（地质工程专业论文）吉家河滑坡稳定性及变形预测研究.pdf

华北水希j 水电学院硕士论文 吉家河滑坡稳定性及变形预测研究 摘要 滑坡是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重的地质灾害。它不仅 影响着国民经济建设，面且威胁着人民的生命安全。我国是世界上滑坡灾害 严重的国家之一，滑坡是仅次于地震灾害的第二大地质灾害。 本论文主要研究了吉家河滑坡群，滑坡群位于洛阳三门峡高速公路吉家 河南侧，由3 个滑坡组成的滑坡群，自东而西连续分布在吉家河南岸，高速 公路以深挖( 最深达1 4 米) 路堑形式通过滑坡体，改变了滑坡的平衡条件， 由于路基在滑坡体上，古滑坡活动和新近填土变形对在建的洛阳三门峡高 速公路构成严重威胁。 本文根据吉家河滑坡稳定性分析及变形监测预报的研究任务，经研究论 证，确定吉家河滑坡的地质模型和计算模型；通过现场调查和资料分析，确 定滑坡的监测方案：采用刚体极限平衡分析法及有限单元法对滑坡的稳定性 进行全面的论证；对已获得的监测数据进行整理，并对滑坡的变形趋势进行 预测。 古滑坡活动和新近填土变形对在建的洛阳一三门峡高速公路构成严重 威胁，因此全面论证和研究吉家河滑坡的稳定性并对其进行变形监测是十分 必要的，具有重大的实践和社会意义。 关键词：滑坡、位移、稳定性、变形监测 华北本利水电学院硕士论文 j u i ar i v e ri 。a n d s l i d es 1 a b i l 【t ya n d d i s t o r n o nf o r e c a s tr e s e a r c h a b s t r a c t t h el a n d s l i d ei si nt h ee c o l o g i c a lc n v i r o n n l c n ta n dt h e e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o nf i e q u e n t l yc o m e sa c r o s sw i d e s p r e a da l s ot h es e r i o u sg e o l o g i c a l d i s a s t e r i t _ i sl i n to n t ya f f e c t i n gt h en a t i o n a l e c o n o m yc o n s t r u c t i o n , b u ta l s o t h r e a t e n i n gp e o p l e ss a f e t y o u rc o u n t r yi st h eo n eo fl a n d s l i d ed i s a s t e rs e r i o u s c o u n t r i e si nt h ew o r l d , t h el a n d s f i d ai ss e c o n db i gg e o l o g i c a ld i s a s t e ro n l yi n f e r i o r t ot h ee a r t h q u a k ed i s a s t e r t h ep r c n tp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ej i j i ar i v e rl a n d s l i d eg r o u p ，t h el a n d s f i d e g r o u pl o c a t e ds o u t hs i d et h el u o y a n g s a n m e ns t r a i t sh i g h w a y , j i j i ar i v e rw a s c o m p o s e dt h el a n d s l i d eg r o u pb y3l a n d s l i d e s , f r o mt h ee a s tt ot h ew e s t , t h e h i g h w a yd e 叩c u t ( d e e p l y1 4m e t e r s ) d i t c ht h ef o r mt h r o u g ht h el a n d s f i d eb o d y , c h a n g e dt h el a n d s l i d ee q u i l i b r i u mc o n d i t i o n , b e g 麓u s et h er o a db e do nt h el a n d s l i d e b o d y ，t h ea n c i e n tl a n d s l i d ea c t i v i t ya n dr e c e n t l yt h ee a r t hf i l ld i s t o r t e dt ot h e l u o y a n g s a n m e ns t r a i t sh i g h w a yw h i c hc o n s t r u c t e di sp o s i n gt h es e r i o u st h r e a t , t h e r e f o r ec o m p r e h e n s i v e l yp r o v e da n ds t u d i e st h ej i j i af i v e rl a n d s l