斜坡土體位移滑坡塌方危險和風(fēng)險.doc

272008年第3期 斜坡土體位移滑坡（塌方）危險和風(fēng)險斜坡土體位移滑坡（塌方）危險和風(fēng)險*.；.（ “ ”）翻譯：苑惠明；校對：楊旭東提出了坡積-滑坡土、殘積-坡積和人類經(jīng)濟活動填土強度指數(shù)易變性調(diào)查結(jié)果。給出了根據(jù)實驗方法制定出的，在工程地質(zhì)勘察資料不充分條件下對危險斜坡和邊坡穩(wěn)定性評價的建議。提出了土體位移風(fēng)險評價方法，以便論證選擇防止滑坡工程設(shè)施的工程保護設(shè)計方案。導(dǎo)言在國內(nèi)外許多著作中，對不同工程地質(zhì)條件下斜坡和邊坡穩(wěn)定性評價問題均有過探討。對決定著斜坡范圍內(nèi)形成潛在滑坡危險的地段，即應(yīng)力狀態(tài)變化地段的一些因素，如露頭、土壤物理力學(xué)性質(zhì)、地形和水文地質(zhì)條件、外部荷載參數(shù)及其他，已經(jīng)確定并做過研究。上世紀(jì)50年代中期，許多滑坡評價和預(yù)報方法開始得到發(fā)展，是建立在大量統(tǒng)計資料的處理基礎(chǔ)上的。后來一些學(xué)者提出了基于隨機模型、相關(guān)和回歸分析、概率理論的一些方法。目前，主要利用定值方法確定斜坡和邊坡的穩(wěn)定性。但是，這些方法存在一些不足，即滑坡現(xiàn)象機理簡單，并且缺乏土壤計算指標(biāo)時空變化的統(tǒng)計條件。地球工程學(xué)領(lǐng)域的許多專家對概率方法的應(yīng)用作了論證。認為該方法適于原始工程地質(zhì)資料不充分條件下應(yīng)用，據(jù)此可以確定斜坡崩滑概率，根據(jù)不同的工程措施評價土體位移風(fēng)險。但是，概率方法同樣存在許多不足，比如，只有在剪切實驗中獲得的土壤物理-力學(xué)指標(biāo)值情況下才能進行計算，而任何一種事件的簡單計算都不能稱其為預(yù)報。 ， ，2007， 6，.537546然而，到目前為止，在完成穩(wěn)定性計算時遇到一定困難。例如，沒能解決確定土性質(zhì)所必須（足夠的）的實驗數(shù)據(jù)問題。眾所周知，根據(jù)實驗數(shù)量可以改變土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的平均值。選擇可靠描述斜坡狀態(tài)的強度指標(biāo)計算值的問題同樣是重要的。這與土壤性質(zhì)的易變性相關(guān)，而該性質(zhì)的實驗室和野外實驗只是說明采樣點土壤的組成和狀態(tài)。本文探討的是巖體中出現(xiàn)次生滑坡位移的問題。文中給出的結(jié)論和建議適宜以下類型的滑坡：剪切滑坡，亞類：順向（滑落）和剪切-順向；粘塑性滑坡。亞類：滑落和塌落巖流；存在“潤滑”梯度水飽和層，即巖石夾構(gòu)造破壞的粘質(zhì)土條件下的復(fù)合（復(fù)雜）結(jié)構(gòu)滑坡。不同工程地質(zhì)條件下土強度指標(biāo)的易變性眾所周知，土的強度參數(shù)在巖體的不同點，甚至在相同地層內(nèi)都表現(xiàn)出差異，即具有易變性特點。土壤成分的局部指標(biāo)差異，是由微觀-宏觀不均勻性總的影響決定的。土壤的實驗室和野外實驗數(shù)據(jù)可以確定能夠采用強度參數(shù)值的最大概率范圍，采用近似模擬巖體滑坡危險土層狀態(tài)的各種方法進行實驗。在“俄羅斯土耳其”和“阿德列爾紅波利亞納” 煤氣管道、“克雷姆斯克格魯紹瓦雅”石油管道、公路，以及克拉斯諾達爾斯克邊區(qū)的新羅西斯克和索契市山區(qū)變電站分布地點和電線桿埋設(shè)地點的斜坡上進行的線路工程勘察中劃分的滑坡危險地段，是調(diào)查的目標(biāo)。