湯羅圣，殷坤龍，陳麗霞

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢430074;2.中國地質(zhì)大學(武漢)地球物理與空間學院，湖北武漢430074)

0 前言

滑坡穩(wěn)定性評價方法目前主要有極限平衡法、概率分析方法和有限元法，國內(nèi)外很多學者對其進行了研究。例如祝輝等［1］、鄭曉晶等［2］、廖武堅［3］采用傳遞系數(shù)法、Morgenstern-Price法等極限平衡法對滑坡在降雨、庫水位等作用下的穩(wěn)定性及相應的防治對策進行了研究。周春梅等［4］、湯羅圣等［5］、肖莉麗等［6］基于蒙特卡洛法，采用剩余推力法的原理對滑坡在各種工況條件下的破壞概率進行了探討，并對滑坡的危險性進行了評價。黃顯貴等［7］、李紅衛(wèi)等［8］運用有限元強度折減法理論，采用FLAC3D等數(shù)值模擬軟件對滑坡在地下水等因素作用下的穩(wěn)定性系數(shù)及穩(wěn)定性評價方法進行了研究。

雖然以上研究已取得了很多成果，但是這些方法都僅從力學的角度出發(fā)，而很少從滑坡的實際變形角度來考慮。為此，在運用Morgenstern-Price法、蒙特卡洛－破壞概率方法和強度折減法從二維和三維的角度計算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)和破壞概率的基礎(chǔ)上，提出了考慮滑坡位移監(jiān)測的R/S分析方法對滑坡穩(wěn)定性進行綜合評價。以三峽庫區(qū)青龍咀滑坡為例，采用上述四種方法對該滑坡穩(wěn)定性進行綜合評價。

1 R/S分析方法簡介

R/S分析方法最早是由H E Hurst提出來的［9－12］，其剛開始主要運用于分形理論方面，后經(jīng)B B Mandelbrot等人的不斷完善，使該分析方法在許多方面應用得越來越廣泛，滑坡時間預測預報就是其中一方面。其基本原理如下。

對于某一時間序列{ξ(t)}(t=1，2，3…)，則在時間τ內(nèi)該時間序列的均值為:

時刻t的累計離差為:

極差為:

標準差為:

統(tǒng)計規(guī)律表明:

式中:k為比例參數(shù)，H為赫斯特指數(shù)。由式(5)可知赫斯特指數(shù)H為ln(R/S)－ln()雙對數(shù)坐標中線性趨勢線的斜率。

H E Hurst及其他學者研究證明:

(1)如果{ξ(t)}是相互獨立，則H=1/2。

(2)如果H＞1/2，則所研究的時間序列是相關(guān)的，說明時間序列所代表的過程具有持久性，事物所處狀態(tài)不發(fā)生變化，H越偏離1/2，隨機成分越少。

(3)如果0＜H＜1/2，說明時間序列所代表的過程具有反持久性，事物狀態(tài)發(fā)生向相反方向轉(zhuǎn)變，H越接近0，隨機成分越少。

2 滑坡實例簡介－青龍咀滑坡

2.1 滑坡概述

該滑坡位于三峽庫區(qū)云陽縣巴陽鎮(zhèn)婁子村2組，巴陽溪左岸斜坡中下部。斜坡構(gòu)造上處于黃柏溪向斜西北翼、鐵峰山背斜南東翼。斜坡形態(tài)平直，沿南西方向展布的反向斜坡，屬低山丘陵剝蝕地貌。

滑體左側(cè)以沖溝為界，右側(cè)邊界以沖溝和巖層節(jié)理面為界，后緣以陡壁為界，前緣以堆積層與基巖為界。平面形態(tài)呈舌形，剖面形態(tài)呈凸形?；麦w前緣高程179 m，后緣高程323 m?；轮星安科露容^陡，大概30°左右，中后部稍緩，大約21°左右?；麦w主滑方向265°，滑坡長約440 m，寬約400 m，土層平均厚度20 m，滑坡面積為17.6×104m2，滑體總變形規(guī)模352萬m3，屬二級大型土質(zhì)滑坡(圖1)。

圖1 滑坡平面圖

2.2 滑坡物質(zhì)組成

滑坡體物質(zhì)主要由第四系全新統(tǒng)崩坡積粘性土夾碎塊石土組成，粘性土呈可塑狀，碎塊石含量占15%～30%，直徑一般在10～50 cm，結(jié)構(gòu)松散。

滑坡位于斜面坡體的中下部，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，屬崩坡積層下伏基巖面滑面，其滑動主要沿著第四系堆積體與下伏基巖面發(fā)育，形成以該界面形態(tài)為主的滑面。

滑坡屬第四系土層沿基巖面的線性滑坡，滑床為侏羅系中統(tǒng)(J2s)紫紅色、灰白色砂巖，巖層產(chǎn)狀115°∠7°，巖體節(jié)理裂隙、風化裂隙發(fā)育(圖2)。

圖2 滑坡剖面圖

2.3 滑坡變形監(jiān)測情況

該滑坡共有GPS樁5個，其中變形監(jiān)測點3個，另外2個為布置在滑坡體外穩(wěn)定巖層上的基準點(見圖1)。由于監(jiān)測資料有限，本文這里選取2007年1月～2009年10月的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，滑坡三個變形監(jiān)測點這段時間的累積位移－時間曲線如圖3所示。

