倾倒变形体边坡变形监测与预警实例分析

王海军， 冯 立， 李光伟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

倾倒变形体是因为边坡内部存在一组倾角很陡的结构面，将边坡岩体切割成许多平行的块体，而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯曲和倒塌，是岩质边坡破坏的主要模式之一。随着人类工程活动的日益频繁及范围的扩大，在水利水电、矿山、铁路、公路等方面都出现了大量倾倒变形体边坡，这些边坡的稳定性状态不仅涉及到工程本身的安全，同时也涉及到其周围整体环境的安全[1-3]。因此对倾倒变形体边坡的正确认识、合理设计、准确预测预报，避免或减小倾倒变形体边坡变形失稳破坏所造成的灾害和损失，是工程技术人员必须引起重视的问题。

倾倒破坏一般发育于地表临空面附近的坡体浅部，倾倒变形体的稳定性主要受其倾倒变形的程度所控制，其外变形体周边的条件以及坡体内部的层面、结构面的性状、地下水等因素也在一定程度上影响着倾倒变形体的稳定性。由于边坡工程的地质条件复杂多变，要在工程设计阶段准确无误地预测岩土体的基本状况及其在施工、运行过程中的变化，目前还存在很大困难。因此边坡工程安全不仅依赖于合理的工程设计、施工、运行，而且取决于贯穿在工程设计、施工和运行的安全监测。

大多数的倾倒变形体边坡失稳都能够从前期监测数据中得到体现[4-5]，通过外观监测数据，即位移量、合位移方向等，能够直观地反映出边坡的失稳过程[6]。因此通过高频次的外观数据来对不稳定倾倒变形体边坡进行安全稳定评价，是一种有效的预警预报手段。

本文通过对西藏某水电站导流明渠右岸边坡的变形监测，预警到边坡整体失稳过程，对此倾倒变形体边坡工程监测实例加以深入分析，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

西藏某水电站所处河流流向呈N50°E，河谷呈“U”型宽谷，河谷宽约50～80 m。右岸岸坡残留Ⅱ级阶地，阶地高程3 255～3 256 m，阶地下部为基岩陡坎；内侧山体较雄厚，坡度35°～40°，在高程3 300～3 310 m间分布有宽约20～50 m的缓坡平台。

水电站的导流明渠边坡位于右岸坝肩上游段，坡顶高程3 300 m，坡高约100 m。边坡岩体主要为变质砂岩、硅质板岩和绢云母石英片岩，呈薄层状不等厚互层，岩层走向为陡倾坡内。边坡于2014年6月开挖，2015年1月下旬开挖完成，除高程3 205～3 233 m段开挖边坡未支护外，其余边坡已经全部进行系统支护，并且分别在高程为3 250 m、3 261 m和3 267 m处布置三排锚索，其中2号公路以上为系统支护公路边坡。

2015年1月中旬，施工区经历雨雪天气后，1月21日现场巡视发现高程3 240～3 308 m范围内多处出现横向拉裂缝，裂缝长度由数米到数十米不等，裂缝宽度1～4 cm，呈间断连续状。1月23日开始布置外观监测点，在变形边坡上分3个断面，修建了18个变形监测点，边坡监测点布置见图1。1月25日取得初始值，1月26日至1月31日每天观测2次，2月1日后，观测频次加密至每2 h观测一次。1月29日边坡高高程监测点首先出现平面合位移量加大，位移速率从6.5 mm/d变为11.2 mm/d，1月29日到2月3日期间，位移速率以5 mm/d左右的速度递增，2月3日已达到24.6 mm/d。监测单位连续发出滑坡预警，2月3日零点至2月4日零点，位移速率陡增至6 mm/h，2月4日8 ∶50左右，边坡发生失稳破坏。边坡变形破坏的范围为：上下游长约200 m，高度约100 m，平均厚度约20 m，方量约为30～35万 m3。边坡失稳破坏面貌见图2。

图1 导流明渠上游段边坡监测布置示意

图2 导流明渠上游段边坡失稳破坏面貌

2 失稳破坏的机理分析

导流明渠右岸边坡变形破坏是在特定的自然与地质环境条件下形成和发生的，其机制为上部卸荷拉裂-中部倾倒折断-下部下坐垮塌。边坡之所以发生失稳破坏并不是单纯受重力而向临空方向倾倒的结果，而是受到多种因素的影响，这些因素既包括外部地质环境条件，也包括岩体内部条件，而且这些因素之间是相互作用、相互影响的。