所有目標(biāo)均位于工程地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，即風(fēng)化、侵蝕、沖刷、蠕滑等廣泛發(fā)育的侵蝕-剝蝕地形。利用兩種常規(guī)的土樣實驗室試驗結(jié)果：1）水飽和時未固結(jié)的平移斷層；2）沿墊層底面和浸水面的平移斷層（場地對場地）。處理所獲資料時對滑動的，未受到滑坡擾動的和人類經(jīng)濟活動土壤（填土）靜態(tài)參數(shù)和內(nèi)聚力（c）以及內(nèi)摩擦角（）值的分布直方圖進行分析。在所調(diào)查的斜坡地段遍布著中侏羅紀(jì)到第四紀(jì)的沉積。全新世和現(xiàn)代沉積（殘積-坡積（edQ），坡積-滑坡（dpQ）和人類經(jīng)濟活動（tQc）巖組主要是含有粗沙、碎石和粗屑物質(zhì)的粘土和亞粘土透鏡體。次層理基巖是由灰綠、灰褐、灰色板巖和夾帶著泥質(zhì)和泥質(zhì)碳酸質(zhì)膠結(jié)沙土夾層的低強度、風(fēng)化程度各異的裂隙和類似板巖的塊狀粘土組成。完成的調(diào)查表明，指數(shù)c和在所研究的坡積-滑坡粘土中的分布，大多數(shù)情況下接近標(biāo)準(zhǔn)分布曲線，而不取決于剪切試驗方案，同時，這些曲線的形態(tài)各異：根據(jù)墊層底面和浸水面平移斷層的結(jié)果，指數(shù)分布曲線呈現(xiàn)較大峰值，而按照未固結(jié)剪切試驗，曲線沿x軸延展。這與相對于所選擇的平均值的實驗數(shù)據(jù)散布的各種值，即參數(shù)x（標(biāo)準(zhǔn)）有關(guān)?；瑒油猎谛纬苫瑒用鏃l件下與處在位移條件下的土體相比變形明顯較?。?.51倍）。C和平均值，由于剪切方法和土壤構(gòu)造其差異不同（圖1，表1）。如果滑坡土不完全均質(zhì)，例如含有碎石的粘土條件下，在選樣少情況下（1020個樣品），滑坡土C和值的分布在許多條件下不遵循正態(tài)分布率；在大量選擇樣品（3040個樣品）時，按不對稱指數(shù)或蜂態(tài)指數(shù)，可能出現(xiàn)分布曲線同標(biāo)準(zhǔn)類型曲線的誤差。強度指數(shù)在特定時期內(nèi)未受到滑坡擾動的所調(diào)查的殘積-坡積土壤中的分布，同正態(tài)分布曲線有差別。同時，在墊層底面和先前位移（飽水）條件下，滑坡性質(zhì)的易變性較滑坡土體差別不明顯，標(biāo)準(zhǔn)比為1.05-1.7。人類經(jīng)濟活動土的強度指數(shù)分布并非總是同正態(tài)分布曲線一致，特別是內(nèi)摩擦角，這是土的天然不均勻性造成的?；挛ｋU斜坡穩(wěn)定性評價的概率和定值方法采用土壤指數(shù)計算定值評價斜坡穩(wěn)定性：在可信度0.95時確定的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角和比重（）。認為計算值非常有代表性地論述了針對穩(wěn)定性分析的土壤的強度性能。由于在土壤層中存在著各種影響土壤性能指數(shù)值的不均勻性，在斜坡穩(wěn)定行評價中必須利用與定值方法不同的各種方法。因此，在概率方法中采用通過直接剪切試驗獲得的土壤物理力學(xué)指數(shù)的所有數(shù)據(jù)，并且探討各種因素影響的可能的組合。經(jīng)常把蒙特卡羅方法作為該方法的基礎(chǔ)，輸出和輸入?yún)?shù)的分布遵循隨機值的正態(tài)分布率。其結(jié)果，設(shè)想為分布密度曲線和和對應(yīng)于曲線的穩(wěn)定系數(shù)值（Ky）概率的幾何函數(shù)。當(dāng)?shù)玫较禂?shù)平均值（Ky）和部分值的標(biāo)準(zhǔn)（x）后，可以確定“可靠指數(shù)”（），即必須選擇的穩(wěn)定系數(shù)的參數(shù)：， （1）式中（ Ky1）表示平均值離斜坡受到破壞的極限值的距離，如果Ky1， 則是負值。