基于地下水位与位移监测的边坡动态稳定性系数测定方法

摘要

本发明公开了一种基于地下水位变化和位移监测数据，测定该类边坡动态稳定性系数的方法与技术，将滑坡形成的动因和机理与位移响应信息变化及其评价方法进行耦合交叉，通过建立非线性卸加载响应比参数预测模型进而建立一种基于地下水位与位移变化的边坡稳定性系数测定方法，该滑坡位移预测方法改变了传统位移时序预测法仅仅选取滑坡位移或位移速率作为监测和评价参数的思路，提出将滑坡地下水位与位移或位移速率进行同时监测和整合，以此确定滑坡地下水位与位移或位移速率的耦合集成动力预测参数与评价方法；该方法不仅可克服静态极限力学评价法无法分析和评价边坡稳定性随时间的变化规律的局限，同时又可克服传统位移时序预测方法无法分析和评价滑坡形成机理与动因的弊端。

说明书

技术领域

本发明属于水诱发型滑坡动态稳定性定量评价与防治领域，具体涉及一种基于地下水位变化和位移监测数据，测定该类边坡动态稳定性系数的方法与技术。 

背景技术

滑坡是当前自然灾害与环境科学领域中的重要研究内容，从地质灾害的角度看，滑坡是一种常见频发、分布广泛且具有极大危害的地质灾害，常常给国民经济建设和人民生命财产都带来巨大的损失。众所周知，地下水环境变化是触发滑坡的最主要形成机理与动因。据统计，由降雨引起地下水环境变化诱发的滑坡占滑坡总数的70％。近年来，随着水利工程的发展，特别是长江三峡工程的建设与蓄水，库水位的变化引起地下水环境变化而形成的滑坡也备受关注，因此，如何科学有效对该类水诱发型边坡进行准确的稳定性评价及预警将具有重要的科学意义和工程应用价值。 

边坡稳定性评价的核心问题是评价方法的选取与稳定性判据的确定。目前，在边坡稳定性评价和滑坡地质灾害监测预警与防治方法中，最广泛采用的预测评价方法为极限平衡力学评价法和位移时序预测法。极限平衡评价方法是建立在边坡失稳机理与受力条件清晰明确基础上的力学评价模型，具有明确的失稳判据，即稳定系数Fs＝1，用边坡实际稳定系数是否大于等于1或大于1的程度来判别边坡是否稳定和稳定程度。但极限平衡的评价方法所建立的模型是无时间参数的静态评价模型，而且该类方法需要首先准确确定各种物理力学参数与滑移边界条件，因此无法运用静态评价方法对降雨型滑坡的稳定性进行动态评价与监测预警，而且在边坡稳定性评价中，特别在大型复杂坡体结构与物质组成的边坡稳定性评价中要准确量测出这些物理力学参数与滑移边界条件还存在很大困难，或者根本做不到，从而易使其评价结果失真或引起误判。与极限平衡评价法相比，位移时序预测方法是以滑坡位移监测为基础、以位移参数(位移、位移速率、位移加速率)及其变化作为边坡稳定与否和稳定程度的预测参数与评价准则。其位移(变形)监测具有精度高、易实施，且反映边坡稳定性状态综合直观等优点，所以该类方法在某种程度克服了极限平衡力学法的不足与局限，并已在我国重大工程滑坡区域得到了广泛的应用且发挥了重要作用。但位移时序预测方法反映了滑坡变形随时间的变化趋势与规律，多数是基于数理统计规律的位移表观数学评价模型，所 以该类评价模型一般只能解释滑坡变形位移过程与规律，而解释不了引起滑坡的变形与失稳的形成机理与力学动因，且没有稳定统一的失稳判据，虽有成功监测的案例，但由于时间序列分析的所得规律不是基于机理，其预测结果往往带有很大的或然性。 

发明内容

为了克服现有技术领域存在的上述问题，本发明的目的在于，提供一种基于地下水位与位移监测的边坡动态稳定性系数测定方法，特提出将滑坡地下水位与位移或位移速率进行同时监测和整合，以此确定和建立滑坡地下水位与位移或位移速率的耦合集成动力预测参数，并运用损伤力学的基本原理，找到该动力预测参数与传统稳定性评价方法中稳定性系数的定量关系。 

