基于深部位移監測的堆積體穩定性分析

胡愛國

(四川省核工業地質局 二八二大隊，四川 德陽　618000)

0　引　言

針對堆積體穩定性評價方法主要分為定性分析和定量分析[1].定性分析主要有自然歷史分析法、工程地質類比法、圖解法等，該方法以分析者的主觀判斷為主，難以反映事物之間的局部差別，無法做到可靠與精確[2-3]；定量分析主要有剛體極限平衡法、數值分析法、概率分析法，雖然定量評價結果更為直觀、簡潔、準確，但實際操作中有些關聯因子難以準確進行量化[4-6].目前，以物理意義直觀、評價方法簡單的剛體極限平衡方法在巖土工程中應用最為廣泛，但該定量分析方法未考慮到介質的各向異性以及本身的變形，應用時存在一定缺陷[7].大量的邊(滑)工程實例證明，處于變形發展階段的堆積體滑坡，其滑動面在逐漸發展變形的同時，滑體內部也在逐漸變形，使得堆積體滑坡的巖土體力學參數也隨滑動面的改變而變化，而剛體極限平衡方法的巖土體參數則很難實時反映其中的變化.對此，本研究采用基于深部位移監測數據來進行堆積體的穩定性定量實時分析，并以紫坪鋪水利工程壩前堆積體為例，對其深部位移監測數據做實時分析，從而對該堆積體的穩定性進行判斷.

1　堆積體穩定性分析

1.1　深部位移監測概化

深部位移是目前巖土工程安全監測常用的手段之一，其測取鉛錘線同側斜管軸線間夾角的變化量來實現變形監測，具體為每隔0.5m進行逐段測取側斜管的變化斜率，可獲得巖土體內部的水平變形位移以及位移隨時間變化的過程，可以準確捕捉邊坡的潛在滑移面，從而來判斷巖土體變形位移的大小、方向以及產生部位，通過長時間的監測可獲得位移—時間和位移速率—時間等關系.考慮降雨、地下水位變化等自然環境因素變化，結合堆積體的開挖、加載回填、加固等施工因素，可以對不同類型堆積體的穩定性進行分析和判斷，為設計、施工以及監測預警提供真實依據.

目前，深部位移主要分析方法以比較法最為普遍，其中以不同時間的深度—累計合位移曲線圖為主，堆積體以潛在的滑動破壞為標志，滑帶破壞以滑床與滑體的破壞為標志.有研究發現，堆積體的變形破壞首先在滑床發生，然后自滑床向滑體逐漸發展[7].

事實上，深部位移監測地表累計合位移是孔底至滑床、滑帶和滑體至地表孔口相對變形的總和.為了便于分析，可以將深部位移監測累計合位移—時間關系曲線圖概化為3段折線(見圖1).圖1中，橫坐標中的X表示地表累計合位移，縱坐標Y表示深部位移監測(地表孔口至孔底)的孔深，向下為正.

概化曲線的相關組成和含義如下：

1)在X-Y平面坐標體系中，累計合位移—時間關系曲線圖1(a)中曲線概化為ab、bc、cd3條折線組成.

圖1深部位移典型累計合位移—孔深分布概化曲線圖

2)概化圖中的點a表示深部位移監測孔底，為變形參考點(相對不動點)；點b表示滑床處；點c表示滑帶與滑體交界處；點d表示深部位移監測地表孔口處.折線ab表示深部位移監測孔底(相對不動點)至滑床的累計合位移變形曲線；折線bc表示滑帶的累計合位移變形曲線；折線cd表示滑體至深部位移監測地表孔口的累計合位移變形曲線.

3)△Xab、△Xbc、△Xcd、△Xad分別表示深部位移監測孔底(相對不動點)至滑床的累計合位移、滑帶的累計合位移、滑體至深部位移監測地表孔口的累計合位移、深部位移監測孔底(相對不動點)至深部位移監測地表孔口的累計合位移.有，

△Xad=△Xab+△Xbc+△Xcd

4)△Yab、△Ybc、△Ycd分別表示深部位移監測孔底(相對不動點)至滑床的孔深、滑帶的孔深、滑體至深部位移監測地表孔口的孔深.

1.2　Si(Sd)指標分析原理

滑坡的破壞主要以滑帶發生了剪切破壞為標志，滑坡的滑帶發育至破壞過程較長，在滑坡變形破壞過程中，滑帶變形△Xbc逐漸增加，而滑帶以上滑坡體的變形△Xcd逐漸減少.為此，找到衡量滑坡變形破壞程度的定量指標，并依據該指標的變化可實時定量評價滑坡穩定性，具體為，

Si(Sd)的意義和特性如下：

1)Si，Sd為滑坡完整性指標和破壞性指標，分母為滑床與深部位移監測地表孔口的累計合位移.Si的分子為滑體至深部位移監測地表孔口的累計合位移△Xcd，Sd的分子為滑帶的累計合位移△Xbc.當滑帶尚未產生產生位移，即△Xbc=0時，則Si=1，Sd=0，視滑帶完整；當滑帶已經破壞剪出，即△Xcd=0，則Si=0，Sd=1，視滑帶和滑坡達到破壞.Si，Sd的變化區間為[0-1].

