性。張振華等[2]在典型滑坡地質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)上,重點從三峽庫區(qū)滑坡的動力成因入手,提出了水庫型滑坡監(jiān)測系統(tǒng)布置的基本原則,建立起基于滑坡分類理論的三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測模型。
滑坡監(jiān)測系統(tǒng)建立過程中涉及的內(nèi)容主要包括滑坡監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、監(jiān)測儀器、監(jiān)測儀器的精度要求、監(jiān)測網(wǎng)點的布設(shè)、監(jiān)測周期的選取以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸和發(fā)布等。
在常規(guī)監(jiān)測技術(shù)及應用研究方面,世界各國的水平差別不大,但發(fā)達國家在加強各類監(jiān)測站建設(shè)的同時,均十分重視高新技術(shù)的應用[3-6]:美國、法國、意大利和日本等國均開展了陸基激光掃描技術(shù)(LISAR)、合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)(INSAR)、分布式光纖應變測量技術(shù)(BOTDR)和實時監(jiān)測技術(shù)在地質(zhì)災害調(diào)查和監(jiān)測中的應用研究[7-9]。
我國自20世紀80年代開始逐漸在一些地區(qū)實施單體災害的監(jiān)測預警工程,積累了大量豐富的經(jīng)驗,但也存在一些問題,表現(xiàn)為實施過程中,對地質(zhì)災害實體的調(diào)查與勘查程度不足,對于災害體的地質(zhì)基礎(chǔ)、周界、重點變形部位等不甚清楚,就急于進行監(jiān)測施工,最后出現(xiàn)變形監(jiān)測點不適應周圍環(huán)境、不能代表災害體變形特征等問題,監(jiān)測預警的效果受到影響。
滑坡監(jiān)測已成為衡量和評價滑坡穩(wěn)定性的重要手段之一,隨著新技術(shù)、新方法的不斷涌現(xiàn),滑坡監(jiān)測內(nèi)容越來越廣,監(jiān)測儀器越來越多,監(jiān)測范圍越來越大[10]。但對于一個具體的滑坡而言,并不是監(jiān)測的項目越多越好,監(jiān)測的儀器越先進越好,滑坡監(jiān)測應遵循地質(zhì)有效、技術(shù)可行和經(jīng)濟合理三大原則[11]。針對以上問題,筆者從滑坡監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā),以敏感性參數(shù)分析、敏感性分區(qū)以及數(shù)值模擬為手段,研究了鏈子崖危巖體監(jiān)測點優(yōu)化布置等問題。
監(jiān)測點優(yōu)化布置的基本方法就是利用數(shù)值模擬技術(shù)對典型監(jiān)測剖面的敏感性參數(shù)及其敏感性程度進行研究,并借助模糊模式識別算法,對典型監(jiān)測剖面的敏感性程度進行分區(qū),進而確定監(jiān)測點優(yōu)化布置的空間位置。
敏感性分析是系統(tǒng)分析中分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方法,在巖土工程領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的應用。設(shè)有一系統(tǒng),其系統(tǒng)特性P主要由n個因子X={x1,x2,…,xn}所決定,則系統(tǒng)特性P可表示為n個因子的函數(shù)P=f(x1,x2,…,xn)。在某一基準狀態(tài)下,系統(tǒng)特性為P*。分別令各因子在其各自的可能范圍內(nèi)變動,分析由于這些因子的變動,系統(tǒng)特性P偏離基準狀態(tài)P*的趨勢和程度,這種分析方法稱為敏感性分析。
敏感性分析首先要建立系統(tǒng)模型,即系統(tǒng)特性與影響因子間的函數(shù)關(guān)系。這種函數(shù)關(guān)系應盡量用解析式表示。但由于巖土工程所涉及問題的復雜性,也可以采用有限元等數(shù)值方法來表示所關(guān)心的響應量同計算參數(shù)之間的關(guān)系。建立與實際系統(tǒng)盡量相符的系統(tǒng)模型對有效地進行參數(shù)的靈敏度分析相當重要。