本发明提供的一种基于地下水位与位移监测的边坡动态稳定性系数测定方法，它包括以下具体步骤： 

(1)监测边坡地下水位与位移基本数据 

①监测仪器：地下水位监测设备：a、压力式水位计，b、气压补偿装置；边坡位移监测设备：无线GPS位移监测设备(见图2)； 

②在监测边坡的主滑面对应坡面布置监测点，按照坡面实际地形在后缘破裂壁到前缘剪出口坡面等距离布设坡面位移变化的N个监测点，N为大于或等于1的整数；在监测滑坡体以外稳定的基岩或无变形的区域布置位移监测基准点，不少于3个，形成控制网； 

③地下水位监测方法：在边坡选定的监测点位置进行钻孔，钻孔深度应到达基岩面或者历年地下水位以下，在钻孔底部设置压力式水位计，并在坡面上同时设置额外的气压补偿装置，共同监测地下水位的变化； 

④边坡位移监测方法：在位移监测基准点位置和边坡钻孔监测点位置布设无线GPS位移监测设备；保证埋设的边坡位移变化监测设备与滑坡体表层紧密结合，对监测点水平、垂直位移变化值进行监测； 

⑤以一定时间间隔精度对滑坡地下水位与位移进行实时监测，同时记录地下水位与位移监测数据，并通过边坡场地数据信号收集器对监测数据传输到远程监测室，对监测数据进行分类预处理。 

(2)滑坡地下水动力卸加载参数和位移响应参数的确定 

①地下水位卸加载参数的确定 

根据监测数据确定滑坡的统计分析与预测周期，并以统计分析与预测周期为基础预测单位统 计滑坡某月地下水位H_i和前月地下水位H_i-1的差值ΔH： 

ΔH＝H_i-Hi_-1    公式(1) 

将公式(1)中ΔH作为水动力卸加载标准。当ΔH＞0时，判定对滑坡是加载；当ΔH＜0时，判定对滑坡是卸载；将ΔH分别按每个卸加载周期的卸加载正负值进行统计并取其平均值，可分别得到卸加载序列的地下水位卸加载参数和.

②位移卸加载响应参数的确定 

在单位统计分析与预测周期内，其滑坡的卸加载位移响应参数则是以位移加速度a等于零为基准，小于零的为卸载响应值，大于零为加载响应值，将边坡位移加速度分别按卸加载响应正负值进行统计并取均值，可得到卸加载序列的位移加速度响应均值和

(3)滑坡地下水动力卸加载位移响应比参数的确定 

①滑坡卸加载响应率的确定 

基于现代非线性科学理论，将边坡位移加速度卸载响应均值与其相应的地下水位卸载均值之比确定为边坡动力卸载位移响应率χ_-，将边坡位移加速度加载响应均值与其相应的地下水位加载均值之比确定为边坡动力加载位移响应率χ₊，即： 

${\chi }_{-}=\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{-}}{\Delta M_{-}}=\frac{{\bar{a}}_{-}}{{\overline{\mathrm{\Delta H}}}_{-}}$  公式(2) 

${\chi }_{+}=\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{+}}{\Delta M_{+}}=\frac{{\bar{a}}_{+}}{{\overline{\mathrm{\Delta H}}}_{+}}$  公式(3) 

②滑坡地下水动力卸加载位移响应比参数的确定 

根据公式(2)和公式(3)及卸加载响应比的定义，可确定边坡地下水位动力卸加载位移响应比参数为： 

$\gamma =\frac{{\chi }_{-}}{{\chi }_{+}}=\left(\frac{\Delta R_{-}}{\Delta M_{-}}\right)/\left(\frac{\Delta R_{+}}{\Delta M_{+}}\right)=\left(\frac{{\bar{a}}_{-}}{{\overline{\mathrm{\Delta H}}}_{-}}\right)/\left(\frac{{\bar{a}}_{+}}{{\overline{\mathrm{\Delta H}}}_{+}}\right)$  公式(4) 

(4)水诱发型滑坡动态稳定性系数的确定 

①边坡损伤变量与卸加载响应比参数定量关系的确定 

依据本发明原理(2)，其损伤变量D和卸加载响应比参数的定量关系如下： 

D_t＝1-γ_t    公式(5) 

