大巖淌堆積體滑坡漸進破壞的全過程預警

大巖淌堆積體滑坡漸進破壞的全過程預警

1滑坡安全預警預報山地斜坡是世界上的三級自然災(zāi)害（地震、斜坡、泥石流和火山）之一。我國是一個多山區(qū)的國家,存在滑坡威協(xié)的地區(qū)約占全國陸地的1/5~1/4,其中50%以上的滑坡災(zāi)害在西南地區(qū)。近些年來,已經(jīng)發(fā)生和潛在的江河庫岸滑坡和公路滑坡引起眾多關(guān)注,而這些滑坡中大多是堆積體滑坡[1~5],主要指存在順層緩傾角潛在滑帶的基巖滑坡,古滑坡一般屬此類滑坡。這類滑坡的安全裕度不大,在外界條件(如施工開挖、降雨、庫岸水位漲落等)變化時常易引發(fā)滑坡災(zāi)害。為預防和減少滑坡災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)帶來的損失,長期以來,滑坡的安全預警預報研究一直為從事巖土工程設(shè)計、勘察、科研和施工的科技工作者所關(guān)注,已經(jīng)取得一些有益的成果,包括積累了許多經(jīng)驗,并提出了許多安全預警預報方法。主要的方法包括地質(zhì)分析方法,模型預報方法,現(xiàn)場監(jiān)測方法以及綜合分析方法。以變形監(jiān)測為主的現(xiàn)場監(jiān)測方法至今本質(zhì)上仍屬于20世紀60年代末齋滕基于均勻土質(zhì)邊坡提出且后來不斷發(fā)展起來的方法,這種方法以地表變形為依據(jù),以蠕變變形3個發(fā)展階段為理論基礎(chǔ),用臨界值預警滑坡最終臨界破壞為目標,但不能預警破壞前的破壞過程,總體上是一種趨勢性的預警方法。本文提出的堆積體滑坡滑帶漸進破壞傳播的預警新方法,能定量預警滑帶破壞傳播的全過程,包括破壞傳播的方向和速度,破壞的相應(yīng)日期以及滑坡的破壞程度,達到全程監(jiān)控,減小或防止滑坡災(zāi)害的目的。2滑動帶的破壞傳播特征2.1滑坡地形及加固位于鄂西南的水布埡電站大壩是目前世界上建成的最高面板堆石壩。大巖淌堆積體滑坡位于大壩下游左岸,上距壩軸線超過800m,距溢洪道挑流鼻坎超過300m。由主滑坡體及東、西兩級滑坡體經(jīng)過局部解體而成,地質(zhì)情況較復雜。滑坡總面積為0.196km2,滑坡體厚度一般為25~40m,最厚約為64.8m,總體積約為588萬m3。該滑坡邊界較清楚,西側(cè)為大崖陡壁,東側(cè)以榨房溝為界;后緣高程為430m,“圈椅”狀地形明顯;滑體前緣呈向南突出的弧形,剪出口高程約為200~210m。滑坡在平面形狀上呈一長形的喇叭,東西寬為130~370m,最寬為640m,南北長為870m。在滑坡兩側(cè)發(fā)育有東西兩個次級滑體,在平面形態(tài)上皆呈扇形分布。主滑體和東西兩側(cè)的次級滑體地表主要為礫質(zhì)黏土夾少量碎石,厚度為1~10m,黏土含量多,結(jié)構(gòu)較密實;滑體中部為基巖解體大塊體夾黏土及碎石、碎屑或黏土夾碎石塊石,分布連續(xù)?；w中上層為大塊石、塊石夾碎石及黏土,厚為5.30~40.70m;滑帶主要分布于滑體與基巖之間,厚為0.20~3.15m,連續(xù)性、完整性略差(見圖1)。