根據(jù)可靠指數(shù)值確定斜坡參數(shù)函數(shù)的“崩落概率”P（）。崩落概率意思是獲得較小單位穩(wěn)定系數(shù)概率。P值增加越大，土壤性質(zhì)的易變性越強。采用概率方法可以明顯改善普通定值方法對于斜坡和邊坡穩(wěn)定性計算的利用狀況。圖 1 “俄羅斯土耳其”煤氣管道26-30滑坡危險地段滑坡土內(nèi)摩擦角值分布柱狀綜合圖；/墊層底面和浸水面平移斷層；/樣品飽水時未固結(jié)平移斷層表 1 俄羅斯土耳其”煤氣管道26-30滑坡危險地段滑坡土試驗結(jié)果統(tǒng)計整理數(shù)據(jù)（內(nèi)摩擦角）統(tǒng)計參數(shù)內(nèi)摩擦角度墊層底面平移斷層未固結(jié)飽水平移斷層N值數(shù)量105111算數(shù)平均值5.8012.15最小值1.402.90最大值11.3025.60標(biāo)準(zhǔn)值2.265.27不對稱值A(chǔ)0.390.45不對稱平方誤差值Sa0.240.23蜂態(tài)E-0.13-0.29蜂態(tài)平方誤差值Se0.470.45圖 2 “俄羅斯土耳其”煤氣管道主干線第29號滑坡危險地段縱剖面采用各種方法確定斜坡穩(wěn)定程度效果已經(jīng)完成“俄羅斯-土耳其”煤氣管道主干線滑坡危險地段穩(wěn)定性計算，其結(jié)果同斜坡實際情況進行了比較。按照SLOPE/W程序（許可證，94573），采用3種普通極限平衡方法完成計算：1）定值方法；2）概率計算；3）分段對整個斜坡土壤性質(zhì)的變化直接進行概率計算。以相鄰輸氣管道主干線的第29號滑坡危險地段為例給出計算結(jié)果。從沿整個地段間隔近20米布設(shè)的鉆孔中采原狀土樣。根據(jù)國標(biāo)25100-95在實驗室調(diào)查基礎(chǔ)上劃分工程地質(zhì)單元（）：-4a（dpQcIV）；-4b（dpQIV）；-4（edQIV）亞粘土；-18b；-18泥質(zhì)板巖。根據(jù)國標(biāo)20522-96確定土壤抗力的部分、標(biāo)準(zhǔn)和計算（0.95）值。由于采用定值方法獲取很小單位的穩(wěn)定系數(shù)：Ky0.67，不符合實際工程地質(zhì)狀況。為了在范圍內(nèi)進行概率計算，給出了滑坡土壤強度指數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差SD（SLOPE/W程序術(shù)語，表示圍繞平均值的其他值的誤差）。誤差范圍由系列土樣室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)確定。第二種方法（圖2）的計算結(jié)果表明：Kcpy1.15，其變化范圍0.841.43，標(biāo)準(zhǔn)0.088，土壤位移概率P=4.38?？梢钥闯?，穩(wěn)定性系數(shù)最小值比單位系數(shù)小，然而，斜坡穩(wěn)定程度下降到該值的概率（滑坡危險）僅為4。圖 3 沿劃分計算地段的“俄羅斯-土耳其”煤氣管道主干線第29號滑坡危險斜坡的縱剖面第3個計算方案同樣適合概率方法，只是更加詳細：在很大程度上利用工程地質(zhì)勘察資料。把斜坡有條件地劃分長1328米的5個計算地段（根據(jù)鉆孔數(shù)量），以便在每一段中部設(shè)置一個鉆孔。通過對每個鉆孔取樣的剪切試驗得到的土壤物理力學(xué)指數(shù)值分布在相鄰鉆孔附近地段。這種計算特點可以考慮到土壤性質(zhì)的空間變化：由平面（頂部到滑坡危險斜坡舌）到深度（由于鉆孔深度而受到限制）。對5個地段中每一個地段（圖3）的土壤性質(zhì)指數(shù)平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤差均作了計算（表2），采用詳細概率計算方法獲得的單位近似穩(wěn)定系數(shù)平均值K0.94（變化范圍0.691.14）和土壤位移的高概率P81.63證明，所提出的方法最大成度上符合斜坡的現(xiàn)實狀態(tài)。