公式(5)表明岩土体材料的卸加载响应比γ与其损伤变量D之间存在一一对应的定量关 系。 

②水诱发型滑坡动态稳定性系数的确定 

根据边坡工程中损伤变量与极限平衡评价法确定的稳定性系数的定量关系和公式 

(5)可以确定水诱发型滑坡动态稳定性系数为： 

$F_t=\frac{1}{1-{\gamma }_t}$  公式(6) 

式(6)表明，卸加载响应比与边坡稳定系数之间存在着一一的对应关系。 

(5)水诱发型滑坡失稳预警判据的确定 

在滑坡防治及其工程勘察设计的实际工作中，通常给稳定性系数设定一个安全储备得到一个安全系数K作为其稳定性与否的判据。依据边坡稳定性重要程度和边坡地质条件复杂程度及《地质灾害防治工程勘察规范》(DB50/143-2003)和《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)等规范，可综合确定坡的稳定性安全系数K，如K＝1.3、1.25、1.15等；通过对上述步骤中确定的边坡动态稳定性系数F_t与传统安全系数K比较，可以快速、准确的对水诱发型边坡进行稳定性的动态预警评价和治理设计，即当F_t≥K时，边坡处于稳定状态；当F_t≤k时，边坡处于不稳定状态。 

本发明的基本原理如下： 

1、卸加载响应比参数的定义 

现代非线性科学理论认为，同一事物，处于不同的发展演化阶段，其对外界扰动的响应是不一样的。如果将滑坡发展演化过程中可能遭受的各种外界因素，如降雨、库水位变动、人类工程活动等通称为广义荷载作用，并用M来表示；将斜坡经受广义荷载作用后所产生的响应(如位移、应变、声发射等状态变量)定义为R，则广义荷载与系统响应之间的关系见附图3。设荷载增量为ΔM时，所对应的响应增量为ΔR，定义响应率χ为： 

$\chi =\underset{\mathrm{\Delta M}\to 0}{\lim }\frac{\mathrm{\Delta R}}{\mathrm{\Delta M}}$    公式(7) 

令χ_-与χ₊分别代表卸载与加载响应率。荷载很小时系统处于稳定状态，这时其R和M之间为线性或近似线性关系，加载时的响应率χ₊与卸载时的响应率χ_-基本相等；如果荷载不断增大，逐渐接近临界值Mcr，即系统趋于不稳定时，其响应率随荷载增大而不断增大；当系统失稳时，X_+→∞。这说明，当系统临近失稳时，即使是极其微小的荷载作用都会使系统 产生剧烈的响应。因此对非线性系统进行加载即使荷载增量保持不变由于系统的稳定状态不一样其响应率也会有很大差别，响应率越大系统越接近失稳。为了找出更一般的规律，定义卸加载响应比： 

$\gamma =\frac{{\chi }_{-}}{{\chi }_{+}}=\underset{\mathrm{\Delta M}\to 0}{\lim }\left(\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{-}}{{\mathrm{\Delta M}}_{-}}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\Delta R}}_{+}}{{\mathrm{\Delta M}}_{+}}\right)$    公式(8) 

式中：ΔR_-和ΔR₊分别为卸载响应增量和加载响应增量；ΔM_-和ΔM₊分别为卸载增量和加载增量。对于弹性系统，χ₊＝χ_-＝c，所以γ＝1；但对于非线性系统，γ值则随系统稳定状态不同而变化。当系统处于稳定状态时，γ＝1；当系统偏离稳态时，γ＜1；当系统失稳时，γ→0。因此γ值可以定量的刻画非线性系统的稳定性程度，也可以作为非线性系统失稳预报的判据。 

2、损伤变量与卸加载响应比参数的定量关系从损伤力学的角度看，滑坡的孕育过程就是坡体材料的损伤演化过程。在损伤力学中，损伤过程与损伤程度可以运用损伤变量D来定量刻画与描述，其大小被定义为材料的变形模量E的变化率，即： 

$D=\frac{E_o-E}{E_o}=1-\frac{E}{E_o}$  公式(9) 