(2)滑坡加固治理概況由于大壩規(guī)模大,地質(zhì)情況比較復雜,前部設(shè)置大量鋼筋混凝土抗滑樁進行加固;通過順河向拉錨洞的對穿錨索與防掏墻相連,以提高前緣巖體的整體穩(wěn)定性;通過地表周邊排水溝和主滑帶以上的排水洞分別進行地表和地下排水,降低地下水對滑坡的不利影響等。為施工修路,前緣采取了削坡、修建擋土墻和防掏墻護岸措施。這些開挖和加固施工活動主要在滑坡前緣和前部,它將是導致滑坡破壞特性的一個主要因素。為了監(jiān)控滑坡安全和加固效果,在滑坡體中布置以鉆孔測斜儀深部變形為主、地下水位和抗滑樁受力為輔的重要監(jiān)測斷面,開展運行期兼施工期監(jiān)測。重要監(jiān)測斷面的深部變形監(jiān)測孔的布置見圖1,測斜儀孔IN14–6布置在3#抗滑樁內(nèi),其他測斜孔安裝在堆積體中。2.2測點破壞特性點破壞的概念由M.Rocha等提出,把大壩與基巖作為壩–基結(jié)構(gòu)整體,研究其破壞過程、機制,建立穩(wěn)定準則,把壩–基結(jié)構(gòu)中任意一點發(fā)生破壞作為穩(wěn)定的極限狀態(tài),視為破壞的開始。點破壞機制可能是壓碎(如壩趾)、拉裂(如壩踵)或剪斷(如沿一弱面)等。這里所說的“點”,是指鉆孔測斜儀測孔中的測點,如100m深的活動式測斜儀鉆孔,按每50cm一個測點計,則全孔為200個測點。根據(jù)活動式鉆孔測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù),常整理成孔口累計變形–深度曲線、滑帶相對變形–深度曲線、累計變形(或變形速度)–時間過程線、相對變形(或變形速度)–時間過程線等(時間過程線以下簡稱過程線)相對變形過程曲線常整理滑帶各高程的,其他變形關(guān)系曲線常整理孔口高程的。根據(jù)對多個堆積體滑坡的監(jiān)測實踐,本文提出以相對變形過程線的峰值作為破壞標準,當測點相對變形達到峰值時,即稱測點破壞。(2)關(guān)于全過程曲線滑帶某測點的相對變形是指該測點相對相鄰下面一個測點的水平變形,即相鄰上下兩測點同一時刻累計變形之差。根據(jù)測斜儀測量工作原理,并且視滑坡深部變形監(jiān)測為滑坡體沿滑動帶直接剪切法的“抗剪強度試驗”,相對變形就是滑帶水平方向的剪切變形,作為示例,分別給出大巖淌滑坡前緣孔IN14–6和后部孔IN14–5主滑面以上50cm的相對變形全過程曲線見圖2(圖中31.0,29.0m為測點深度(下同)),圖中及后文均只討論順坡向即A向的變形。此處所謂的全過程曲線是指天然堆積體滑坡在自重作用和人為施工活動條件下,沿某個(些)面剪切滑動過程中相對變形峰值(即破壞)前后相對變形隨時間變化的關(guān)系曲線。它和試驗室?guī)r石受壓條件下得到的I型曲線類似,但后者只有在剛性伺服壓力機上才能得到。不過,試驗室得到的是軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線,而圖2是相對變形隨時間變化的過程線。這些曲線為了解測點的破壞特性提供了科學依據(jù)。至于全過程曲線的變形階段劃分及變形特性,在李迪等的研究中進行過初步分析,進一步的研究,擬在以后專題進行,這里僅就點破壞特性進一步分析如下。(3)點破壞的傳播特性(1)相對變形峰值(點B)非常明顯,峰值把全過程曲線分成破壞前區(qū)(AB)和破壞后區(qū)(BCD)兩大部分,形成以點B為頂點的傘形。