在勘察時，危險斜坡暫時處在穩(wěn)定狀態(tài)，也就是說接近極限平衡狀態(tài)，由于水流，斜坡下部活躍概率大。因此，采用各種方法評價斜坡穩(wěn)定性給出各種差異很大的結(jié)果。詳細概率計算可以明顯提高分析的質(zhì)量和可靠程度，評價滑坡危險，進而選擇合適的工程方法，其中包考依靠確定巖體最大的可能剖面，在其范圍內(nèi)滑坡可能活動（從圖2 和圖3可以看出滑坡地帶的差異）。表 2 “俄羅斯土耳其”煤氣管線主干道第29號滑坡危險地段穩(wěn)定性詳細概率計算數(shù)據(jù)土壤固相密度，千牛頓/立方米內(nèi)聚力c，千帕內(nèi)摩擦角，度4b1亞粘土19.80（SD0.10）16.75（SD1.65）8.30（SD0.60）4b2亞粘土19.75（SD0.11）7.50（SD0.50）10.50（SD0.70）4b3亞粘土20.30（SD0.06）17.00（SD0.40）4.90（SD0.30）4b4亞粘土19.50（SD0.14）6.40（SD1.28）7.68（SD1.00）4b5亞粘土20.03（SD0.07）14.30（SD2.50）6.93（SD1.00）18b，18泥質(zhì)板巖土壤模型：巖性土圖 4 “俄羅斯土耳其”煤氣管道主干線第26-30地段滑坡土壤內(nèi)聚力值的分布柱狀圖工程地質(zhì)數(shù)據(jù)不充分時滑坡危險斜坡穩(wěn)定性程度評價斜坡穩(wěn)定性取決于阻力與剪切條件的比值。當(dāng)所有剪切因素沿潛在蠕滑面的總值達到等于存在的抗剪強度時，出現(xiàn)滑坡位移之前的狀態(tài)。以發(fā)生的滑坡為例，采用 “逆運算”方法模擬這種狀況可以定量確定滑坡位移時土壤強度指數(shù)的概率值。在斜坡滑坡穩(wěn)定性逆分析基礎(chǔ)上確定了 “殘余因素”，即平均抗剪強度沿蠕滑面降低的值。完成了第40號地段的滑坡危險斜坡的逆運算，其目的確定滑坡位移時土壤強度值。所獲得的c和值同根據(jù)國標(biāo)20522-96（圖4）計算的標(biāo)準(zhǔn)值和計算值進行了對比。這樣可以確定由滑坡土壤內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角向計算過渡的系數(shù)：1） 墊層底面和浸水面剪切方案：根據(jù)內(nèi)聚力K1.47；內(nèi)摩擦角K1.27；2） 飽水時未固結(jié)剪切方案：內(nèi)聚力K4.16；內(nèi)摩擦角2.94?，F(xiàn)實情況下，總是注意與滑坡土體穩(wěn)定性相關(guān)的不確定性。正如上面說論述的，采用概率方法越合理，由此可以評價滑坡危險，進而針對滑坡出現(xiàn)的風(fēng)險。為了進行概率計算，必須了解滑坡土強度指數(shù)的變化范圍，當(dāng)剪切試驗不充分時很難做到。在分析滑坡土內(nèi)聚力分布和內(nèi)摩擦角以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)柱狀圖時，計算了不同地段滑坡土體的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在處理墊層底面和浸水面單一巖剪切試驗數(shù)據(jù)時確定了以下比值：內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值相應(yīng)處在12.95到23.47 和5.51到13.00范圍內(nèi)；內(nèi)聚力穩(wěn)定誤差值在2.07到3.65（唯一條件下為4.68）之間，而內(nèi)摩擦角0.75到1.95之間；內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦的標(biāo)準(zhǔn)誤差和標(biāo)準(zhǔn)值的比值，即SD/c和SD/，對于內(nèi)聚力0.178（0.1390.200），對于內(nèi)摩擦角.014.