（岩土工程专业论文）晴隆隧道口滑坡体稳定性分析与监测预报技术研究.pdf

摘要 随着我国基础设施建设的大力发展，对自然环境的改造愈加剧 烈，公路、铁路、水利、矿山等建设都涉及到大量的边坡问题，滑坡 灾害越来越严重，我国每年都需要投入巨额资金来弥补滑坡造成的损 失。长期以来，人们一直致力于滑坡灾害监测和预报的研究，积累了 丰富的经验，取得了积极的成果。目前，滑坡监测的研究工作主要集 中于如何采用新的技术和方法实现对滑坡进行实时有效的监测和数 据采集。 本文结合交通部课题“西部公路地质灾害监测预报技术研究”， 以晴隆隧道口边坡为依托工程，对堆积层滑坡的稳定性分析方法和监 测预报技术进行了研究，主要内容包括： ( 1 ) 应用极限平衡理论对晴隆隧道i z l 边坡进行稳定性分析，计算 其安全系数，评价其稳定性； ( 2 ) 采用弹塑性平面应变模型和d r u c k - p r a g e r 屈服准则，对晴隆 隧道口边坡进行数值模拟计算，与采用极限平衡理论分析得到的结果 进行比较，确定了潜在滑坡体的边界范围； ( 3 ) 针对晴隆隧道1 ：3 边坡的特点，进行边坡监测方案设计，并开 展自动监测试点工作，设计了一套符合该边坡实际情况的自动监测方 案，实现了对边坡2 4 小时连续不断地监测及数据无线远程传输； ( 4 ) 对监测数据进行处理和分析，进一步确定了潜在滑面位置、 滑体厚度等重要信息，对边坡现状及发展趋势作出了评价； ( 5 ) 根据边坡监测获得的信息，提出了晴隆隧道口滑坡的预报判 据。 关键词极限平衡法，f l a c ，边坡稳定性，滑坡监测，滑坡预报 a b s t r a c t 硼1 er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f r a s t r u c t u r ec o n s t x u c t i o ni no n rc o u n t r y s u c ha sh i g h w a y ，r a i l r o a d ，w a t e rc o r k 螂 v a t i o n ，鹊w e l la sm i n ea l l i n v o l v e ss l o p ec u t t i n g ，w h i c hc a u s el a n d s l i d ed i s a s t e rm o r ea n dm o r e s e v e r e a n do u rc o u n t r yi n v e s t sl a r g ea m o u n tf u n de v e r yy e a ro nc u t t i n g d o w nt h el o s sw h i c hl a n d s l i d ec r e a t e s s i n c el o n ga g o ，p e o p l eh a v e d e v o t e dt ot h er e s e a r c ho nl a n d s l i d ed i s a s t e rm o n i t o ra n df o r e c a s t , a n d a c c u m u l a t e dal o to fe x p e r i e n c e a tp r e s e n t , l a n d s l i d er e s e a r c h e sf o c u so n r e a l i z i n gr e a l - t i m ee f f e c t i v em o n i t o r w i t hn e w t e c h n o l o g ya n d m e t h o d b a s e do nt h es l o p en e a rt h ee x i to fq i n q l o n gt u n n e l ，t h er e s e a r c ho n s t a b i l i t y a n a l y s i s m e t h o da n dm o n i t o r - f o r e c a s t i n gt e c h n o l o g yt ot h e a c c u m u l a t i v es t r a t u ml a n d s l i d ei sd o n ea c c o r d i n gt ot h es t u d yt o p i co f m i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n sw r h es t u d yo fm o n i t o ra n df o r e c a s t t e c h n o l o g yo nw e s t e r nh i g h w a yg e o l o g i c a ld i s a s t e r 1 1 l em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r e 勰f o l l o w s ： ( 1 ) t h ef a c t o ro fs a f e t yi sc a l c u l a t e da n dt h es t a b i l i t yo ft h