王衛(wèi)中 高 德

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 公路地質(zhì)病害防治技術(shù)河南省工程實驗室， 鄭州 450000)

滑坡根據(jù)發(fā)生時間、規(guī)模、組成物質(zhì)、滑帶或滑面深度等分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為多種類型。從破壞歷時與累計位移的關(guān)系，可將滑坡分為脆性破壞和塑性破壞。脆性破壞歷時較短，很難通過監(jiān)測手段對其進(jìn)行預(yù)警預(yù)報；塑性破壞是指邊坡巖土體在內(nèi)外部條件影響下，滑動變形隨時間逐漸增長且后期變形隨時間逐漸加速的滑坡破壞形式。根據(jù)前人研究及相關(guān)的實測，一個完整的塑性滑坡破壞過程，一般經(jīng)歷初始變形、勻速變形、加速變形及急劇變形四個階段。但是由于影響邊坡安全狀態(tài)的因素眾多，邊坡在變形演化過程中，其滑帶或滑面巖土體的強(qiáng)度隨時間發(fā)展也在逐漸變化，導(dǎo)致其安全狀態(tài)也是一個動態(tài)變化過程。因此很難通過基于靜態(tài)平衡條件下的力學(xué)分析和評價方法確定邊坡的實時安全狀態(tài)[1]。而能否準(zhǔn)確判斷邊坡的安全狀態(tài)，尤其是邊坡是否已經(jīng)進(jìn)入加速變形階段，對于邊坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)警及處置措施的選擇和實施至關(guān)重要。

對于邊坡安全狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[2-10]分別提出了十多種判斷邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)的預(yù)警判據(jù)(閾值)，如：變形速率、變形加速度、位移切線角、安全系數(shù)、可靠性概率、應(yīng)力、聲發(fā)射率、塑性應(yīng)變、塑性應(yīng)變率、位移矢量角、降雨強(qiáng)度、力學(xué)判據(jù)、地震峰值加速度和綜合信息預(yù)報判據(jù)等。但是由于影響邊坡安全的內(nèi)、外部因素的復(fù)雜性，上述指標(biāo)的應(yīng)用大多具有局限性。

對于變形速率及加速度判據(jù)，由于滑坡的個性特征，滑坡各個階段的速率及加速度差別較大[7,11]，因此，變形速率及加速度判據(jù)是不充分的。

王家鼎等根據(jù)滑坡蠕變曲線的形態(tài)特征，提出了蠕變曲線切線角判據(jù)。但由于縱橫坐標(biāo)量綱不同，若將任一坐標(biāo)軸拉伸或者壓縮，任意時刻曲線切線角將會隨之而發(fā)生變化，由此制定的滑坡預(yù)報判據(jù)不甚嚴(yán)密和科學(xué)[12]。曾裕平采用等速變形速率對曲線切線角進(jìn)行同量綱化，并由此提出改進(jìn)的切線角法判定滑坡的變形階段和臨滑破壞時間[13]。但該方法需要繪制曲線圖并量測角度進(jìn)行判定，工作效率不高。王立偉等采用位移速率比作為評價指標(biāo)[14]，該指標(biāo)的確定需首先確定滑坡等速變形階段的變形速率。在滑坡變形過程中，較準(zhǔn)確地判斷滑坡的等速變形階段較為困難，因此應(yīng)用亦較為不便。

在綜合分析現(xiàn)有判據(jù)優(yōu)點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，提出了采用割線斜率指標(biāo)作為滑坡發(fā)展階段的判斷指標(biāo)。

1 滑坡變形曲線的割線斜率-時間曲線

圖1為典型的塑性破壞滑坡表面水平累計位移隨時間變化的曲線。在初始變形階段，坡體受到擾動，變形從無到有，起始段表現(xiàn)為較大的斜率，但隨著時間的發(fā)展，變形速率迅速減小，變形曲線趨于平緩。之后邊坡進(jìn)入等速變形階段，變形曲線的斜率保持不變或基本維持在某一個斜率進(jìn)行波動。隨著邊坡安全狀態(tài)逐漸劣化，對邊坡穩(wěn)定不利的因素在微小增量的情況下所引起的效應(yīng)逐漸增大，位移曲線斜率逐漸增加，邊坡進(jìn)入加速變形階段。在加速變形階段后期，位移-時間曲線斜率急劇變陡，即使不利因素增量非常微小，仍會引起位移的迅速增加。