i d et h es t a b i l i t y a n dc ：l r r i e $ o nt h ed i s t o r t i o nm o n i t o rt oi tw a se x t r e m e l ye s s e n t i a l ，a n dh a st h e s i g n i f i c a n tp r a c t i c ea n dt h es o c i a ls i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot h ej j j i al ：i 谐l a n d s l i d es t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt h ed i s t o r t i o n m o n i t o rf o r e c a s tr e s e a r c hd l l t y , a f t e rt h es e a r c h i th a sd e t e r m i n e st h ej i j i af i v e r l a n d s l i d e s g e o l o g i c a l m o d e la n dt h ec o m p u t a t i o nm o d e l ；t h r o u g hs 4 1 凳n e i n v e s t i g a t i o na n dm a t e r i a la n a l y s i s , d e f i n i t el a n d s l i d em o n i t o rp l 锄；u s e st h e l i m i t i n ge q u i l i b r i u ma n a l y t i cm e t h o da n dt h el i m i t e du n i tl a wt op l n 3 v et h el a n d s l i d e s t a b i l i t y ；t ot h em o n i t o rd a t aw h i c ho b t a i n sh a sc a r r i e do nt h er e o r g a n i z a t i o n t h el a n d s l i d ea c t i v i t ya n dr e c e n t l yt h ee a r t hh a sd i s t o r t e dt h el a o y a n g s a n m e ns t r a i t sh i g h w a yw h i c hc o n s 咖c t e di sp o s i n gt h es e r i o u st h r e a t , t h e r e f o r e c o m p r e h e n s i v e l yp r o v e da n ds t u d i e st h ej i j i ar i v e rl a n d s l i d et h es t a b i l i t ya n d c a r r i e so nt h ed i s t o r t i o nm o n i t o rt oi tw a se x t r e m e l ye s s e n t i a l , h a dt h es i g n i f i c a n t p r a c t i c ea n dt h es o c i a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d ：l a n d s l i d e ，d i s p l a c e m e n t , s t a b i l i t y , d i s t o r t i o nm o n i t o r 华北水利水电学院硕士论文 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本入在指导教师的指导下，独立 进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术 道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中 不包含其他人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水 利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：够厄锯 保证人( 导师) 签名：参乞2 签字日期： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 御。s ? 7 。 f 4 z 哆6 夕 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授 权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数 据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供 查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子 文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位黻储躲酗饮导师躲童妻乏 签字吼砷f 7 签字嗍，哆6 j 7 华北水利水电学院硕士论文 1 前言 1 1边坡稳定性分析及变形预测预报 边坡稳定性研究已有1 0 0 多年的历史，特别是近几十年来，随着环境保护与 减轻自然灾害十年活动的开展，边坡稳定性评价与滑坡预测预报已经成为具有特 色的工程地质课题之一。