es l o p e r e a l t h ee x i to fq i n q l o n gt u n n e li se v a l u a t e d , w i t ht h ea p p l i c a t i o no f l i m i t i n ge q u i l i b r i u mt h e o r y ； ( 2 ) w i t ht h ee l a s t i c - p l a s t i cp l a n es t r a i nm o d e la n dd r u c k - p r a g e r y i e l d a n c ec r i t e r i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s e sa r ed o n e t oc o m p a r et o t h er e s u l tb a s e do i lt h el i m i t i n ge q u i l i b f i u mt h e o r y ，t h el a t e n tl a n d s l i 如 b o d yb o u n d a r yi sd e t e r m i n e d ； ( 3 ) c o m m o nm o n i t o rp l a ni sd e s i g n e db a s e do na c t u a ls i t u a t i o no f t h es l o p e f u r t h e rm o r e ，a u t o m a t i cm o n i t o re x p e r i m e n ta r ed o n e ， s u c c e e d i n gi n2 4 - h o u r sc o n t i n u o u s l ym o n i t o ra n dw i r e l e s sl o n g - d i s t a n c e d a t at r a n s m i s s i o n ； ( 4 ) mm o n i t o rd a t ai sp r o c e s s e da n da n a l y z e d , a n dt h e nt h e p o s i t i o no fl a t e n ts l i pp l a n e ，s l i d eb o d yt h i c k n e s sa n do t h e ri m p o r t a n t i n f o r m a t i o ni sd e t e r m i n e d n l ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo f t h es l o p ea l ee v a l u a t e d ； ( 5 ) t h el a n d s l i d ef o r e c a s tc r i t e r i o ni sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o no b t a i n e d k e yw o r d s l i m i t i n ge q u i l i b r i u mt h e o r y ，f l a c ，s t a b i l i t y a n a l y s i s ，l a n d s l i d em o n i t o r ，l a n d s l i d ef o r e c a s t 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：簿 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：# 辆名： 年玉月型日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 滑坡是指边坡岩土体沿着连续贯通的破坏面向下滑动的过程和现象。而堆积 层滑坡是指发生在第四系及近代松散堆积层的一种滑坡，它包括一切土层滑坡， 山区各类堆积物滑坡，以及由构造、卸荷、风化等次生作用形成的各类松散破 碎岩土体的滑坡【l 】。在边坡的破坏形式中，滑坡是分布最广、危害最大的一种， 因而也是边边坡稳定性问题研究的主要对象。世界上很多国家都因发生滑坡而造 成巨大的经济损失。据统计1 2 - 5 1 ，美国和俄罗斯每年因滑坡造成的经济损失达数 亿美元；阿尔卑斯山系国家，如瑞士、意大利、奥地利、捷克等滑坡也较为严重； 日本也是一个滑坡灾害发生频繁的国家，沿海山区均有滑坡，因滑坡造成的年损 失高达4 0 亿美元。我国也属于滑坡灾害严重的国家之一，据统计，我国自然灾 害直接造成的经济损失每年为3 0 0 5 0 0 亿元，其中滑坡崩塌每年损失4 0 5 0 亿 元。滑坡灾害在我国分布广泛，突发性强，灾害极为严重。尽管它的一次性破坏 强度远不及地震，但其发生的频度及分布范围却远远高于地震。据不完全统计， 我国已受到滑坡灾害威胁和可能受到滑坡威胁的地区约占我国陆地面积的l 5 l 4 ，而西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上，且滑坡灾害的频度 和规模随着国民经济建设和大型工程修建有逐年增强的趋势。 