圖1 滑坡典型累計位移-時間曲線

定義St為上述累計位移-時間曲線t時刻相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的割線角正切值，即累計位移/時間，由圖2可知，St反映了累計位移曲線上任一點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線相對于橫坐標(biāo)軸的夾角大小。因此St-t曲線反映的是累計位移曲線的割線角正切值隨時間的變化趨勢。該曲線可通過邊坡表面位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)簡單處理后得出，便于手算及計算機(jī)處理，方便工程應(yīng)用，如圖2所示。

圖2 滑坡典型割線斜率-時間曲線

如果變形曲線涵蓋滑坡的初始變形到最終失穩(wěn)破壞，則St-t曲線具有如下特點(diǎn)：1) 初始變形階段，曲線斜率為負(fù)，且隨著時間增加，St迅速減小，曲線較陡；2)在勻速變形階段，St-t曲線亦呈下降趨勢，但是曲線斜率隨著時間的增加，而逐漸減小，直至到達(dá)等速變形階段終點(diǎn)趨至零。3)在加速變形階段，單位時間位移增加量逐漸增大，因此，此階段St-t曲線由等速變形階段的下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?。曲線斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正并逐漸增加。4)在急劇變形階段，由于單位時間位移增加量迅速增大，此時St-t曲線斜率隨著時間增加迅速增大。

實際滑坡監(jiān)測工作，其監(jiān)測起始時間有可能從任一變形階段開始。導(dǎo)致St-t曲線有所不同。對于從勻速變形階段開始進(jìn)行監(jiān)測的滑坡，如圖3a中監(jiān)測曲線2，其St-t曲線在勻速變形階段，其曲線為水平直線，即斜率為零，如圖3b曲線2。但應(yīng)注意，實際工程中由于各種因素的影響，曲線應(yīng)為近似水平線。

a—滑坡累計位移-時間曲線; b—滑坡典型割線斜率-時間曲線。----初始變形； —·—勻速變形； ——加速變形。

對于從加速變形階段開始進(jìn)行監(jiān)測的滑坡，如圖3b中曲線3，在前期曲線存在一個短期下降段，之后即迅速上升。

上述St-t曲線變化規(guī)律可方便地根據(jù)表面位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷滑坡所處的變形階段，便于工程應(yīng)用。

2 滑坡變形的St-t曲線

由于滑坡在變形演化過程中，坡體自身的應(yīng)力調(diào)節(jié)及各種外界因素的干擾和影響，再加上監(jiān)測的介入時間及監(jiān)測過程中的誤差，實際的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)很難嚴(yán)格地符合上節(jié)描述的變化規(guī)律。

為了研究滑坡的St-t曲線的實際變化規(guī)律，并根據(jù)St-t曲線獲得實際滑坡各階段的判別標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)文獻(xiàn)[7,15]中的相關(guān)滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)及部分滑坡的滑坡累計位移-時間曲線，并對累計位移-時間曲線采用等間距描點(diǎn)法獲取數(shù)據(jù)，間距采用勻速階段歷時的1/20作為間隔，進(jìn)一步處理后得出雞鳴寺滑坡、大冶鐵礦滑坡、智利滑坡、白什鄉(xiāng)滑坡、臥龍寺滑坡、新灘滑坡、天荒坪開關(guān)站滑坡、金川露天礦滑坡、寶成鐵路滑坡的St-t曲線。

