基于B型深孔测斜曲线的滑坡滑动面位置确定方法.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:中国中铁股份有限公司科技研究开发计划(重大专项)青海省重点研发与转化计划(科技成果转化专项)甘肃省技术创新引导计划企业研发机构能力建设专项()作者简介:陈 浩()男硕士研究生主要从事地质灾害研究:.通讯作者:吴红刚()男正高级工程师博士主要从事地质灾害监测预警、评价与防治方面的研究:.文章编号:()./.基于 型深孔测斜曲线的滑坡滑动面位置确定方法陈 浩吴红刚(.兰州理工大学 土木工程学院甘肃 兰州 .中铁西北科学研究院有限公司甘肃 兰州)摘 要:在实际的深孔位移监测中测斜曲线的突变特征是滑动面辨识的关键依据对于“”
2、型测斜曲线通常是将曲线的鼓包凸起点作为滑动面的位置但这种方法容易受到测点布置间隔和横纵坐标观测尺度的影响存在滑面位置定义不清晰、数值不确定的问题 为了能够有效地克服这些缺点提升测斜曲线滑动面辨识的准确度基于“”型测斜曲线变化特征研究将滑坡抽象为由“滑动体”、“滑动区间”以及“不动体”三者组成的概化模型并对滑坡运动过程中不同深度处土体的位移速率和加速度变化特点进行了深入分析 结果表明:土体位移速率沿深度方向会形成多道曲线簇且不同曲线簇分别对应各滑面所在的滑动区间及非滑动区间 此外将位移速率转化为加速度则土体加速度曲线具有更加显著的分簇特征能够为准确区分滑动体和不动体的区间范围提供重要依据进一步地
3、提取监测期内加速度曲线分簇特征显著的当日土体加速度并绘制散点图能够快速准确地确定坡体不同区间的深度范围 基于当日各滑面所在滑动区间内的加速度数据运用三次样条插值法计算该区间内的位移加速度最大值由于滑面处的土体加速度最大则该值对应的土体深度可作为滑面位置的计算深度 研究方法能够更加精准地确定滑动面位置并使滑面位置的确定可计算化有效提升了深孔位移监测数据的利用程度和可靠度具有较大的实用价值关键词:测斜曲线滑动面位置相对位移拐点计算三次样条插值法中图分类号:.文献标识码:(.):.第 期陈 浩等:基于 型深孔测斜曲线的滑坡滑动面位置确定方法 .:引言边坡内部位移作为了解滑坡动态的重要数据在各类滑坡变
4、形研究的过程中一直备受重视 尤其在滑坡变形监测中位移作为最主要的参数其变化特征是滑坡变形及运动特征的直观反映 而其中滑坡深部位移监测是滑坡变形监测的重要内容能够对准确确定滑面位置、研究滑坡目前性状及其发展趋势以及整治工程设计提供重要的信息围绕滑坡深部位移监测研究学者从曲线变形特征、坡体受力特点、坡体结构等方面做了深入的研究和分析 靳晓光总结归纳了不同类型的滑坡深部位移监测成果将滑坡深部累积位移曲线分为了“”型、“”型、“”型、“”型、复合型等几种不同的曲线类型分别代表不同的坡体运动特征并被不少研究学者广泛运用于实际滑坡中的滑面位置确定以及坡体稳定性分析上 潘慧芳结合变形曲线类型通过 数值模拟的
5、方法分析了不同结构破坏类型下不同位置处的测点位移曲线特征与滑动面之间的关系而目前相关的研究主要集中在理论分析与实际变形曲线的对比分析上鲜有测斜曲线监测数据与滑面位置辨识相结合的深入研究通常是将测斜曲线突变点或位移最大点对应的深度作为滑动面的位置这种滑面辨识方法虽然简单直接但缺乏科学可靠的数学处理手段和数据挖掘方法易受测斜仪上测点布置间隔及坐标观测尺度的影响存在滑面位置定义不清晰、数值不确定的问题为了能够有效地克服这些缺点解决“”型测斜曲线中存在的问题提升深孔位移监测数据的利用程度 本研究基于“”型曲线的变形特征结合其滑动面处上下部土体的运动特点建立相应的概化模型考虑不同位置处的土体位移速率和加