（0.0940.160）。在處理飽水土剪切未固結(jié)試驗數(shù)據(jù)時確定以下關(guān)系：內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的變化范圍相應(yīng)在34.0048.38 和9.6822.11之間；內(nèi)聚力標(biāo)準(zhǔn)誤差值在4.526.80之間，而內(nèi)摩擦角1.342.45之間；標(biāo)準(zhǔn)誤差同內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的比值，即SD/c和SD/，相對于內(nèi)聚力0.144（.01160.167），而對于內(nèi)摩擦角0.134（0.0880.156）。采用線性內(nèi)插法確定標(biāo)準(zhǔn)誤差同內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角計算值（根據(jù)過渡系數(shù)獲得的）的平均比值：內(nèi)聚力SD/c0.184，內(nèi)摩擦角SD/0.141。當(dāng)算出SD/c和SD/值和內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的計算值后，可以獲得其標(biāo)準(zhǔn)誤差值，即滑坡土c和值將處在最大概率誤差范圍內(nèi)。因此，為了對滑坡危險斜坡和邊坡穩(wěn)定性進行定值和概率計算，特別是在有關(guān)滑坡土強度性質(zhì)資料不充分時，建議：為了獲得內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角計算值，根據(jù)剪切實驗方法，采用由標(biāo)準(zhǔn)值過渡的相應(yīng)系數(shù)： CtcKC, t/K， （2）式中，Ct和t土體滑坡位移時內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的計算值；c和內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；KC 和K內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角過渡系數(shù)；為了確定內(nèi)聚力（SDc）和內(nèi)摩擦角（SD）獲取計算值的變化范圍，采用相應(yīng)計算系數(shù) SDcCt0.184 SD）t0.141 （3）在計算方案中利用所獲得的參數(shù)作為滑坡土強度性質(zhì)的原始數(shù)據(jù)?；挛ｋU斜坡和邊坡風(fēng)險評價 用 “崩落”術(shù)語表示的滑坡危險，是地球工程學(xué)中邊坡作用危險因素中最重要的。依據(jù)不同的保護措施，斜坡崩落概率由系列計算確定。在風(fēng)險管理中，必須確定“原始風(fēng)險措施成本”廣義指數(shù)。根據(jù)崩落概率和措施成本指數(shù)建立“風(fēng)險圖表”。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程保護方案的成本，認真追蹤“風(fēng)險”和“可靠性”之間的相互關(guān)系?？倛D表中的極值（彎曲點）表示“最佳風(fēng)險”，是“風(fēng)險成本”相對指數(shù)的最小值。因此，“可接受風(fēng)險”符合最佳風(fēng)險后的各種措施的第一種方案，其“風(fēng)險成本”參數(shù)最低。目標(biāo)的重要程度，是除滑坡危險外風(fēng)險因素組成中最重要的因素。