2.1 雞鳴寺滑坡

雞鳴寺滑坡是人為活動誘發(fā)產(chǎn)生的基巖滑坡，為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組石灰?guī)r及泥灰?guī)r組成的順向坡，其St-t曲線如圖4所示，可以看出：1)在前期階段，曲線波動較為劇烈，但曲線斜率總體為負(fù)，且曲線下降幅度由急劇下降逐漸趨于平緩，可判斷此段處于初始變形和勻速變形階段。由于此段后期曲線斜率下降幅度逐漸減小，可判斷滑坡由初始變形階段進(jìn)入勻速變形階段；2)在曲線斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正時，表明滑坡位移加速，滑坡由勻速變形階段進(jìn)入加速變形階段；3)曲線斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正后，斜率逐漸增加，滑坡位移加速度逐漸增加，直至后期曲線斜率增加更為迅速，滑坡進(jìn)入急劇變形階段。

圖4 雞鳴寺滑坡St-t曲線

2.2 大冶鐵礦東采場滑坡

大冶鐵礦東采場滑坡為巖質(zhì)滑坡，其St-t曲線如圖5所示。該曲線變化規(guī)律與雞鳴寺滑坡類似。只是由于滑坡變形過程中影響因素復(fù)雜，在曲線斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正表明滑坡進(jìn)入加速階段后，在加速階段后期曲線斜率稍有反復(fù)。

圖5 大冶鐵礦滑坡St-t曲線

2.3 智利某露天開采場滑坡

智利某露天開采場滑坡的St-t曲線如圖6所示。該曲線的特征與雞鳴寺滑坡和大冶鐵礦滑坡稍有不同。曲線起始階段斜率變化較小，且后期存在近似為直線段，根據(jù)第二節(jié)分析的St-t曲線特征，可推斷監(jiān)測起始點(diǎn)位于滑坡變形的勻速變形階段，且可斷定起始點(diǎn)至曲線水平段終點(diǎn)為勻速變形階段。

圖6 智利某露天開采場滑坡St-t曲線

2.4 白什鄉(xiāng)滑坡

白什鄉(xiāng)滑坡發(fā)育于第四系堆積層和以千枚巖為基巖的強(qiáng)風(fēng)化層中，滑床基巖為志留系上中統(tǒng)茂縣群巖層，其St-t曲線如圖7所示。該滑坡是一個典型的具有塑性破壞特征的滑坡，其St-t曲線基本符合上節(jié)所述的曲線特征，根據(jù)曲線可方便的確定該滑坡的各個變形階段。如圖7所示。

圖7 白什鄉(xiāng)滑坡St-t曲線

2.5 臥龍寺滑坡

臥龍寺滑坡的St-t曲線分別如圖8所示。曲線起始段迅速下降，為初始變形；之后雖稍有回升，但總體趨勢仍是逐漸下降，且下降趨勢趨緩，可判斷滑坡處于勻速變形階段；之后曲線轉(zhuǎn)為上升趨勢，進(jìn)入加速變形階段；后期曲線急劇上升，進(jìn)而可判斷滑坡進(jìn)入急劇變形階段。

圖8 臥龍寺滑坡St-t曲線

2.6 新灘滑坡

新灘滑坡的St-t曲線分別如圖9所示。該滑坡為階躍型滑坡，存在3個變形周期。在每一個變形周期，其St-t曲線，基本存在曲線下降段，曲線上升段及急劇上升段，從而可方便的確定每一變形周期的勻速變形，加速變形及急劇變形階段。

圖9 新灘滑坡St-t曲線

2.7 天荒坪滑坡

天荒坪開關(guān)站滑坡為巖質(zhì)滑坡，為切割楔形滑體沿組合雙滑面滑動。該滑坡亦是一個典型的具有塑性破壞特征的滑坡，其St-t曲線基本符合上節(jié)所述的曲線特征，根據(jù)曲線可方便的確定該滑坡的各個變形階段。如圖10所示。

圖10 天荒坪滑坡St-t曲線

2.8 金川露天礦滑坡

金川露天礦滑坡滑坡屬于巖質(zhì)滑坡，變形破壞屬于傾倒變形。該滑坡存在2個變形周期。在每一個變形周期，其St-t曲線，存在曲線下降段，曲線上升段及急劇上升段，從而可方便的確定每一變形周期的勻速變形，加速變形及急劇變形階段。如圖11所示。由于St-t曲線對于前期的微小變形亦較為敏感，因此與文獻(xiàn)[14]將監(jiān)測時間第372天以前定義為勻速變形階段有所不同。