6、速度变化规律进而提取加速度与滑动面位置之间的关系从而构建一种可行的滑面位置计算方法使滑动面位置的确定可计算化为各类深孔测斜曲线的深入挖掘及滑坡防治工程设计提供参考和依据概化模型分析.曲线类型分析根据深孔测斜曲线的形态特征研究学者将其分为了“”型、“”型、“”型、“”型、钟摆型和复合型 种 其中能够表明滑坡滑动面迹象显著的深孔测斜曲线类型主要为“”型、“”型及“”型 种对于“”型深孔测斜曲线(图)滑坡“”型变形特征是指滑坡有 个或 个以上明显的滑动面但各滑块(体)的运动速率不一致滑坡以其中一个滑面处的相对运动为主滑坡整体处于蠕变滑移阶段此外李迪等根据各类变形曲线的特征、机理和存在的潜在不稳定因素
7、将深孔测斜曲线分为了四类分别为稳定型变形曲线、滑动型变形曲线、坍塌型变形曲线和倾覆型变形曲线 依据这一分类方法则“”型测斜曲线属于坍塌型变形曲线常发生在顺层滑坡中以压剪变形为主容易出现在松土带、软硬材料相间、断层、裂隙和裂缝处自 然 灾 害 学 报第 卷图 “”型测斜曲线.概化模型构建由上述分析可知具有“”型曲线特征的滑坡存在至少 个及 个以上的滑动面且滑动面之间以相对运动为主 故在滑坡的运动变形过程中受压力和剪力的共同作用坡体沿深度方向产生剪压变形而由于滑带附近土质软弱该位置处的土体变形最大且滑动面的存在使得上下部土体之间产生了明显的位移图 概化模型.差 此外随着时间的推移滑带的发展变形对其
8、上下部土体产生牵连作用使得周围土体产生协同变形而由于该类曲线的滑坡滑动面并未完全贯通仍处在变形滑移的阶段则土体变形沿深度方向呈现近似鼓包凸起的形状且凸起点的位置与滑动面的位置相对应与此同时不同滑动面之间存在着相对运动以滑动面的位移量作为辨识主滑面的关键依据则主滑面的发展变形会带动与其相连的上下部土体共同运动进而产生挤压变形且滑面之间的土体迁移运动进一步促进了相邻滑面的发展 因此在多滑面的共同变形作用下土体变形沿深度方向会呈现多鼓包凸起且近似“”型的形状为了便于说明并体现滑坡各组成部分的运动特点本文将滑坡体、滑动带及滑床分别称为滑动体、滑动区间和不动体其概化模型如图 所示.土体位移速率分析.区间
9、位移速率分析图 概化模型位移速率.在实际的坡体运动过程中不同深度处的土体因其所在位置、土体性质、滑动面发展程度等因素的差异而具有不同的位移速率 对于具有“”型曲线特征的滑坡体而言滑动区间所在位置是土体变形量最大且变形速率最快的区域则与滑动区间相邻的一定范围内的土体在滑面变形作用下相较于远离滑面位置处的土体具有更加显著的位移量和更快的变形速率 因此以坡体鼓包凸起区间处的土体作为主要分析对象则有助于提取位移速率沿深度方向的分布规律基于概化模型将水平位移量最大的滑动面称为主滑面反之水平位移量较小的滑动面称为次滑面分别对土体位移速率在不同滑动区间内的变化关系进行研究分析如图 所示)由图()可知主滑面所
10、在的鼓包凸起区间是坡体沿深度方向水平位移最大峰值所在区域由于主滑面的土体变形量大、发展程度深则该区间内的土体位移速率会明显大于其余位置处的土体位移速率 其中土体愈靠近滑动面其位移变形愈显著使得以滑动面为中心的上下一定区间范围内的土体位移速率密集第 期陈 浩等:基于 型深孔测斜曲线的滑坡滑动面位置确定方法分布形成速率曲线簇即图()中主滑面土体速率分布区间对应的土体位移速率、(图()会形成速率值较大的速率曲线簇)若排除主滑面土体速率分区间则次滑面所在的鼓包凸起区间变成了坡体沿深度方向水平位移量最大的区域 同理受滑动面运动产生的压剪作用越靠近滑面位置处的土体变形量越大、变形速率也越大则图()中次滑面