边坡变形破坏的岩体内部因素主要为：

(1)边坡的岸坡组成为陡倾坡内的薄层状岩体，层面产状与岸坡小角度相交，边坡易向外发生弯曲、倾倒。

(2)边坡岩性主要为薄层状～中厚层状的变质砂岩、硅质板岩和绢云母石英片岩组成，岩块强度总体为较软～中硬岩，总体强度较低。

(3)边坡内主要发育三组裂隙，在局部形成不利于边坡稳定的不利组合。三组裂隙分别为EW/S∠50°～70°，与岸坡小角度相交，陡倾坡内；SN /E(W)∠80°～85°，垂直层面发育，与岸坡大角度相交，延伸一般3～10 m，间距10～30 cm； N50°～60°W /NE∠40°～45°，与岸坡小角度相交，延伸一般3～10 m，间距30～100 cm。另外，2号公路内侧坡及开口线附近发育f8小断层，产状近EW/S∠70°，断层呈东西向延伸，长约630 m，属Ⅲ级结构面。断层破碎带及影响带宽度约为1～3 m，主要由含炭质硅质板岩经强烈变形后形成的密集劈理及石英脉透镜体组成。

(4)边坡的岩体内随机发育规模大小不等的数条构造带，破坏了边坡岩体的完整性。

边坡变形破坏的环境因素为：

(1)冰雪融水是诱发山体变形的主要因素之一，水沿地表裂缝入渗，降低了岩体的物理力学强度。同时昼夜正负温的交替作用，裂隙水的反复冻融均会导致边坡出现较大的变形。

(2)边坡岩体在自然条件下，岩体本身存在卸荷倾倒现象，边坡开挖会造成其应力调整，产生倾向坡外的拉应力，使原本存在的卸荷裂隙进一步向外拉张，产生对边坡稳定性不利的影响。

3 监测成果及分析

3.1 边坡变形的时间特征

边坡的失稳破坏一般都是渐变变形到突变破坏的发展过程，变形量超过一定范围、某个时间开始变形加快、边坡岩体裂缝发展增大等，这些都是边坡将要失稳破坏的征兆。大量的滑坡实例位移数据显示，边坡的变形演化过程具有典型的三阶段特征，分别为：初始变形、等速变形和加速变形阶段。初始变形不易被发现，或发现时已进入初始变形阶段中后期。等速变形阶段为主要变形监测期。加速变形阶段还可细分为初加速阶段、中加速阶段和临滑阶段。初加速阶段明显表现为滑坡率逐渐增加，滑坡趋势增加；中加速阶段边坡滑坡率进一步增大，边坡滑动趋势也进一步增大；临滑阶段其实就是边坡滑落与未滑落的一个临界状态期。

边坡特征点位移速率过程线见图3。从边坡特征点位移速率过程线可以看出：边坡倾倒变形体的变形已经处于加速变形阶段，其变形发展大致可分三个阶段。

(1)初加速阶段：1月26日～1月28日期间，测点最大平面合位移速率约为6.5 mm/d。

(2)中加速阶段：1月29日～2月3日期间，由于坡脚部位导流明渠底板持续开挖及爆破作业影响，边坡变形明显加速，到2月3日0 ∶00时，最大平面合位移速率增至24.6 mm/d。

(3)临近失稳阶段：2月3日～2月4日期间，2月3日19时观测，最大平面合位移速率为4.62 mm/h，2月4日7时30分观测各测点位移速率急剧拉升，最大平面合位移速率达到18.62 mm/h。2月4日8 ∶50左右，边坡发生失稳破坏。

图3 倾倒变形体边坡特征点位移速率过程线

3.2 倾倒变形体边坡变形的空间特征

依据监测成果，可以将边坡变形从空间上大致划为三个区域：

(1)倾倒变形体后缘影响区。该区域位于变形破坏区的后缘，变形量在5 mm以内，现场巡视未发现较明显的裂缝或其他变形迹象，开挖边坡后缘以上处于相对稳定状态。

(2)倾倒变形体中部变形区。该区域位于高程3 240 m马道与高程3 273 m的中部，该区域在边坡失稳前，平面最大累计合位移变形量在42.8～200.8 mm之间。