2 0 世纪8 0 年代以来，人们已认识到必须加强边坡特别 是高边坡稳定性的理论研究，加强重大工程斜坡稳定性的应用研究，从而把这个 领域推向新的阶段。随着计算机的应用及计算理论的发展，数值模拟技术广泛的 应用到边坡稳定性分析之中，在传统的理论方法基础上，可以定量或半定量地模 拟边坡变形破坏发展过程及形成机制，从而在整体上、从理论与实践的角度认识 边坡的发展、演化过程。与此同时，学科之间的相互渗透使许多现代科学的理论 与方法应用到边坡研究之中，从而促进了边坡研究理论的更新和应用研究水平的 提高。 1 1 1 边坡岩体变形破坏机制及方式 由于岩体是一种复杂的地质体，具有非均质、不连续、各向异性特点，因而 其变形破坏也不尽相同。具有不同结构、不同岩性及物理力学性质的岩体，在不 同因素的影响下，其变形破坏机制各不相同。而且，岩体的变形、破坏又受岩体 结构特征控制，因而，在分析其机制时，应以岩体结构特征为主导，结合具体的 影响因素，做出具体分析。 1 1 1 1 变形破坏机制 孙广忠( 1 9 8 8 ) 对边坡岩体变形破坏机制进行了系统地研究“1 ：1 变形机制： 岩体变形主要由岩石材料变形和岩体结构变形组成，亦即由结构体变形与结构面 变形组成。结构面变形常居主要地位，包括压缩闭合、拉伸、剪切错动、秸性流 动等几种形式；结构体变形表现为拉压变形、弯曲变形、剪切变形等几种机制。 2 破坏机制：孙广忠将岩体破坏定义为岩体结构的改组和结构联接的丧失现象。 对不同的岩性、影响因素及岩体结构而言，可总结为7 种破坏机制：( 1 ) 张破裂； ( 2 ) 剪切破坏；( 3 ) 结构体沿软弱面滑动；( 4 ) 结构体滚动；( 5 ) 倾倒破坏； ( 6 ) 溃曲破坏；( 7 ) 弯折破坏。此外，许多学者对变形破坏机制进行了详尽的 研究。 华北水利水电学院硕士论文 1 1 1 2 边坡岩体变形破坏方式 边坡岩体变形破坏方式是边坡稳定性分析的基础，因而国内外许多地质工作 者对之进行了详细地研究“1 。归纳起来主要有以下两种：1 孙广忠( 1 9 8 8 ) 在考虑地质环境、滑体运动方式及滑体形态的基础上，将滑坡分为9 大类：( 1 ) 楔体滑动；( 2 ) 圆弧滑动；( 3 ) 顺层面滑动；( 4 ) 倾倒变形；( 5 ) 溃曲破坏；( 6 ) 复 合形态滑面滑动：( 7 ) 开裂变形；( 8 ) 堆积层滑动；( 9 ) 崩塌碎屑流。 2 d o u g l a s s t e a d 等在总结露天矿边坡的基础上。综合考虑了边坡的几何形状、 边坡结构、坡体物质、水压力、时问及人为因素的影响，归纳出边坡破坏的类型： ( 1 ) 双线型平面破坏；( z ) 犁式破坏( p l o u g h i n g ) ；( 3 ) 溃曲破坏：( 4 ) 追踪破坏 ( s t e p - p a t hf a i l u r e ) ；( 5 ) 平面破坏；( 6 ) 弃i h i 程破坏引起的破坏，并对其 机制分别进行了分析。 1 1 2 边坡稳定性评价方法 随着人类工程活动向更深层次发展，在经济建设过程中，遇到了大量的边坡 工程，且规模越来越大，其重要程度也越来越高，有时会影响人类工程活动；并 且人们更注重由于边坡失稳造成的灾害，故边坡稳定性研究一直是重中之重。边 坡稳定性分析方法很多，简要归纳如下。 1 1 2 1 定性分析方法 主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能 方式及工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳 定状况及其可能发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快 速地对边坡的稳定性做出评价和预测。常用的方法有： 1 、地质分析法( 历史成因分析法) 根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡 演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定 性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。 2 、工程地质类比法 其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的 新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研 究，全面分析工程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形发展的主导因 2 华北水利水电学院硕士论文 素的相似性和差异性，同时，还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求 等。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是 很通用的方法。 