滑坡的發生經歷了蠕動、滑動和急劇滑動三個階段。三個階段的變形特征不同,表現出不同的地表位移、速度、裂縫分布以及滑坡的各種伴生現象。因此,根據滑坡發展不同階段的特點,實現滑坡觀測,能否有效觀測是關鍵。因此,準確認識滑坡發展的階段,並根據滑坡發展不同階段的特點進行有針對性的觀測是非常重要的。
6.2.1.1滑坡發育的階段特征
滑坡的發展過程具有明顯的階段性特征,完全由巖(土)的力學性質決定,反映了不同性質的巖(土)在重力作用下的變形過程。因此,可以通過分析巖石(土)在應力作用下的變形破壞過程來確定滑坡發展的階段。壹般來說,滑坡變形可分為蠕變、滑動和急劇滑動三個階段。
6.2.1.2巖(土)變形的階段性特征
壹般來說,自然條件下的巖(土)在長期荷載作用下,其應力應變會隨時間發生變化,當變形發展到壹定階段,巖(土)就會發生破壞。巖(土)的這種流變過程可以通過實驗來證明(圖6-6)。當對巖土試樣施加恒定載荷時,巖石(土)立即產生瞬時彈性應變εe(OA)段。這個變形時間很短,可以認為是在t=0時完成的,其應變為ε e = 6/e. εe如果荷載保持不變,巖石(土)的變形會隨時間緩慢增加。根據蠕變的特點,其過程可分為三個階段。
第壹蠕變階段(AB階段):也叫蠕變階段。在這個階段,蠕變曲線向下彎曲,表明應變速率ε隨時間迅速降低。當到達B點時,應變率在這壹階段最小。如果在這個階段(曲線上的某壹點e)進行卸載,應變ε沿曲線EFG減小,呈現彈性變形,最終應變為零。
第二蠕變階段(BC階段):又稱穩定滑動階段。蠕變曲線近似壹條傾斜的直線,即蠕變應變率ε保持不變,直到c點,如果在此階段進行卸載,應變將沿曲線HIJ逐漸恢復,最終保留壹定的永久變形εp。
第三蠕變階段(CD階段):也叫加速滑動階段。應變率從C點開始迅速增加,達到D點,巖石被破壞。這個變形階段需要很短的時間。
6.2.1.3巖(土)結構和環境對巖(土)流變性的影響
由於巖(土)中存在大量的節理、裂隙等不連續結構面,使得巖體的完整性和強度大大降低。因此,結構面對巖體強度和破壞的影響是非常明顯的。試驗表明,當應力(剪力)方向垂直於巖體中的潛在結構面時,抗剪強度接近巖石的實驗強度。當應力(剪切)方向傾斜於巖體中的結構面時,抗剪強度取決於不連續結構面的膠結程度和膠結強度。由於水泥強度壹般低於完整巖(土)的強度,所以包括結構面在內的巖(土)的強度低於完整巖(土)的強度,變形也具有階段性特征。
圖6-6滑坡巖(土)蠕變曲線
結構面的形狀也決定了巖體的力學性質。當結構面平坦時。應力作用後沿結構面發生位移,其應力-應變曲線連續平滑。當結構面粗糙呈鋸齒狀時,結構面的咬合大,摩擦阻力也大,剪切阻力也大。在受力過程中,剪應力首先集中在結構面的端部或結構面凸起的受力側。當剪應力達到結構面端點或凸點的最大強度值(Cmax)時,首先斷裂,位移增大,剪應力逐漸減小。達到壹定程度後,C值保持壹定值,即剩余強度。隨著位移的發展,應力集中在下壹個結構面的端點或凸起處,並逐漸發展。應力應變曲線呈鋸齒振蕩,最終破壞巖(土),變形趨勢線仍具有巖(土)階段性變形的特征。
巖(土)的環境條件(如巖石的含水量)是影響巖(土)力學性質的另壹個因素。研究表明,巖(土)結構面富水後,其強度遠低於幹結構面。如果結構面內存在粘土,結構面富水後抗剪強度可降低3 ~ 5倍,其變形趨勢線仍具有巖(土)階段性變形的特征。
6.2.2滑坡變形過程的階段特征