這說明滑帶周圍的厐大滑坡體猶如剛性伺服壓力機,能在滑帶某點發(fā)生破壞的瞬間將部分應(yīng)力(應(yīng)變能)迅速接力轉(zhuǎn)移到上部的滑帶中。(2)破壞前有漫長的變形過程,孔IN14–6和孔IN14–5下盤(主滑面)以上50cm測點分別在2004年3月27日和9月23日達到破壞,破壞前至少有1~2a的變化過程,這個過程是滑坡前緣和前部的施工公路、防淘墻、抗滑樁、拉錨洞的開挖和回填加固等,對穩(wěn)定不利和有利影響的綜合作用的反映。這個漫長過程為漸進破壞預警提供了充分的時間和良好的機會。(3)測點達到破壞后,以高于破壞前區(qū)的變形速度迅速從頂峰(點B)降到低谷(點C),然后逐漸穩(wěn)定于殘余變形(點D)。其間,因測孔“卡孔”(即測量探頭下放鉆孔受阻)停測一段時間。2.3測點破壞過程這里所說的“線”是指測孔,線破壞即指測孔破壞。測斜儀測孔系沿鉛垂方向埋設(shè),要求穿過滑帶到不動基巖。2005年在大巖淌滑坡發(fā)現(xiàn),滑帶測孔破壞有明顯的定向傳播特性,即測孔自下盤(主滑面)測點破壞開始,然后自下而上向上盤傳播,當上盤測點達到破壞時,測孔破壞。下面將通過線破壞的分析了解滑帶鉛垂方向破壞的傳播特性?？譏N14–6和IN14–5分別穿過滑帶的各測點高程相對變形的全過程線見圖3,并對測孔破壞特性作進一步分析如下。(2)線破壞的傳播特性前緣孔IN14–6孔深為51.5m,穿過滑帶的測點有孔口以下31.5,31.0,30.5,30.0m各深處的共4點;后部孔IN14–5孔深為53.0m,穿過滑帶的測點有孔口以下29.5,29.0,28.5m各深處的3點,因變形過大卡孔,兩孔均在上盤達到破壞前曾一度停測。各測點達到破壞的日期、歷時和傳播的平均速度見表1。有關(guān)測孔破壞過程和特性簡要說明如下。由圖3和表1看到:(1)兩孔各自首先在31.5m和29.5m的滑帶下盤破壞,破壞日期分別為2003年8月24日和2004年6月24日。根據(jù)巖石力學關(guān)于巖體首先沿最不利穩(wěn)定的弱面發(fā)生破壞的原理可以推斷,破壞面一定是抗剪強度最薄弱的面,其機制將在節(jié)3.2詳細分析。(2)孔IN14–6的破壞從2003年8月24日起以平均每天0.23cm的速度向上傳播,歷時215d,下盤以上50cm測點達到破壞;接著,以平均0.28cm/d的速度繼續(xù)向上傳播,歷時180d,于2004年9月23日下盤以上100cm測點達到破壞,以后,因卡孔一度停測。同樣,孔IN14–5以相同的規(guī)律,從2004年6月24日起以平均0.55cm的速度由下盤起向上傳播,歷時91d,下盤以上50cm測點破壞;接著繼續(xù)向上傳播,歷時232d,以平均0.22cm/d的速度,到2006年5月13日,下盤以上100cm測點達到破壞?？梢钥吹?自下而上漸進破壞的傳播是緩慢的。(3)當滑帶鉆孔中某測點快破壞或破壞后,且相對變形遞降時,上部相鄰測點的相對變形則加速遞增,反映出滑帶的漸進破壞過程中剪切荷載接力傳遞的形式。這里應(yīng)當指出,當滑帶不存在斷裂缺陷時,漸進破壞一般是連續(xù)的過程,把這個過程劃分成每50cm一段來表述,是受測量探頭長為50cm、因而測點間距為50cm,不能連續(xù)測量的緣故。(4)各測點破壞后,變形迅速遞減,且一般穩(wěn)定在很低的變形水平上,高程較高的穩(wěn)定在較高的變形水平,高程較低的穩(wěn)定在較低的變形水平。