基于蠕變時效穩定理論的滑坡預測技術工程應用

王 建 君

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

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基于蠕變時效穩定理論的滑坡預測技術工程應用

王 建 君

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

以南京牛首山文化旅游區一期巖土綜合治理工程為例，利用蠕變時效理論，對邊坡變形監測數據進行擬合，多次準確預測了邊坡局部滑坡時間，及時發布了滑坡預警，為現場采取應急措施提供了依據。

滑坡,蠕變時效穩定理論,時效共軛點,GPS監測

0 引言

滑坡災害是人類社會所遭遇的最惡劣的自然災害之一，經常會造成嚴重的人員傷亡、財產損失和負面社會影響。對滑坡災害進行準確預測預報，對降低由此引發的人員傷亡和財產損失至關重要。滑坡災害的預測預報包括兩個方面，即邊坡失穩破壞時間的預報和邊坡變形趨勢的預測。國內外學者和工程技術人員通過大量室內外試驗研究，積累大量資料，并形成了許多滑坡災害預測預報方法和技術，包括齋藤模型[1],Voight模型[2]和協同預測預報模型[3]等。

現有研究成果及工程實踐表明，邊坡發生滑坡前的變形特性可分為三個階段，首先是初始變形階段，繼而發生穩態變形，最后進入加速變形階段并最終發生滑坡破壞。其中，邊坡加速變形經常被認為是邊坡失穩破壞的最顯著特征。因此，邊坡變形—時間的監測數據是進行滑坡預測預報最主要、最關鍵的基礎。利用邊坡變形監測資料進行滑坡預報的關鍵在于準確確定邊坡發生加速變形的起始時間和根據邊坡加速變形數據預測邊坡失穩時間。現有蠕變模型中，開爾文模型[4]適于反映巖土體的穩態蠕變特性，齋藤模型適于反映土體的加速蠕變特性。基于此，楊人光[5]通過耦合開爾文模型和齋藤模型，建立了巖土體的蠕變時效穩定理論，實現了預測邊坡發生加速變形時間及邊坡失穩時間的目的，為邊坡滑坡的預測預報提供了理論依據。

南京牛首山文化旅游區一期巖土工程綜合治理工程邊坡巖體裂隙發育，工程建設中發生局部滑坡破壞的可能性較大。為此，該工程項目引入巖土體的蠕變時效理論，以便于根據邊坡變形監測結果進行邊坡滑坡的預測預報，為工程項目的順利、安全實施保駕護航。事實上，通過利用蠕變時效理論擬合邊坡變形監測數據，本工程施工階段的多次局部滑坡均得以準確預報，并及時做出預警，為施工現場采取應對措施、避免人員傷亡、降低財產損失等提供了可能。本文將以GPS-17測點為例介紹蠕變時效穩定理論在滑坡預測預報的應用。

1 蠕變時效穩定理論

恒定應力作用下，巖土體必然發生蠕變變形，且巖土體的蠕變去向主要分為衰減蠕變、穩態蠕變及加速蠕變三種類型。依據蠕變時效理論，穩態蠕變階段巖土體的力學特性可由開爾文模型[4]反映，即:

(1)

其中，E為巖土體的彈性模量；η為巖土體的粘性系數；ξ為巖土體的粘彈性滯后系數。

加速蠕變階段巖土體的力學特性可由齋藤模型[1]反映，即：

(2)

其中，A為巖土體的屈服強度系數；α為巖土體的不穩定時效指數。

依據蠕變時效穩定理論[5]，巖土體發生蠕變破壞前，其蠕變曲線上存在一個時間點tp，該點既滿足式(1)的變形—時間關系，又滿足式(2)的變形—時間關系，時間點tp可稱為時效共軛點。由于式(1)與式(2)在時間點tp處耦合，故可認為巖土體的蠕變曲線在tp時刻由穩態蠕變階段進入加速蠕變階段。此外，由式(2)可以求得滑移導致的巖土體失穩破壞時間tf，該失穩時間即為巖土體的蠕變破壞時間。基于蠕變曲線拐點形變量和形變率的連續性，求得時效共軛點tp與失穩破壞點tf。

為判定按上述方法得到的tp是否是真正的時效共軛點，楊人光[5]由式(1)與式(2)的二階微分方程導出巖土體的失穩判據ve。該失穩判據ve為時效共軛點參數(tp，yp)的函數，即:

(3)

其中，v0為問題蠕變階段巖土體的初始蠕變變形速率；yp為tp時刻巖土體的變形量。若ve=1.0，則巖土體始終處于穩態蠕變狀態；若ve>1.0，則巖土體由穩態蠕變狀態進入加速蠕變狀態，且加速蠕變達到一定階段后，巖土體將發生蠕變破壞。因此，式(3)所定義的失穩判據具有判斷巖土體從穩定轉向失穩作用，可作為蠕變時效理論中巖土體破壞的失穩判據。

2 蠕變時效穩定理論在工程實例中的應用

2.1 工程概況

南京牛首山文化旅游區一期項目是南京市重點打造的佛教文化休閑度假區項目。該項目的重點建筑——佛頂宮位于原廢棄礦坑中，且建筑物的樁基及底板均坐落于廢棄礦坑的邊坡坡頂與坡面上。巖土工程勘察表明，原廢棄礦坑邊坡高差達141 m，坡度達45°，邊坡巖體節理、裂隙、崩塌、滑坡等不良地質現象發育，對本項目的實施造成較大挑戰。