由不同巖(土)組成的邊坡在重力作用下發生變形破壞,其變形過程必然具有巖(土)的變形特征。壹般來說,滑坡的變形過程也可分為三個階段(圖6-7)。
蠕變階段+0
在滑坡發展的第壹階段,即邊坡上的巖(土)在重力作用下,應力首先集中在結構面(層面、節理、裂隙等)的兩端。)並發生蠕變變形。當結構面上的剪應力增加到Cmax時,微破裂發生在結構面的端部,並逐漸發展到下壹個結構面端部或凸起。斜坡顯示緩慢的蠕變變形。蠕變階段的變形特征如下:
(1)地表裂縫:邊坡後部出現橫向拉伸裂縫,部分巨型滑坡由於滑坡巨大的應變積累能力,後緣裂縫可張開數十米。
(2)滑移帶(面):在垂直實體段蠕變形成剪切變形帶(面),切斷應力首先集中的垂直實體段。剪切帶中的剪切強度從峰值強度逐漸降低。可以看到剪切活動後留下的劃痕和解理現象。
(3)滑坡變形:滑坡後部和滑帶(面)上可見不連續的裂縫,變形幾乎全部集中在剪切帶,表面宏觀現象不明顯。
圖6-7滑坡變形階段曲線
6.2.2.2滑動舞臺
滑坡發展的第二階段。隨著剪應力將滑動面上的鎖定段(點)逐壹剪斷,邊坡的變形越來越大,表現為變形緩慢增加。此時潛在滑動面的強度為滑動面的剩余強度,時間-應變曲線為光滑曲線或跳躍位移。滑動階段的變形特征是:
(1)宏觀地貌學:揭示滑坡的大致輪廓,縱向可見解體。同時,滑動邊界的裂紋已基本貫通,後緣有拉伸裂紋,前緣有部分膨出裂紋。
(2)滑動面:剪切滑動帶已逐漸形成,滑動帶上可見擦痕、鏡面等滑動現象。
(3)歷時性發展過程:這壹階段需要較長的發展時間,觸發器在加速滑動發展過程中起主導作用。
(4)伴生現象:滑坡過程中,常出現地下水異常、動物異常、聲發射、地物地貌變化,滑坡後壁或前緣出現小型崩塌。
(5)滑坡運動狀態:滑坡均勻位移或緩慢增大,並有逐漸增大的趨勢。
6.2.2.3加速階段
加速階段是滑坡發展特征最明顯、變形速率最快、最可能發生破壞的階段。當滑動面已基本貫通,滑動面上的殘余強度接近滑坡的滑動力時,巖體處於快速位移狀態,位移歷時曲線迅速上升。這種趨勢繼續發展,最終會導致山體滑坡。滑坡加速變形階段的特征如下:
(1)地表裂縫:滑坡體上的各種裂縫都可能出現,但變化很快。後緣和側緣裂縫兩側出現滑脊,後壁經常出現小的塌陷。中間部分有許多拉伸裂紋。前段出現扇形裂縫。
(2)滑動面:滑動面已完全貫通,形成完整的滑動面。
(3)滑坡的運動狀態:滑坡在重力作用下滑動,表現為滑動過程壹次完成或多次間歇完成。
(4)導火索的作用:導火索持續發揮作用,特別是對於間歇性發生的山體滑坡,導火索的作用非常明顯。
(5)伴生現象:地下水異常、動物異常、聲發射等現象持續出現,後壁或前緣小崩塌明顯增多。
(6)發育持續時間:短或很短。
6.2.3滑坡變形觀測的主要內容
地表位移監測
滑坡表面變形觀測是通過在滑坡表面設置觀測點,查明滑坡水平和垂直位移的速率和方向,以及邊坡傾斜的速率和方向。同時觀察到邊坡上的變形裂縫。裂縫觀測的目的是查明滑坡的發育狀態、位移速率、性質(拉伸性、剪切性、壓縮性和產狀)、裂縫的長度、寬度和延伸方向、有無填充物、填充物的含水量和裂縫兩壁的相對位移(圖6-8)。
地面物體變形觀測主要是查明滑坡上建築物的變形情況,裂縫的形狀和特征,水平位移和垂直位移的速度和方向,變形發生的時間。
圖6-8滑坡觀測內容
6.2.3.2地下形變觀測
地下變形監測又稱深部變形觀測,包括監測邊坡中軟弱結構面或滑動面的位置、埋深和組數,確定滑動面(帶)上下的相對位移速率和方向。通過對監測數據的分析,可以確定滑面(帶)之間的連通性和滑帶土的物理性質,為滑坡的穩定性分析提供依據。
