（岩土工程专业论文）边坡工程监测理论与技术基础初步研究.pdf

摘 要 摘要 我国是一个滑坡灾害极为频繁的国家，大型滑坡给人民生命财产 和国民经济带来重大损失。随着传感技术的发展，一种分布式实时监 测网络系统在其他工程领域得到初步应用。考虑到这种技术强大分布 性的特点，也能将这种技术应用于边坡工程监测领域。 本文对基于b o t d r 技术的边坡监测系统基础理论进行初步研究， 分析其技术要点，完成基于b o t d r 光纤传感技术的监测系统框架构 造，对实际应用中的若干关键问题提出解决方案，并对这些方案加以 较为深入的分析和论证。 本文研究内容具体包括以下几方面： 1 调研边坡监测国内外发展现状，了解常用监测系统的基本组成、 功能和关键技术，掌握目前各种传感技术的发展状况。 2 深入学习边坡监测的基础理论，充分认识边坡失稳崩滑的机理 和形态特征，总结边坡监测中坡体结构与监测特征量的对应关系。 3 分析目前监测技术与监测系统的缺憾，找到当前边坡监测方向 的几个切入点，系统学习基于b o t d r 分布式光纤传感技术的监测理 论并总结出技术要点。 4 对基于b o t d r 光纤传感技术的监测系统构成进行研究，完成其 框架构建。 5 通过借他人的多点加载试验，论证了从三维光纤监测网络得到 边坡空间位移分布状态可能性。 6 利用具体的工程监测实例，讨论利用数值模拟技术确定监测系 统中空间监测区域的定位和监测精度问题。 关键词：边坡监测，监测特征量，b o t d r 技术，数值模拟 中国地震局t 程力学研究所硕十学位论文 a b s t r a c t t h el a n d s l i d ed i s a s t e ri sh i g hf r e q u e n c yi no u rc o u n t r y t h e l a r g e s c a l e l a n d s l i d eb r o u g h tt h ee n o r m o u sl i f ea n dp r o p e r t yl o s st o s o c i e t ya n dp e o p l ei nc h i n a w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y ， ad i s t r i b u t e dr e a l t i m en e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e na p p l i e d p r e l i m i n a r i l y i no t h e r e n g i n e e r i n gf i e l d s c o n s i d e r i n g t h e p o w e r f u l d i s t r i b u t i o nf e a t u r e ，t h ep a p e ra t t e m p t e dt oa p p l yt h et e c h n i q u ei nt h e s l o p em o n i t o r i n g t h ep a p e rs t u d i e dp r e l i m i n a r i l yt h eb a s i ct h e o r yo fs l o p em o n i t o r i n g b a s e do nb o t d r ，i nw h i c hi ta n a l y z e dt h ek e yt e c h n i c a lp o i n t sa n d e s t a b l i s h e dt h ef r a m e w o r ko ft h em o n i t o r i n gs y s t e mg r o u n d e do nb o t d r t h ep a p e rb r o u g h tf o r w a r ds o m es o l u t i o n so ft h e s ek e yp r o b l e m si n p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dd e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t y t h es t u d yi nt h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gs e v e r a l a s p e c t s ： 1 t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no f s l o p em o n i t o r i n g ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h eb a s i cc o m p o n e n t sa n df u n c t i o n s o ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma sw e l la st h ek e yt e c h n o l o g i e s ，m a s t e r e dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u so f a l lk i n d so fs e n s o rt e c h n o l o g y 2 t h ep a p e rh a ss u m m a r i z e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es l o p e s t r u c t u r e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sb yd e e ps t u d y i n g t h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h es l o p em o n i t o r i n ga n df u l l yr e c o g n i z i n gt h e m e c h a n i s ma n dm o r p h o l o g yc h a r a c t e f i s t i c s 3 t h ek e ys t r o n g p o i n t so ft h es l o p em o n i t o r i n gw e r ef o u n da t p r e s e n t ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h es h o r t c o m i n g so ft h em o n i t o r i n gt e c h n i q u e a n ds y s t e m m a s t e r e dt h em o n i t o r i n gt h e o r yb a s e do nt h ed i s t r i b u t e df i b e r s e n s i n gm o n i t o rt e c h n i q u e ( b o t d r ) ，t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h ee s s e n t i a l s o ft h et e c h n i q u e 4 t h ep a p e rs t u d i e d t h ec o m p o s i t i o n so ft h es y s t e mb a s e do nt h e f i b e r o p t i cs e n s o r 一- - b o t d r ，t h ef r a m e w o r ko fw h i c hw a sb u i l d e du p 5 t h r o u g hr e f e r r i n gt h em u l t i p o i n tl o a d i n gt e s to fo t h e r s ，t h ep a p e r d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yt h a to b t a i n i n gt h es l o p es p a t i a ld i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o nb ym e a n so ft h et h r e e d i m e n s i o n a lf i b e rm o n i t o r i n gn e t w o r k 6 u s i n gas p e c i f i co b s e r v a t i o na n de n g i n e e r i n ga sa ne x a m p l e ，t h e i i a b s t r a c t i i p a p e rd e m o n s t r a t e dt h a tt h es p a t i a lm o n i t o r i n ga r e aa n dt h ep r e c i s i o n c o u l db ed e t e r m i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：s l o p em o n i t o r i n g ，m o n i t o r i n g c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r ， b o t d rt e c h n i q u e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为 获得主垦地蕉屋王捏左堂受究丛或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 论文作者签名：望二互兰奎 签字日期：圭! 