滑坡不仅会带来巨大的经济损失，而且还会带来灾难。1 9 7 0 年秘鲁h u a s c a r a n 山区因地震而触发的一起滑坡，造成1 8 万人死亡的惨剧( s c h u s t e rr l ，1 9 8 6 ) 。 1 9 6 3 年的意大利v a i o n t 水库左岸滑坡，使得2 5 0 0 0 万立方米的滑体以2 8 m s 的 速度下滑到水库，形成2 5 0 多米高的涌浪，造成下游2 5 0 0 多人丧生。1 9 9 8 年我 国美姑县乐约乡发生特大滑坡，导致1 5 0 余人失踪；1 9 9 9 年古蔺县滑坡、泥石 流灾害死亡4 1 人；2 0 0 1 年5 月1 日重庆市武隆县县城江北西段发生山体滑坡， 造成一幢9 层居民楼房跨塌，死亡7 9 人，阻断了3 1 9 国道新干道，几辆停靠和 正在通过的汽车也被掩埋在滑体中。 由此可见，进行滑坡监测预报技术研究具有深远的理论意义以及巨大的经 济、社会效益。 本文结合交通部重点攻关项目“西部地区公路地质灾害监测预报技术研究” ( 编号：2 0 0 3 3 1 8 8 0 2 0 1 ) ，以晴隆隧道口滑坡为依托工程，开展堆积层边坡稳定 性分析方法及监测预报技术研究，为施工的安全进行及滑坡治理提供切实有效的 指导，真正解决具体工程面临的实际问题。 硕士学位论文第一章绪论 图! - 12 0 0 4 年我国发生的死亡，失踪1 0 人以上的大型地质灾害 1 2 国内外研究现状 2 1 1 4 6 - 1 3 】 1 2 1 边坡稳定性研究现状 近几十年特别是近2 0 年来，随着我国基础建设的大力发展，边坡稳定性的 研究及其维护显得越来越重要。交通、矿山、水利等部门都涉及到大量的边坡问 题，而且，作为三大自然灾害( 地震、洪水和崩塌、滑坡、泥石流) 之一的滑坡 灾害严重地危及到国家财产和人们生命的安全，所以对边坡进行稳定性研究的意 义非常重要，它不仅可为工程施工提供科学的理论依据，而且对边坡加固和滑坡 的预测预报也具有重要的指导作用。 目前边坡稳定性研究已有了相当的水平与规模。边坡作为一个系统工程，其 发展过程可表述为五个阶段，即借助于古典土力学的稳定性分析阶段，5 0 年代 偏重于稳定性描述与分析的地质历史分析阶段，6 0 年代考虑时效过程的稳定性 分析阶段，8 0 年代后期以数值模拟、模型试验为主的半定量分析阶段，和9 0 年 代以后的现代边坡工程学阶段。 1 2 1 1 极限平衡法 边坡研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学和岩石 力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。二次世界大战前后，边坡问题 硕士学位论文第一章绪论 的研究尚属土力学的研究范畴，边坡稳定性分析方法主要借鉴极限平衡理论。极 限平衡理论是建立在刚塑性体模型基础上的破坏理论，是古典土力学解决土质边 坡稳定性的核心 目前工程界普遍采用的条分法就是以极限平衡理论为基础的。其思路是，对 于给定的滑动面，以各种假设条件为前提，给出合理的边坡稳定性系数即安全系 数。主要包括瑞典圆弧法、b i s h o p 条分法( 1 9 5 5 年) 、j a n b u 条分法( 1 9 5 4 年) 、 m o r g e n s t e m - p r i c e 法( 1 9 6 5 年) 、s a r m a 法( 1 9 7 9 年) 和不平衡推力传递系数法 等。虽然条分法人为假定的条间作用力并不代表边坡真实的应力状态，但条分法 计算简单，发展历史较长，就稳定性而言，其结果己可满足实际需要，尤其对土 坡更是如此。各种条分法的对比说明，在参数相同的倩况下，采用不同的计算假 设，相互之间结果差别不大，误差主要来源于参数的取值。2 0 世纪七、八十年 代许多学者在传统极限平衡理论的基础上对其进行了发展，他们致力于求取最可 能滑动面，所用方法一般是将稳定性系数视为滑面上某些函数的泛函，用变分法 求该泛函的极值，稳定性系数最小的滑面为最可能滑面。例如我国的陈祖煜、邵 长华基于改进m o r g e n s t e r n - p r i f e 法采用单纯形法、负梯度法和d p f 法来确定最 优滑面。 1 2 1 2 数值分析法 边坡稳定性分析的另一类方法是数值分析法，如有限单元法f e m 、快速拉 格朗日差分法f l a c 、离散单元法d e m 、流行元法、扩散单元法、边界元法b e m 、 积分法和有限差分法f d m 等。在国外2 0 世纪八十年代就已经开始采用数值分 析方法对边坡稳定性进行分析。建立在传统极限平衡理论基础上的各种计算土坡 稳定的方法，无法考虑土体内部的应力应变关系，无法分析变形破坏的发生 和发展过程，更无法考虑局部变形对土坡的稳定影响，数值分析方法很好地解决 了这些问题。根据数值分析方法计算结果来评价岩体稳定性的方法主要有以下几 种：根据应力分布进行稳定性分析；根据各单元的安全度的大小和分布情况 进行稳定性分析；根据各单元最大剪应变值进行稳定性分析；利用数值分析 的安全系数搜索进行稳定性分析。 