軟硬互層型邊坡變形監(jiān)測、預(yù)測及長期穩(wěn)定性研究＊

程關(guān)文 陳從新 朱璽璽 沈 強(qiáng) 王永衛(wèi) 付 華

（大連理工大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心1） 大連 116024）（中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所2） 武漢 430071）

由于邊坡巖土體材料的非連續(xù)、非均質(zhì)性和對邊坡結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不充分性，其變形量和穩(wěn)定性的評價與預(yù)測具有很大的不確定性.因此，結(jié)合監(jiān)測手段來預(yù)測邊坡隨時間的位移變化，已成為邊坡穩(wěn)定性預(yù)測的重要研究方法［1-3］.

宜昌至巴東高速公路是《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》（7918網(wǎng)）中滬蓉高速公路（G42）最后一段開工建設(shè)的項目，也是川江三峽庫區(qū)北岸惟一的陸上快速通道.其地質(zhì)條件差，技術(shù)難點(diǎn)多，巖溶、巖堆、滑坡體、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于主線區(qū)域內(nèi)，為項目需要解決的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn).本文以彭家灣軟硬互層邊坡為例，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，說明邊坡的現(xiàn)狀，利用齋藤模型對邊坡的長期穩(wěn)定進(jìn)行了分析其長期穩(wěn)定性.

1 地質(zhì)情況及古崩滑體的形成機(jī)制分析

1.1 地質(zhì)情況

上部主要為堆積土，堆積圖主要含有：（1）卵石土（Q4al+pl）：分布于坡腳的涼臺河河床地帶.卵石主要成分為長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，塊徑一般30～50cm，大者100～200cm，其間充填礫砂、粗砂等，充填物含量約30%；（2）含角礫碎石粉質(zhì)粘土層（Qel+dl）：分布于前緣以上斜坡表面.層厚0.5～7.0m，棕黃色，稍濕，硬塑狀，含角礫碎石，主要成分為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，呈棱角狀，粒徑一般2～20cm，局部夾塊石，含量一般10～20%，分布不均，局部富集；（3）塊石滾石夾粘性土（Qel+dl）：分布于前緣陡坡地帶以及斜坡地帶的表層土之下，層厚19.8～33.6 m，塊（滾）石主要成分為長石石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，粒徑5～80cm，大滾石塊徑可達(dá)3～8 m，棱角狀，其間充填粘性土及碎石，含量約30%～50%，分布不均，局部粘性土富集成夾層或透鏡體狀分布.

下部侏羅系下沙溪廟組，紫紅色厚層粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾青灰色厚層中-細(xì)粒長石砂巖、巖屑長石砂巖，底部灰綠色厚至巨厚層砂質(zhì)礫巖，上部紫紅色薄層粉砂巖、含灰質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖與青灰至灰綠色厚層長石砂巖、巖屑長石砂巖不等厚互層.本組為一套巨厚的砂泥巖沉積.其中泥質(zhì)富含砂質(zhì)；砂巖較粗，分選性較差，常含泥礫并夾透鏡狀礫巖，單向斜層理發(fā)育，常見正韻律層，橫向變化大，沖刷切割現(xiàn)象普遍，系河流相為主的快速堆積.

1.2 古崩滑體的形成機(jī)制分析

巖層傾角小于坡角，在漫長的地質(zhì)歷史中，軟弱的泥巖在上覆巖體的重壓下發(fā)生緩慢的蠕變變形，上覆砂巖性質(zhì)脆硬，在泥巖牽引作用下一直處于拉伸狀態(tài)，整個坡體的應(yīng)力也逐漸調(diào)整，結(jié)果使坡腳部位擠壓應(yīng)力集中，坡后緣則拉應(yīng)力集中.拉應(yīng)力在砂巖中形成一定的張裂縫，地表水沿裂縫滲入并逐步達(dá)到泥巖層，泥巖遇水易發(fā)生崩解（現(xiàn)場開挖亦可尋其蹤跡），強(qiáng)度軟化，進(jìn)一步加劇其蠕變.河流侵蝕面高于泥巖時，整體的變形空間小，坡體處于穩(wěn)定的狀態(tài).一旦河流下切至泥巖層時，臨空面形成，坡腳應(yīng)力釋放，砂巖上的拉應(yīng)力隨巖層的回彈變形而增大，坡體有了產(chǎn)生大變形的空間.加之，靠近坡腳的泥巖易被河水侵蝕掏空致其上砂巖成懸臂狀態(tài)，易發(fā)生崩塌作用，牽引后緣砂巖逐級拉裂滑移.又因滑帶為厚層的泥巖為主夾薄層砂巖，在其上不均勻覆蓋體的重壓下形成的滑面可能順其表層亦可斜切此層.在卸荷回彈、差異風(fēng)化、地表水入滲侵蝕軟化泥巖等的綜合作用下，貫通的大滑面形成，整個坡體順其向河谷方向滑動，大部分堆積于坡腳緩坡地帶或堵塞河道.侵蝕基準(zhǔn)面沒有抬升，河流會沖蝕掉堆積體，繼續(xù)發(fā)育.隨著地殼間歇性升降，河流下切侵蝕河床、側(cè)蝕邊坡至泥巖層下的砂巖層.因砂巖層的強(qiáng)度高，使河流側(cè)蝕對坡體的穩(wěn)定性影響暫時較小，而坡體在經(jīng)歷同期的風(fēng)化剝蝕改造而再造坡面形態(tài)，最終形成了現(xiàn)今自然休止穩(wěn)定的邊坡形態(tài)，達(dá)到新的平衡.以上所述古崩滑坡形成機(jī)制可概述為滑移—拉裂.