乙丝：! z 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫国地震屋王猩左堂盟究逝有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权主鱼丝震屋王程力堂婴 堑可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允 许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 氆一 虹4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与现状 1 1 1 研究背景 人类的历史，从某种意义上讲，就是同自然灾害作斗争的历史。 人类也是在不断地认识自己、改造自然、同自然灾害作斗争的过程中 发展起来的。山体滑坡和泥石流等地质灾害是地质体在众多因素作用 下变化、破坏、运动而给人类造成生命财产损失的地质现象。它们曾 给人类造成过巨大的灾害，制约着国民经济的发展，因而引起了各国 政府的重视。 随着城市住宅的高层发展，地下也成为了空间发展的目标。在工 程施工中势必会形成高边坡，如何设计这类人工高边坡的支护系统， 如何合理的布置施工程序等这些方面都是这类工程设计时必须考虑的 内容。其实，单从形态上来说，这类工程的实质都是对人工坡体稳定 性的控制与维护。只是它们没有自然边坡来的直观，其潜在灾害也不 容忽视。 到目前为止，全球范围内凡是有人类居住和工程活动的山岭地区， 几乎都有滑坡灾害发生，其成为各灾种中频度最高、损失最大的地质 灾害类型。在欧洲，瑞典、挪威所在的斯堪的纳维业半岛地区，占据 法国东部、瑞士、奥地利及意大利北部的阿尔卑斯山地区、纵贯意大 利全境的亚平宁山区及英国大部都是滑坡灾害的高发区。处于美洲板 块边缘、呈s n 向断续分布的落基山脉、马德雷山脉及安第斯山脉在 构成美洲大陆西部屏障的同时，也在所经过的加拿大、美国、墨西哥、 萨尔瓦多及智利等国家和地区孕育着全球最多的滑坡灾害。位于西太 平洋第一岛链上的日本、中国台湾省、青藏高原南缘喜马拉雅地区的 尼泊尔及印度北部是亚洲滑坡灾害的高发区。 中国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最为严重的地区之一，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，随着经济建设的恢复与高速发展及自然因素的影 响，滑坡灾害呈逐年加重趋势。目前，全国范围内除山东省没有发现 严重的滑坡灾害外，其余各地均有发生。其中以西部地区( 西南、西北) 的云南、贵州、四川、重庆、西藏以及湖北西部、湖南西部、陕西、 宁夏及甘肃等省区最为严重。据初步统计，全国至少有4 0 0 多个市、 县、区、镇，100 0 0 多个村庄受到滑坡灾害严重侵害，有证可查的滑 坡灾害点约为4 1xl0 4 多处，总面积为l7 3 5 2 x l0 4k m 2 ，占国土总面积 耋星彗至星三至窒茎竺釜筌竺圭茎兰耋兰 的181 0 ( 截至2 0 0 0 年) 。1 9 9 5 年以来，滑坡造成的年均死亡人数已 连续多年超过10 0 0 人，严重的滑坡灾害不仅给当地居民的生命财产 造成极大损失，还摧毁相当数量的工厂和矿山，并严重影响铁路、公 路、水运及水电站等基础设施的安全运营。 大型滑坡不仅自身失稳影响范围广，而且由于其巨大的势能，往 往在脱离母岩后形成高速、远程“崩一滑一流”复合的灾害地质体，带 来毁灭性破坏和重大人员伤亡。因此，长期以来，大型滑坡在滑坡灾 害研究中一直居于核心地位，也是各国学者报道、研究的重点，如19 5 0 年9 月瑞典色尔特土质滑坡( 体积4 0 0 x1 0 4m 3 ，4 0 余栎房屋被毁， 交通中断；1 9 6 3 年1 0 月意大利瓦意昂( v a i o n t ) 水库滑坡( 体积27 x 10 s m 3 ，25 0 0 26 0 0 人死亡) ；1 9 8 0 年5 月美国华盛顿州海伦斯火山 爆发，引发体积高达28k m 3 的特大“崩一滑一流”灾害i19 9 8 年8 月 咫风米歇尔带来的强降雨在洪都拉斯诱发的体积达6 0 0x10 4r l x 3 的厄 尔百林彻深层滑坡：2 0 0 1 年1 2 月萨尔瓦多群发性地震滑坡f 体积约 7 5x 10 4 m 3 的s a n t a t e c l a 滑坡造成5 0 0 多人死亡) 等。 自2 0 世纪以来，中国也先后发生一系列大型和巨型滑坡，如 1 9 8 2 年7 月，重庆云阳地区连降暴雨，月降雨量达6 3 32m m ；1 7 日 2 0 ：0 0 ，位于云阳老县城下游1k m 处鸡扒子长江左岸滑坡失稳，18 日 0 2 ：0 0 ，斜坡发生剧烈滑动，最大滑速达1 25m s ，滑体前缘推入江中 并直达对岸，最大滑距达2 0 0m ，晟终形成西侧壁长1 4k m 东侧壁长 1 6k m ，面积0 7 7 k m 2 ，体积15 0 x 1 0 7 m 3 的巨型滑坡，其中约230 x 1 0 6 m 3 滑入长江航道( 见图一) 。 黼 零嚣零慧零 一、* 。 ? 