2)Si，Sd指標具有明確的物理意義，且Si，Sd比值的分子和分母都分別是2個累計變形之差，這樣可以消除觀測中同時發生的相同觀測誤差，突出了滑帶及滑體至孔口間變形的變化和Si，Sd的變化規律.

3)根據每次鉆孔測斜儀監測數據整理，可快速計算Si，Sd值，對比前后Si，Sd值的變化，就可以實時定量、動態評價滑坡穩定性.

4)與傳統的定量評價滑坡穩定性方法相比，該方法避免了確定滑坡邊界、選擇計算模型和計算參數等所帶來的誤差和困難.

2　工程案例

2.1　工程概況

紫坪鋪水利樞紐工程壩前堆積體表現為從左岸葫豆坪至燈盞坪一帶岸坡的巨型松散堆積體，其距離紫坪鋪工程大壩約618 m，右岸引水隧洞進口距其約250 m.壩前堆積體在平面上呈“圍椅"狀，湯家林溝以及桃子坪分別位于壩前堆積體的左、右邊界，分水嶺附近為后緣，其高程約1 500 m，其前緣直抵岷江，長度約1 600 m，前沿寬在300～870 m之間，整個壩前堆積體的面積約1.0 km2，總方量約為3 500×104～4 500×104m3.總體上看，堆積體的地形坡度相對較緩，為20 °～30 °，但外圍基巖相對陡峻，局部坡度可達40 °以上，前沿相對較窄，往山內方面逐漸變寬，主要由4個高程不同的平臺和較陡斜坡構成.4個平臺的高程分別為：葫豆坪高程為800～820 m，燈盞坪高程為960 m，白廟子高程為1 000～1 040 m，觀音坪高程為1 110～1 150 m.壩前堆積體變形監測設備主要為鉆孔測斜儀，壩前堆積體的內部堆積體、軟弱層的變形發展過程及穩定性，詳細布置和相關信息見圖2和表1.

圖2壩前堆積體的深部位移(測斜孔)監測平面布置圖

表1壩前堆積體的鉆孔傾斜儀監測布置統計表

2.2　Si(Sd)數據處理與分析

壩前堆積體各深部位移監測Si(Sd)—時間關系曲線詳見表2與圖3～圖7.可以看出，各深部位移監測Si(Sd)明顯呈現出3個時間段的變化.

表2　壩前堆積體監測點Si(Sd)變化特征值統計表

圖3Si(Sd)—時間關系曲線圖(IN-2)

圖4Si(Sd)—時間關系曲線圖(IN-4)

圖5Si(Sd)—時間關系曲線圖(IN-5)

圖6Si(Sd)—時間關系曲線圖(IN-6)

圖7　Si(Sd)—時間關系曲線圖(IN-7)

1)汶川地震之前，堆積體各深部位移監測點完整性都較好，隨著時間推移各深部位移監測的完整性有一定降低，其中監測點IN-4的完整性最低，達到了0.82，破壞性則隨著時間增加逐漸增強，破壞性為0.18；IN-6的完整性最高，達到了0.96，破壞性為0.04.

2)汶川地震期，堆積體各深部位移監測點完整性受到汶川地震的影響都有不同程度的降低，其破壞性都有不同程度的增加.其中監測點IN-2完整性最小，降低至0.38，其破壞性增加至0.62；而監測點IN-6完整性受汶川地震的影響最小，其完整性降低至0.95，其破壞性增加至0.05.

3)汶川地震后，堆積體各深部位移監測點地表和滑面的完整性及破壞性隨著時間的增加平穩波動.

數據分析表明，隨著深部位移監測點的高程降低，其完整性受到汶川地震的影響逐漸增大，呈現逐漸降低趨勢，其中壩前堆積體中壓重體平臺845 m處至燈盞坪前緣處完整性降低較多，是需要重點關注與防治的區域.

3　結　論

基于深部位移監測成果進行穩定性定量實時分析，可以快速評價變形發展過程階段評價堆積體穩定性.Si(Sd)評價方法避免了因地質邊界條件、計算模型和巖土體力學參數方面的實時改變帶來的誤差，操作方便，切實可行.工程實例應用顯示，在水庫水位升降過程中，堆積體滑帶的破壞過程時間可能很長，通過對滑帶各高程相對變形過程分析，可以提前做到安全預警，同時啟動相應的應急預案，減少或避免地質災害造成的損失.此外，在對深部位移進行連續觀測時，一旦出現異常情況應及時修復或重建，以便全過程連續評價堆積體穩定性的變化，實時監控堆積體的安全狀況.