3 、图解法 图解法可以分为两类：( 1 ) 用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间 的定量关系，由此求出边坡稳定性系数，或已知稳定系数及其它参数( 妒、c 、r 、 结构面倾角、坡角、坡高) 仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高这 是力学计算的简化。( 2 ) 利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面 的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创 造条件常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法 5 ，6 4 、边坡稳定专家系统 工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统 p r o p e c t e r ，由斯坦福大学于2 0 世纪7 0 年代中期完成的。另外，m i t 在2 0 世纪 8 0 年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得到成功地应用。在国内，许多 单位正在进行研制，并取得了很多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解 决工程地质问题时能像有经验的专家给出比较正确的判断并做出结论，因此，专 家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。 1 1 2 2 定量评价方法 实质是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍 依赖人为的判断。目前，所有定量的计算方法都是基于定性分析之上。 1 、极限平衡法 极限平衡法在工程中应用最为广泛。根据边坡破坏的边界条件，应用力学分 析的方法，对可能发生的滑动面，在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的 力学分析。通过反复计算和分析比较，对可能的滑动面给出稳定性系数。该方法 比较直观、简单，对大多数边坡的评价结果比较令人满意。该方法的关键在于对 滑体的范围和滑面的形态进行分析，正确选用滑面计算参数，正确地分析滑体的 各种荷载基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、b i s h o p 法、j a n b u 法、 不平衡传递系数法等。 极限平衡方法的最新发展之一是s a r m a 法。其基本概念为：边坡一条除非是 沿一个理想的平面或圆弧滑动，才可以作为一个完整的刚体运动，否则，一条必 华北水利水电学院硕士论文 须先破裂成多个可以相对滑动的块体，才能发生滑动。该方法的优点是：可以用 来评价各种类型滑坡的稳定性，如平面滑动、楔体滑动、圆弧及非圆弧滑动等； 条块边界不需要垂直。 2 、数值分析方法 主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应 变的变化过程。求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。主要有以 下几种： ( 1 ) 有限单元法( f 喇) ：该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其优点 是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考虑了岩体的应力应变特 征，可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应 力应变分析边坡的变形破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有 利。其不足之处是：数据准备工作量大，原始数据易出错，不能保证整个区域内 某些物理量的连续性；对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差。 ( 2 ) 边晃单元法( b e m ) ：该方法只需对研究区的边界进行离散化，具有输入 数据少的特点。其计算精度较高，在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处 为：一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是满的不对称矩阵，不便应用有 限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。另外，边界元法在处理材料的非线性 和严重不均匀的边坡问题方面，远不如有限元法。 ( 3 ) 离散元法( d 叫) ：是由c u n d a l l ( 1 9 7 1 ) 首先提出的。离散单元法可以 直观地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化，可以模拟边 坡失稳的全过程。该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。其缺点 是计算时步需要很小，阻尼系数难以确定等。 ( 4 ) 块体理论( b t ) 是由g o o d m a n 和s h i ( 1 9 8 5 ) 提出的，该方法利用拓扑 学和群论评价三维不连续岩体稳定性。其建立在构造地质和简单的力学平衡计 算的基础上。