建立系統(tǒng)模型后,首先要明確敏感性分析的響應量,在這里響應量即為各關(guān)鍵點的位移變形;然后要給出與響應量對應的基準參數(shù)集,在這里就是影響有限元計算結(jié)果的各種參數(shù);基準參數(shù)集確定后,即可求出當各參數(shù)發(fā)生微小擾動時測點響應所發(fā)生變化的程度,即敏感性分析。在本文中主要采用將滑坡在正常狀態(tài)(天然狀態(tài))下與外界干擾狀態(tài)下(飽水狀態(tài))下的位移場進行對比分析,從而確定滑坡位移變化敏感程度的分區(qū)。
敏感性分析是在分析某參數(shù)xi對系統(tǒng)特性P的影響時,令其余各參數(shù)取基準值不變,而只令xi在一定的范圍內(nèi)變動,此時系統(tǒng)特性P表現(xiàn)為若xi的微小變化引起P的較大變化,說明P對xi很敏感,xi為高敏感參數(shù);反之,xi為低敏感參數(shù)。
由于滑坡監(jiān)測變量對外界某干擾因素敏感程度大小是一個模糊的概念,而這個敏感程度能夠表現(xiàn)坡體監(jiān)測變量在外界干擾因素作用(飽水狀態(tài))下變化范圍的相對大小。即監(jiān)測變量對外界干擾因素作用越敏感,則該監(jiān)測變量的變化范圍就越大,反之越小。如果能夠?qū)⒈O(jiān)測變量隨外界干擾因素作用的敏感程度進行分級,并判斷坡體內(nèi)各點屬于哪一個敏感程度級別,就可根據(jù)監(jiān)測變量變化所屬等級(敏感等級越高的區(qū)域所包含的信息量越大,所布置的監(jiān)測點密度應越大)來規(guī)劃監(jiān)測點位的布置,從而為有效地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)提供依據(jù)。該方法的優(yōu)點在于能更好地確定滑坡監(jiān)測的關(guān)鍵部位和敏感部位,同時能夠具體地演化滑坡在主要外動力因素作用下滑體位移變化的空間差異特征,以便于根據(jù)所確定的監(jiān)測關(guān)鍵部位和敏感部位有效地進行監(jiān)測點的布置。筆者對于滑坡位移敏感性分區(qū)主要采用模式識別法,對坡體內(nèi)所有的單元結(jié)點進行敏感程度的識別,從而進行敏感性分區(qū),指導滑坡監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化。
1.2.1 模式識別法基本原理
由于在一般情況下,不同類事物之間的界限不是分明的,所以用傳統(tǒng)的方法有一定的局限性,用模糊集方法分類顯得更為自然和符合實際。筆者采用的模糊分類方法為模式識別集方法,模式識別是已知各種類型,對給定對象識別它屬于哪一種類型[12-13]。在論域X上有n個模糊子集,它們代表n個模糊型A1,A2,…,An,而被識別的對象B也是X上的一個模糊模型,這時要考慮B與Ai的貼近程度,B與Ai中哪個更貼近就認為它屬于哪一類。貼近程度的量化判斷采用擇近原則,即若
則認為B屬于Aj類。其中,N(B,Ai)表示B與Ai的貼近程度。貼近度采用最大最小法進行求解,即若X={x1,x2,…,xn},A,B∈f(x),則
式中:f(x)為評價系統(tǒng)特性指標的函數(shù);(A(xk)∩B(xk))表示模糊集A與模糊集B的交集的隸屬函數(shù),xk為影響系統(tǒng)特性指標的因素,共有n個指標,k為第k個指標;(A(xk)∪B(xk))表示模糊集A與模糊集B并集的隸屬函數(shù)。
對于滑坡而言,將坡體內(nèi)某一單元結(jié)點(有限元網(wǎng)格結(jié)點)的監(jiān)測變量(這里指坡體內(nèi)各結(jié)點的水平位移、垂直位移)隨外界干擾因素作用下的敏感程度定義為4個等級,即不敏感(A1)、一般(A2)、敏感(A3)和極敏感(A4)。將坡體各結(jié)點的監(jiān)測變量的敏感模型定義為B。模式識別的目的就是確定B屬于A1、A2、A3、A4中哪種類型,以判斷該點監(jiān)測變量隨外界干擾因素作用下的敏感程度。通過對坡體內(nèi)每一個結(jié)點的監(jiān)測變量進行這種類別的判斷,就可以在整個坡體內(nèi)形成相應監(jiān)測變量對外界干擾因素作用的敏感程度的4個區(qū)域。坡體內(nèi)各結(jié)點監(jiān)測變化量敏感程度影響因素指標的取值范圍一般采用0.1~0.4,即:A1為0.1,A2為0.2,A3為0.3,A4為0.4。