软硬互层型边坡变形监测、预测及长期稳定性研究＊

程关文 陈从新 朱玺玺 沈 强 王永卫 付 华

（大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心1） 大连 116024）（中国科学院武汉岩土力学研究所2） 武汉 430071）

由于边坡岩土体材料的非连续、非均质性和对边坡结构认识的不充分性，其变形量和稳定性的评价与预测具有很大的不确定性.因此，结合监测手段来预测边坡随时间的位移变化，已成为边坡稳定性预测的重要研究方法［1-3］.

宜昌至巴东高速公路是《国家高速公路网规划》（7918网）中沪蓉高速公路（G42）最后一段开工建设的项目，也是川江三峡库区北岸惟一的陆上快速通道.其地质条件差，技术难点多，岩溶、岩堆、滑坡体、崩塌等地质灾害广泛分布于主线区域内，为项目需要解决的技术重点和难点.本文以彭家湾软硬互层边坡为例，通过对监测数据的分析，说明边坡的现状，利用斋藤模型对边坡的长期稳定进行了分析其长期稳定性.

1 地质情况及古崩滑体的形成机制分析

1.1 地质情况

上部主要为堆积土，堆积图主要含有：（1）卵石土（Q4al+pl）：分布于坡脚的凉台河河床地带.卵石主要成分为长石石英砂岩、泥质粉砂岩，块径一般30～50cm，大者100～200cm，其间充填砾砂、粗砂等，充填物含量约30%；（2）含角砾碎石粉质粘土层（Qel+dl）：分布于前缘以上斜坡表面.层厚0.5～7.0m，棕黄色，稍湿，硬塑状，含角砾碎石，主要成分为砂岩、泥质粉砂岩，呈棱角状，粒径一般2～20cm，局部夹块石，含量一般10～20%，分布不均，局部富集；（3）块石滚石夹粘性土（Qel+dl）：分布于前缘陡坡地带以及斜坡地带的表层土之下，层厚19.8～33.6 m，块（滚）石主要成分为长石石英砂岩、泥质粉砂岩，粒径5～80cm，大滚石块径可达3～8 m，棱角状，其间充填粘性土及碎石，含量约30%～50%，分布不均，局部粘性土富集成夹层或透镜体状分布.

下部侏罗系下沙溪庙组，紫红色厚层粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，夹青灰色厚层中-细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩，底部灰绿色厚至巨厚层砂质砾岩，上部紫红色薄层粉砂岩、含灰质泥质粉砂岩与青灰至灰绿色厚层长石砂岩、岩屑长石砂岩不等厚互层.本组为一套巨厚的砂泥岩沉积.其中泥质富含砂质；砂岩较粗，分选性较差，常含泥砾并夹透镜状砾岩，单向斜层理发育，常见正韵律层，横向变化大，冲刷切割现象普遍，系河流相为主的快速堆积.

1.2 古崩滑体的形成机制分析

岩层倾角小于坡角，在漫长的地质历史中，软弱的泥岩在上覆岩体的重压下发生缓慢的蠕变变形，上覆砂岩性质脆硬，在泥岩牵引作用下一直处于拉伸状态，整个坡体的应力也逐渐调整，结果使坡脚部位挤压应力集中，坡后缘则拉应力集中.拉应力在砂岩中形成一定的张裂缝，地表水沿裂缝渗入并逐步达到泥岩层，泥岩遇水易发生崩解（现场开挖亦可寻其踪迹），强度软化，进一步加剧其蠕变.河流侵蚀面高于泥岩时，整体的变形空间小，坡体处于稳定的状态.一旦河流下切至泥岩层时，临空面形成，坡脚应力释放，砂岩上的拉应力随岩层的回弹变形而增大，坡体有了产生大变形的空间.加之，靠近坡脚的泥岩易被河水侵蚀掏空致其上砂岩成悬臂状态，易发生崩塌作用，牵引后缘砂岩逐级拉裂滑移.又因滑带为厚层的泥岩为主夹薄层砂岩，在其上不均匀覆盖体的重压下形成的滑面可能顺其表层亦可斜切此层.在卸荷回弹、差异风化、地表水入渗侵蚀软化泥岩等的综合作用下，贯通的大滑面形成，整个坡体顺其向河谷方向滑动，大部分堆积于坡脚缓坡地带或堵塞河道.侵蚀基准面没有抬升，河流会冲蚀掉堆积体，继续发育.随着地壳间歇性升降，河流下切侵蚀河床、侧蚀边坡至泥岩层下的砂岩层.因砂岩层的强度高，使河流侧蚀对坡体的稳定性影响暂时较小，而坡体在经历同期的风化剥蚀改造而再造坡面形态，最终形成了现今自然休止稳定的边坡形态，达到新的平衡.以上所述古崩滑坡形成机制可概述为滑移—拉裂.