圖11 金川露天礦滑坡St-t曲線

2.9 寶成鐵路滑坡

寶成鐵路沿線某滑坡為大型堆積土滑坡，發(fā)展緩慢，呈間歇性滑動，每年雨季滑動，旱季停止，其St-t曲線如圖12所示，在起始階段，曲線急劇下降，可判斷為初始變形，之后曲線抬升，但是總體仍然呈緩慢下降趨勢，因此可推斷滑坡處于勻速變形階段。隨后，曲線斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正，且曲線持續(xù)抬升，可判斷滑坡進(jìn)入加速變形階段。之后，曲線出現(xiàn)急劇抬升，滑坡進(jìn)入急劇變形階段。

圖12 寶成鐵路大型堆積土滑坡St-t曲線

根據(jù)上述9個滑坡實例的St-t曲線分析可知，其曲線特征基本清晰地反映了滑坡的各個變形階段，因此可采用St-t曲線定性的評價滑坡的安全狀態(tài)。

3 滑坡各階段判別標(biāo)準(zhǔn)

在工程實際中，為便于應(yīng)用，基于以上分析，采用St-t曲線可采用以下準(zhǔn)則對滑坡的變形階段進(jìn)行判別：

1)St-t曲線起始段斜率為負(fù)，且曲線急劇下降段，可斷定滑坡處于初始變形階段；緩慢下降段可認(rèn)定為勻速變形段。至于究竟是處于初始變形階段還是等速變形階段，由于上述兩階段對于邊坡來說，安全性仍較高，在變形的過程中有可能在遇到坡體中的阻力區(qū)時減緩變形，甚至逐漸趨于穩(wěn)定，因此，工程實際中不必過于追求初始變形與等速變形階段的臨界點(diǎn)。

對于St-t曲線起始段近乎水平的，可認(rèn)定該時間段滑坡處于勻速變形。

2)St-t曲線總體趨勢由負(fù)轉(zhuǎn)正并且上升趨勢確立，可將斜率為零的時間點(diǎn)定為滑坡由勻速變形向加速變形的臨界點(diǎn)。

3)曲線斜率大于零可作為滑坡處于加速階段的依據(jù)。但是由于曲線的斜率需要先擬合曲線然后才能求取，不方便工程應(yīng)用，因此，可采用曲線的割線斜率進(jìn)行判斷。即式(1)進(jìn)行判斷。

(1)

4)滑坡由加速變形階段進(jìn)入急劇變形階段的臨界時間是進(jìn)行滑坡預(yù)警的關(guān)鍵。工程中，一般采用位移量、速率、加速度，曲率等作為邊坡預(yù)警的依據(jù)。但由于滑坡巖土體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜、影響因素的多變，較難通過統(tǒng)一的閾值來進(jìn)行判斷。上述收集到的9個滑坡，其在急劇變形初期，絕對位移量從數(shù)十毫米到數(shù)千毫米，位移速率從數(shù)毫米/天到數(shù)百毫米/天不等。文獻(xiàn)[7]對加速度進(jìn)行了研究，得出加速度在滑坡臨滑時數(shù)值亦差別較大，從0.2 mm/d2到2 500 mm/d2不等，差別較大。因此，對于滑坡的預(yù)警，不宜采用絕對值進(jìn)行控制。

可見，加速變形階段進(jìn)入急劇變形階段時，St-t曲線一般將出現(xiàn)突變，曲線斜率急劇增加。為了簡化數(shù)據(jù)處理，方便工程應(yīng)用，仍可采用監(jiān)測曲線的割線斜率進(jìn)行判斷。但是如前所述，監(jiān)測曲線由于誤差，外界因素影響等原因，在滑坡的加速階段仍存在局部突變，造成曲線斜率的短時波動。為了防止上述情況而導(dǎo)致誤判?？刹捎靡欢ūO(jiān)測周期的平均割線斜率進(jìn)行分析，從而避免短時劇烈波動帶來的預(yù)測誤差。