取值依據(jù):將一個滑坡體劃分為N個單元體,每個單元體在降雨或地震作用下將會產(chǎn)生一個變形增量,那么其中必有一個最大的變形增量,以這個最大變形增量作為參照,將每個單元體的變形增量除以最大變形增量,即可得到每個單元體變形增量的變化幅度,該變化幅度的計算值為0.0~1.0,該值越大則變形越敏感。將0.0~1.0劃分為4個等級,則可為[0,0.25),[0.25,0.50),[0.50,0.75),[0.75,1.00],按照這個取值標準即可實現(xiàn)敏感性分區(qū)。但為了壓縮數(shù)據(jù)空間,將0.0~1.0壓縮至0.0~0.4,即將0.0~1.0區(qū)間的數(shù)據(jù)乘以0.4映射到0.0~0.4區(qū)間,這樣,4個等級區(qū)間即為[0,0.1),[0.1,0.2),[0.2,0.3),[0.3,0.4]。
1.2.2 敏感程度模糊集隸屬函數(shù)的選取
假設(shè)滑體內(nèi)所有結(jié)點在某一特征狀態(tài)下其監(jiān)測變量變化量的最大值為ΔLmax(如,飽水狀態(tài)對正常狀態(tài)的位移監(jiān)測變量),某一結(jié)點的監(jiān)測變量變化量為y,由于監(jiān)測變量受外界干擾因素(飽水)的影響,則其模糊集A1、A2、A3和A4的隸屬函數(shù)可以采用線性函數(shù)來表示,其解析表達式可分別表示為
4個模糊集合隸屬函數(shù)的圖像見圖1。
圖1 各敏感程度模糊集的隸屬函數(shù)圖像Fig.1 Subordination functions of fuzzy set of different sensitive degree
1.2.3 各結(jié)點待識別模型B的確定
根據(jù)各結(jié)點某一監(jiān)測變量變化量y值,從隸屬函數(shù)中可以求得其對應2個相連模糊集的隸屬度b1與b2。設(shè)B(xk)(k=1,2,3,4)為對應的指標參數(shù)分量對應的指標參數(shù)值,其滿足下式:
根據(jù)式(7)即可求得結(jié)點待識別模型B。
1.2.4B與Ai貼近度的計算及B所屬類別的確定
根據(jù)公式(2),計算B與Ai(i=1,2,3,4)的貼近度N(B,Ai)。根據(jù)擇近原則將N(B,Ai)中的最大值A(chǔ)j所對應的敏感程度類別作為B的敏感程度類別。
危巖體是被分割出來的斜坡地質(zhì)體的一部分,由巖石塊體、各種結(jié)構(gòu)面(軟夾層、裂隙、斷層等)及塊體之間的空隙、空區(qū)所組成。其結(jié)構(gòu)特征主要受巖性、地質(zhì)構(gòu)造和外動力因素所制約。
2.1.1 工程地質(zhì)巖組
斜坡和陡壁巖體由層狀巖類構(gòu)成,自下而上為:陡壁之下的斜坡為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2hn)厚至巨厚層灰?guī)r;陡壁底部為二疊系下統(tǒng)馬鞍山組(P1m)煤系層和大面積的挖煤采空區(qū);陡壁為二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r,其下部為瘤狀灰?guī)r間夾薄層炭質(zhì)頁巖,中上部為厚層灰?guī)r,頂部為厚層灰?guī)r和疙瘩狀灰?guī)r夾薄層頁巖、泥巖?;?guī)r強度較高,煤系層和頁巖、泥巖為軟弱層。因此,黃龍組、馬鞍山組、棲霞組構(gòu)成了不同類型的斜坡、陡壁巖體工程地質(zhì)單元。
2.1.2 軟弱巖層和層間錯動帶
根據(jù)軟弱巖層和層間錯動帶的規(guī)模、特性和對危巖體穩(wěn)定性影響的程度,以及在危巖體邊界條件中的地位,將區(qū)內(nèi)軟弱巖層劃分為3個等級[14]。
一級軟弱巖層分布較廣且穩(wěn)定,有一定的厚度,對全區(qū)危巖體的變形破壞具有控制作用,為全區(qū)巖體變形破壞的最終底界。區(qū)內(nèi)一級軟弱巖層為馬鞍山組煤系地層(編號:R001),厚1.60~4.20m,其產(chǎn)出部位為斜坡底部,形成軟弱基座坡體,基本控制了斜坡變形破壞的模式。
二級軟弱巖層一般大于20cm,分布穩(wěn)定,力學強度相對較低,構(gòu)成危巖體變形破壞不同層次的底界,自下而上將其分為6個亞層:R201、R202、R203、R301、R401、R402。
三級軟弱巖層和層間錯動帶主要位于棲霞灰?guī)rP1q1的炭質(zhì)頁巖、泥巖中,具有高連續(xù)性,分布穩(wěn)定,厚度變化較大,一般5~20cm,力學強度低,對危巖體的穩(wěn)定性影響較小,一般情況下不構(gòu)成危巖體的底界,但由于它們處在危巖體下部,在極端情況下可能構(gòu)成潛在破裂面和巖塊的底界。