為保證佛頂宮運營期間的安全，設計采用注漿加固、錨桿掛網噴射混凝土、錨桿(索)框架等措施進行邊坡加固。但由于邊坡高差較大、邊坡巖土體穩定性較差，該項目邊坡加固治理施工期間發生滑坡的風險較大。為此，現場采取動態監測與信息化施工等措施降低施工期的滑坡風險和可能造成的損失。

南京牛首山文化旅游區邊坡巖土工程治理施工期間，蠕變時效穩定理論被用于現場邊坡變形監測數據的分析及滑坡預測中，并根據預測結果及時做出滑坡預警預報，為現場采取應急措施提供支持。事實上，本項目施工期間多次局部滑坡都得到準確預報，使得現場能及時撤離人員、機械設備，避免了人員傷亡，極大地降低了財產損失。以圖1中的GPS-17測點為例，簡要介紹本項目施工期間蠕變時效穩定理論在邊坡滑坡預測方面的應用及其發揮的作用。

2.2 GPS-17測點滑坡預測

現場自2013年1月19日開始監測GPS-17測點的邊坡變形，監測頻率為1次/3 d。到2013年3月13日，現場巡查發現該測點周圍坡面出現輕微開裂，之后加強對該測點處邊坡發生局部滑坡的預測。

受17日降雨影響，3月19日GPS-17測點周邊坡面的裂縫明顯增大。圖2為3月1日～3月19日期間GPS-17測點邊坡變形監測結果。由圖2可知，16日～19日期間，該測點周邊邊坡變形顯著增加，這主要是17日降雨所造成的。根據蠕變時效穩定理論，通過擬合7日，10日，16日，19日的監測數據，可以求得參數ξ,A,α和v0的值，進而可求得邊坡蠕變的時效耦合點tp與失穩時間tf，計算結果如表1所示。經預測，邊坡失穩時間為3月19日，即最后一次的監測時間，不能作為滑坡發生時間，故而未發布滑坡預警。不過，自19日起加強對17號測點的監測，監測頻率調整為1次/d。

表1 由7日、10日、16日、19日監測數據預測的各蠕變參數

圖3為3月1日～3月22日期間GPS-17測點邊坡變形監測結果。通過利用蠕變時效穩定理論對7日，10日，16日，22日的邊坡變形監測數據進行擬合，可以求得邊坡蠕變的時效耦合點tp、失穩時間tf及其他蠕變參數，如表2所示。經預測，邊坡的失穩破壞時間tf為3月24日，相應的邊坡蠕變變形曲線如圖3所示。

由于利用該組監測數據所預測的邊坡失穩時間tf(3月24日)遲于最后一次監測時間(3月22日)，故該預測失穩時間很可能是邊坡實際發生滑坡的時間。為此，現場利用另外4組不同監測數據進行失穩時間預測，以校核邊坡失穩時間預測結果，校核結果如

表2所示。由表2可知，盡管所采用的監測數據不同，但通過擬合監測數據，蠕變時效穩定理論所預測的邊坡失穩時間均為3月24日，故可以認為該處邊坡在3月24日發生局部滑坡的可能性非常大。因此，現場做出“3月24日GPS-17測點邊坡將發生局部滑坡”的預警，并建議盡快進行人員和設備的撤離工作。

事實上，GPS-17測點周邊邊坡在3月24日早上發生局部滑坡。由于預先發布過滑坡預警，并及時進行人員、設備的撤離，本次局部滑坡未造成任何人員傷亡與財產損失。

表2 由GPS-17測點監測數據預測的各蠕變參數

3 結語

蠕變時效穩定理論通過耦合開爾文模型和齋藤模型反映巖土體的穩態蠕變和加速蠕變特性，能夠較好地進行滑坡預測。通過擬合現場邊坡變形監測數據，蠕變時效穩定理論得以在南京牛首山文化旅游區一期巖土工程綜合治理工程中成功應用，多次準確預測邊坡滑坡，及時發布滑坡預警，為現場采取應急措施、避免人員傷亡、降低財產損失提供了良好的支持。

[1] M.Saito. Forecasting time of slope failure by tertiary creep. Journal of Japan Landslide Society,1968(4)：1-8.

[2] B.Voight. A method for prediction of volcanic eruptions. Nature,1988(332)：125-130.

[3] 賀小黑,王思敬,肖銳鏵，等.協同滑坡預測預報模型的改進及其應用[J].巖土工程學報,2013(35)：1839-1848.

[4] W.Thompson. On the elasticity and viscosity of metals. Proceedings of the Royal Society of London,1865,A14,289-297.

[5] 楊人光.巖土結構穩定性理論與滑坡預測預報[M].北京:地質出版社,2010.

Application of a landslide forecasting technique based on the aging stability theory of creep

Wang Jianjun

(ShanghaiShengyuanGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200011,China)

Taking comprehensive geotechnical treatment engineering of Niushou mountain culture tourism region in Nanjing as an example, the paper carries out slope deformation monitoring data simulation by applying creep age-forming stability theory, accurately predicts local slope sliding time, and timely publishes landslide alarming, which has provides some guidance for adopting emergent measures in the field.

landslide, creep age-forming stability theory, time-response conjugate point, GPS monitoring

1009-6825(2017)10-0075-02

2017-01-19

王建君(1982- )，男，工程師

P642.22

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