1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡 的稳定性创造条件，并使其逐步过渡到数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模 式机制和作用过程研究成为可能，同时以概率论为基础的可靠度方法也被引入边 坡稳定性研究中。2 0 世纪8 0 年代后，由于计算技术的发展及岩体力学性质研究 的进展，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。1 9 8 3 年孙玉科对盐 池河山崩变形机制作了平面有限元分析；1 9 8 9 年陈宗基对抚顺露天矿边坡按照 1 9 。、2 4 。、3 4 。的坡角以及坡角为1 9 。并有深部开采的不同模式进行有限元 硕士学位论文 第一章绪论 分析；1 9 9 1 年j o n s 对英国威尔士煤田边坡稳定性与采矿沉陷性状的相关性进行 了有限元分析，并用模型实验进行验证。1 9 7 1 年c u n d a l l 提出了非连续介质的离 散元，用于模拟边坡的渐进破坏。 1 9 8 6 年f l a c 的出现，为边坡分析提供了一种极其有效的方法，它不但可 以处理大变形问题，而且可以模拟某一软弱面的滑动变形，能真实反映实际材料 的动态行为，并可考虑锚杆、挡土墙、抗滑桩等支护结构与围岩的相互作用，被 公认为是岩士力学数值模拟行之有效的方法；1 9 8 8 年b r a d y 运用它对矿山倾斜 采场的加固方案进行了模拟，1 9 9 3 年b i l l a u x 对6 m 高冲填体进行了模拟，1 9 9 5 年王永嘉将f l a c 引入国内，先后在水电、隧洞、边坡中广泛使用。 耳前，由于计算机性能的不断提高，数值分析方法褥到了充分发展，并进入 成熟阶段。当前其存在的问题主要是对本构关系的研究远远落后于计算技术的发 展，这成为制约计算成果可靠程度的瓶颈。数值分析法中，应用较多且较成熟的 为有限单元法及显式差分法f u 犯法，它能够给出滑坡体内韵变形场、应力场及 破坏区分布，这样有助于更加客观、全面地对滑坡稳定性进行评判。 1 2 1 3 物理模型试验 虽然上述各种分析方法发展迅速，但是由于对滑坡物理机制的认识尚不充 分，加之很难准确确定各个因素的影响，因此物理模型试验还是必须的。在今后 相当长的时间里，模型试验将与上述各方法并存。两者还可相互验证物理模型 试验依据相似性原理模拟滑坡体原型及其所处的自然地质环境，借以研究其稳 定性。典型边坡物理模型的建立对于边坡稳定性评价及其失稳形式的分类是非常 有意义的，因为滑坡的地质力学模型是反映影响边坡稳定性态的各种缝质因素的 综合体现，因而可以在工程实践中根据滑坡物理模型确定边坡破坏形式，预报滑 坡变形趋势和可能破坏方式，选择可靠的加固处理措施。近年来由四川大学提出 的变温相似方法是地质模型方法的一种改进形式。除了传统的物理力学模型外， 离心模型试验也开始广泛应用于边坡的变形破坏研究中，这一技术的应用为深化 对边坡失稳破坏机制的认识，解决复杂工程地质问题提供了重要手段。这种方法 的不足之处在于其存在模型材料的制备、数据采集及成本等饲题。 进入2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土 力学和现代数学力学褶结合，形成了所谓的现代边坡工程学；各种现代科学的新 技术，如系统工程论、数量理论、信息理论、模糊数学、灰色理论、现代概率统 计理论、耗散论、协同学、突变理论、混沌理论、分形理论等不断用于边坡问题 研究中，从而给边坡的稳定性研究提供了新理论、新方法。 目前，国内外边玻稳定性分析方法很多，不同边坡类型可采用不同的力学模 型和方法，不同的分析目的也有不同的方法与之相适应。在工程初期资料不足、 4 硕士学位论文 第一章绪论 精度要求不高的情况下，可采用刚性块体稳定分析方法或s a r m a 法；施工阶段精 度要求高且资料充分时，可采取较精确的有限单元法、显式差分f l a c 法及离散 单元法；对于可能滑动边坡的稳定性分析，可采用条分法或刚体弹簧元法；对于 滑动性不大但变形要求高的边坡则采用有限元法；对于地震荷载、爆破等动荷载 作用下边坡的稳定性及滑速分析，则采用有限元动力大位移分析、显式差分 f l a c 法或刚体弹簧元方法。 1 2 2 滑坡监测技术研究现状 滑坡灾害预防，重在监测。人类与滑坡的斗争由来已久，2 0 世纪前消极被 动居多，最初的研究主要是开展滑坡加固方法与措旌的研究。随着经济发展和科 技进步，滑坡监铡技术也得到了较大的发展，新技术、新方法成效显著。 1 2 2 1 滑坡监测原理和方法 滑坡监测方法可以分为简易观测法、设站观测法，仪表观测法和远程监测法 等。 、 ( 1 ) 简单观测法 简单观测法是通过人工直接观测边坡中地表裂缝、鼓胀、沉降、坍塌、建筑 物变形及地下水变化、低温变化等现象。此法对于正在发生病害的边坡进行观测 较为合适，也可结合仪器监测资料进行综合分析，用以初步判定滑坡体所处的变 形阶段及中短期滑动趋势。即使采用先进的仪表观测，该法仍然是不可缺少的观 测方法。 ( 2 ) 设站观测法 设站观测法是指在充分了解了现场的工程地质背景的基础上，在边坡上设立 变形观测点( 成线状、网络状) 。在变形区影响范围之外稳定地点设置固定观测 站，使用经纬仪、水准仪、测距仪、摄影仪及全站型电子速测仪、g p s 接收机等 仪器定期测量变形区内网点的三维( x ，y ，z ) 位移变化的一种监测方法。