因此建議，根據(jù)修正系數(shù)降低成本，近而確定“作用風(fēng)險”： m ， （4） m/K， （5）式中，作用風(fēng)險，是考慮到崩落概率而對目標(biāo)采取工程保護措施的指數(shù)；P風(fēng)險；Cm措施成本；K根據(jù)目標(biāo)重要等級確定的系數(shù)?？梢园严禂?shù)值針對建筑物重要等級反向排序（表3）。表 3 依據(jù)保護目標(biāo)重要性等級評價風(fēng)險時建議利用的系數(shù)目標(biāo)重要性等級風(fēng)險系數(shù)K4321 根據(jù)目標(biāo)等級對邊坡滑坡危險和土壤位移風(fēng)險作了評價：a) 戈里亞奇克柳奇市哈德任斯克市公路（500600）（圖5）；） “俄羅斯土耳其”“別列戈瓦亞”煤氣管道238空氣壓縮站堆積場（圖6）。 圖 5 戈里亞奇克柳奇市哈德任斯克市公路滑坡地段土壤位移風(fēng)險評價及措施圖 6 “俄羅斯土耳其”“別列戈瓦亞”煤氣管道空氣壓縮站堆積場邊坡土壤位移風(fēng)險評價， 虛線表示不考慮等級獲得的風(fēng)險指數(shù)，實線表示考慮到空氣壓縮站目標(biāo)重要性第一等級的風(fēng)險評價指數(shù)（K4）因此，提出滑坡位移風(fēng)險評價方法內(nèi)容：完成穩(wěn)定性概率計算（數(shù)據(jù)不充分條件下，采用上面提到的過渡系數(shù)和計算系數(shù)）；確定預(yù)防滑波綜合方案，并根據(jù)工程保護方法確定滑坡位移的計算概率；根據(jù)保護目標(biāo)的重要性等級并計及風(fēng)險系數(shù)，建立 “風(fēng)險圖表”；根據(jù)圖表確定各種措施最佳風(fēng)險的定量指數(shù)，使之滿足計算風(fēng)險系數(shù)時“風(fēng)險成本”總的相對參數(shù)的最小值。圖 7 戈里亞奇克柳奇市哈德任斯克市公路滑坡危險邊坡?lián)跬翂κ┕ぴ陲L(fēng)險評價基礎(chǔ)上選擇經(jīng)過論證的設(shè)計方案，以便加固公路危險邊坡（圖7）和空氣壓縮站路基設(shè)施邊坡。主要結(jié)論1 通過墊層底和浸水面試驗確定的坡積滑坡土的強度特性比飽水時未固結(jié)剪切獲得的易變性低50到1倍。2在完成的滑動斜坡穩(wěn)定性逆運算基礎(chǔ)上獲得了坡積滑坡土強度指數(shù)向計算指數(shù)過渡的系數(shù)：）對于墊層底面和浸水面剪切方案：內(nèi)聚力K1.47；對于內(nèi)摩擦角K1.27；）飽水時未固結(jié)剪切方案：內(nèi)聚力K4.16；內(nèi)摩擦角K2.94。3 完成的滑坡危險斜坡穩(wěn)定性計算表明了具有滑坡危險的土體強度指數(shù)在空間分布計算的合理性。4 建議根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差同內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角計算值的比值（根據(jù)所提出的過渡系數(shù)獲得的）SD/c0.184和SD/0.141這個條件，確定滑坡土強度數(shù)據(jù)不充分時內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值的變化范圍。5 建議在斜坡和邊坡穩(wěn)定性定值和概率計算中采用根據(jù)過渡系數(shù)獲得的滑坡土內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角計算值（以及采用計算系數(shù)時計算值的變化范圍）。6 建議在編制風(fēng)險圖表并計算風(fēng)險系數(shù)以及根據(jù)目標(biāo)重要性等級時，對預(yù)防滑坡工程保護措施進行論證選擇。7 在編制克拉斯諾達爾邊區(qū)許多在