2 測網(wǎng)布置及監(jiān)測成果［4-7］

2.1 測網(wǎng)布置

彭家灣滑坡體的監(jiān)測內(nèi)容主要有2項：滑坡體地表三維變形監(jiān)測；滑坡體深部水平位移監(jiān)測.滑坡體地表三維變形是通過GPS監(jiān)測得到，見表1、表2.測點(diǎn)布置見圖1，其中G1，G2和G3為基準(zhǔn)點(diǎn)，A1～A11為變形測點(diǎn).滑坡體深部水平位移監(jiān)測通過采用測斜儀對巖體內(nèi)部變形進(jìn)行周期性監(jiān)測，共布設(shè)測孔3個（S1，S2，S3），測孔深度依次為58，55和51m，孔深均超過該處基巖面以下4～5m.

表1 GPS接收機(jī)技術(shù)指標(biāo) mm

圖1 測點(diǎn)布置圖

表2 CX-01鉆孔測斜儀主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 監(jiān)測成果

2011年5月～2013年01月，地表變形共進(jìn)行了12次監(jiān)測，深部巖體變形共進(jìn)行9次監(jiān)測.

從現(xiàn)有GPS三維變形監(jiān)測成果來看，測點(diǎn)水平變形總體指向坡腳方向.坡體地表變形很小，截止到2013年1月份，A1～A11的各個測點(diǎn)的累計水平位移依次為0.2，5.2，0.5，0.3，0.3，0.4，0.9，0.9，0.8 和1.0cm，累計水平位移依次為-3.6，-5.3，-2.0，-2.3-，5.3，1.9，-3.4，5.5，-6.0，-0.8和1.3cm，并且出現(xiàn)波動現(xiàn)象，這主要是由于測量儀器誤差造成.

從深孔變形監(jiān)測結(jié)果來看，每個孔從孔口到孔底的變形隨深度不斷增大而逐漸減小.其中，截止到2013年1月，1＃孔累計變形為2.41cm，在15m 附近處略有突變.2＃孔自2012 年6 月到2012年11月累計變形為0.45cm，未出現(xiàn)突變.截止到2012年11月，3＃孔累計變形為4.72cm，在10m 附近處略有突變.總之，在監(jiān)測期間，彭家灣坡體沒有出現(xiàn)較大的地表變形，坡面暫未出現(xiàn)明顯的變形特征，坡體整體穩(wěn)定性較好.

3 變形預(yù)測

在應(yīng)用灰色理論預(yù)測邊坡變形中，需考慮實(shí)際中實(shí)測變形觀測時間的不等步長性.必須把原始的非等時距間隔序列變換成等間隔序列.考慮彭家灣滑坡自監(jiān)測以來，變形很小，采用線性差值的方法將非等時距間隔序列變換成等間隔序列，然后采用GM（1，1）模型對邊坡的變形進(jìn)行預(yù)測.

在解決同時伴有趨勢性變化的時間序列預(yù)測問題時，可將時間序列分為趨勢性部分和季節(jié)性部分進(jìn)行預(yù)測.其中，趨勢性部分可以通過最小二乘法得到，對季節(jié)性部分用傅里葉級數(shù)預(yù)測法進(jìn)行預(yù)測.

將時間序列分解為

式中：f（t）為趨勢性部分；y（t）為季節(jié)性部分.用最小二乘法對f（t）進(jìn)行擬合，用傅里葉級數(shù)預(yù)測法對y（t）進(jìn)行預(yù)測.

由于篇幅有限，在這里只列舉了A2，A3，A4，A5，A8和A10這6個測點(diǎn)的預(yù)測結(jié)果.從測定的累積變形值隨時間的變化趨勢來看，所采用的3種預(yù)測方法對A2，A3，A4，A5，A8和A10這6個測點(diǎn)的累積水平變形預(yù)測值隨著時間的增長，呈穩(wěn)定發(fā)展的趨勢；從測定的累積變形值大小來看，所采用的3種預(yù)測方法對A2，A3，A4，A5，A8和A10這6個測點(diǎn)截止到2015年12月的水平累計變形值見表3，由表3可見，3種預(yù)測方法測點(diǎn)的累積水平變形預(yù)測略有差別，但大體相當(dāng).