6.2.3.3影響因素的觀察
影響因素監測主要是觀察誘發滑坡的因素。滑坡誘發因素的常見觀測有:降水觀測、地下水動態觀測、地表水觀測、地聲、地溫、地應力和地震觀測、人類工程活動觀測。在這些誘發因素中,降水觀測、地下水觀測和人類活動觀測是最常見的內容。
降水觀測:是通過建立雨量計來觀測滑坡區的降雨量,特別註意觀測過程雨量、24小時雨量和最大小時雨量。
地下水觀測:觀測地下水出水點的數量和位置、地下水的來源(補給)、地下水在滑坡中的滲流狀態,查明地下水出水點的類型和流量。有條件的地方可以觀測地下水的物理化學性質,如水溫、濁度、硬度、p H值等。
人類活動的觀測:主要包括爆破和地震作業的觀測;工程開挖和工程填埋的觀測。
6.2.3.4的宏觀地質監測
宏觀地質監測是通過地質檢查和簡單測量對滑坡進行觀測,觀測內容包括:
(1)表面裂紋的分布。
(2)裂縫的範圍和性質。
(3)斜坡落塊和滾石。
(4)地表動物的異常情況。
(5)地下水出口數量的變化,地下水位和地下水流的變化。
6.2.4滑坡監測技術方法和手段
滑坡監測技術已廣泛應用於國土資源、鐵路、水利水電等部門。根據監測對象和內容的不同,監測方法和手段也不同(表6-11)。常見的監控方法有:
表6-11常規滑坡監測方法
地表位移監測
1)大地測量方法
大地測量法的優點是技術成熟、精度高、數據可靠、信息量大;缺點是受地形能見度條件和氣候影響較大。大地測量中使用的儀器有:
(1)經緯儀、水準儀、測距儀具有投入快、精度高、監測區域廣、直觀、安全、方便確定滑坡位移方向和變形速率等特點,適用於不同變形階段的水平位移和垂直位移,受地形限制和氣候條件限制無法連續觀測;
(2)全站儀和電子經緯儀:具有精度高、速度快、自動化程度高、操作簡便、省力、自動連續觀測、監測信息量大等特點,適用於監測從加速變形到急劇變化的水平位移和垂直位移。該方法已在長江三峽庫區10多個監測體中得到廣泛應用,監測成果直接用於指導防治工程建設。
2) GPS觀測
全球定位系統(GPS)方法具有精度高、投入快、操作簡便、全天候觀測、三維位移X、Y、Z同時測量、運動點速度測量準確、不受條件限制連續監測等優點。它的缺點是成本高。適用於監測不同變形階段的水平位移和垂直位移。中國在京津唐地殼活動區和長江三峽工程壩區建立了GPS觀測網,將GPS技術應用於三峽庫區滑坡監測、鏈子崖危巖體變形監測和銅川市川口滑坡治理效果監測。
3)遙感RS法和近景攝影法
遙感RS法和近景攝影法適用於大範圍和區域性的滑坡監測。根據遙感圖像判斷滑坡,根據不同時期的圖像變化了解滑坡的變化;利用高分辨率遙感影像對地質災害進行動態監測:隨著遙感傳感器技術的不斷發展,地面遙感影像的分辨率越來越高。如美國LANDSAT衛星TM遙感影像對地分辨率為29m,法國SPOT衛星全波段影像對地分辨率為10m,美國IKNOS衛星影像對地分辨率高達1m。利用衛星遙感影像反映豐富的地面信息和可以周期性獲取同壹地點影像的特點,可以對同壹地質災害點不同時期的遙感影像進行對比,進而達到對地質災害進行動態監測的目的。近景攝影采用陸基經緯儀監測,具有監測信息量大、省工、投資快、安全等特點。但精度相對較低,主要適用於監測變形率較大的滑坡體的水平位移和危巖陡壁上裂縫的變化,受氣候條件影響較大。如用於三峽庫區大型滑坡易發路段的劃分和預測、西藏波密伊貢高速公路巨型滑坡的分析和預測。
4)滑坡變形(位移)觀測儀器