圖3 滑坡累積位移－時間曲線

3 滑坡穩(wěn)定性評價

3.1 計算工況及抗剪強度參數(shù)選取

為了采用以下方法對滑坡穩(wěn)定性進行綜合評價，而監(jiān)測數(shù)據(jù)只有2007年1月－2009年10月這段時間的，所以這里選取的工況為滑坡2009年10月所處的實際工況。根據(jù)三峽水庫水位調(diào)度情況可知，此時壩前庫水位高度大約為159 m，所以本文的計算工況為:自重+壩前159 m水位。

根據(jù)基于工程地質(zhì)類比方法及三峽庫區(qū)二期項目中的區(qū)域統(tǒng)計成果［13－14］，得到了該滑坡抗剪強度參數(shù)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均服從正態(tài)分布，其具體值如表1所示。

表1 滑坡抗剪強度參數(shù)概率分布

3.2 穩(wěn)定性計算

結(jié)合滑坡實際變形情況、區(qū)域統(tǒng)計規(guī)律及參數(shù)反演分析，這里穩(wěn)定性計算時采用的抗剪強度參數(shù)值如表2所示。

表2 滑坡抗剪強度參數(shù)

3.2.1 二維滑坡穩(wěn)定性計算

采用Geostuido中的slpoe/w模塊對該滑坡的二維穩(wěn)定性進行計算，其條塊劃分及滑坡滲流場如圖4所示。

圖4 滑坡條塊劃分及滲流場

采用slope/w中的Morgenstern-Price法進行穩(wěn)定性計算，最后計算得到該滑坡的穩(wěn)定性為1.06。

3.2.2 三維滑坡穩(wěn)定性計算

采用大型通用有限元軟件ANSYS 10.0的前處理模塊建立該滑坡的三維地質(zhì)模型，滑坡地表通過點、線、面的生成順序，依次建成，滑動面的生成，主要依據(jù)Ⅰ-Ⅰ剖面，空間剖面數(shù)據(jù)采用自動差值方法進行讀數(shù)?；碌娜S地質(zhì)模型如圖5所示。

圖5 滑坡三維地質(zhì)模型

采用有限元強度折減法，運用FLAC3D軟件進行計算，得到該滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.21。

3.2.3 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

從二維和三維滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，其穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，共同說明滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)這一結(jié)論的正確性。而對于兩種計算結(jié)果的區(qū)別，三維情況下計算的結(jié)果更具有說服力，因為二維情況下考慮的穩(wěn)定性僅僅是滑坡的主剖面。從兩者的對比可知，其穩(wěn)定性系數(shù)相差還比較大，特別對于滑坡設(shè)計方面。因此，對于目前規(guī)范推薦的二維穩(wěn)定性計算方法有必要進行進一步探討。

3.3 破壞概率

考慮到滑坡在自重+壩前159 m水位工況條件下模擬的該滑坡滑帶大部分地下水位線以下，這里進行破壞概率計算時其抗剪強度參數(shù)選取表1中飽和強度的概率分布來進行計算。

采用Geostudio中的slope/w進行計算，得到了該滑坡在所選工況下的穩(wěn)定性系數(shù)概率分布圖和其破壞概率(圖6)，由圖6可知該滑坡的破壞概率為50.88%。

圖6 滑坡穩(wěn)定性系數(shù)分布密度

3.4 R/S分析

采用公式①～⑤，并結(jié)合滑坡3個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了滑坡2007年、2008年和2009年3年的Hurst指數(shù)值，具體如表3所示。

表3 滑坡Hurst指數(shù)值一覽表

3.5 滑坡穩(wěn)定性綜合評價

從滑坡二維和三維穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，其穩(wěn)定性系數(shù)均大于1，說明滑坡無論是整體還是局部均處于穩(wěn)定狀態(tài);而依據(jù)邊坡穩(wěn)定程度分級表4可知，滑坡破壞概率在30%～60%之間，說明此時滑坡的危險性為中等;從滑坡位移R/S分析結(jié)果可知，滑坡的Hurst指數(shù)值均大于0.5，說明滑坡2007－2009年這3年一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，與穩(wěn)定性計算結(jié)果一致，正好相互驗證了結(jié)果的準確性。所以總的來說，在選取計算工況條件下該滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，危險性為中等。

表4 邊坡穩(wěn)定程度分級［15］

4 結(jié)論

通過以上研究，得到以下結(jié)論:

(1)在選取工況條件下，青龍咀滑坡二維和三維穩(wěn)定性計算結(jié)果分別為1.06和1.21。

(2)滑坡在選取工況條件下的破壞概率為50.88%。

(3)由滑坡位移時間序列R/S分析結(jié)果可知，滑坡三個監(jiān)測點在2007－2009年3年的Hurst指數(shù)值均大于0.5，說明滑坡這段時間一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)穩(wěn)定性計算結(jié)果與R/S分析結(jié)果具有一致性，正好相互驗證了各自的準確性。

(5)由上述四種滑坡穩(wěn)定性評價方法得到該滑坡的綜合評價結(jié)果為:該滑坡在計算工況條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)，其危險性為中等。

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