2.1.3 裂縫發(fā)育特征
根據(jù)裂縫的發(fā)育規(guī)模、深度和對危巖體邊界條件的控制作用,以及對危巖體穩(wěn)定性影響程度,將其劃分為3個等級[15]。
一級裂縫:控制危巖體的邊界,具有危巖分區(qū)的意義,裂縫規(guī)模大,延伸穩(wěn)定,深度達百米以上,切割至煤系地層,對危巖體的穩(wěn)定性有控制作用,如T8、T9、T12縫。
二級裂縫:控制危巖體亞區(qū)邊界,對危巖體的穩(wěn)定性有顯著影響,如T11縫。
三級裂縫:具有危巖體分塊的意義,常與一、二級裂縫貫通,控制塊段的穩(wěn)定性,如T8縫組支縫和T10縫組支縫。
筆者主要研究鏈子崖危巖體在天然狀態(tài)與飽水狀態(tài)下的水平、豎直方向位移的變化量,并根據(jù)模式識別算法對其位移敏感性程度進行數(shù)值分區(qū),從而研究地表水平位移、垂直位移以及深部水平位移監(jiān)測點的優(yōu)化布置;主要采用二維數(shù)值模擬,計算軟件采用由美國ITASCA咨詢集團公司利用拉格朗日法原理開發(fā)的FLAC2D軟件[16]。計算剖面選擇鏈子崖危巖體最不穩(wěn)定的Ⅳ-Ⅳ′剖面,該剖面包含7層介質(zhì)單元以及4個接觸面單元,其巖土體物理力學參數(shù)見表1、表2。
其中接觸面單元的法向剛度Kn和切向剛度Ks按下式計算[17]:
式中:h為軟弱夾層的厚度;E、μ為軟弱夾層的彈性模量和泊松比。根據(jù)表2結(jié)合公式(8)可知:R201、R202、R203接觸面單元的法向剛度和切向剛度分別為4.176×109、1.462×109Pa/m,R301接觸面單元的法向剛度和切向剛度分別為1.845×108、5.536×107Pa/m。
根據(jù)上述地質(zhì)結(jié)構(gòu),建立圖2所示的簡化計算模型。
根據(jù)上述建立的數(shù)值計算模型,采用有限差分法模擬計算鏈子崖危巖體Ⅳ-Ⅳ′剖面在天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的位移場云圖(圖3,4)。
表1 介質(zhì)單元巖土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock soil in medium elements
表2 接觸面單元物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters in interface elements
圖2 Ⅳ-Ⅳ′剖面計算模型Fig.2 Calculation model of profileⅣ-Ⅳ′
由圖3,4可知:危巖體由于受側(cè)向水平約束,坡頂附近的水平位移量較小,且自山頂往下水平位移量逐漸增加,并在馬鞍山煤系地層(軟弱夾層R001)附近達到最大值;危巖體由于不受側(cè)向豎向約束,坡頂附近的豎向位移量較大,且自左向右位移量逐漸減小,并在煤系地層底板處豎向位移達到最小值,即鏈子崖危巖體上部巖體主要是沿該軟弱夾層滑動的。這與鏈子崖危巖體穩(wěn)定性主要受馬鞍山煤系地層控制的結(jié)論較為一致。在飽水狀態(tài)下煤系地層附近的水平位移量較天然狀態(tài)下有較明顯增大,坡頂附近的豎向位移量較天然狀態(tài)下也有較明顯增大,并逐漸向外擴展,這與危巖體實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果一致。
圖3 水平位移云圖Fig.3 Nephogram of horizontal displacement in natural state
圖4 豎向位移云圖Fig.4 Nephogram of vertical displacement
根據(jù)有限差分法數(shù)值模擬計算結(jié)果可知,飽水狀態(tài)下水平位移和豎向位移較天然狀態(tài)下有明顯的增加,其中水平位移的最大變化量ΔLmax=72.4 mm,豎向位移的最大變化量ΔLmax=99.9mm,其位移增量等值線圖如圖5所示。根據(jù)水平位移和豎向位移最大變化量ΔLmax和各節(jié)點單位的水平位移和豎向位移變化量,利用前述的模式識別算法對鏈子崖危巖體水平位移和豎向位移的敏感性程度分區(qū)見圖6。
圖5 危巖體飽和狀態(tài)下位移增量Fig.5 Displacement increment of dangerous rock body in saturated state