块体理论为三维分析方法，随着关键块体类型的确定，能找出具有 潜在危险的关键块体在临空面的位置及其分布。 除以上几种方法外，数值方法近年来有很大发展，如无界元( i d e m ) 、不连 续变形分析( d d a ) 等方法。此外，随着数值计算的发展，由于工程实践的需要， 出现了大量的各种数值方法的耦合算法。 ( 5 ) 不同数值方法的相互耦合：在边坡工程中，随着数值计算方法的发展， 4 华北水利水电学院硕士论文 出现了多种方法的耦合算法如有限元、边界元、无穷元、离散元、块体元等的 相互耦合，以及数值解和解析解的结合，数理统计与数值解的结合等。这些结合 充分发挥了各个方法的优点，能更好地反映出岩体工程的计算特点，适应岩体的 非均质、不连续特点，更好地表现出无艰域及其近场和远场效应，表达了工程因 素的时空变化以及岩体力学参数的不稳定性。这些耦合计算使得岩体结构离散合 理化，使得复杂岩体结构进一步简化，从而达到经济、高效的目的 1 1 2 3 不确定性分析方法 1 、系统分析方法 由于边坡处于复杂的岩体力学环境条件下，其稳定性涉及的面很广，且程度 非常复杂，可以认为其是一个复杂系统，因此，边坡问题也是一个系统工程问题 应用系统分析方法应该遵循的途径为：岩体力学环境条件的研究一变形破坏机 制研究一稳定性计算分析。目前，该方法广泛应用于边坡稳定性分析之中瞻“州。 2 、可靠度分析方法 确定性分析法中经常用到安全系数的概念，其实际上只是滑动面上平均稳定 系数，而没有考虑影响安全系数的各个因素的变异性。而可靠度分析方法则考虑 了这一点，可靠度方法在分析边坡的稳定性时，充分考虑各个随机要素( 如岩体 及结构面的物理力学性质，地下水的作用包括静水压力、动水压力、裂隙水压力、 软化作用、浮托力及各种荷载等) 的变异性。 可靠度方法已经广泛应用于边坡及滑坡分析中。c l a e s m e n ( 1 9 9 6 ) 应用概 率方法对6 0 t a 河谷地区的边坡进行了广泛而细致地分析，并拓展了该方法的内 容1 ；张兴等( 1 9 9 0 ) 对多滑面边坡的破坏概率进行了计算“o ；姚耀武等( 1 9 9 4 ) 推导了b i s h o p 法的可靠度公式，并编制了相应的计算程序嘲；包承纲等( 1 9 8 7 ) 利用地震条件下土坡稳定计算公式，推导了边坡破坏概率模式，并用一次二阶矩 法导出了各随机量的数学期望、方差公式“”；郭怀志( 1 9 9 0 ) 给出了边坡滑动过 程中可靠度的估计算法“”这些应用推动了可靠度方法的发展。 3 、灰色系统方法 灰色系统理论主要以信息的利用与开拓为宗旨，以客观现象量化为目标，除 对事物进行描述外，更侧重对事物发展过程进行动态研究其应用于滑坡研究中 主要有两方面：一是用灰色预测模型进行滑坡失稳时间的预报，实践证明该理论 预测的精度相当高；二是用灰色聚类理论进行边坡稳定性分级、分类。该方法的 5 华北水利水电学院硕士论文 局限性是聚类指标的选取、灰元的白化等带有经验性质。 4 、模糊数学评判法 模糊数学对处理经验模糊性的事物和概念具有一定的优越条件。该方法首先 找出影响边坡稳定性的因素，并进行分类，分别赋予一定的权值，然后根据最大 隶属度原则判断边坡单元的稳定性。实践证明，模糊评判法效果较好，为多变量、 多因素影响的边坡稳定性的综合定量评价提供了一种有效的手段。其缺点是各个 因素的权重选取带有主观判断的性质。 1 1 2 4 确定性和不确定性方法的结合 主要是概率分析方法与有限元法或边界元的结合而形成的随机有限元法或 随机边界元法等。这类方法变材料常数为随机变量，故其结果更能客观地模拟边 坡岩体的力学性质、边坡岩体的变形破坏发展及其性态的变化。从而成为数值模 拟方法发展的新途径，是边坡稳定性研究的新手段“”1 。1 1 1 2 5 物理模拟方法 早在1 9 7 1 年，帝国学院的a s h b y j 最早把倾斜台面模型技术用于研究边坡 倾倒破坏机理及过程。随后，帝国学院又试制成了基底摩擦试验模型，它广泛应 用于边坡块状倾倒及弯折倾倒“”；p r i c h a r d ( 1 9 9 0 ) 也进行过类似试验，并与数 值模拟进行了对比，对在可控制条件下简单的弯折倾倒现象，此模型能很好地显 示边坡破坏的发展过程咖；b r a y 和g o o d m a n ( 1 9 8 1 ) 建立了基底摩擦试验理论，阐 述了极限平衡方程嘀1 。 然而，由于受模型尺寸的限制，这些模型技术不能模拟大型复杂的工程及二 维、三维的模型。针对这种工程要求，离心模型试验技术快速地发展起来。国外 早在2 0 世纪3 0 年代就已起步，特别是近2 0 年来，这一技术有了快速地发展， 并得到广泛应用o ”。离心模型试验主要模拟以自重为主荷载的岩土结构。在模型 试验过程中模型出现了与原型相同的应力状态，从而避免了使用相似材料，而直 接使用原型材料，因此，这项技术已被广泛地在各个方面得以应用。 由于离心模型技术能使模型达到原型的压力水平，近年来已被广泛地应用于 滑坡的研究之中，为复杂的岩体工程的研究提供了有力手段。水利水电科学研究 院对龙滩水电站左岸边坡的稳定性、倾倒破坏机理进行了研究。成果说明；模 型在1 3 0 9 的离心加速度下发生整体破坏，裂隙与节理相互组成了个贯穿的破 坏面，此面沿层面方向发展较深；并且使用改进的g o o d m a n b r a y 分析方法也证 6 华j 承剃水电学院硕士论文 明当离心加速度为1 3 0 9 时，安全系数为0 9 5 3 ，与试验结果基本吻合长江科 学院曾对三峡船闸岩石边坡的稳定性进行了离心模型试验，为船闸高边坡评价和 设计提供了参考。 