其 优点是远离交形区，且无主观成分，比简单观测法客观、精密，观测、比较的范 围大，选点方便。这种方法的缺点是须人执守，仪器贵重，且连续观测能力较差。 、 ( 3 ) 仪表观测法 仪表观测法是指用精密仪表对变形边坡进行地表及深部的位移、倾斜( 沉降) 动态、裂缝相对张闭沉错变化及地声、应力应变等物理参数与环境影响因素进行 监测。目前，监测仪器的类型，一般可分为位移监测，地下倾斜监测、地下应力 测试和环境监测四大类，是当前和今后一个时期滑坡监测发展的一个方向。优点 是深入滑坡体内部，受地表变化影响因素小，提前探测滑坡体变化，测量的精度 较高。缺点是对仪器精度要求高，深入滑坡体内部，探头安装要求高，仪器价格 硕士学位论文第一章绪论 较高。 ( 4 ) 远程监测法 随着空问技术和网络技术的飞速发展，各种先进的自动遥监测系统相继问 世， 为边坡工程，特别是边坡崩塌和滑坡的自动化力学遥测创造了条件：。由于 其自动化程度高，可全天候连续观测，故省时、省力和安全，是当前和今后二个 时期滑坡监测发展的另一个方向，但仪器昂贵，有些技术方面还不成熟，维修费 用高。 1 2 2 2 滑坡监测技术及仪器 滑坡稳定性的监测涉及到一系列特定的参数及其随时间的变化量，如降雨 量、土壤湿度、地下水位及移动特征，其中最重要的两个参数是移动特征和地下 水位。滑坡的移动特征则由滑动面的深度、方向、移动量和移动速度来表征。通 过监测这些参数中的一项或多项就能达到监测滑坡的目的。 ( 1 ) 倾斜仪和测斜仪 倾斜仪和测斜仪的特点在于能够监测滑坡移动的加速度和方向，两种仪器中 都使用了电解泡。电解泡的原理与普通的舷窗水平仪类似，见图l - 2 。电解泡中 的导电液在三个电节点问流动。一个电节点( c 点) 固定于管瓶的底部，另外两 个节点( a 点与b 点) 固定在管瓶顶部，且两点与c 点的距离相等。当节点问 通上电流后，可测出导电液体的阻抗。若管瓶顺时针倾斜，a 、c 点间的阻抗增 加，b 、c 点间的阻抗减小。若管瓶逆时针倾斜，情况恰好相反。由于阻抗变化 正比于倾斜的角度，因此可测出倾角的改变。 a 一凫 图l - 2 电解泡工作原理示意图 ( 2 ) 应变测量计 原始的机械应变计的结构十分简单，是一条两端固定的钢丝绳，非常廉价。 钢丝绳的一端被固定在滑坡观测点，在滑坡之外安装标有刻度的滑轨，上置重物， 并将钢丝绳的另一端上连接在重物上。滑坡观测点的位移将牵动重物在滑轨上移 动，移动量及移动速率可通过人工观测滑轨标尺得到。如果数据采集不及时，可 能会遗漏掉滑坡发展的重要信息。位移还可使用电位计进行自动测量，采用可变 电阻机件来测量移动量。滑动臂在固定电阻条上形成电触点，整个电路的总电阻 6 硕士学位论文第一章绪论 决定于滑动臂在固定电阻条上的位置。当应变仪被加上一个稳定的直流电流后， 地面移动引起滑动臂在固定电阻条上产生位移，由此引起输出电压的相应变化。 通常将仪器的配线以及敏感元件埋藏在地下以防止外力损坏。 ( 3 ) 降雨量监测仪器 最常用的降雨量监测仪器是翻斗式雨量器。当仪器中注入的雨水或融雪达到 一定的水平时，雨量器中的翻斗就会发生倾斜，相连的磁铁使开关闭合。翻斗捧 空后回到它的初始位置再次接受注入，此时开关开启。数据记录仪或其它记录设 备可统计开关的闭合次数，乘以翻斗的容积就是降雨量。 ( 4 ) 地下水位监测仪器 为了监测滑坡内的地下水位，一种简便的方法是在滑坡上钻孔并加固，然后 将测尺沿钻孔下放，从而确定水面的位置，此方法对于简单的水位监测是适用的。 如果需要对更为复杂的情形进行监测，则必须采用其它方法。这些方法将使用到 更为精密复杂的仪器，或者是机械的，或者是电子的。 振弦式水压测量仪的工作原理类似于调节吉它或钢琴上的弦，见图l - 3 。仪 器中钢丝的固有频率是它所受张力的函数，增加或减小钢丝上的张力，固有频率 将随之增高或降低。测量时通过电磁场使钢丝产生振动，振动的频率由电磁线圈 检测并输出到读出装置，随即计算出钢丝所受张力。测量仪内的电磁线圈产生电 磁场，使钢丝发生振动。钢丝振动的激发频率是可变的，随后钢丝会恢复其固有 频率。电磁线圈还可充当传感器计量振动次数。最后，输出信号被转换为压力或 水压单位。 水压测量仪通常被用在需要经常测量地下水位的场合。 图1 3 振弦式水压测量仪原理 1 2 2 3 滑坡监测技术的新进展 ( 1 ) 时域反射技术( t d r ) t d r 技术概述 上述的各种滑坡监测仪器在实际应用中已十分成熟，但普遍存在的问题是监 测数据的采集需要人工定期到现场进行。这就使得滑坡监测缺乏实时性。在很多 7 硕士学位论文 第一章绪论 情况下，不稳定滑坡处于边远地区，人员很难到达，尤其在滑坡临滑阶段，到现 场监测危险性很大，数据采集无法及时完成。相比之下，基于t d r 技术的滑坡 监测系统具有突出的优势。 t d r 是时域反射法( t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ) 的简称，它是一种电子测量 技术。最早被用于确定通信电缆和输电线路的故障与通断情况。在2 0 世纪7 0 年 代末和8 0 年代初期美国矿业局广泛采用t d r 技术来寻找长墙煤矿中的塌陷层。 9 0 年代以后，在欧美等发达国家，t d r 技术已开始广泛应用于滑坡监测。 t d r 技术监测滑坡的原理 t d r 监测系统主要由电脉冲信号发生器、传输线( 同轴电缆) 、信号接收 器三部分组成。