鼍净 图1 长江鸡扒子滑坡 鸡扒子滑坡虽未造成人身伤亡，但是毁坏房屋l7 3 0 间，工农业 囊 生产直接经济损失共6 0 0 万元。更为严重的是，由于大量石块坠入长 江中，河床淤高4 0 m ，形成7 0 0 m 的急流险滩，长江航运被迫中断7 天，航道整治费高达80 0 0 万元( 当年价格) ，间接经济损失达10 0 0 万。 1 9 9 1 年9 月2 3 日18 ：1 0 ，云南省昭通市e n 向约3 0k m 的盘河乡 头寨沟村发生特大山体滑坡。失稳坡体从斜坡中部高程23 0 0m 处剪 出后，高速滑入头寨沟，并迅速转变为顺沟奔腾而下的土石流：其所到 之处，摧枯拉朽，将头寨沟沟谷及沟口的村舍全部掩埋。在与沟谷斜 坡发生3 次大规模高速撞击、改向后，其前缘在高程18 2 0m 的头寨 沟沟口停止1 f 来，最终形成斜长30 0 0m 、平均宽i3 0m ，厚1 0m ，总 体积约40 0 x10 。m 3 的滑坡一土石流堆积，整个过程历时仅为3r a i n 。 这一重大滑坡灾害事件共造成2 1 6 人死亡，掩埋牲畜2 5 2 头，毁坏耕 地20 0 x 10 3m 2 ，直接经济损失约12 0 0 万( 见图二) 。 图2 头寨滑坡一一土石流堆积 从这些实例我们可以看出，对滑坡的预测预报是减少人民生命和 财产损失所必要的，但及时的预测预报必须依靠可靠的监测手段。并 发展与之相适应的预测预报模型，同时在边坡治理设计中也可以利用 监测进行反馈设计，达到优化设计的目的。总之先进可靠的监测手 段是边坡治理与滑坡预警的必须手段。目前，这一领域也是国内外边 坡研究的重点。 1 1 2 研究现状 中国地震局t 程力学研究所硕t 学位论文 边坡监测方法主要经历了从宏观地质观测法、简易观测法、设站 观测法、仪表观测法和远程监测法、声发射方法、时域反射法、光时 域反射法( o t d r ) 这几个发展阶段，从使用的仪器手段上来说呈现 明显的前进发展趋势。 宏观地质观测法和简易观测法都是采用常规的地质路线调查方法 对崩塌、滑坡的宏观变形迹象和与其有关的各种异常现象进行定期的 观测和记录。测量所采用的方法也是骑缝式简易观测标志，用长度量 具直接观测裂缝变化。这类方法有直观性，动态性，适应性及实用性 强的特点，而且对坡面表观的测量数据也较可靠。现在边坡监测的初 级阶段也会采用这类方法做初步判别。 测站观测法是目前仍广泛应用的一类方法，其包含大地测量法、 g p s 测量法、近景摄影测量法。大地测量法即采用常用的光学测量仪 器对坡面观测点采用前方交汇法、视准线法、小角法等对测点的位置 变化进行观测；g p s 测量是采用卫星发送的导航定位信号进行空间后 方交汇测量，确定地面待定点的三维坐标，精确测定观测点的运动速 度和位移。这种方法如今得到了重视，并在有些工程中得到了应用。 近景摄影测量法是在两个不同位置安置近景摄影仪，利用立方体坐标 仪量测像片上各测点三维坐标的一种方法。可以满足崩滑体处于速度 剧变阶段的监测要求。这种方法在链子崖陡壁裂缝监测中用到，了。 仪表监测法和远程监测法即采用精密仪器仪表对变形斜坡进行地 表及深部的位移、倾斜动态、裂缝相对变化及地声、应力应变等物理 参数与环境影响因素进行监测，同时利用先进的采集系统和无线传输 系统对数据进行传输，实现多参数同步测试。 采用o t d r 技术的光纤监测手段很多，主要是利用光沿光纤的反 射和散射信号来测定裂缝和变形的大小分布，这种技术是真正实现多 点准分布式测量。但目前应用到的这一技术均只是停留在对监测变量 ( 应变、温度) 的二维分布研究和应用，南京大学的光电中心对b o t d r 的岩土工程监测走在国内前列。他们利用光纤网络对坡面变形进行监 测和分析，也采用特别的铺设方式对隧道的各向变形进行了测量，并 分离了温度应变。 基于0 t d r 技术的光纤传感测量技术在结构工程中已经得到了应 用，鉴于岩土工程监测的复杂性，一直处于研究阶段。针对边坡失稳 变形的机理和判断原则，如何选择合理的监测变量以及什么分布形式 的数据最能反应坡体的实际状态，这几点均很重要。但针对这一监测 手段在这两方面的研究均未有明显进展。针对这一现状，本文试图针 对此拟题做初步的研究。 1 2 研究基本思路 第一章绪论 首先以边坡失稳变形机理为出发点，发掘出坡体结构是控制坡体 失稳形态的关键点。针对权威的坡体结构分类，经过对各种坡体结构 稳态过渡的特征分析，确定适合不同坡体结构的监测特征量。 然后引进b o t d r 光纤传感技术，在充分认识其理论依据的基础 上，对其在岩土边坡工程应用中的监测系统进行构建。并根据这种传 感技术的特点，结合边坡失稳机理的特征，提出此系统在实际应用中 需要解决的几个关键问题。 在上面提到的几个关键问题中，选择空间变形连续分布数据的确 定和利用数值模拟技术设计光纤监测网络铺设区域这两个问题进行深 入讨论。经试验分析和应用对比，确定解决这两个关键问题的一般方 法与依据原则。 1 3 研究意义及目的 中国是一个滑坡灾害极为频繁的国家，大型和巨型滑坡在其中占 有突出重要的地位，尤其是在中国的西部地区，大型滑坡更是以其规 模大、机制复杂、危害大和防治难度高等特点著称于世。为了减少滑 坡灾害给我国的生命财产带来的巨大损失，对危险区域的坡体进行实 时监测以及对滑坡预警是极其重要的。 