式中E₀为初始状态(未损伤)的模量，E为受损伤的模量。材料未损伤时，E＝E₀，D＝0；材料完全破坏时，E＝0，D＝1。 

本发明运用的卸加载响应比即是卸载阶段坡体的应变和应力之比与加载阶段坡体的应变和应力之比的比值。即 

$\gamma =\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{-}/{\mathrm{\Delta \sigma }}_{-}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{+}/{\mathrm{\Delta \sigma }}_{+}}=\frac{1/E_{-}}{1/E_{+}}=\frac{E_{+}}{E_{-}}---\left(10\right)$

考虑到材料在卸载时的模量一般近似等于初始弹性模量E₀，即E_-＝E₀，而E₊＝E，于是有： 

$D=1-\frac{E}{E_0}=1-\gamma$  公式(11) 

当γ＝1时，D＝0；说明材料未受损伤，处于稳定状态；当γ→0时，D＝1；说明材料完全损伤。 

3、损伤变量与稳定性系数的定量关系 边坡岩土体的剪切破坏实质上是岩土体的结构损伤导致其力学性质变化的最终形式，在对边坡岩土体损伤过程的研究中抗剪强度是比较敏感且易测量的因素。当部分岩土体达到其抗剪强度时，即发生部分破坏而整体表现稳定；当边坡岩土体完全达到其抗剪强度时，坡体发生完全破坏。因此，可以从岩土体强度破坏意义上定义损伤变量D，为边坡潜在滑移面上岩土体的剪切应力大于抗剪强度时的破坏概率，描述的是边坡岩土体的破坏程度。在边坡稳定性极限平衡法评价中，稳定性系数通常被定义为边坡潜在滑移面上的抗滑力与下滑力之比，描述的是边坡的稳定性程度。因此，在边坡工程中边坡稳定性系数可定义为极限损伤变量D_lim与边坡任意时刻损伤变量D_t之比，即： 

$F_t=\frac{D_{\lim }}{D_t}$    公式(12) 

式(12)中：D_t为t时刻的损伤变量，D_lim为极限损伤变量取1。 

本发明提供的一种基于地下水位与位移监测的边坡动态稳定性系数测定方法，其有益效果在于，将滑坡地下水位的变化与滑坡位移响应信息变化及其评价方法进行了有机耦合，有效合理的确定了边坡的动态稳定性系数，并依此可对边坡动态稳定性演化规律进行合理的分析与评价，既克服了传统极限平衡力学评价法很难准确确定滑坡物理力学参数与边界条件等而带来误判或错判，同时又解决了传统位移时序预测方法无法定量描述滑坡动力作用机理且无稳定统一失稳判据等问题。 

附图说明

图1是本发明的边坡动态稳定性系数确定流程图； 

图2是本发明的边坡地下水和位移监测点及监测收集处理设备示意图，其中1为压力式水位计，2为气压补偿装置，3为位移监测点，4为位移变化监测设备，5为监测基准点及设备，6为数据采集设备，7为远程监测室； 

图3是本发明的边坡演化过程中广义荷载与系统响应的关系图； 

图4是本发明实施例的某边坡及其监测点示意图； 

图5是本发明实施例的某边坡F点卸加载响应比曲线图； 

图6是本发明实施例的某边坡F点稳定性系数曲线图。 

具体实施方式

下面参照附图，结合实施例，对本发明提供的基于地下水位与位移监测的边坡动态稳定性系数测定方法，进行详细的说明。 

实施例 

为了更好地阐述本发明，下面结合附图以某水诱发型堆积层滑坡为实施例进一步详细说明，该堆积层滑坡的滑坡面积为0.73km²，体积约3×10⁷m³，堆积物以崩(坡)积碎块石夹粘土为主，下伏基岩面为志留系砂、页岩，形态比较复杂，在地下水环境变化的作用下于1985年6月12日发生了破坏。本实施例滑坡的监测时间为1978年1月至滑坡失稳破坏，本发明的边坡动态稳定性系数确定流程如图1所示，具体实施步骤如下： 

第一步：监测边坡地下水位与位移基本数据 

①监测仪器：地下水位监测设备：a、压力式水位计，b、气压补偿装置；边坡位移监测设备：无线GPS位移监测设备(见图2)； 

②根据该滑坡主滑区及后缘拉张裂缝、剪出口等关键位置与特征以及滑坡带状分布与基岩出露于两侧的情况，在坡体上选取F点，(见图4)，F点作为分析目标监测点并设置位移基准点。 