(3)倾倒变形体顶部最大变形区。该区域位于高程为3 289 m的马道与开口线内拉裂缝前缘之间，该区域在边坡失稳前，平面最大累计合位移变形量在148.4～348.2 mm之间。

从监测的断面上分，边坡3-3剖面的位移最大，2-2剖面的位移次之，1-1剖面的位移相对最小。从监测点位移轨迹图可以看出，变形方向基本一致，边坡为整体变形。

4 失稳预警方法探讨

边坡失稳破坏灾害的预测预报可以为边坡工程的施工和运行安全提供重要保证，为做出合理、有效的处置措施赢得时间，从而避免边坡失稳灾害事故的发生。因此边坡失稳破坏灾害的预测预报是边坡稳定性控制的重要组成部分，是当今国际边坡工程研究的前沿课题。但值得注意的是，预警值的级别划分并没有严格的控制标准[7-8]，应该充分考虑到地址条件和工程要求等各种因素的影响，同时还应结合设计理论计算及类似工程经验来确定。

目前，在边坡稳定性预测与评价众多方法中，极限平衡法和位移时序预测方法一直都是边坡工程稳定性评价和滑坡预测预报所采用的主要方法。极限平衡法是建立在边坡失稳机制与受力条件清晰明确基础上的力学评价模型，是一种无时间参数的静态力学评价模型，建模的局限与苛刻条件均使极限平衡法在边坡失稳的预测预报和监测预警应用中受到了极大局限。位移时序预测方法是以滑坡位移监测为基础，以位移参数及其变化作为边坡是否稳定的预测参数与评价准则。其具有精度高、易实施且反映边坡稳定性状态直观等优点，已在我国重大滑坡监测预警与防治中得到了广泛的应用且发挥了重要作用[9]。本文采用位移时序预测方法(位移速率和平面累计合位移与垂直累计位移差方法)对倾倒变形体边坡失稳进行预警分析。

4.1 采用位移速率判断

国内工程界通常参考日本地滑对策技术协会的建议[10]，采用位移速率来判断边坡是否稳定，该判断方法是由测得的土体位移速率大小及位移倾向是否显著做为判断的依据，其建议如表1所示。按照表1的建议，当边坡的日位移量达到20 mm以上时，边坡将会出现失稳。

表1 位移速率与边坡稳定性判断建议

导流明渠上游段倾倒变形体边坡在1月29日到2月3日期间，平面合位移速率以5 mm/d左右的速度递增，2月3日已达到24.6 mm/d，按照表1的定义，边坡已经达到预警的程度，监测单位成功发出边坡失稳破坏的预警。

4.2 采用平面累计合位移与垂直累计位移差比较法判断

当边坡的平面累计合位移与垂直累计位移的差值逐渐增大时，边坡出现失稳的风险将有所增加，本文采用边坡的平面累计合位移与垂直累计位移的差值作为边坡失稳预警的判断指标。

布置在边坡中部2-2监测断面上部的TP8和TP9两测点同时刻的平面合位移与垂直位移之差的过程线见图4，从图4可以看出：各变形阶段的平面合位移与垂直位移之差带有显著的阶段特征。当平面合位移与垂直向位移差值小于20 mm时，表明水平向与垂直向位移比较同步，可以认为边坡处于匀速变形阶段。当平面合位移和垂直向位移差值达到20～70 mm时，表明水平向变形加快，同时边坡垂直向有明显的下坐变形，可以认为边坡处于加速变形阶段。当平面合位移和垂直向位移差值大于70 mm时，表明边坡正在快速向临空面倾倒及下坐变形，可以认为边坡处于临近失稳阶段，需要发出边坡失稳破坏的预警。

图4 边坡特征点平面累计合位移与垂直累计位移差过程线

5 结 论

边坡安全监测能够获取边坡体在不同时间的真实状态，已成为评价边坡体稳定状态的重要手段之一，边坡安全监测及预测预报研究则是边坡稳定性研究中的重要课题之一，也是一个世界性的科学难题。以西藏某水电站导流明渠倾倒变形体边坡变形监测为例，分别采用位移速率和平面累计合位移与垂直累计位移差方法可以有效地预警边坡失稳。为同类工程在施工期过程安全监测提供参考。