边坡工程中的离心模型试验也存在一些尚未解决的闯题，主要是一些模拟理 论问题。由于用原型材料进行试验，在相似规律条件下，并不能使模型满足所有 的条件，从而引起固有误差此外，如何确定参数有待进一步研究。 1 1 3 滑坡预测预报研究 边坡失稳预报( p r e d i c t i o n ，f o r e c a s t i n g ) 是预先判定边坡失稳破坏的发 生时间及其滑动速度和危害范围的预报。预报的基础是对边坡变形破坏规律的认 识，根据边坡演化过程中各种信息和条件，如边坡的水平和垂直位移、倾斜度、 应力场、水压力场、降雨、温度等，及时地研究分析它们的变化，判定边坡失稳 破坏的时间。陈自生( 1 9 9 6 ) 依据预报超前时间的长短，将预报分为临滑预报和趋 势预报，而趋势预报又分为短期预报、中期预报、长期预报及超长期预报”1 。 边坡失稳预测( p r o g n o s i s ) 主要是判定边坡可能发生失稳破坏的空间位置， 包括边坡失稳的区域、地段和地点，破坏的基本类型和规模，以及可能造成的损 失。依据区域的范围和目的不同。可分为区域性预测和场地预测。 滑坡预测预报是滑坡学研究的前沿课题。国内外许多学者对此进行了大量的 研究，取得了很多成果，为滑坡预测预报的发展打下了基础。 1 1 3 1 滑坡失稳时间预测预报 滑坡失稳时间预报研究，若从日本学者斋藤( m s a i t o ) 在第六届蒙特利尔 国际土力学与基础工程会议发表的论文算起，至今已经有近4 0 年的历史。该问 题的研究是世界公认的尖端课题。由于滑坡地质过程、形成条件、诱发因素的复 杂性、多样性及其变化的随机性、非确定性，从而导致了滑坡动态信息难以获得， 又由于滑坡动态监测技术的不成熟和分析理论的不完善，因此，滑坡失稳时间的 预测预报一直是一个十分困难的课题。很多学者对该难题进行了很多研究和实 践，取得了丰硕的成果。滑坡形成与变形过程是滑坡体岩土体蠕动变形的过程， 所以几十年来。滑坡时间预测预报的基础一直是岩土体蠕动变形理论。以此为基 础，许多学者进行了多种研究和工程实践，用于预报滑坡时间的方法主要有以下 几种。 7 华北水利水电学院硕士论文 l 宏观现象预报法 该方法是根据边坡失稳前兆的反映进行直接预报。滑坡失稳前，表现出许多 宏观先兆，如坡体前缘频繁崩塌、地下水突然变化、地声异常、动物表现失常等 现象，利用临滑前这些宏观现象，进行临滑预报很有效。我国曾利用该方法成功 地预报了宝成线须家河滑坡。但该法的有效性依赖予正确的地质分析和经验判 断。 2 斋藤法 斋藤认为坡体进入加速蠕变阶段，可以根据位移一时问曲线进行滑坡失稳预报 在该曲线上任取相邻点闻相对位移量( a l ) 相等的三点( 图中a 。屯， 3 ) ，它们 分别对应的时间为t - 、t ：、t 。，则发生破坏的时间t ，可按下式求得： ( 伽一1 ) 斋藤利用该法于1 9 7 0 年对日本高汤山滑坡进行了成功地预报。该方法是以 土体蠕变理论为基础，在应用中仅适应于前缘不受阻的土质滑坡，有一定的局限 性。 3 统计数学模型法 随着统计数理理论的广泛应用，许多学者尝试以位移为参数，借助数理理论， 建立滑坡位移一时间关系的数学模型，以期用数学模型来描述滑坡变形破坏的统 计规律，预报滑坡发生的时间。这也是目前滑坡预测预报研究中最活跃的领域。 晏同珍( 1 9 8 9 ) 应用二次回归曲线拟合v a j o n t 水库滑坡位移速度随时间变化的 动态规律。得出的回归方程为 矿。0 2 2 t 2 3 1 f + 1 8 9 9 ( o 一2 ) 并进行了反演拟合预报，效果很好。 4 灰色系统预报方法 边坡的变形破坏是受内外营力多种因素综合作用的结果，由于边坡变形破坏 机制的复杂性和人们认识的局限性，对滑坡中的很多因素、参数及其相关性认识 不清。因此，可以认为滑坡系统是一个灰色系统，从而借助灰色理论进行预测预 报研究。目前，已经取得了很多进展 晏同珍( 1 9 8 8 ) 应用灰色系统中的y e r h u l s t 模型后预报了v a j o n t 滑坡啪1 ， 8 华北永利水电学院硕士论文 依据1 9 6 3 年9 月1 8 日到1 0 月9 日的滑坡速度随时间变化的监测资料，得出时 间预报的v e r h u l s t 模型 州f ) - 雨面2 3 万5 4 9 ( 0 - - 3 ) 得出的滑坡失稳时间比实际破坏时间仅提前了2 4 4 3 天，可见其精度很高 5 多参数预报法 该方法是选取多个参数，综合预测滑坡发生的时间，这也是国内外研究的热 点之一美国学者b a r r y v o i g h t ( 1 9 8 9 ) 提出了多参数预报的经验公式： fr t l - 嘻：4 一z 1 如一q c o 一幻 当= “时， z = 乙 式中：z 是任意参数，位移、剪应力、地面倾角等；z x 是初始值；z ，是预报值； a 、a 是经验常数。由于经验常数不容易确定，该方法的应用受到很大限制。 上述方法只是滑坡失稳时阋预测预报的主要方法，这些方法已经应用到边坡 稳定性评价之中。除此之外，还有经验预报法、降雨量参数预报法、声发射( a e ) 参数预报法、位移一时间曲线变化趋势判断法等。因此可见，以地质分析、经验 判断为主的定性或半定量预报及基于监测资料的趋势定量预报在当前研究中占 主导地位，研究滑坡变形在宏观上的几何规律，微观上的物理、化学规律及数值 的统计规律，在滑坡滑动时间预测预报研究中非常活跃。 1 1 3 2 滑坡活动强度预测预报研究 滑坡活动强度包括活动速度和活动距离两方面，此方面的研究就是滑坡运动 特征的预测。滑坡运动学研究的基础是运动物理学和能量转化和守恒定律，国内 外滑坡预测预报研究主要有以下几个方面。 