③在滑坡选定的监测点F位置的钻孔底部设置压力式水位计，监测地下水位的变化；在位移监测基准点位置和边坡钻孔监测点位置布设无线GPS位移监测设备，监测基准点的滑坡位移速率。 

④以月为时间间隔同步同周期通过边坡场地数据信号收集器对滑坡的位移和地下水监测数据进行数据传输到远程监测室，在监测室每隔一段时间用Excel等批处理软件进行监测数据的预处理，得到地下水位值(见表1)、边坡位移速率值和加速度值(见表2-3)。 

第二步：确定滑坡地下水动力卸加载参数和位移响应参数 

1)地下水位卸加载参数的确定 

根据上述该滑坡区地下水位的监测资料，确定滑坡的统计分析与预测周期为一年，以一个卸加载周期的某月地下水位H_i和前月地下水位H_i-1的差值ΔH为依据，当ΔH＜0时判定为卸载，ΔH＞0时判定为加载，因此就得到了一个地下水作用周期的卸加载月份和卸加载区间，根据水动力卸加载区间，将ΔH分别按每个卸加载周期年的卸加载正负值统计并取其均值，可分别的到地下水位的卸加载序列和 (见表4)。 

2)位移卸加载响应参数的确定 

在单位统计分析与预测周期内，其滑坡的卸加载位移响应参数则是以位移加速度a等于零为基准，小于零的为卸载响应值，大于零为加载响应值。将边坡位移加速度分别按卸加载响应正负值进行统计并取均值，可得到卸加载序列的位移加速度响应均值和 (见表4)。 

表1某滑坡地下水位数据表(单位：mm) 

表2某滑坡F点月位移速率(单位：mm/s) 

表3某滑坡F点月位移加速率(单位：mm/s2) 

表4某滑坡F点的卸加载参数和卸加载响应参数 

注：卸加载参数单位为mm；位移响应值单位为mm/月2。 

第三步：滑坡地下水动力卸加载位移响应比参数的确定 

将表4中序列代入堆积层滑坡卸加载响应比预测模型公式(4)中，得到新滩滑坡监测点F的卸加载响应比时间序列(见表5)及卸加载响应比时间曲线图(见图5)。 

表5某滑坡F点的卸加载响应比值 

第四步：滑坡动态稳定性系数的确定 

1)边坡损伤变量与卸加载响应比参数定量关系的确定 

依据步骤二中边坡的卸加载响应比参数及边坡损伤变量D和卸加载响应比参数的定量关系D_t＝1-γ_t可以得到边坡的损失变量如表6： 

表6：某滑坡F点的损伤变量值 

2)水诱发型滑坡动态稳定性系数的确定 

根据边坡工程中损伤变量与稳定性系数的定量关系(见原理3)和公式(5)可以确定水诱发型滑坡动态稳定性系数的大小(见表7)及稳定性系数时序曲线图(见图6)： 

表7：某滑坡F点的稳定性系数 

第五步：水诱发型滑坡失稳预警判据的确定在滑坡防治及其工程勘察设计的实际工作中，通常给稳定性系数设定一个安全储备得到一个安全系数K作为其稳定性与否的判据。依据边坡稳定性重要程度和边坡地质条件复杂程度及《地质灾害防治工程勘察规范》(DB50/143-2003)和《水利水电工程边坡设计规范》(SL386-2007)等规范，可综合确定坡的稳定性安全系数K＝1.25。通过对上述步骤中确定的边坡动态稳定性系数F_t与传统安全系数K＝1.25比较，可以快速、准确的对水诱发型边坡进行稳定性的动态预警评价和治理设计。 

根据步骤四中求出的F点边坡稳定性系数可以得出：该边坡在1978年到1984年期间稳定性系数逐渐降低，但均大于边坡设计安全系数K＝1.25，说明该边坡稳定性一直降低但处于稳定状态；1984年到1985年期间边坡的稳定性系数突然降低且小于设计安全系数K＝1.25，说明该边坡此期间发生了较大的损伤破坏并最终破坏失稳。上述对该实际边坡稳定性系数的计算分析结果与边坡实际位移和失稳规律基本吻合，表明运用该非线性动力卸加载响应比参数所确定的边坡稳定性系数和失稳预警判据是行之有效的，具有较强的预测预报功能和实用价值。