对人工高边坡的监测也是信息化施工不可避免的阶段，这对减少 施工风险有很大的积极意义，监测是获取边坡变形实时数据分布的唯 一可靠手段：在滑坡治理的工程设计中，对边坡本身众多的不确定因 素，反分析与反馈设计思想是很流行的做法，在以后也必成为主流的 设计分析方法。监测是取得反分析和反馈设计基础数据的必不可少的 手段。所以，针对工程和防灾的需要，发展先进合理的监测系统是很 有价值的。 本文对边坡监测系统的理论和技术基础研究预计达到以下几个目 的： 1 认识坡体失稳变形机理与形态，发掘边坡稳态过渡的变形特征， 并针对边坡变形监测的特点，提出相应的坡体结构的监测特征量。 2 对实际的边坡监测工程，在对边坡做完初步的勘察后，能设计 出合理的光纤网络监测系统： 3 获得边坡初勘数据后，能利用一定的数值模拟手段确定监测精 度，圈定监测区域与监测深度。 4 针对监测到的连续数据( 对位置和时间) ，利用相应的预测预报 模型，分析坡体所处的稳定状态，划定边坡的危险区域。 1 4 本文主要研究内容 中罔地震局丁程力学研究所硕i 学位论文 本文以边坡安全监测问题为研究对象，分析坡体失稳形态与机理， 研究先进的监测技术，研究发展先进预测预报模型的关键问题，并选 择其中若干问题进行较为深入的探讨。具体问题包括： ( 1 ) 调研边坡监测国内外发展现状，了解掌握常用监测系统的基 本组成、功能和关键技术，了解目前各种传感技术的发展概况。 ( 2 ) 深入学习边坡监测的基础理论，充分认识边坡失稳崩滑的内、 外因素，总结边坡监测中坡体结构与监测特征量的对应关系。 ( 3 ) 分析目前监测技术与监测系统的缺憾，找到当前研究边坡监 测这一方向的几个切入点，研讨基于b o t d r 分布式光纤传感技术的 监测理论和技术要点。 ( 4 ) 对基于b o t d r 光纤传感技术的监测系统构成进行研究，完 成其框架构建，对实际应用中的若干关键问题讨论解决方案并对这些 方案加以较为深入的分析和论证。 ( 5 ) 借鉴现有试验论证从三维光纤监测网络得到边坡空间位移分 布状念可能性。 ( 6 ) 研究基于数值模拟技术确定监测系统中空间监测区域的定位 和监测精度问题。 第二章边坡雌测基本理论 第二章边坡监测基本理论 2 1引言 边坡监测的最终目标是防灾，预测与预报是至关重要的一个中间 环节。但现场勘查除能得知坡体形态特征以及坡体的结构特征和矿物 组成外，不能提供更多的信息；而且，边坡失稳是个渐变的动态过程， 其受影响的因素多且复杂。因此，唯一能客观判断坡体实时状念的手 段便是监测，据此还能预测其可能的发展趋势和可能的坡体病害范围， 更合理和经济地组织防灾工作。 本章首先归纳坡体的失稳崩滑变形特点，在此基础上总结出几种 坡体结构类型。初步探讨坡体失稳的规律及变形特点与坡体结构的内 在规律，针对监测的要求，提出合理的监测特征量。从预测预报的角 度分析监测方案和监测特征量的选择的要点，以此发掘监测与预测预 报的关系。从根本上说本章是对边坡监测的基本理论做总体的认识， 为监测系统的建立和工具的选择奠定理论基础。 2 2 边坡坡体结构类型及失稳机理 2 2 1自然山坡类型划分及变形状态 边坡崩滑失稳产生于特定地质环境下，在以重力为主的自然营力 或其与人类工程建设相互作用下而发生发展，最终形成不同规模的坡 体失稳下滑。我们把在自然营力作用下形成的坡称之为斜坡，工程建 设切割而形成的称其为边坡( 或人工边坡) ，在一般情况下也不做区分 均称为边坡。这两类坡体上产生的失稳变形有很大差异，主要区别在 于自然山坡产生的滑坡大多不受原地应力作用，而人工边坡特别是采 矿、水电建设形成的高陡边坡，其切割开挖速度与边坡岩体力学性质 控制下地应力释放速度有较大差异，对人工边坡中高边坡上产生的滑 坡不得不考虑残余地应力对其稳定性影响。 在岩石滑坡工程地质力学理论中对“山体、山坡、坡体及斜坡” 有极严格的定义，在边坡失稳形成的滑坡、崩塌机理分析中很重要， 现简述如下： 1 山体：是自然山坡在临空面附近及其以上的地质体的总称，通 常指两沟谷所夹持的山梁，它包括向两侧沟谷倾斜的山坡。 2 山坡：指从沟谷至山脊之间、松弛带以上的岩土体，它与通常 中同地震局t 程力学研究所顶l j 学位论文 “斜坡”所代表含义基本相同。 3 坡体：是指一个山坡中两宽大夷平面或阶地面之间、松弛带以 上的岩土。 4 斜坡：仅指地表附近、无宽大平台而坡度基本相同的坡段。 现在，我们主要研究的对象定位于自然山坡，根据变形破坏的规 模和变形破坏带的部位，将山坡的变形进行如下的分类： 1 山体变形：其变形周界受控于山体构造格局( 山体结构) ，变形 破坏带已深入山坡松弛带以下，具有动力变质现象，其稳定性受山体 中地应力影响，一般规模巨大、灾害严重，如大规模的地震滑坡、山 崩和山体陷落。山体结构一般是指i i 级结构面和软弱岩性差异控制下 所组成的结构体，它包含多种不同类型的坡体结构和岩体结构。 2 坡体变形：变形破坏带产生于山坡松弛带内，山体中的地应力 对其稳定性不构成直接影响，它的变形性质和变形规模受坡体结构和 临空面的大小双重控制。坡体结构和坡体变形是自然斜坡中最基本最 常见的结构和变形体，滑坡和错落以及倾倒都是其常见的失稳类型。 对于岩石山坡来说，岩体结构是构成坡体结构的基本结构体，换句话 说，就是不同类型的岩体结构构成了坡体结构。