首先，在待监测的滑坡上钻孔，将同轴电缆放置于钻孔中，顶端 与t d r 测试仪相连，并以水泥浆或砂浆填充电缆与钻孔之间的空隙以保证同轴 电缆与滑坡产生同步变形滑坡的发展将使埋置于其中的同轴电缆产生局部剪 切、拉伸、断裂，电缆的特性阻抗就会发生相应的变化，t d r 测试仪所激发的 电脉冲信号将在这些阻抗变化区域发生反射和透射，并反映在t d r 波形中。此 时，电缆测试仪将反射脉冲与发射脉冲进行比较后即可确定电缆形变点的反射特 性。具体丙言，发送的脉冲以及从电缆变形处反射回来的脉冲之间的时延决定了 损伤发生的位置。反射脉冲的波形、范围以及强度则反映了电缆变形的类型和变 形程度。通过读取电缆反射波形的数据，就可以监测地层的移动。随着反射波形 的强度增加，就可以预测某个区域的地层可能会发生断裂。简单地说，t d r 的 原理与雷达相似。在t d r 滑坡监测系统中，同轴电缆是直接与滑坡产生接触的 部分，可以将其看作是一个特殊的传感器。 t d r 系统如配备有多路复用器，可同时对多点进行监测。此外，t d r 系统 还可配备远程通讯设备如移动电话或短波无线电装置等，将收集的数据进行远程 传输。 t d r 系统应用于滑坡监测与倾斜仪等传统监测仪器相比有很多优点：价格 低廉；检测时间短，可以在不到5 分钟的时间内了解t d r 电缆的信号状况；可 远程访问；数据提供快捷：安全性高，t d r 数据的采集可以在安全的位置进行， 技术人员不需要冒着滑坡的危险亲临现场进行数据采集。 但与传统监测仪器相比，t d r 系统也存在不足之处。首先，t d r 系统不能 用于需要监测倾斜情况但不存在剪切作用的区域，如护堤；其次，它无法确定滑 坡位移量和移动方向。因此，当前国外广泛采用的作法是以t d r 系统为主，辅 以其他传统监测设备，从而达到更好的滑坡监测效果。 ( 2 ) 光时域反射技术( o t d r ) 光时域反射技术( o p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t i o n ，简称o t d r ) ，是一种 8 硕士学位论文第一章绪论 结合激光技术和t d r 的新检测技术，能够实时在线地检测和分析阵列输出的并 行信号，从而快速确定滑坡中变形、应力的大小，以及失效面的位置，真正实现 多点准分布式测量。利用o t d r 技术，还可以实时进行分布式温度测量，监测 水工建筑物基础的渗流，监测水工建筑物或基础中发生的非连续性的剪切变形， 监测应力、应变等其他物理量。 o t d r 实现了滑坡监测的智能化，可不问断地对滑坡进行实时在线监测，是 一种更加先进的滑坡监测方法，具有广阔的应用前景。 国际上将光纤传感器用于大型工程结构的健康监测时间不长，目前正处于从 萌芽到发展得过渡期。1 9 8 9 年，m e n d e z 等人首先提出了把光纤传感器用于混凝 十结构的检测。之后，日本、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感 系统在土木工程中的应用进行了研究，目前已经扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、 隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量或监测。 国内在光纤传感器的应用方面还刚刚起步，大多数还处在试验室研究阶段。 但各科研部门如火如荼的研究显示了光纤传感器的强大生命力和美好的应用前 景。 1 2 3 滑坡预报技术研究现状 滑坡的预报方法同地震的预报方法样，是当今国内外有关学者正在探索研 究而在理论和实践上尚未完全解决的技术难题。 滑坡预报方法的研究始于2 0 世纪6 0 年代，现已成为滑坡研究中的一个热门 课题。近2 0 年来，国内外许多学者为寻找滑坡动态规律及时间预报方法付出了 大量的努力，提出了各种各样的预报理论模型。滑坡预报探索性研究的历程，大 致可以划分为以下三个阶段： ( 1 ) 经验式预报阶段( 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代) 该阶段滑坡预报主要以现象预报和经验预报为主，以日本学者斋滕迪孝为代 表。根据临滑时的前兆现象及其变化特征，判断滑坡的危险状况和可能失稳时间。 显然，该法只适用于具有明显前兆现象的滑坡，预报精度较低，是一种定性的预 报方法。它是建立在“现象”与“经验”基础之上的，只适用于中短期预报和 临滑预报。 ( 2 ) 位移- 时间统计分析预报阶段( 2 0 世纪8 0 年代) 这一阶段在滑坡预报方法研究方面取得了显著进展，各种数学方法与理论模 型被许多学者大量引入，用于拟合不同滑坡的时间位移曲线，根据所建模型 外推预报。 在日本，各大研究机构普遍将现场观测、室内试验及理论分析有机地结合在 一起。在现场监测及研究中，应用应变计观测地表位移进行滑坡预测，用三重蠕 硕士学位论文 第一章绪论 变曲线的图形分析方法、半对数曲线法、变形速度导数法进行滑坡变形的时间预 报。在我国，2 0 世纪8 0 年代是滑坡预报研究迅速发展的阶段。相继提出了边坡 失稳前总变形量和位移速率的综合预报方法、灰色预报模型、解析预报模型、黄 金分割预报法、v e r h u l s t 模型、v e r h u l s t 反函数模型及正交多项式最佳逼近模型 等。