三峽庫區堆積層滑坡變形破壞演變機理

唐曉松鄭穎人譚萬鵬

（1后勤工程學院軍事建筑工程系，重慶400041；2重慶市地質災害防治工程技術研究中心，重慶400041）

0 引言

滑坡演化機理旨在滑坡各種誘發因素作用下，顯示滑坡的發生、變形、破壞的全過程與時空規律，包括滑動的原因、運動的特點以及滑動演化的時空過程，從廣義上說，還應包括滑坡的預報。

滑坡演變機理與工程地質因素有關，因而各種滑坡的成因不同、機理不同，例如三峽庫區滑坡主要為基巖上的巖土堆積層滑坡，滑面就是基巖面，動因主要是重力與庫水升降作用。

當前人們對滑坡演變機理一般是從宏觀觀察的角度上加以定性描述，依據滑坡的變形量大小，把滑坡分為弱變形階段、強變形階段和臨滑階段。隨著監測儀器的發展，監測滑坡的各種力學變量，尤其是位移監測獲得了廣泛應用。由此可依據監測的位移數據，應用位移速度來描述滑坡的發展過程，齋藤把滑坡分為減速蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段。盡管人們獲得的是定量的位移與位移速度數據，但由于沒有把這些數據與滑坡演變過程緊密聯系起來，仍然不知道滑面的受力與發展過程、滑坡穩定安全系數降低的演變過程，也無法預測滑坡發生的時刻。因此急需提高并深化人們對滑坡演變機理的認識，尤其是需要從定性認識走向定量認識，從模糊抽象認識走向可視的具體認識。當前力學理論和計算技術的發展，使這種認識的提升成為可能。本文就是應用新近發展起來的數值極限分析方法（包括有限元強度折減法和超載法）[1-2]，或稱有限元極限分析方法[3-4]，并應用國際上通用的軟件來提升這一認識。這種方法原理十分簡單，是通過不斷降低巖土強度和進行彈塑性數值計算，直至破壞，自動生成破壞面，并發生破壞信息。到破壞時的強度降低系數就是滑坡的穩定安全系數，其結果與傳統方法求得的穩定安全系數完全一樣。該方法不僅能求滑坡的穩定安全系數，還能求出滑面的位置、形態與發展過程[3-4]，十分適用于滑坡演化機理的描述。

文章針對堆積層滑坡的變形破壞演變機理，采用了數值分析定量計算的方法，通過與監測數據的對比分析，來顯示滑面的發生、受力與演變過程；獲得監測點的監測位移速度與不同穩定安全系數下的計算位移速度，以及監測位移-時間曲線與不同穩定安全系數下計算位移-時間曲線，由此可反映不同的滑坡發展階段；并通過計算位移-時間曲線與監測位移-時間曲線的對比，確定不同時刻的滑坡的實時穩定安全系數；由此可以定量區分滑坡的各個階段，獲得滑坡的臨滑時間及預測最終滑動時間，為滑坡的預報預警提供可靠依據，這就是本文要做的工作。

1 采用多手段、分階段分析滑坡蠕變破壞的演化過程[5]

人們對滑坡蠕變破壞演變過程的認識，一般基于三種手段：一是通過宏觀現象的直接觀測；二是通過監測數據的分析；三是通過對滑坡穩定的定量力學分析。目前主要還是應用前兩種手段，獲得的認識是定性的和模糊抽象的，仍需要通過先進的力學手段和計算手段，加強第三種分析手段，以獲得定量的、具體可視的機理認識，下面對三種分析方法加以簡要闡述。

1.1 滑坡蠕變破壞的宏觀現象的觀測分析

表1 滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標

由于人們長期以來都采用這一手段分析滑坡機制，目前已積累了較多經驗[6]，但這種認識仍然是經驗性的、模糊抽象的，不確定性很大，單憑這一認識不能認清滑坡蠕變破壞的機制。在這一認識基礎上，可把滑坡的全過程分為穩定、弱變形、強變形和臨滑四個階段，表1從現場觀測、監測數據、數值計算三方面給出了滑坡階段的劃分及其相應的評價指標。