經(jīng)過對上述9個滑坡的St-t曲線割線斜率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用當(dāng)期數(shù)據(jù)的割線斜率與前5個監(jiān)測周期數(shù)據(jù)的割線斜率比為基礎(chǔ)，采用連續(xù)兩次的割線斜率比作為判別標(biāo)準(zhǔn)，可較為準(zhǔn)確地反映邊坡是否進(jìn)入急劇變形階段。根據(jù)文獻(xiàn)[7，13-14]確定的滑坡加速階段和臨滑階段的臨界點(diǎn)，采用該方法確定的臨界點(diǎn)割線斜率相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 滑坡割線斜率

由表1中割線斜率比可以看出：在滑坡由加速階段向急劇變形階段轉(zhuǎn)變時，第一次割線斜率比基本在2.0～4.0，約占67%，第二次割線斜率比在1.0～2.0的約占67%。連續(xù)兩次割線斜率比值在1.0～2.0的也約占67.0%。連續(xù)兩次割線斜率比大于1.0預(yù)示變形加速趨勢連續(xù)，可避免偶然因素引起的短時變形加劇導(dǎo)致的誤判?；诨略斐傻奈：?yīng)盡可能降低的思想，將第一次割線斜率比大于2.0、第二次割線斜率比大于1.0作為滑坡進(jìn)入急劇變形階段的控制標(biāo)準(zhǔn)。依此進(jìn)行滑坡預(yù)警。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對上述9個滑坡的St-t曲線的割線斜率進(jìn)行整理分析，將加速變形進(jìn)入急劇變形作為滑坡報警的時間節(jié)點(diǎn)，得出各個滑坡報警次數(shù)見表2。

表2 滑坡報警次數(shù)

由表2可以看出：上述標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)的各個滑坡報警次數(shù)基本在1～2次；但是對于階躍型滑坡，預(yù)警次數(shù)較多。以新灘滑坡為例，在監(jiān)測期間，共經(jīng)歷3個變形周期，采用上述標(biāo)準(zhǔn)確定的急劇變形起始時段如圖13所示。對于該滑坡，在第一變形周期不存在急劇變形周期，無預(yù)警。第2變形周期出現(xiàn)一次報警，在最后一次變形周期出現(xiàn)3次報警。雖然采用該標(biāo)準(zhǔn)會出現(xiàn)4次預(yù)警，但是，由監(jiān)測曲線可知：邊坡在某些時段位移會出現(xiàn)突變且延續(xù)一定時間，實際監(jiān)測過程中，為了防止災(zāi)害發(fā)生導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)及人員損失，需要在相應(yīng)的時間點(diǎn)提出預(yù)警，以防止邊坡在某一次階躍階段轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?。因此，采用該?biāo)準(zhǔn)確定邊坡是否進(jìn)入急劇變形階段是實用的。

圖13 新灘滑坡報警次數(shù)

4 結(jié)束語

1)對滑坡累計變形曲線經(jīng)處理后形成的St-t曲線可較為準(zhǔn)確地確定塑性滑坡的四個變形階段。并且數(shù)據(jù)處理較為簡單，工程應(yīng)用更為方便。

2)St-t曲線起始段斜率為負(fù)可認(rèn)為滑坡處于初始或勻速變形階段，此時邊坡安全性較高；斜率由負(fù)轉(zhuǎn)正且不再反復(fù)，預(yù)示滑坡由勻速變形向加速變形過渡，斜率為正且急劇增加，可判斷滑坡進(jìn)入急劇變形階段。

3)為避免偶然因素導(dǎo)致的監(jiān)測數(shù)據(jù)突變，采用一期割線斜率比大于2.0，二期割線斜率比大于1.0作為滑坡進(jìn)入急劇變形階段的控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實例驗證，采用該標(biāo)準(zhǔn)確定邊坡是否進(jìn)入急劇變形階段是實用的。

4)由于邊坡破壞具有空間特征，因此依據(jù)單個特征點(diǎn)的變形進(jìn)行邊坡的安全狀態(tài)評價具有局限性。如果選取滑坡主軸斷面的若干監(jiān)測點(diǎn)并采用該方法對上述監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，則可較為準(zhǔn)確的判斷滑坡所處的變形階段。