但上述滑坡预报方法和理论还没有系统化和理论化，尚未形成真正的预报系 统。 ( 3 ) 综合预报模型阶段( 2 0 世纪9 0 年代) 进入2 0 世纪9 0 年代，随着滑坡预报方法研究的深入开展，研究人员已意识 到一个突出的问题，即滑坡位移时间曲线的拟合外推常常只能是对滑坡的近 期行为作出有限的外推，在有众多因素、尤其是非线性因素的作用下，要准确可 靠地预报滑坡的长期行为是困难的，上述许多模型还有待于实践验证因此，近 些年来，学者们逐步形成了跟踪预报的方法，即利用若干个观测时段的位移曲线 作有限时间段的位移外推预测，每获得一个观测数据，就剔除一个老数据，以保 证用最新的信息来作预测。 同时，由于系统科学和非线性科学的引入及应用，人们对滑坡的认识发生了 质的变化，开始认识到滑坡体系是一个开放系统，是一个灰与白、确定性与随机 性、渐变与突变、平衡与非平衡、有序与无序等对立统一的系统因此，许多学 者引用了对处理复杂问题比较有效的非线性科学理论来研究滑坡的预报问题，提 出了多个滑坡预报模型，其中代表性的有：尖点突变和灰色尖点突变模型( 秦四 清等，1 9 9 3 ) 、动态分维跟踪预报模型( 李天斌等，1 9 9 5 ) 、协同预报模型( 黄润秋、 许强，1 9 9 7 ) 等。同时还提出了一些滑坡预报的联合模型，如滑坡预报的b p - g a 混合算法( 吴承祯等，2 0 0 0 ) 以及协同分岔预报模型( 黄志全等，2 0 0 2 ) 等。在 这期间，还提出了一些具有适用价值的学术思想，如非线性预报( 秦四清等， 1 9 9 3 ) 、实时跟踪预报( 李天斌、陈明东，1 9 9 5 ) 、系统综合预报( 刘汉东等，1 9 9 6 ) 和全息预报( 黄润秋、许强) 等。此外，人们逐渐开始重视滑坡预报判据和综合预 报模型的研究，孙广忠等学者特别强调了宏观判据研究的重要性。廖小平( 1 9 9 4 ) 依据弹塑性力学原理提出了滑坡预报的功率模型，王尚庆等人将预报判据归为三 大类即：安全系数和可靠概率判据、变形速率判据及综合信息预报判据。胡高社 等人通过对新滩滑坡的研究，建立了新滩滑坡的综合信息预报模型。而且，人们 逐渐认识到滑坡预报不仅仅是一个纯方法问题，要实现较为准确的预报，必须将 边坡变形破坏机制分析与定量预报相结合，必须对与滑坡密切相关的基本问题进 行研究，运用系统综合、系统分析、系统模拟的方法对滑坡系统进行识别、模拟 及预测预报。目前，地质力学模拟和数值模拟作为一种有效的手段，在滑坡演变 的动态过程与趋势预测中已被广泛应用。滑坡预报已从过去单一的现象研究、模 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 型方法研究进入了综合预报阶段，并且逐步向实用化、系统化迈进，现已初步开 发了滑坡灾害预报系统( l t f s ) ( 秦四清，1 9 9 3 ) 、滑坡实时跟踪预报系统( s n s x 李 天斌等，1 9 9 5 ) 、滑坡监测预测预报数据库系统( l s m o s ) ( 蔡辉军等，1 9 9 5 ) 等。 近些年来，随着一些新的、先进的技术手段的应用和发展，一些相邻学科的 渗透和新学科的兴起，为滑坡预报研究提供了新的理论方法和观测、实验、计算 手段。滑坡研究者开始将g i s 技术、专家系统理论和方法等运用于滑坡的预测预 报中，初步开发了滑坡综合预报专家系统。 1 3 本文研究内容及思路 1 3 1 本文研究内容 ( 1 ) 应用极限平衡理论对晴隆隧道口边坡进行稳定性分析，计算其安全系 数，评价其稳定性； ( 2 ) 选择适当的本构模型，对晴隆隧道1 3 边坡进行数值模拟计算，与采用极 限平衡理论分析的结果进行比较； ( 3 ) 针对晴隆隧道口边坡的特点，进行边坡监测方案设计： ( 4 ) 对监测数据进行处理和分析，选择适当的滑坡预报模型对晴隆隧道口滑 坡进行预报或进行验证； ( 5 ) 总结经验，为类似工程提供参考。 1 3 2 本文研究思路 ( 1 ) 到现场踏勘，收集晴隆隧道口边坡的工程地质勘测报告、设计图纸及相 关资料： ( 2 ) 对晴隆隧道口边坡进行极限平衡稳定性分析和数值模拟分析，如两种方 法计算得到的安全系数均小于1 0 ，则实施边坡监测； ( 3 ) 进行边坡监测方案设计。收集整理各项监测数据，并根据实际情况对监 测系统进行动态优化调整； ( 4 ) 对各项监测数据进行深层次的处理分析，找出影响晴隆隧道口边坡稳定 性的主要因素，并提出治理措施，为后续的施工及运营提供理论基础及技术支持。 硕士学位论文第二章边坡稳定性分析 第二章边坡稳定性分析 2 1 晴隆隧道口边坡概况 镇胜高速公路第十八合同段k 8 5 + 4 2 0 + 9 2 0 边坡位于晴隆隧道口至光明村 水井湾一带，全长4 0 0 米，路线走向2 0 8 。，路线以曲线从山坡中部平缓地带开 挖通过。 本区属侵蚀中低山谷地貌区，路线所在地为上陡下缓的边坡地带，路基设计 为深挖路堑段，路线纵坡比3 2 ，开挖右边坡比左边坡高，中心最大挖深约 1 9 7 m ，设计右侧最大开挖高度为3 2 m 。根据路线通过地段地质条件不同，分为 两个区，具体为： i 区为k 8 5 + 4 2 0 + 7 5 0 段左右边坡，该段路基位于崩塌错落堆积体内，该 区地层上覆崩塌错落堆积体，厚1 0 3 0 m 、平均2 0 m 深的碎石土层，局部夹亚 粘土，下伏二叠系龙潭组泥岩夹煤层和砂岩地层，岩层产状3 3 5 3 5 0 。