表3 2015年12月測點(diǎn)的水平位移累計變形預(yù)測值表 cm

結(jié)合對測點(diǎn)的累積水平變形預(yù)測值的大小和隨時間的變化趨勢，可以判斷邊坡的在未來的一定年限內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài).

4 長期穩(wěn)定性分析

齋藤法由日本學(xué)者齋藤迪孝提出，他認(rèn)為邊坡從開始變形到最終破壞要經(jīng)歷一定的蠕變過程，蠕變破壞曲線大體可分為3個階段，見圖2.

圖2 齋藤法蠕變曲線

第1蠕變階段：a～b段.本階段a點(diǎn)應(yīng)變速率最大，隨時間增長應(yīng)變速率開始較快繼而逐漸減慢，達(dá)到b點(diǎn)時變形速率最小.曲線呈下彎型，稱為初始蠕變階段；第2蠕變階段：b～c段.本階段應(yīng)變速率保持不變，曲線呈直線型，稱為等速蠕變階段；第3蠕變階段：c～d段.本階段應(yīng)變速率迅速增加至破壞，曲線呈上彎型，稱為加速蠕變階段.

齋藤認(rèn)為：第2蠕變階段和第3蠕變階段，應(yīng)變速率均與破壞時間有關(guān)，可根據(jù)這兩個階段變形特點(diǎn)來預(yù)報滑坡的時間.

1）以等速蠕變階段應(yīng)變歷時曲線確定破壞時間 齋藤根據(jù)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測資料得知，蠕變破壞時間和等速蠕變狀態(tài)下的應(yīng)變速率成反比.如果將蠕變破壞時間和等速蠕變狀態(tài)下的應(yīng)變速率點(diǎn)繪于雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，則二線呈直線關(guān)系.其方程為

式中：tr為蠕變破壞時間；ε為等速蠕變狀態(tài)下的應(yīng)變速率；+0.59為包括95%測定值的范圍.

2）以第3蠕變階段應(yīng)變歷時曲線確定破壞時間 齋藤認(rèn)為：在第3蠕變階段應(yīng)變速率逐漸增大，但瞬時應(yīng)變速率與所余破壞時間tr-t仍成反比.這也就是說，距最終破壞時間越短應(yīng)變速率就越快.若在第3蠕變階段曲線上取t1，t2和t33點(diǎn)的時間間隔內(nèi)的應(yīng)變相等，則所余破壞時間tr-t為

由此可見，齋藤模型是以監(jiān)測曲線和蠕變理論為依據(jù)的一種確定性模型.

根據(jù)GPS 每次測量的測點(diǎn)的坐標(biāo)，繪制出A2～A3應(yīng)變速度圖和A3～A4應(yīng)變速度圖，見圖3～4.從圖中，可以看出A2～A3，A3～A4的應(yīng)變速度基本保持不變，并且非常小，因此認(rèn)為該滑坡已經(jīng)蠕變第二階段.并且蠕變的速度很小.將A2～A3，A3～A4的最大應(yīng)變速度代入導(dǎo)式（2）求得滑坡的破壞時間超過一千年，說明滑坡的現(xiàn)狀是穩(wěn)定的，從長期的角度考慮其穩(wěn)定也是良好的.

圖3 A2～A3應(yīng)變速度圖

圖4 A3～A4應(yīng)變速度圖

5 結(jié) 論

1）在監(jiān)測期間，彭家灣坡體沒有出現(xiàn)較大的地表變形，坡面暫未出現(xiàn)明顯的變形特征，坡體整體穩(wěn)定性較好.

2）從測定的累積變形值隨時間的變化趨勢來看，測點(diǎn)的累積水平變形預(yù)測值隨著時間的增長，呈穩(wěn)定發(fā)展的趨勢；從測定的累積變形值大小來看，測點(diǎn)采用3 種預(yù)測方法預(yù)測到2015年12月的水平累計變形預(yù)測值略有差別，但大體相當(dāng)，總體變形不大，從而判斷邊坡的在未來的一定年限內(nèi)呈穩(wěn)定狀態(tài).

3）彭家灣軟硬互層邊坡現(xiàn)處于等速蠕變階段，并且變形的速度很小，根據(jù)齋藤模型判斷彭家灣軟硬互層邊坡的長期穩(wěn)定性良好.

4）將分析的結(jié)果與彭家灣軟硬互層滑坡FLAC3D 有限差分法計算和相似模型的試驗(yàn)的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對現(xiàn)狀的分析、對未來變形狀況的預(yù)測以及長期穩(wěn)定性的評價基本與實(shí)際情況相符合.

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