代天帆 易慶林 胡大儒 楊巧佳 趙能浩

（1.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，湖北宜昌 443002）

滑坡的變形與破壞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素很多.大量事實(shí)表明，90%以上的滑坡失穩(wěn)與水有關(guān)，水是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的最活躍和最普遍的因素［1］.

由于地下水、降雨及庫(kù)水對(duì)滑坡的穩(wěn)定性變化有著重要的影響，因此研究水的變化規(guī)律與滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律的相互關(guān)系是解決該類(lèi)型滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵.賀可強(qiáng)等［2－5］將加卸載響應(yīng)比理論成功用于降雨型堆積層滑坡時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)當(dāng)中，并深入研究了此類(lèi)型滑坡加卸載響應(yīng)比動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分析了滑坡的位移動(dòng)力學(xué)特征和滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律.

目前加卸載響應(yīng)比理論多用于以降雨型堆積層滑坡的時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，而對(duì)于水庫(kù)型滑坡穩(wěn)定性規(guī)律分析較少.三峽工程竣工后，庫(kù)水在一定的調(diào)度下進(jìn)行周期性的升降，庫(kù)岸邊坡巖土體在庫(kù)水循環(huán)作用下巖性劣化，邊坡的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的影響.鑒于庫(kù)水變化在水庫(kù)型滑坡穩(wěn)定性變化過(guò)程中有著極其重要的作用，所以可以研究庫(kù)水變化規(guī)律與滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律間的相應(yīng)關(guān)系.本文運(yùn)用加卸載響應(yīng)比理論的基本原理，建立滑坡庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型，據(jù)此進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律探究.

1 加卸載響應(yīng)比理論簡(jiǎn)介

加卸載響應(yīng)比理論［6－8］通常用于研究非線性系統(tǒng)失穩(wěn)識(shí)別及時(shí)空預(yù)報(bào)領(lǐng)域.非線性系統(tǒng)趨近失穩(wěn)前，可用系統(tǒng)對(duì)加載響應(yīng)率與卸載響應(yīng)率之比（即加卸載響應(yīng)比，LURR）來(lái)定量描述，定義響應(yīng)率為

加卸載響應(yīng)比定義為

式中，ΔP為加卸載增量（ΔP＋和ΔP－分別為加載增量和卸載增量）；ΔR為加卸載響應(yīng)增量（ΔR＋和ΔR－分別為加載和卸載響應(yīng)增量）；X為響應(yīng)率（X＋和X－分別為加載與卸載的響應(yīng)率）；Y 為加卸載響應(yīng)比.

當(dāng)荷載較小時(shí)，P與R呈線性或近似線性關(guān)系，加卸載響應(yīng)率X＋與X－基本相等，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)荷載不斷增大，逐漸趨近臨界值Pcr時(shí)，響應(yīng)率也隨之增大，系統(tǒng)進(jìn)入潛在不穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，X＋迅速增大，系統(tǒng)失穩(wěn).

Y值可以定量地刻畫(huà)非線性系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)的程度，也可以作為非線性系統(tǒng)失穩(wěn)識(shí)別的判據(jù).當(dāng)Y→1時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Y＞1時(shí)，系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)；當(dāng)Y→∞時(shí)，系統(tǒng)失穩(wěn).滑坡是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，因此，也可運(yùn)用加卸載響應(yīng)比理論來(lái)進(jìn)行滑坡的變形規(guī)律的研究.

2 庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型

式中，ΔV＋表示邊坡水位加載期間的平均位移速率變化；ΔV－為邊坡水位卸載期間的平均位移速率變化；ΔH＋為邊坡為加載時(shí)水位變化平均值；ΔH－為邊坡卸載時(shí)水位平均變化值.

對(duì)具備一定條件下的邊坡，當(dāng)庫(kù)水位上升到一定高度可引起邊坡穩(wěn)定系數(shù)增大時(shí)，這個(gè)庫(kù)水位上升過(guò)程相當(dāng)于對(duì)邊坡進(jìn)行了卸載；當(dāng)庫(kù)水位下降而引起了邊坡穩(wěn)定系數(shù)的減小時(shí)，相當(dāng)于對(duì)邊坡進(jìn)行了加載［9］.當(dāng)庫(kù)水位上升或下降時(shí)，滑坡的自重應(yīng)力及靜水壓會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)變化，其在滑坡主滑方向產(chǎn)生的下滑力分量與抗滑力分量大小難以直接判斷，因此在庫(kù)水的作用下滑坡的穩(wěn)定性變化情況并不是由庫(kù)水上升或下降單獨(dú)確定［10］，不能簡(jiǎn)單地將庫(kù)水升降量做為加卸載增量.