雖然變形穩(wěn)定水平不一,全過程曲線形狀各異,但所有滑帶測點的全過程線后破壞區(qū)的曲線段沒有從峰值點B鉛直狀向下或向“傘內(nèi)”收斂的II型曲線。由此看到,滑坡體在測點破壞瞬間轉(zhuǎn)移剩余應(yīng)變能的性能似比目前市面上有的剛性伺服壓力機要好。巖體漸進破壞理論是20世紀60年代L.Müller在研究節(jié)理巖體破壞特性時提出的,早為同行所公認。大巖淌滑坡不僅為巖體漸進破壞提供了生動的工程實例,而且發(fā)現(xiàn)了堆積體滑坡滑帶漸進破壞的具體形式和相應(yīng)工程條件下的傳播速度。按測孔上盤破壞的標準雖然因卡孔儀器沒有測到測孔破壞,但根據(jù)卡孔的發(fā)生,在測孔破壞前發(fā)出了安全預警,且實際破壞為彩色鉆孔電視錄相和檢查豎井勘察所證明。2.4孔內(nèi)高程和水平方向滑帶節(jié)2.2通過線破壞的過程研究了滑帶鉛垂方向破壞的傳播特性,本節(jié)擬通過面破壞過程研究滑帶水平方向的破壞特性。這里所說的“面”是指滑帶所在的重要監(jiān)測斷面(見圖1),當監(jiān)測斷面上的所有測孔都達到破壞時,稱監(jiān)測斷面達到整體破壞。由于孔IN14–6和IN14–5的地質(zhì)代表性和監(jiān)測資料的完整性,視該兩測孔都達到破壞時,為該斷面達到破壞(同樣,視前緣和后部兩孔下盤都破壞時為主滑面貫通破壞)。斷面達到破壞的標志有,整個滑坡將沿下盤(主滑面)平移(即孔口累計過程線在滑帶上盤以上至孔口段曲線基本呈鉛垂線),或相應(yīng)滑坡破壞性指標Sf等于1.0。(2)面破壞的傳播特性采取孔IN14–6和IN14–5測孔破壞過程對比的方法研究滑帶監(jiān)測斷面水平方向破壞的傳播特性?？譏N14–6和IN14–5孔口高程分別為244.9和346.6m,高程相差約為101.7m;兩孔水平距離約為410m,兩孔相應(yīng)下盤、下盤以上50,100cm測點達到破壞的日期見表2,滑坡前緣、后部破壞性指標變化列出于表3,水平方向漸進破壞傳播歷時(日期)和平均速度見表4。分析水平方向滑帶的破壞特性如下:(1)從表2看到,不論是滑帶下盤、下盤以上100cm測點,孔IN14–5的破壞時間比孔IN14–6晚6~20個月,這就是說,破壞是從前緣(孔IN14–6)開始,并以0.69~2.28m/d的速度向后部(孔IN14–5)緩慢傳播。前緣開挖初期,破壞速度較大,2004年因抗滑樁施工開挖破壞加速,隨加固完成,破壞傳播速度變緩。此外,從表3看到,整個滑帶破壞過程中,同一時間孔IN14–5的Sf值都比孔IN14–6的相應(yīng)值小,因此,滑帶破壞過程中,水平方向由前緣向后部傳播的特性再次得到確認。(2)按前后緣兩孔水平距離410m計,根據(jù)傳播歷時算出,從前緣破壞開始到后部達到破壞為止,水平方向破壞傳播的平均速度總體上是緩慢的,但前緣開挖初期速度較大,反映主滑面的速度為1.35m/d;下盤以上50cm處的破壞速度為2.28m/d,傳播速度明顯增大,原因是2004年1月起第一排抗滑樁開始開挖施工;2004年9月~2006年5月期間隨加固工程的完成,傳播速度降低到0.69m/d?？梢?施工活動是影響滑坡變形、破壞的主要外部因素。(3)不僅可以從表2看到滑帶破壞達到的日期和高程,而且可以從表3看到相應(yīng)該時刻測孔所在部位的滑帶破壞所達到的程度。