不同的坡体结构也控 制了坡体的变形方式以及变形规模，这便先天的决定了监测方式与监 测时段。 3 斜坡变形：该类变形破坏主要受控于山坡中等风化带，实质上 是软硬岩石差异性起主要作用。岩石边坡( 人工边坡) 仅限于两平台间， 岩体结构对其变形类型起主要作用，如：边坡滑坡、中浅层滑坡等。 4 坡面变形：变形破坏仅限于斜坡强风化带，其稳定性受大气降 雨影响明显。斜坡表层风化岩土的物理力学参数及其在地表水作用下 的衰减幅度是产生坡面变形的基本条件。一般滑体体积大小受风化程 度控制，剪滑面一般在风化程度分层界面。基本类型有：坍塌、滑坍、 塑性滑坡。 这几种分类仅限于坡体的失稳变形部位，根据不同种类的内力和 外力的影响程度，坡体的变形方式也存在不同程度的差异。在不同的 预测预报阶段，所监测的具体内容也会不同。关键的是要根据不同的 坡体结构总结归纳出相应的变形特征，并将这些变形特征量化成不同 的监测特征量，指导进行监测。下面一节便主要从坡体结构的角度分 析监测的不同特征量的选择。 这里必须先对“滑坡”进行定义，我们往往把正在变形中的岸坡、 崩、滑堆积体和处于稳态的崩滑堆积体也称为“滑坡”。狭义上讲， 岸坡的变形与失稳基本上受控于诸如层面、软弱夹层等大体上统一且 规则的地质界面并以滑移( 动) 为主要形式的运动称为滑坡。它只是 第二章边坡：氍测基本理论 岸坡失稳的一种形式与过程，失稳结果即滑坡堆积体地质学上明确的 定义“地滑堆积”。 2 2 2 坡体结构类型分类及监测特征量的确定 岸坡的稳态或变形的决定性因素有地形地貌和区域构造与地震地 质环境及边坡坡体结构。地形是制约岸坡稳态的第一控制要素，岸坡 变形的第一个起因是地形的改造，而变形易发部位是地形坡度陡变部 位，变形域规模则处决于岸坡的高度。区域构造地质环境应考虑到从 老至新构造应力场的转化，包括主应力的偏转、压应力场向张应力场 的转化、初始应力释放环境、蠕( 流) 变环境以及对渗流场和分化作 用的制约作用( 优势面) 等。 控制岸坡的稳态或变形的地质构造效应有以下两层意思： ( 1 ) 刚度效应坡体的整体刚度取决于节理裂隙的发育程度( 当然 还有分化程度) ： ( 2 ) 变形、失稳类型取决于各类地质结构面产状同坡面产状之间 的相互关系。 其中，刚度效应的表象是取决于刚度的变形差异，总体上表现为 沉陷伴随应力相对集中域。如果应力相对集中域罩不存在软弱夹层等 低刚度层，一般不会形成一定规模的崩、滑事件。 第二种效应即涉及到坡体结构及其可能带来的变形和失稳，坡体 结构称为坡体失稳的控制性因素。其大致决定各种坡体的病害形式， 随之，监测特征量和监测区域和形式也即确定。 边坡监测按照监测部位可以分为浅部变形监测和深部变形监测： 按监测的目的和应用而言，监测的特征量一般可以分为变形量和变形 速率两种，其特点大致可概括如下： 1 浅部变形监测：包含坡面监测和坡面下一定深度范围内的变形 监测，一般是强分化带以及沿深度方向与下部明显分层的部分。浅部 变形监测常用变形量来记录和衡量 2 深部变形监测：是滑移面上一定范围内坡体的变形监测，实时 反应坡体对内、外作用因素的位移响应，量化上一般用变形速率来衡 量。 关于坡体结构的定义和分类，国内很多学者做出过一定的研究， 比较常见的有以下几种说法。 由于自然界山坡( 体) 变形性质和类型千变万化，规模大小不一。 就变形性质而言，有错落、滑坡、崩塌、倾倒之别；就破坏规模来说， 有山体变形( 山崩、山体塌陷) 、坡体变形和坡面变形之分。谷德振 先生在其著作岩体工程地质力学基础一书中论述了“地质体稳定 中国地震局丁程力学研究所硕士学位论文 问题”，内容包括“区域稳定、山体稳定和工程岩体稳定”，并提出 “整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等四大岩体结构。 张倬元教授在工程地质分析原理书中曾经将自然斜坡结构划分 成五类：类均质体斜坡、层状结构斜坡、块状体斜坡、碎块状体斜坡 和软弱基座体斜坡。中国科学院孙玉科教授更进一步考虑到岩体结构 特征、边坡破坏形态和变形破坏的时间效应等因素，归纳了五种典型 的地质模型：金川模型、盐池河模型、葛洲坝模型、白灰场模型和塘 岩光模型。 这几种分类方法均是依据节理面发育程度和岩性的差异来分类 的，他们在水利大坝工程稳定性评价、地下围岩洞室塌方的预测预报 和岩质边坡变形稳定性方面起到了重要的作用。但是在对自然边坡的 稳定和变形分析中，这些分类便会有不足，铁道部科学院西北分院的 马惠民认为“在分析自然边坡的变形破坏性质和稳定性时，应根据山 坡变形破坏带部位、结构面的发育贯通程度和岩性差异程度，总结出 一套适合于自然山坡稳定性问题的结构类型。”当然，马惠民的总结 和归纳是基于发展的岩石滑坡工程地质力学理论和调查分析方法的。 在上节关于山坡变形规模、部位和分类原则的基础上，给出六类 易于产生滑坡和错落的坡体结构类型。我们所说的坡体结构是指以山 坡中各种结构面( 包括原生结构面和次生结构面) ，特别是i i 级、i i i 级( 结 构面分级与谷德振先生结构面分级在规模上相同) 结构面的空间组合 ( 即所谓的构造格局) 为基础，以不同性质的工程岩组为主体的结构体。 由此可见，划分的主要依据是： 软硬岩石在山坡中的分布状态； 控制变形体边界的i i 、i i i 级结构面( 即我们所称主控制结构面) 在山坡中的分布： 漫长地质年代中各种环境营力作用的影响： 山坡可能产生的病害类型及性质。 