2 测网布置及监测成果［4-7］

2.1 测网布置

彭家湾滑坡体的监测内容主要有2项：滑坡体地表三维变形监测；滑坡体深部水平位移监测.滑坡体地表三维变形是通过GPS监测得到，见表1、表2.测点布置见图1，其中G1，G2和G3为基准点，A1～A11为变形测点.滑坡体深部水平位移监测通过采用测斜仪对岩体内部变形进行周期性监测，共布设测孔3个（S1，S2，S3），测孔深度依次为58，55和51m，孔深均超过该处基岩面以下4～5m.

表1 GPS接收机技术指标 mm

图1 测点布置图

表2 CX-01钻孔测斜仪主要技术指标

2.2 监测成果

2011年5月～2013年01月，地表变形共进行了12次监测，深部岩体变形共进行9次监测.

从现有GPS三维变形监测成果来看，测点水平变形总体指向坡脚方向.坡体地表变形很小，截止到2013年1月份，A1～A11的各个测点的累计水平位移依次为0.2，5.2，0.5，0.3，0.3，0.4，0.9，0.9，0.8 和1.0cm，累计水平位移依次为-3.6，-5.3，-2.0，-2.3-，5.3，1.9，-3.4，5.5，-6.0，-0.8和1.3cm，并且出现波动现象，这主要是由于测量仪器误差造成.

从深孔变形监测结果来看，每个孔从孔口到孔底的变形随深度不断增大而逐渐减小.其中，截止到2013年1月，1＃孔累计变形为2.41cm，在15m 附近处略有突变.2＃孔自2012 年6 月到2012年11月累计变形为0.45cm，未出现突变.截止到2012年11月，3＃孔累计变形为4.72cm，在10m 附近处略有突变.总之，在监测期间，彭家湾坡体没有出现较大的地表变形，坡面暂未出现明显的变形特征，坡体整体稳定性较好.

3 变形预测

在应用灰色理论预测边坡变形中，需考虑实际中实测变形观测时间的不等步长性.必须把原始的非等时距间隔序列变换成等间隔序列.考虑彭家湾滑坡自监测以来，变形很小，采用线性差值的方法将非等时距间隔序列变换成等间隔序列，然后采用GM（1，1）模型对边坡的变形进行预测.

在解决同时伴有趋势性变化的时间序列预测问题时，可将时间序列分为趋势性部分和季节性部分进行预测.其中，趋势性部分可以通过最小二乘法得到，对季节性部分用傅里叶级数预测法进行预测.

将时间序列分解为

式中：f（t）为趋势性部分；y（t）为季节性部分.用最小二乘法对f（t）进行拟合，用傅里叶级数预测法对y（t）进行预测.