l 质点运动学预测法 把滑坡运动看作是质量集中于重心的质点运动，从而利用质点运动学和相应 的能量转化和守恒定律，研究滑坡的运动演化过程。有学者( 潘家铮，1 9 8 4 ) 提 出了滑速预测公式，实践证明，这些方法在滑坡运动特征预测中基于一定的普适 性。但这些研究对滑坡边界的假设太简单，所以如何确定滑坡边界条件仍是今后 研究的重点。 2 质点运动学与滑坡运动机理研究相结合的预测方法 基于不同的滑坡运动机理假设，国内外有不同的预测方法。具有代表性的方 9 华北水利水电学院硕士论文 法有以下几个 ( 1 ) 王思敬教授等人( 1 9 8 9 ) 在对我国几个大型滑坡运动机理研究基础之 上，通过滑坡运动全过程能量分析，提出滑速及最大滑距预测公式嘲； ( o 一5 ) 工。，与芝+ 罢 ( o - 6 ) l 一。万万+ 7 - 6 ) 式中：髟为滑体质量；为滑体变形能；为重心落差；为水平滑距；，为动摩 擦系数。其反演结果与实际接近，只是假设过多。 ( 2 ) 奥地利学者a e s c h e i d e g g e r 在调查了世界3 3 个大型滑坡的运动特征 后，提出等价摩擦系数的概念，并发现蚓： l g 正一a l g v + 6 ( 0 - - 7 ) 式中：v 为体积，a = - - 0 1 5 6 6 6 ，b = o 6 2 2 1 9 。根据下式计算滑速： 匕一2 9 ( 日一l ) ( o 一8 ) 此式为反推公式，在实际应用中有局限性。 ( 3 )h j k o r n e i 则将大型滑坡视为流体，提出按流体力学方法计算滑速 嘲，在一定的假设上，滑速为： 儿方砷一1 ) “】( 0 - 9 ) 式中：七一等，一4 d f 孝( s i n a - f e o s a ) ，v o 为初速度，亭为流体紊流系数，d r 为流体密度。该公式中有些参数难以确定，故应用上还不成熟。 从已有的研究成果可以看出，与滑坡滑动时间预报一样，滑坡活动强度的预 测预报研究也不够成熟，有待进一步的加强研究力度和开拓研究领域，从理论上 完善预测预报方法，从实践上总结滑坡活动规律，为滑坡预测预报研究做出新贡 献，推动滑坡学预测预报研究的发展。 1 2 论文研究内容 滑坡是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重的地质灾害。它不仅影 响着国民经济建设，而且威胁着人民的生命安全。我国是世界上滑坡灾害严重的 1 0 华北本利水电学院硕士论文 国家之一，滑坡是仅次于地震灾害的第二大地质灾害 吉家河滑坡群位于洛阻三门峡高速公路k 1 0 5 + 7 5 一k 1 0 6 + 4 1 0 段吉家河南 侧，由3 个滑坡组成的滑坡群，自东而西连续分布在吉家河南岸，高速公路以深 挖( 最深达1 4 米) 路堑形式通过滑坡体，改变了滑坡的平衡条件，由于路基在 滑坡体上，古滑坡活动和新近填土变形对在建的洛阳三门峡高速公路构成严重 威胁，因此全面论证和研究吉家河滑坡的稳定性并对其进行变形监测是十分必要 的，具有重大的实践和社会意义 通过对吉家河滑坡的现场调查和全面分析，设计了滑坡的地表和深部的监测 方案，并应用刚体极限平衡分析法及有限单元法对滑坡的稳定性进行了全面的分 析研究，对监测数据进行分析和预报，全面分析吉家河滑坡的成因机制、影响范 围及其危害性，提出建设性的意见和措施。 根据吉家河滑坡稳定性分析及变形监测预报的研究任务，经研究论证，确定 的技术路线如下： 1 收集吉家河滑坡的设计图、工程地质图等相关图件和资料，分析研究滑 坡的影响范围及成因机制； 2 确定吉家河滑坡的地质模型和计算模型； 3 通过现场调查和资料分析，确定滑坡的监测方案； 4 监测仪器的安装及监测数据的采集； 5 采用刚体极限平衡分析法及有限单元法对滑坡的稳定性进行全面的论 证： 6 开发研制滑坡变形监测预报信息系统软件，对已获得的监测数据进行 整理，并对滑坡的变形趋势迸行预测。 1 1 华托东利水电学院硕士论文 2 吉家河滑坡工程概况及滑坡发育特征 吉家河滑坡群位于洛阳一三门峡高速公路k 1 0 5 + 7 5 0 【1 噼4 1 0 段吉家河南 侧，由3 个滑坡组成的滑坡群，自东而西连续分布在吉家河南岸。 k 1 0 6 + 3 1 0 k 1 0 6 + 4 1 0 处号滑坡发生时间不详，但该地层杂乱，其上又有 较大裂缝和小型滑体存在。 k 1 0 6 + 0 6 0 k 1 0 6 + 3 1 0 处号滑坡，滑动发生在l o o _ - 2 0 0 年以前。 k l o s + 7 8 0 k 1 0 6 + 0 6 0 处i 号滑坡，发生在民国8 年( 公元1 9 1 9 年) ，距今已 有8 0 多年的历史，具体滑坡位置、规模大小已无入知晓。在6 争- 7 0 年代 又重新滑动，近期滑坡时间为1 9 7 2 年l o 月前后 这些滑坡中以k 1 0 5 + 7 8 0 k 1 0 6 + 0 6 0 段i 号滑坡规模最大( 见图2 - 1 ) 高速 公路以深挖( 最深达1 4 米) 路堑形式通过滑坡体，改变了滑坡的平衡条件，而 路基座落在滑坡体上，古滑坡活动和新近填土变形对已建的洛阳三门蛱高速公 路构成严重威胁。为保证高速公路的路基稳定和安全，对滑坡已进行了整治处理 ( 图2 2 、2 - 3 ) 其中号滑坡由于规模小，目前已被路基挖方清除不再作任何 处理。对其它两个滑坡进行了削头、压脚和吉家河改道等工程处理措施。为防止 发生意外，在对工程影响最大的1 号滑坡布置了监测点和监测钻孔，对滑坡变形 进行地表和深部监测。 