对此需要迸一步说明的是“坡体结构”不同于“岩体结构，两 者有本质上的区别： 其一，从其涉及的范围上讲，岩体结构仅反映某一特定范围内岩 体特征。如断裂带附近碎裂结构、山坡表层的散体结构；坡体结构则 代表整个山坡及其松弛带以上岩土体特征。坡体结构可以包括数种岩 体结构，岩体结构是构成坡体结构的基本单元体。 其二，坡体结构基本上可以反映山坡可能产生的坡体病害性质和 类型，而岩体结构在各类工程基础岩土体稳定分析、地下建筑围岩稳 定分析及其预测预报方面具有更大的优越性。 根据铁道部科学研究院西北分院的专家和研究人员数十年来在山 第二章边坡监测基本理论 区铁路建设中有关滑坡机理研究、山坡失稳崩滑发生发展规律研究和 滑坡防治技术研究方面积累的丰富经验。并在借鉴多位学者提出的岩 体结构和斜坡结构类型的基础上，将坡体结构类型划分为6 大类，其 目的是便于我们进行坡体病害机理的研究和归纳坡体变形特征及指导 监测设计。自然山坡坡体结构大致可以分为基座式上硬下软( 上软下硬) 坡体结构、层状坡体结构( 互层、夹层或以结构面为主的坡体) 、构造 破碎体坡体结构、眼球状坡体结构、类均质体坡体结构和松软体坡体 结构。下面分别定义其特征，并举例图说明结构分类的重要性。 ( 一) 基座式坡体结构 基座式坡体结构可分为基座式上软下硬和上硬下软结构形式。其 特征分别如下： 1 基座式上软下硬坡体结构 此结构我们称为二元结构，上部为第四系堆积物或松散破碎岩石， 下部为基岩或坚硬完整岩石，产生的滑坡主滑带依附二元结构的接触 面。若滑坡出口高于河床则形成崩塌性滑坡。其坡体结构面和区域岩 性分布构造如下示意图l 。 图1 基座式上软下硬坡体结构图2 基座式上硬下软坡体结构 此类型的滑坡有很明显构造面，很容易发展成失稳破坏时的滑移 面；因此，在失稳崩滑时下部较硬岩层基本不会破坏，只是上部软土 层会沿分层面流滑。故可以选择监测滑动面上下的坡体的相对位移或 瞬时的位移速率作为监测特征量。但一般上层堆积物很厚，也不便布 设监测孔。这类滑坡在失稳时可能蠕滑阶段持时较长，在失稳时有突 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 变性，所以监测控制特征量最好选择位移速率作为预警阀值。 2 基座式上硬下软坡体结构 此结构上部为巨厚层状坚硬岩石( 灰岩、砂岩) ，下部为软弱破碎岩 石( 泥岩、片岩) ，下卧软弱层可顺倾或反倾，一般形成错落，挤出型 滑坡或倒塌。此类典型的是川藏公路波戈溪滑坡，上覆厚达2 0 0r n 以 上的石灰岩，下伏软弱的千枚岩，在河流下切过程中沿结构面形成三 级错落，其前级为典型的堆积土滑坡，中部由于下卧千枚岩不足以承 受上部石灰岩的重压而下沉，进而形成挤出性滑坡。具体示意图如上 图2 。 在基座式上硬下软坡体结构中，上部的坚硬岩石在蠕变阶段会产 生错落，随即便有明显裂缝产生。若上部有和下部软岩咬合密切的独 立部分，在下部滑动过程中可能会带动上部一起滑动。所以在监测过 程中主要以观测裂缝的变形7 趋势为主：同时在坡体前缘可能会有软弱 破碎岩体挤出，随之使上部坚硬岩体明显下沉。所以，浅部变形监测 观测应成为这类坡体的主要监测内容。 ( 二) 层状坡体结构 1 顺倾层状结构 此结构由软硬岩石互层、夹层等组成的坡体，可形成顺层岩石滑 坡。当岩层缓倾于临空n ( o ，所以必须满足下面的不等 r 塑矿 一6 + r 塑矿 1 2 +， 唯 锄万 + = 厂 忙塑矿 = 肛生矿 一 = 加一冼 龟 件生矿 一 = 0 e 第三覃幂于b o t d r 应变膝测的延本腺理 式： 5 l r o 4 3 0 5 4 7 7( 2 9 ) 从实际光纤结构的微观研究可知，s i 0 4 四面体的尺寸约为3 5 a ，因 此可以取r o = 3 5 a ，由此数据可以算出入r o = 5 2 9 ，显然满足式( 2 1 ) ，说明 选择的势函数u ( r ) 还是合理的。 3 3 2 4 。的确定方法 为了反映光纤纵向应变将引起微小的横向收缩这一事实，不能再将 光纤视为由n 条准一维原子集团组成的链，必须考虑其结构的影响。 为此，可用一个简化的等效图来形象地描述这一事实。 。- 譬 ，； 一b f i 二c b a a ，。 ，tf x b 一旦一i ! c x l y 图2 k 的计算模型简图 如上图所示，a 、b 、c 为光纤内部的三个点，分别由3 可以伸缩 的“骨架”相连，b c 为纵向骨架，a c 为横向骨架，c 点为坐标原点 ( 可以视为光纤轴线上的一固定点) 。当b c 受到一个纵向力f y 时， 通过“骨架”在a c 方向上将产生横向力f x ，力保持平衡的条件是： t a n o = if xi i 毋i( 3 0 ) 在力的作用下，b c 和a c 间距发生变化，由于a b c 在变形中保持 “骨架 关系，于是要求： 讹e ：一b ：烘 ( 3 1 ) a a o ( 1 + ) ”7 甲地熙局一i 干至7 9 罕缈r ，l 所坝士孚世y 匕j l 对于f x 和f z ，显然有： 俐o c 一( 钳婚小每一够卜矽 州筑- o l t 扩d ；小) , ：+ t 。