么2 l 2 5 。，右坡反倾，但基岩顶面与地面线近一致，倾角2 2 。，路基开挖后的边坡 主要为第四系土层。 n 区为k 8 5 + 7 5 0 + 9 2 0 段右边坡，该段路基位于古滑坡体前缘位置，地形 极具滑坡地貌特征，路线右侧有一宽6 0 8 0 m 的滑坡平台，台后有一弧形陡壁， 形成双沟同源、圈椅状地貌。路基设计高程处与古滑面位置近致，古滑坡滑体 为厚1 0 1 5 m 、平均1 2 m 深的碎石土夹亚粘土层，下伏二叠系龙潭组泥岩夹煤 层和砂岩地层，岩层产状3 3 5 3 5 0 。z 2 1 2 5 。，右坡反倾，路基开挖后的边 坡主要为滑体土层。 边坡在天然状态下一般来说都是稳定的，进行边坡稳定性分析的目的，是通 过计算，评价边坡开挖成型后的稳定状况，对边坡旄工期间的稳定状态进行预测， 为边坡是否需要进一步采取工程治理措施提供依据。 本章将对晴隆隧道口边坡开挖成型后的状态进行极限平衡稳定性分析及 f l a c 数值模拟计算。 2 2 边坡极限平衡稳定性分析 2 2 1 极限平衡条分法概述 边坡稳定性分析是和土压力及地基承载力分析同时发展起来的。1 7 7 6 年， 法国工程师库仑提出了计算挡土墙土压力的方法；1 8 5 7 年，朗肯在假设墙后土 体各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动和被动土压力的方法；此后， 库仑和朗肯在分析土压力时采用的方法被推广到边坡稳定分析中，形成了一个边 坡稳定性评价体系，这就是极限平衡法【1 4 1 。极限平衡法经过多年的发展，在实际 硕士学位论文 第二章边坡稳定性分析 应用中积累了丰富的经验，计算的精度也不断提高。 极限平衡法的基本特点是仅考虑静力平衡条件和岩土体的莫尔一库仑破坏 准则，通过分析岩土体在破坏时刻的力平衡条件进行问题的求解。极限平衡法能 够给出边坡的整体稳定性系数，判别标准简单明了，是目前工程实践中应用最广 的一种计算方法。 基于极限平衡理论的各种方法中，条分法应用最广【i 辄垌，经过7 0 多年的发 展，计算方法已日臻完善。条分法以极限平衡理论为基础，由瑞典人彼得森 ( k e p e t t e r s o n ) 在1 9 1 6 年提出，2 0 世纪3 0 - - 4 0 年代经过费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 和泰勒( d w t a y l o r ) 等人的不断改进，至1 9 5 4 年简布( n j a n b u ) 提出了普遍 条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普( a w b i s h o p ) 明确了土坡稳定安全系数的 定义： c = 孚 像。， 式中：e 边坡稳定安全系数； 以沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； f 沿整个滑裂面上的平均剪应力。 条分法实际上是一种刚体极限平衡分析法。其基本思路是：假定边坡的岩土 体破坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面滑动造成的。滑动面上的 坡体服从破坏条件。假设滑动面已知，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡， 确定沿滑面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳 定程度。该滑动面是人为确定的，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其 他不规则曲面。隔离体的静力平衡可以是滑面上力的平衡或力矩的平衡。隔离体 可以是一个整体，也可由若于人为分隔的竖向土条组成。滑动面是人为假定的， 通过系统地求出系列滑面发生滑动时的破坏荷载，得出最小的破坏荷载，即极 限荷载，与之相应的滑动面就是可能存在的最危险滑动面。 条分法的基本假定如下： 将滑体竖向分为一个土条，任取其中一条记为i ，如图2 - l 所示，作用于该 土条上的力有：土条自身重力形，水平作用力q ( 如地震产生的水平惯性力等) ， 作用于土条两侧及底面的孔隙水压力u 。、【么此外，土条的有关几何尺 寸，如土条截面高危、土条底面倾角啦、底弧长f 。，以及土条分界面及底面的抗 剪参数都可确定。极限平衡状态下每一土条的未知量有：( 1 ) 土条底面的法向力 l ( 包括底部孔隙水压力【么) ，切向力五及合力作用点q ；( 2 ) 两相邻土条分 界面上的法向条间力蜀，切向条间力墨及合力作用点互；( 3 ) 滑体安全系数e 。 这样捍个土条共计锄一2 个未知量，见表2 1 硕士学位论文 第二章边坡稳定性分析 图2 - 1 作用于土条上的各种力 表2 - 1 条分法基本未知量列表 项目数目项目数目 安全系数e l 条间法向力最 刀一l 条底法向力m 一 条间切向力最 疗一1 条底切向力z 露 条问合力作用点位置z摊- 1 条底合力作用点位置q 力 未知量总数6 n 一2 对于每个土条可建立四个方程，三个静力平衡方程，即： 乏：墨= o ： 5 一骂h + “一“+ l + n , s