11、土体速率分布区间对应的土体位移速率、(图()将密集分布形成速率曲线簇 与此同时概化模型下部不动体的弯曲变形与主滑面的凸起变形相连则下部不动体部分区间内的土体变形量与次滑面速率分布区间内的土体变形量相等由于土体变形时间相同且位移量相等故 个区间内的土体位移速率一致从而存在速率曲线相互重叠的情况 因此相较于主滑面土体速率分布区间次滑面土体速率分布区间更大且沿深度方向向下延伸至不动体)除去主、次滑面土体速率分布区间则剩余位置处的土体变形量较小位移速率趋近相同并明显小于主、次滑面分布区间内的土体速率从而单独形成新的速率曲线簇 即、和、.、(图()共同形成新的位移速率曲线簇.位移速率曲线簇分析图 位移速
12、率曲线.通过上述分析假设钻孔内测点的布置间隔一致且钻孔深度足够大 以时间为横坐标速率值为纵坐标则理想状态下土体位移速率沿深度方向的速率曲线分布特征如图 所示由图 可知速率曲线明显分为 道曲线簇分别对应主滑面、次滑面和非滑面 个分布区间(即图()主、次滑面土体速率分布区间及剩余分布区间)此外曲线簇之间的速率差异使得彼此之间存在着一定的间隔区间而这个特征能够作为划分土体滑动区间的重要依据 但是由前面的分析可知土体位移速率沿深度方向并不是成比例关系的线性变化即位移速率的大小与土体深度并没有直接的关联如次滑面速率曲线簇中既有滑动区间 内的土体位移速率曲线同时也包含下部不动体部分深度范围内的土体位移速率
13、曲线 因此在土体速率曲线分簇特征的基础之上如何进一步提取土体深度与位移速率之间的关系是辨识滑面位置的重要内容研究择取曲线分簇特征显著的某一时期下的当日坡体不同深度处的位移速率值以深度为横坐标、位移速率值为纵坐标绘制散点图各个散点之间的水平间隔相同则可以得到理想状态下位移速率深度散点图如图 所示图 土体位移速率散点图.由图 可知:)各滑面土体速率分布区间与其对应的滑面鼓包凸起深度区间相交的区域速率散点密集分布形成散点簇且明显游离于非滑面土体速率分布区间内的速率散点 本研究将这一特征称为滑动区间的速率游离特征)速率散点的游离特征可以更加清晰地确定坡体鼓包凸起区域的深度区间能够将各滑面鼓包凸起深度区
14、间的分布范围由直观的定性判断变为具体的定量判断且有利于滑面位置的准确辨识自 然 灾 害 学 报第 卷具有“”型曲线特征的滑坡其土体变形具有连续性当滑动区间处的土体变形量相对较小时则不同的土体速率分布区间彼此之间的速率散点簇间隔相差较小使得不同区间内的速率散点游离特征变得并不显著导致各滑面所在滑动区间的深度范围不易区分.土体加速度分析通过前面的分析可知位移速率散点能够较好地区分土体的滑动区间并确定各滑动区间的深度范围但是受土体变形量及土体变形连续性的影响位移速率散点的游离特征不一定显著相较于其余位置的土体滑动区间内的土体具有更大的变形量和位移速率 而加速度作为描述物体速度变化快慢的物理量将土体加
15、速度作为不同位置处土体运动性能的衡量指标相比于位移速率更能凸显区间内土体运动性能的差异若将图 中的位移速率时间曲线转变为加速度时间曲线则两者的曲线分簇特征相似且由于不同位置处土体彼此间的位移速率比例明显小于加速度比例使得曲线簇之间的间隔区间更大 同理择取曲线分簇特征显著的某一时期下的当日坡体不同深度处加速度值以深度为横坐标、加速度值为纵坐标绘制散点图可以得到理想状态下加速度深度散点图如图 所示图 土体位移加速度散点图.由图 可知:)各滑面土体加速度分布区间内的散点分布更加密集且各区间内的加速度散点簇具有更加显著的游离特征)不同的土体加速度分布区间彼此之间的散点簇间隔更大即散点簇间隔区间 和区间