图2 3 治理后的吉家河滑坡 f i g 瑚j i j i a r i v e rl a n d s l i d ea f t e rg o v e r n m e n t 葛矗暑日oh暑暑odo_o日11pu三口o_!苫，三口o。h霎蔷lq。苫 【inld 田酪霉髯蜒譬犍制套磅冬科帽【；n田 钗秘书匿谜扑掣*霉*菩释 兰! ! 查型查皇兰壁堡主丝奎 秘 如 l ；日o j 啪 - 6 接 v i - l 枷 。1 _ - 苫“：。；茹 舻浇二么笔彳 蒿承一2 啪枷 。 飞_ ，彰囊萋美登：荔鎏始囊拶 矗弋懈孝窜声瑟璧彰7 娜口绷 ：j 年i ah 青曩 正皇直 t 善 正毫毒 ，雒点艇i 盘 图2 2高速公路竣工后的滑坡地形图 f i 9 2 2t h eh i g h w a yi sc o m p l e t e dt h ea f t e rl a n d s li d et o p o g r a p h i cd i a g r a m 华北东利水电学院硕士论文 2 1 区域地质条件 2 1 1 地形、地貌特征 该区位于三门蛱断陷盆地东端黄土塬区，已被东西向河流切割成长条形的黄 土墚，顶宽3 0 - 6 0 m ，长数公里，墚顶由东向西微倾。高程6 3 6 - - - 6 9 0 m 。南北两 坡不对称，南坡缓北坡陡。 墚北为吉家河，谷宽5 0 1 0 0 m ，高程5 3 6 - - - 5 4 8 m ，与墚顶高差1 0 0 - - - 1 4 0 m 。 2 1 2 地层 吉家河河谷中为全新统砂卵石，北岸有上更新统黄土连续分布，南岸上更新 统黄土连续分布。 黄土墚上部为中更新黄土，夹5 - 喝层钙核层和古土壤层，厚约7 0 m 其下 为含漂石的砂卵石层，多成陡崖，厚度8 一1 0 l 。接着为红色粘土卵石层，多形 成陡坡，厚度l o 一一3 0 m ，其时代为早更新世晚更新世。在河床附近零星出露 上最小系灰绿色粘土岩，未见底，可见厚度3 5 m 2 2 滑坡历史 滑坡群有三个单体滑坡组成，自东向西连续分布在吉家河南岸。 k 1 0 6 + 3 1 0 k 1 0 6 + 4 1 0 处i 号滑坡发生时间不祥，施工时已经挖除。 k 1 0 6 + 0 6 0 k 1 0 6 + 3 1 0 处号滑坡，根据调查访问发生在1 0 0 _ - 2 0 0 年以前。 k 1 0 5 + 7 8 0 k 1 0 6 + 0 6 0 处i 号滑坡，根据调查访问发生1 9 1 9 年，在6 0 一7 0 年代又重新滑动，时间大约在1 9 7 2 年l o 月( 图2 - 1 ) 。 2 3 滑坡标志 吉家河滑坡体已夷平为多级梯田，故未见滑坡台阶、滑坡鼓丘、封闭洼地、 醉汉林、马刀树等，但其它方面标志比较明显。 2 。3 1 地形地貌标志 具有明显的滑坡后缘陡壁，陡壁为一圈椅形。陡壁下有明显的滑坡体，滑坡 边缘有冲沟与岩体和老滑坡体分开。 1 7 华北水利水电学院硕士论文 2 3 2 岩土结构标志 滑体中岩土松脱、杂乱，钙核、卵石、漂石与土混杂。 2 3 3 植物标志 新滑坡体岩土疏松，孔隙裂隙发育，易于储水。因此，新滑坡体上往往刺槐 等植物生长高大、茂密旺盛，而未滑动的土体或老滑坡体上刺槐等植物生长低矮、 稀松枯萎等，从远处看可分辨滑坡体的边界。 2 3 4 水文地质标志 滑坡体前缘东段有泉水溢出，前缘西侧原来亦有泉水溢出，形成水坑，后被 填平。砂卵石含水层被分割破坏，形成复杂的单独含水体，具有微承压性，水位 各不相同，但相差不大。 2 4 滑坡形态特征 2 4 1 滑坡壁特征 滑坡后缘陡壁为一圈椅形，弧长约4 0 0 m 。中部部位壁高4 0 m ，向两侧随着自 然地形变低而降至2 0 3 0 l l i ，滑坡壁近直立状，坡度7 0 。- - - 9 0 。在滑坡体的东 部有一小型滑坡陡壁，长约8 0 m ，高约l o m 。 2 4 2 滑坡体特征 滑坡体在平面上呈马蹄形，南北长2 3 0 m ，东西宽2 8 0 m ，滑动轴方向为 n e 5 。，滑体最大厚度3 2 m ，平均厚1 7 2 0 m ，滑坡体积达1 0 0 多万m 3 。因此该滑 坡为深层、巨型滑坡。 2 4 3 滑床特征 该滑坡为切层滑坡，因此，滑床由不同岩性组成，主要滑床由最小系棕红、 灰绿色粘土组成滑床上段以中更新统黄土为主，中断以棕红色粘土卵石为主， 中下部以最小系棕红、灰绿色粘土为主 2 4 4 滑面、滑带特征 滑面呈折线或弧形，在滑坡西缘冲沟中见滑面时陡时缓时平。在滑坡顶部， 不同的部位滑面倾角相差较大。 华北水利水电学院硕士论文 在滑坡的前缘，灰绿色粘土构成的滑面在横向上呈起伏波状 在滑坡顶部及两侧冲沟中所见滑带厚度仅为5 1 0 c m ，其上挤压滑动带层理 清晰，很容易将滑床和滑体分开在滑坡前缘灰绿色粘土岩之上滑动带仅厚l 一 2 c m ，甚至仅仅见滑面。滑面上滑痕清晰，痕宽1 2 c m ，痕深0 3 - - 1 o c m ，滑痕 顺滑动方向延伸，在横向上亦星起伏波状。 2 4 5 滑坡体周界 滑体后部直接与滑坡壁接触，滑体两侧冲沟发育，边界清楚。冲沟宽1 - - 5 , ， 深3 5 m ( 图2 - 1 ) 。 2 4 6 滑动裂缝 滑坡体曾见到三处滑坡裂缝，延伸方向与滑动轴垂直，雁列分布最大者长 3 m ，宽0 4 0 m ，深可达1 7 0 m 以上，在滑体西缘并见有洞穴，均系近期活动产物。 2 5 滑坡成因分析及类型确定 根据野外调查，滑坡并非单因素形成的，而是由地形地貌、地层的透水性 能、河流侵蚀，气象及人类活动等多种因素综合作用形成的。 2 5 1 地形地貌因素 该处为一