1.2 滑坡蠕變破壞的監測位移分析

隨著監測儀器的發展，滑坡的位移監測日益普及，這些數據為滑坡演變機制的研究提供了新的分析手段。監測數據表明，隨著滑坡變形的發展，位移速度逐漸增大，齋藤據此提出了滑坡蠕變的三個階段：減速蠕變階段、等速蠕變階段和加速蠕變階段[7-8]，可以作為劃分滑坡階段的依據，但從實用方便起見還可將第三階段分為：加速蠕變段與劇速蠕變段，從而形成減速蠕變階段、等速蠕變階段、加速蠕變階段與劇速蠕變階段四個階段。其中，加速蠕變階段表示滑坡將加速發展，劇速蠕變階段表示進入臨滑狀態，即將發生滑坡。上述四個階段可以簡化為變形速度為零、等速、加速、劇速四個階段，由此與穩定、弱變形、強變形和臨滑四個階段相對應。

圖1所描述的是典型的、具有普遍意義的滑坡位移-時間曲線，圖1中A點表示等速蠕變和加速蠕變的臨界點、B點表示加速蠕變過渡段和劇速蠕變的臨界點。但在實際工程中，不同成因類型的滑坡，其位移-時間曲線可能會有所差別，尤其是受各方面條件的限制（如監測周期、監測精度等），或滑坡在其發展演化過程中遭受不同類型外界因素的影響，使得滑坡位移-時間曲線變得更加復雜。監測數據分析的滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標見表1。

圖1 滑坡蠕變四階段的劃分

通過對三峽庫區大量滑坡監測資料進行歸納總結可以發現，對于三峽庫區內大量存在的堆積體滑坡而言，其滑坡位移-時間曲線大致有曲線型（圖2a）和階梯型（圖2b）兩類。由于下雨、庫區水位升降等原因，對于下部地形較平緩的滑坡，一般產生均勻向前滑動，出現曲線型位移-時間曲線；而對于下部地形較陡和易受庫水水位波動影響的滑坡，一般出現臺階形位移-時間曲線。

圖2 堆積體滑坡位移-時間曲線

2 滑坡蠕變破壞與穩定性的定量分析

上述兩種分析方法，只能定性地確定滑坡的演化過程，更重要的是要定量地確定滑坡的演化過程：包括監測點的位移-時間曲線，滑面的受力、變形、破壞的演化過程，滑坡穩定安全系數的降低過程，以及滑坡的預警預報過程。這里采用數值計算的方法對松散堆積體滑坡的變形破壞演變機理進行研究。

2.1 監測點位移-時間曲線的計算

監測點位移-時間曲線除了可用測量獲得，也可通過黏彈塑性模型計算確定。本文選用FLAC3d軟件中Cvisc模型進行計算，其一維應力狀態下的蠕變模型如圖3所示。

圖3 FLAC3d中Cvisc蠕變模型示意圖

該模型由馬克斯韋爾模型、開爾文模型（兩個模型串連成為Burger模型）和一個塑性元件串連而成。圖3中，σ為巖土體應力，Em、Ek、ηm和ηk分別為彈性模量、粘彈性模量、馬克斯韋爾粘滯系數和開爾文粘滯系數，σf為巖土體材料的屈服強度，εm、εk和εp分別為馬克斯韋爾體、開爾文體的應變和塑性應變。如果將ηm取為零，而開爾文體的參數不為零時，Cvisc模型將退化為廣義開爾文模型和摩爾-庫侖塑性元件的串聯。為簡便起見，本文在位移-時間曲線的計算中采用的是上述模型。圖4列出了不同穩定安全系數條件下的滑坡位移-時間曲線，從圖中可以看出，隨著時間的增加，位移不斷增加，而且曲線的變化還與滑坡的穩定安全系數有關。穩定安全系數越小，位移-時間曲線越陡，表明穩定安全系數小時，位移迅速增加。

圖4 數值計算位移趨勢曲線與監測位移關系曲線

滑坡的穩定安全系數與滑面的強度有關，滑面強度越低，滑坡穩定安全系數越小。滑坡的穩定安全系數可采用粘彈塑性有限元強度折減法計算[9-10]，也可采用彈塑性有限元強度折減法計算[3]，兩者結果一致，這主要是因為穩定安全系數與變形無關。隨著滑面強度的降低，即滑坡穩定安全系數的降低，可給出計算位移和位移速度的演變過程。圖5列出了不同穩定安全系數條件下滑坡位移速度-時間關系曲線，圖5（a）為穩定安全系數1.10時的位移速度-時間曲線，隨著時間的增長，位移速度-時間曲線趨于零，即為穩定狀態；圖5（b）、圖5（c）顯示變形速率趨于常數，表明坡體處于等速蠕變和弱變形階段；圖5（d）、圖5（e）顯示變形速率逐漸增大，表明坡體處于加速蠕變和強變形階段。當穩定安全系數為1.01或1.00時，計算失真，此時坡體處于臨滑階段。根據數值計算指標進行的滑坡蠕變破壞演化過程的階段劃分與評價指標見表2。其中，等速蠕變階段的滑坡穩定安全系數取1.10～1.04，是從偏于安全考慮的。