根據(jù)數(shù)值模擬建立的位移監(jiān)測點優(yōu)化布置主要根據(jù)2點:位移量明顯處;滑坡在外界因素干擾下位移敏感性高的部位[17]。前者主要是為了減少監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差,后者主要是為了及時發(fā)現(xiàn)滑坡的異常變形。通過將外界干擾因素作用下的位移場與正常狀態(tài)下的位移場進行比較,可以得到外界因素干擾時,坡體哪些部位對位移(水平、豎向)的變化比較敏感。在這些部位布置監(jiān)測點在理論上可以比較及時地發(fā)現(xiàn)滑坡變形失穩(wěn)的先兆。根據(jù)鏈子崖危巖體水平位移和豎向位移敏感程度分區(qū)圖,可以對監(jiān)測點做出優(yōu)化布置。
1)地表水平位移監(jiān)測點宜布置在水平位移變化敏感程度較高的A4區(qū)(煤系地層上方坡面),該區(qū)既是水平位移敏感性程度較高的區(qū)域,也是水平位移量明顯區(qū);這樣既可以減少監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差,也容易及時發(fā)現(xiàn)滑坡地表水平位移的異常變形。
圖6 鏈子崖危巖體位移變化敏感程度分區(qū)Fig.6 Sensitivity degree subarea of displacement of Lianziya dangerous rock body
2)地表豎向位移監(jiān)測點宜布置在豎向位移變化敏感程度較高的A4區(qū)(坡頂左側(cè)),該區(qū)既是豎向位移敏感性程度較高的區(qū)域,也是豎向位移量明顯區(qū);這樣既可以減少監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差,同時也容易及時發(fā)現(xiàn)滑坡地表豎向位移的異常變形。
3)從深部水平位移監(jiān)測的角度出發(fā),深部位移監(jiān)測孔宜穿越所有水平位移變化敏感性區(qū)域,通過不同敏感性區(qū)域的差異變化,容易識別滑坡變形屬于整體滑動還是局部滑動,同時便于確定滑帶的具體位置。
通過上述分析可知:滑坡變形監(jiān)測點應集中布置在極敏感區(qū)和敏感區(qū),同時適當考慮一般區(qū)和不敏感區(qū),以保證整個滑坡區(qū)域內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性,且便于進行監(jiān)測變量的整體比較分析。根據(jù)上述結(jié)論,以鏈子崖危巖體Ⅳ-Ⅳ′剖面地表位移和深部位移監(jiān)測點優(yōu)化布置為例,其優(yōu)化布置后的剖面監(jiān)測點見圖7。
1)根據(jù)監(jiān)測變量(位移)對外界干擾因素作用的敏感程度,利用數(shù)值模擬技術(shù)和模糊模式識別法對鏈子崖危巖體位移場變化的敏感性程度進行了分區(qū),即:不敏感(A1)、一般(A2)、敏感(A3)和極敏感(A4)4個區(qū)。
圖7 鏈子崖危巖體位移監(jiān)測點優(yōu)化布置Fig.7 Optimal placement of monitoring points of Lianziya dangerous rock body
2)危巖體坡頂附近的水平位移量較小,且自上而下水平位移量逐漸增加,并在馬鞍山煤系地層(軟弱夾層R001)附近達到最大值;但坡頂附近的豎向位移量較大,且自左向右位移量逐漸減小,并在煤系地層底板處豎向位移達到最小值。所以在布設(shè)滑坡監(jiān)測點時,應首先對滑坡進行位移敏感性分區(qū),把監(jiān)測點集中布置在位移變化敏感程度較高的區(qū)域,而不應均勻布設(shè)監(jiān)測點。監(jiān)測點如果布設(shè)合理,可以用少量的監(jiān)測儀器、設(shè)施捕捉到滑坡真正的變形,達到事半功倍的效果。
3)在實際工作中,從深入解剖滑坡的結(jié)構(gòu)入手,根據(jù)監(jiān)測變量(位移)對外界干擾因素作用下的靈敏度與監(jiān)測信息量獲取大小之間的關(guān)系,對危巖體的監(jiān)測變量(位移)進行靈敏度分區(qū)研究,進而對監(jiān)測點的布設(shè)進行優(yōu)化設(shè)計,對滑坡監(jiān)測有借鑒作用。
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