16、 明显相较于速率散点图能够更加直接准确地辨识坡体滑动区间及其对应的深度范围)提取各滑面土体加速度分布区间内的散点数据可以快速准确地缩小滑动面所在区间的分布范围极大地降低无关数据对滑面位置辨识的干扰并为滑面位置的确定提供关键依据因此通过上述理论分析可知对于具有“”型曲线特征的滑坡可将土体加速度作为滑面位置辨识的重要指标实际运用分析.钻孔概况研究选取了云南省罗平县境内的一滑坡工点该工点为老滑坡堆积体分为上下两级如图 所示 根据钻孔揭露情况滑坡地层岩性为第四系坡残积()及少量人工堆填土()、崩积土()等组成的上部覆盖层和下伏三叠系中统法郎组上段()基于上述理论分析本文选取位于 号滑坡内的 钻孔的实际
17、监测数据进行分析验证如图 所示孔全深为.数据采集深度为.测点布置间隔为.数据采集时间为 年 月 日 年 月 日 由于采样时间间隔密集为了便于展示曲线的变形特征选取部分日期下的深孔位移绘制测斜曲线结果如图 所示可见曲线有典型的“”型曲线特征第 期陈 浩等:基于 型深孔测斜曲线的滑坡滑动面位置确定方法图 滑坡实景图.图 钻孔布设图 图 深孔测斜曲线 .位移速率曲线分析分别计算监测期内不同深度处的土体位移速率并基于深孔测斜曲线特征(图)分别用不同颜色绘制不同深度区间内的位移速率曲线(黑线:.蓝线:.粉线:.绿线:.)结果如图 所示 由图()可知速率曲线初期波动起伏很大且曲线分布杂乱无章后期速率曲线逐
18、渐趋于平缓并有着明显的分簇特征且不同曲线簇之间近似平行分布为了更加清晰地展示不同深度区间处的土体速率特征分别提取不同区间内的土体速率曲线 由图()()可知:初期滑动面发展变形活跃外界干扰因素作用显著不同深度处的土体变形都有着明显的偏移速率曲线之间相互交错使得曲线分布整体上显得杂乱无序而由前面的理论分析可知滑动面的发展变形会使得不同区间处的土体速率产生显著差异形成曲线簇且这一特点会贯穿整个滑坡运动过程故从 年 月 日 年 月 日的速率曲线中亦能隐约分辨曲线分簇特征自 然 灾 害 学 报第 卷图 钻孔深部位移速率曲线.中后期外界干扰作用减弱滑动面进一步发展不同深度处的土体趋向稳定变形此时坡体变形状
19、态接近概化模型的理想状态速率曲线之间近似平行分布且具有了明显的分簇特征且 年 月 日当日位移速率的曲线分布相对稳定和密集可明显分为多道曲线簇.位移速率散点分析图 钻孔当日位移速率深度散点图().()选取该钻孔监测期内 年 月 日时坡体不同深度处的位移速率值以深度为横坐标、位移速率值为纵坐标绘制散点图如图 所示由图 可知:)当日位移速率散点具有明显的鼓包凸起特征形状与概化模型的速率分析结论相对应且鼓包凸起区间内的速率散点具有明显游离特征能够有效辨识各滑面所在滑动区间的大致分布范围 其中次滑面的滑动区间深度大致为.主滑面的滑动区间深度大致为.)由于“”型曲线特征的滑坡体其自身变形具有连续性各滑动区
20、间的速率散点簇与非滑动区间的速率散点簇彼此之间间隔并不显著使得滑动区间与非滑动区间两者在交界区域处的速率散点缺乏明显的区分界限不易辨识该位置处的土体归属区间影响各滑动区间深度范围确定的准确性由上可知土体位移速率散点分布特征一方面有助于辨识滑动区间大致深度范围另一方面也存在着区间交界区域处速率散点归属模糊的问题.加速度分析为了能够有效克服散点簇之间间隔不显著、区间交界区域散点归属不清晰的问题研究结合前面速率曲线的分析结果基于位移速率进一步提取土体的加速度变化特征 同理基于深孔测斜曲线特征(图)分别用不同颜色绘制不同深度区间内的加速度曲线(黑线:.蓝线:.粉线:.绿线:.)结果如图 所示由图()可
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