由式（2）知，庫(kù)水加卸載響應(yīng)增量分別對(duì)應(yīng)庫(kù)水加卸載量，因此我們可以通過(guò)加卸響應(yīng)增量的大小反過(guò)來(lái)定義庫(kù)水升降時(shí)的加卸載增量：當(dāng)Vi－Vi－1＞0時(shí)，對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位變化值視為加載量；當(dāng)Vi－Vi－1＜0時(shí)，對(duì)應(yīng)的庫(kù)水位變化值視為卸載量.

據(jù)此建立的庫(kù)水位－位移速率加卸載響應(yīng)比模型為

3 工程實(shí)例分析

3.1 滑坡概況

滑坡位于長(zhǎng)江主干道的南岸，形成于兩近南北向的沖溝間，單斜順層斜坡，南高北低，向長(zhǎng)江展布.滑坡平面呈不規(guī)則“圈椅”狀，主滑方向20°，屬深層大型土質(zhì)堆積層滑坡.滑坡南北長(zhǎng)500m，東西寬430m，面積21.5×104m2，滑體平均厚度約30m，體積645× 104m3.

滑坡滑體主要由崩、坡積物及滑坡堆積物組成，這幾種成因的巖土體分層性差.其物質(zhì)由碎石、塊石、角礫和粉質(zhì)粘土、粘土組成，結(jié)構(gòu)松散，透水性較好.滑帶以含碎石或者含角礫粉質(zhì)粘土為主，部分滑帶巖土物質(zhì)成分為角礫土和粘土，可塑－軟塑狀，土石比為9∶1～7∶3，滑帶巖芯大多呈柱狀.

圖1 滑坡工程地質(zhì)平面圖

滑床地層為侏羅系下統(tǒng)香溪組（J1x）深灰色薄至中厚層粉砂巖夾薄層狀泥巖、煤層，偶夾巖屑長(zhǎng)石石英細(xì)砂巖，結(jié)構(gòu)較致密，堅(jiān)硬，巖心多呈柱狀，泥巖、頁(yè)巖易風(fēng)化，鈣質(zhì)、硅質(zhì)粉砂巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，巖層傾向15°～20°，傾角32°～36°，呈單斜構(gòu)造，未見(jiàn)大的斷裂破碎帶.

圖2 滑坡1－1′剖面圖

3.2 滑坡水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

滑坡主滑區(qū)內(nèi)布設(shè)7個(gè)地表GPS變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在滑體外圍穩(wěn)定地段布設(shè)2個(gè)GPS基準(zhǔn)點(diǎn).通過(guò)自2003年以來(lái)的專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)表明，滑坡的變形主要發(fā)生在滑體預(yù)警區(qū)內(nèi)，滑體其它部位變形較小.本文取滑坡體內(nèi)部最具代表性的變形點(diǎn)JC01進(jìn)行研究分析，監(jiān)測(cè)時(shí)間取自2008年1月至2012年12月，其水平位移－庫(kù)水位關(guān)系如圖3所示.由圖3可知，滑坡在庫(kù)水周期性循環(huán)作用下總體位移曲線為階梯狀，從總體上看滑坡累計(jì)位移呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，但滑坡位移速率在2008年最大，在2012年最小，在此期間總體呈逐步下降趨勢(shì).從局部上看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在每年5～7月份變形較大，這主要是由于同期長(zhǎng)江庫(kù)水位大幅下降產(chǎn)生的，致使滑坡加速變形，而7月份后隨著庫(kù)水逐漸上升，滑坡累計(jì)為基本保持穩(wěn)定，由此可見(jiàn)庫(kù)水下降是引起該滑坡滑動(dòng)的主要因素，基于庫(kù)水變化在該堆積層滑坡演變過(guò)程中起著重要的誘發(fā)作用，可建立堆積層滑坡庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型研究庫(kù)水作用規(guī)律與滑坡災(zāi)害發(fā)生在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

圖3 JC01號(hào)地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移－庫(kù)水位關(guān)系圖

3.3 滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律探究

根據(jù)邊坡庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型理論，劃分滑坡從2008年1月～2012年12月的加卸載區(qū)間，見(jiàn)表1.

表1 加卸載區(qū)間劃分

根據(jù)邊坡庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型理論，滑坡從2008年1月～2012年12月的加卸載增量和加卸載響應(yīng)增量見(jiàn)表2.