例如2003年8月24日前緣滑帶下盤達到破壞時,該部位滑帶破壞的程度為49%;2004年6月24日后部滑帶下盤達到破壞時,該部位滑帶破壞的程度為38%,等等,依次類推。這一特性不僅為漸近破壞傳播預警提供了依據(jù),而且將成為預警方法的重要內(nèi)容。(4)2004年6月24日后部主滑面在滯后前緣約10個月也達到破壞。應(yīng)強調(diào)的是,在滑帶主滑面破壞貫通的情況下,前緣、后部的整體破壞程度仍保持在49%~38%之間,所以,認為(或假設(shè))主滑面破壞貫通即是滑坡(或滑帶)整體達到破壞,不符合滑坡實際,依此計算得出的滑坡穩(wěn)定性成果,整體上將有50%以上的安全富裕度。3滑動帶的破壞機制和滑動帶的其他機制3.1抗滑樁施工引起的破壞節(jié)2.3介紹的斷面破壞水平方向由前緣向后部傳播的特性,是同行熟悉的滑坡牽引式破壞。大巖淌滑坡的變形和破壞主要是由于滑坡前緣、前部施工初期的巖體開挖所引起,除節(jié)2.1(2)中介紹的開挖活動外,2004年1月在靠近滑坡前緣高程220.0m的第一排抗滑樁施工的同時,前緣滑舌也開始削坡,可能是導致2004年3月27日~9月23日半年內(nèi)破壞傳播速度明顯增加的原因(見表3)。因此,斷面破壞水平方向傳播的機制無需多加說明。至于測孔鉛垂方向自下而上傳播的特性可能不易理解,為此進行了較多研究,重點予以說明如下。3.2泥化夾層試驗結(jié)果大巖淌滑坡滑帶首先沿下盤(主滑面)破壞和下盤破壞后自下而上向上盤傳播的原因有滑帶的層狀結(jié)構(gòu)性、巖層的巖性、巖層的力學特性以及巖體破壞的一般原理多方面的因素,歸納于以下兩個方面說明。(1)滑帶成層性機制大巖淌滑坡堆積體物質(zhì)組成的成層性為鉆孔柱狀圖所驗證。這里將討論的只是滑帶的成層性。大巖淌滑坡是一古滑坡,山體上部堆積體是歷史上曾經(jīng)滑動后遺留或異地搬遷組成的巖、土體,在重組過程中,經(jīng)過坍塌、滾動、碰撞、碾壓作用后,粉塵、土粒、細砂、碎石穿過巖塊間的空隙最先墜落和隨降水沉積到孔底,在漫長的歲月中經(jīng)過地下水的軟化和泥化作用,形成了一層薄的軟弱泥化夾層。檢查豎井勘察發(fā)現(xiàn),大巖淌滑帶厚0.2~2.0m,主滑面厚0.5~3.0cm,含水率11%~15%,軟塑~可塑狀,一般平直,面貫通,有明顯擦痕。孔IN14–6孔底32m處的抗滑樁混凝土體明顯開裂。滑帶自下而上依次為黃色砂土層,灰白色、黃色礫質(zhì)粉土層,褐色黏土夾砂、碎石層等。主滑面位于砂土與粉土的分界面。分界面(即主滑面)上附數(shù)毫米的一薄層黏土,這就是即將看到的抗剪強度低的原因。(2)滑帶力學性機制為了測定主滑面的抗剪強度和察看抗滑樁的實際破損情況,緊鄰孔IN14–6,2005年底挖了一個深約32m的檢查豎井,通過豎井沿滑帶走向再挖一條試驗平洞,平洞內(nèi)清晰可見的主滑面即一泥化夾層。在主滑面和主滑面以上50cm的位置各進行了5個試點一組的直接剪切試驗,剪切面積為50cm×50cm。主滑面為泥化夾層,性狀最差;主滑面以上為粘土質(zhì)砂,厚2~7cm,剪切面平直~微波狀。2組的峰值抗剪強度指標如下:主滑面:?=14.9°,f=0.27,c=17.4kPa;主滑面以上50cm:?=20.8°,f=0.38,c=18kPa,由此可見,自主滑面向上,抗剪強度增加。表5為孔IN14–6和IN14–5各破壞測點的相對變形峰值?？