由于篇幅有限，在这里只列举了A2，A3，A4，A5，A8和A10这6个测点的预测结果.从测定的累积变形值随时间的变化趋势来看，所采用的3种预测方法对A2，A3，A4，A5，A8和A10这6个测点的累积水平变形预测值随着时间的增长，呈稳定发展的趋势；从测定的累积变形值大小来看，所采用的3种预测方法对A2，A3，A4，A5，A8和A10这6个测点截止到2015年12月的水平累计变形值见表3，由表3可见，3种预测方法测点的累积水平变形预测略有差别，但大体相当.

表3 2015年12月测点的水平位移累计变形预测值表 cm

结合对测点的累积水平变形预测值的大小和随时间的变化趋势，可以判断边坡的在未来的一定年限内呈稳定状态.

4 长期稳定性分析

斋藤法由日本学者斋藤迪孝提出，他认为边坡从开始变形到最终破坏要经历一定的蠕变过程，蠕变破坏曲线大体可分为3个阶段，见图2.

图2 斋藤法蠕变曲线

第1蠕变阶段：a～b段.本阶段a点应变速率最大，随时间增长应变速率开始较快继而逐渐减慢，达到b点时变形速率最小.曲线呈下弯型，称为初始蠕变阶段；第2蠕变阶段：b～c段.本阶段应变速率保持不变，曲线呈直线型，称为等速蠕变阶段；第3蠕变阶段：c～d段.本阶段应变速率迅速增加至破坏，曲线呈上弯型，称为加速蠕变阶段.

斋藤认为：第2蠕变阶段和第3蠕变阶段，应变速率均与破坏时间有关，可根据这两个阶段变形特点来预报滑坡的时间.

1）以等速蠕变阶段应变历时曲线确定破坏时间 斋藤根据大量室内实验和现场观测资料得知，蠕变破坏时间和等速蠕变状态下的应变速率成反比.如果将蠕变破坏时间和等速蠕变状态下的应变速率点绘于双对数坐标纸上，则二线呈直线关系.其方程为

式中：tr为蠕变破坏时间；ε为等速蠕变状态下的应变速率；+0.59为包括95%测定值的范围.

2）以第3蠕变阶段应变历时曲线确定破坏时间 斋藤认为：在第3蠕变阶段应变速率逐渐增大，但瞬时应变速率与所余破坏时间tr-t仍成反比.这也就是说，距最终破坏时间越短应变速率就越快.若在第3蠕变阶段曲线上取t1，t2和t33点的时间间隔内的应变相等，则所余破坏时间tr-t为

由此可见，斋藤模型是以监测曲线和蠕变理论为依据的一种确定性模型.

根据GPS 每次测量的测点的坐标，绘制出A2～A3应变速度图和A3～A4应变速度图，见图3～4.从图中，可以看出A2～A3，A3～A4的应变速度基本保持不变，并且非常小，因此认为该滑坡已经蠕变第二阶段.并且蠕变的速度很小.将A2～A3，A3～A4的最大应变速度代入导式（2）求得滑坡的破坏时间超过一千年，说明滑坡的现状是稳定的，从长期的角度考虑其稳定也是良好的.

图3 A2～A3应变速度图

图4 A3～A4应变速度图

5 结 论

1）在监测期间，彭家湾坡体没有出现较大的地表变形，坡面暂未出现明显的变形特征，坡体整体稳定性较好.

2）从测定的累积变形值随时间的变化趋势来看，测点的累积水平变形预测值随着时间的增长，呈稳定发展的趋势；从测定的累积变形值大小来看，测点采用3 种预测方法预测到2015年12月的水平累计变形预测值略有差别，但大体相当，总体变形不大，从而判断边坡的在未来的一定年限内呈稳定状态.

3）彭家湾软硬互层边坡现处于等速蠕变阶段，并且变形的速度很小，根据斋藤模型判断彭家湾软硬互层边坡的长期稳定性良好.

4）将分析的结果与彭家湾软硬互层滑坡FLAC3D 有限差分法计算和相似模型的试验的结果对比，发现利用监测数据对现状的分析、对未来变形状况的预测以及长期稳定性的评价基本与实际情况相符合.

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