表2 加卸載計(jì)算結(jié)果

最后通過(guò)庫(kù)水位－位移速率加卸載響應(yīng)比模型（式3）計(jì)算滑坡加卸載響應(yīng)比，見(jiàn)表3.

表3 加卸載響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果

由表3可知，在2008年滑坡加卸載響應(yīng)比顯著大于1，說(shuō)明滑坡處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài)，在2009～ 2012年間，滑坡加卸載響應(yīng)比略大于1，說(shuō)明滑坡逐步處于基本穩(wěn)定狀態(tài).加卸載響應(yīng)比在2008年較大，總體呈逐步下降趨勢(shì)，說(shuō)明滑坡穩(wěn)定性狀態(tài)逐年有所改善.從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，滑坡的變化速率在2008年最大，同時(shí)在2008年至2012年間總體呈逐步減小趨勢(shì)，這與加卸載響應(yīng)比理論計(jì)算的結(jié)果相符合，說(shuō)明庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型理論能夠應(yīng)用于滑坡的穩(wěn)定性變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)中.

4 結(jié) 論

1）滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，位移數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型較為常見(jiàn).本文以庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型為位移動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型，根據(jù)庫(kù)水位變化在庫(kù)水型滑坡失穩(wěn)過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用，以及庫(kù)水加卸載響應(yīng)增量與加卸載增量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系劃分加卸載區(qū)間，建立庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型，并對(duì)滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律進(jìn)行探究.該模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律，而且在分析解釋導(dǎo)致滑坡位移速率變化的原因與機(jī)制方面表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì).

2）通過(guò)工程實(shí)例分析與計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其加卸響應(yīng)比在2008年至2012年間呈逐步減小趨勢(shì)，說(shuō)明滑坡逐步趨向穩(wěn)定，這與該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速率在此期間逐步減小的變化規(guī)律相吻合，表明對(duì)于庫(kù)水型堆積層滑坡，以庫(kù)水位為加卸載響應(yīng)參數(shù)的堆積層滑坡庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比理論在該類(lèi)型滑坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律的研究中是一種較為準(zhǔn)確和有效的方法.

3）基于庫(kù)水位－位移加卸響應(yīng)比預(yù)測(cè)模型進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性規(guī)律研究這一課題的理論目前還并不完善，在理論和實(shí)踐方面都需要進(jìn)行更深層次的研究，其在庫(kù)水主導(dǎo)型滑坡的變形失穩(wěn)過(guò)程研究中有一定的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景.

［1］ 莫偉偉，徐 平，丁秀麗.庫(kù)水位漲落對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響研究進(jìn)展［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2（6）：997－1002.

［2］ 賀可強(qiáng)，周敦云，王思敬.降雨型堆積層滑坡的加卸載響應(yīng)比特征及其預(yù)測(cè)作用與意義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（16）：2665－2670.

［3］ 賀可強(qiáng)，白建業(yè)，王思敬.降雨誘發(fā)型堆積層滑坡的位移動(dòng)力學(xué)特征分析［J］.巖土力學(xué)，2005，26（5）：705－709.

［4］ 賀可強(qiáng)，孫林娜，郭宗河.堆積層滑坡加卸載響應(yīng)比動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其應(yīng)用［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（6）：1－6.

［5］ 賀可強(qiáng)，李相然，孫林娜，等.水誘發(fā)堆積層滑坡位移動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其在穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用——以三峽庫(kù)區(qū)黃臘石滑坡分析為例［J］.巖土力學(xué)，2008，29（11）：2983－2989.

［6］ 尹祥礎(chǔ)，尹 燦.非線性系統(tǒng)的失穩(wěn)前兆與地震預(yù)報(bào)－響應(yīng)比理論及其應(yīng)用［J］.中國(guó)科學(xué)（B輯），1991，42（5）：512－518.

［7］ 尹祥礎(chǔ)，陳學(xué)忠，宋治平.加卸載響應(yīng)比理論及其在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)報(bào)，1994，37（增1）：223－230.

［8］ 姜 彤，馬 瑾，許 兵.基于加卸載響應(yīng)比理論的邊坡動(dòng)力穩(wěn)定分析方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（3）：626－631.

［9］ 賀可強(qiáng)，陽(yáng)吉寶，王思敬.堆積層滑坡位移動(dòng)力學(xué)理論及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［10］湯羅圣，殷坤龍.加卸載響應(yīng)比理論在水庫(kù)型滑坡時(shí)間預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39（6）：93－96.