辜魪姸茸韵露线f增的特性由表5可進一步得到印證。由表上看出,主滑面自下而上,相對(剪切)變形峰值遞增。同孔同一時刻,各測點剪應(yīng)力相同,正應(yīng)力僅50~100cm巖體自重的差別,相對30m深的巖體自重,影響很小,因此,變形峰值自下而上的遞增系抗剪強度的遞增所引起。歸納起來,破壞首先由主滑面發(fā)生,然后自下而上向上盤發(fā)展的機制是:主滑面是滑帶抗剪強度最低的地質(zhì)弱面,在前緣削坡、開挖擾動條件下,根據(jù)巖體首先從對滑動最有利的弱面破壞的巖石力學原理,滑帶首先從主滑面發(fā)生。主滑面破壞后,剪切荷載又向剪切強度最薄弱的相鄰上一層巖體轉(zhuǎn)移,繼續(xù)漸進破壞,以此類推,直至滑帶上盤破壞。4預警方法理論基礎(chǔ)上述滑帶的破壞傳播特性提供了預警的方法依據(jù),滑帶的破壞傳播機制奠定了預警方法的理論基礎(chǔ)。在這個基礎(chǔ)上提出安全預警方法應(yīng)該說是一件順理成章的事。4.1不同破壞階段的數(shù)值仿真(1)破壞標準的物理和工程意義清楚取測點相對變形過程線的峰值為測點破壞標準,當滑帶所有測孔上盤破壞時稱滑坡破壞。(2)預警的破壞傳播階段明確以測點的劃分為基礎(chǔ),按破壞達到下盤(主滑面)、下盤以上50cm處、下盤以上100cm處等劃分不同破壞階段。(3)預警標準具體,不具隨意性(1)根據(jù)特征點S1,S2,S3,A,K和特征指標Sf進行預警。(2)通報已經(jīng)達到的破壞階段的同時,對下階段破壞位置進行預警。(4)對數(shù)值仿真具可操作性數(shù)值仿真應(yīng)依照以下原則進行:(1)滑帶由成層、不同厚度和不同巖性的巖體組成;(2)隨巖層自下而上,巖性和抗剪強度遞增;(3)巖體破壞以相對變形達到峰值為標準。4.2預警和破壞的過程以大巖淌滑坡作為示例,簡要說明如下:(1)繪制有關(guān)圖表,并跟隨變形監(jiān)測、工程施工及時延伸,參照圖3以及表1~4進行。(2)根據(jù)各高程相對變形過程線(見圖3)斜率的變化,預報破壞的發(fā)生位置。(3)根據(jù)測孔滑帶各高程相對變形過程線(見圖3)峰值的達到,通報破壞到達的位置和日期,根據(jù)破壞的傳播速度和方向預報下一階段破壞將要達到的位置(見表1,2和4)。(4)根據(jù)測孔已經(jīng)發(fā)生破壞的位置、日期和破壞性指標對照表3,確定和通報測孔所在的部位滑帶破壞達到的程度。(5)根據(jù)前緣和后部各測孔破壞已達到的位置、時間,確定和通報滑帶整體破壞達到的程度。(6)根據(jù)滑帶上盤變形加速(點A)和卡孔(點K)的出現(xiàn)(見圖3),先后發(fā)出上盤破壞(即滑帶/滑坡破壞)的預警信息。預報和通報統(tǒng)稱為預警。(2)預警和破壞的驗證2005年9月發(fā)現(xiàn)滑帶自下而上破壞特性前,根據(jù)孔口累計變形–深度關(guān)系曲線出現(xiàn)滑動面和“卡孔”(測量探頭下放受阻)等現(xiàn)象進行了安全預警,如2003年8月24日孔IN14–6孔口累計變形–深度曲線反映滑動面出現(xiàn),變形逐漸增大,2003年11月9日以月報形式進行了通報;2005年1月21日同孔出現(xiàn)“卡孔”現(xiàn)象后,查明“卡孔”位于滑帶上盤,在2005年4月29日以月報的形式發(fā)出了預警信息。后