l 万、j 龟2 协唧婚) = 竿警 ( 3 2 ) 若e = 0 ，则由上几式可以得到b o a o = 1 3k ( o ) ，即b = b o a o k ( 0 ) 。于是 联立上述两式，解出k ( e ) 并保留到e 的一次项，再根据k 的定义式 便可以得到如下的a k 的计算式： a =( e - 1 )( 3 3 ) 可见只要求出了a e 便可以得到ak ，至此，四个参量均已经有确定 的分析方法了。 3 3 3 频移与光纤拉伸应变的关系验证 为验证这些确定方法，取一光纤的各参数采用上述理论方法得到频 移变化量，再与实验结果对比分析，看上述各参数确定方法是否满足 实际应用需求。 已知一石英光纤无应变时的各常数为n = 1 4 6 ，k = 0 1 7 ，p l 产o 1 2 ， p 1 2 = o 2 7 ，于是由式( 17 ) ，( 19 ) ，( 2 8 ) ，( 3 3 ) 分别可以得到a 。= o 2 2 和 a 。= 0 3 3 ，及e = 3 4 8 ，a k = o 2 4 ，即得到n + ，+ e + k = 3 8 3 ， 因此1 9b ( ) = u 0 ( ) ( 1 + 3 8 3 ) 。 此结果与t h o r i g u c h i 的实验结果基本吻合。由此计算结果还可以 看出，e 对布里渊散射频移变化的贡献权重是最大的，因此，在获得 由应变引起的布里渊频移信号时主要通过调制杨氏模量实现的，此结 论与很多国外的实验结论分析观点一致。 在一般情况下光线的应变大致为10 3 数量级，由上面的公式可以得 知aub ( ) ub ( 0 ) 4 枣10 一，而光纤中的ub ( 0 ) 通常为几十g h z 所以，由应变引起的布里渊频移变化aub ( ) 也在几十g h z 到 10 0 g h z 这一区间。 第三章基于b o t d r 应变监测的基本原理 由上面的讨论可以清楚的知道，在光纤的小应变情况下光纤中的 b r i l l o u i n 频移ub 与光纤的拉伸应变成很好的线性关系。而由应变引 起的b r i l l o u i n 频移增量aub 为几十m h z 的数量级，这一结论使我们 利用b r i l l o u i n 散射现象来做分布式小拉伸应变的监测成为可能。 3 3 4 温度与应变的同时监测( 频移分离技术) 在本文讨论的边坡监测工程中不涉及温度的监测，所以也不详细 讨论温度与频移和功率的关系，只是简单讨论一下温度与应变同时监 测的光纤多路复用技术的实现手段，及其发展历史过程。这对这种监 测手段的后续研究有一定的启示作用。 我们知道温度和应变均能引起频移的变化。就这一问题，我们没 有技术把由于应变产生的频移和由温度产生的频移区分开来。很多时 候温度变化引起的布里渊频移变化不是很大，常常被忽略温度的作用， 肯定，这样必然会造成对应变的监测误差。 早期对这个问题的处理方法是采用“补偿应变片的方法，即在 测试应变的光纤附近再放置一根没有应变的光纤对测试光纤进行温度 补偿，这样在所测得的布里渊频率变化中扣除由于温度所引起的布里 渊频率变化就可最终确定应变。这种方法在一定程度上可以消除测试 应变时温度引起的误差，但代价太大，不是最终的解决办法。 l9 9 7 年，t r p a r k e r 提出了在分布式光纤传感器的基础上利用布 里渊频率变化信号同时测量温度和应变。他在实验中发现对于标准的 单模通讯光纤存在如下的关系： a t ) 6 = c c a e + c r a t( 3 4 ) 式中，al jb 表示布里渊频移，表示产生的应变，t 表示温 度变化，系数c t = o 0 4 8 3 0 0 0 0 4 m h z l - t ，c 。= 1 10 0 0 2m h z k 。 布里渊频谱的功率可由下式给出： 最= a t u 6 2( 3 5 ) a 是常数，可以通过在光纤上已知应变和温度的部位的布旱渊频 移和功率来得到。这样对整个测试段的光纤，只要测得各处的布里渊 功率和频移就可以通过上两式得到测试段上各处的温度和应变分布。 19 9 9 年，j e f f s m i t h 等人在t r p a r k e r 的基础上对其理论和实验进 行了改进，提出了一种新的技术，也即在本节概述中提到的( 1 ) 、( 2 ) 两式。理论上，求解( 1 ) 、( 2 ) 两式就可以得到光纤的温度和应变，可实 际的应用过程中影响因素不止应变和温度，比如弯曲损耗，接头，绞 3 5 中国地震局t 程力学研究所硕士学位论文 接，耦合或者附加光纤都会导致功率的变化，连续波的波动，激光脉 冲的波动以及脉冲宽度的波动也会影响到布里渊峰值功率。极化也是 影响功率测试的一个很不利因素，目前采用的保偏光纤是克服极化的 好办法。 在保偏光纤上，如果某位置的应变和温度已知，那么由于衰减、 波动、极化等因素引起的功率变化也就知道。把布里渊功率规一化， p b n = p b p n ，p n 是参考位置的功率，于是光纤应变和温度可同时由下面 的式子求出： 嘲+ 趣箍掣8 p b - u ， 2 n + 彘万ta 丁魔 ( d b - o n ) 一堡o t 丁 加 a ( 3 7 ) 其中，n 表示参考位置，p o n = p b n ( e = 8n , t = t n