圖5 不同穩定安全系數時的位移速度-時間曲線

表2 滑坡體物理力學參數表

2.2 滑動面的發展過程

滑坡的蠕變破壞是一個漸進累積的過程，坡體內的滑動面，在外部環境作用下隨著應力轉移和調整而不斷擴展，直至貫通的滑動面完全屈服，最后發展到滑動面整體破壞。傳統的分析方法不僅無法顯示滑動面的貫通過程，更不能直接顯示滑面的受力、變形與破壞的全過程，而采用有限元強度折減法則可以較好地解決上述問題。通過分析不同折減系數條件下，即不同穩定安全系數下坡體內的塑性應變增量云圖，可以直觀地看到坡體內的滑動面隨穩定安全系數的降低而逐漸擴展并貫通，直至破壞的全過程，滑坡失穩時的穩定安全系數為1.00。

三峽庫區某堆積層滑坡如圖6所示。

該滑坡穩定性主要受到降雨與庫水位上升到156m后庫水浸泡的影響，計算中應考慮滑體與滑帶強度降低。由于庫水位變動不大，對穩定性影響很小，因此不予考慮。計算中不能直接采用勘察設計時的強度參數，但對泊松比、彈性模量可采用試驗數據，黏滯系數則采用基于監測位移的復變量求導法反演確定[11-13]，可以得出滑帶土的黏滯系數為，滑坡體物理力學參數見表2。

圖6 滑坡地質模型

由于滑體與滑帶受雨水和庫水入滲影響，強度已經降低，不能采用勘察時的強度參數，這里先求出坡體失穩臨界狀態，即穩定安全系數為1.00時對應的c、tanφ值，然后按照比例增加c、tanφ值，給出穩定安全系數為1.08、1.05、1.04、1.03、1.02、1.01時的c、tanφ值， 再采用黏彈塑性或彈塑性模型計算剪切應變增量（圖7），由此可以看出滑面的塑性區與剪切塑性應變的發展過程。由圖7可以看出，當穩定安全系數為1.05時，滑面塑性區接近貫通；穩定安全系數為1.03時，塑性區完全貫通，但整個滑面尚未達到極限應變狀態，計算還收斂，不會發生整體破壞，直到穩定安全系數為1.01時，滑面即將破壞。圖7能直觀、定量地顯示滑面的受力、變形到破壞的演變全過程，這是當前蠕變破壞機理定性分析做不到的。

圖7 剪切應變增量云圖

2.3 滑坡實時穩定安全系數的確定與滑坡的預警預報

滑坡穩定性的定量分析，最重要的就是確定滑坡實時的穩定安全系數。通過不同穩定安全系數對應的計算位移-時間曲線與監測時間曲線的對比，可以較為準確地判斷滑坡的實時穩定狀態，即可確定滑坡實時穩定安全系數。

計算位移-時間曲線與監測位移-時間曲線的對比，主要看兩者的曲線斜率是否一致，因為它與穩定安全系數有很好的一致性，此外也可以參看總位移量的大小是否一致。如圖4所示，不管從監測曲線的斜率變化來看，還是從總位移量來看，都與穩定安全系數1.04的計算曲線相近，由此可判斷該滑坡此時的穩定安全系數為1.04左右，這樣就可以確定滑坡實時穩定安全系數，并能明確知道當前滑坡處于哪一穩定階段，這對滑坡的預警預報起著關鍵作用。

滑坡實時穩定安全系數的確定對滑坡變形階段的劃分與預警預報有著重要作用，當穩定安全系數在1.10～1.04時，滑坡處于弱變形階段；1.04～1.01時處于強變形階段；小于1.01時處于臨滑階段。這都可以通過滑坡實時穩定安全系數加以預報。而臨滑階段還可以采用更為準確的預警方法，如采用回歸與智能方法相結合的修正齋藤預報公式，以確定準確的滑坡日期。只要提供的監測數據是臨滑或接近臨滑的監測數據，采用上述方法一般都能達到理想的預測結果。由上可見，滑坡蠕變破壞演化機理可從觀察、監測、計算三個方面分析，最終得到可視的、定量的、可預測的滑坡變形破壞機理與時空規律，并為滑坡的準確預報提供可靠依據。

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