滑坡變形(位移)觀測儀器(又稱滑坡裂縫儀、滑坡變形觀測儀器):這類觀測儀器較多,結構類型有機械式、電子式或機電壹體化儀器,主要用於觀測滑坡地表裂縫和建築物裂縫的變形和位移,可直接獲得連續變化的位移-時間曲線,能滿足野外工作長期、穩定、可靠、堅固的要求。滑坡變形(位移)觀測儀器適合長期在野外工作,記錄的數據曲線直觀,幹擾少,可靠性高,因此應用廣泛。由於滑坡中的裂縫較多,在滑坡上分布較廣,所需儀器數量多且分散,每個觀測儀器只反映壹條觀測裂縫的位移和變形,這也給觀測信息的整合和傳輸帶來了困難。壹般情況下,人們需要直接操作儀器。滑行有危險的時候,有壹個缺點就是人不要靠近。
5)排樁觀測
排樁觀測是壹種簡單的觀測方法。該方法從滑坡後緣的穩定巖體出發,沿滑坡軸向等距離布置壹系列樁(圖6-4)。排樁的布置壹般埋在滑坡變形最明顯的軸線上。如果滑坡寬度較大,可並排布設多排觀測樁。布樁起點(0點)埋設在滑坡後緣外的穩定巖體中,以此作為測量起點,然後沿軸向依次埋設1號樁和2號樁。樁間距約為10m。樁的數量取決於滑坡後緣拉伸節理分布的寬度。
勘察中分別測量了N0→N1、N1 → N2 → Ni-1的長度和相應樁間地面傾角αi,樁間長度的變化反映了兩樁間控制裂縫的變化。
6.2.4.2地下形變監測
1)鉆孔測斜儀
鉆孔測斜儀和多點倒錘儀監測主要適用於監測滑動體的初始變形,即測量鉆孔和井筒中不同深度的變形特征和滑動帶的位置。鉆孔傾斜法是監測深部位移的最佳方法之壹。精度高,效果好,保護容易,受外界因素幹擾少,數據可靠,但範圍有限,相對成本高。鉆孔測斜儀根據探頭的安裝和使用方法可分為兩種類型,廣泛應用於滑坡監測中。
近年來,隨著光纖傳感技術的發展,在巖土變形觀測中也出現了光纖和光柵傳感器,在滑坡觀測中也做了壹些應用試驗。光纖和光柵傳感器觀測精度高、運行可靠、維護量小,是滑坡觀測中壹種很有前途的觀測手段。同時,由於光纖和光柵傳感器體積小,傳感器需要壹個中間介質來實現對滑坡的觀測。因此,中間媒介的選擇和結構風格的設計非常重要。目前還沒有這種專門的成型設計,是根據滑坡觀測要求和實施條件設計的。使用效果隨意,安裝非常復雜。目前,它很少用於滑坡觀測。
2)接縫測量法(豎井法)
觀測采用多點統計、井壁位移計、錯位計、收斂計和TDR。觀測方法壹般是通過鉆孔、平硐、豎井來觀測滑坡的深裂縫、滑帶或軟弱帶的相對位移。其特點是精度高,測量範圍小,易於防護,但投資大,成本高,儀器和傳感器易受地下水、氣候等環境影響。目前由於儀器性能和測量範圍的限制,主要適用於滑坡初始變形階段的監測,即測量變形小、速度低、觀測時間相對較短的情況。
6.2.4.3滑坡誘發因素監測
1)地下水監測
地下水監測包括地下水位和間隙水壓力監測。自動水位記錄儀用於測量水位。這種方法對於遠距離遙測、多點測量和小直徑鉆孔(只有30mm)非常有效。自動水位記錄儀在中國應用廣泛。Gap水壓計:在國外,gap水壓計已經廣泛用於滑坡監測,但在國內還沒有廣泛應用。關鍵技術是如何測量滑帶中的真實孔隙水壓力,這涉及到安裝和埋設的許多技術問題。在過去的幾十年裏,各國開發了各種類型的間隙水壓測量儀器,如開式立管、卡隆蘭式、氣動式、液壓式和電動式探頭。
2)氣象觀測
氣象觀測技術是通過雨量計和蒸發器觀測氣象因素,分析降雨與滑坡滑動的關系。我國大部分地區的滑坡都與降雨有關,研究降雨臨界值與滑坡的關系具有重要意義。
3)地聲監測
地聲監測技術是通過測量滑坡巖體破壞過程中釋放的應力波的強度和信號特征來判斷巖體的穩定性。它最早應用於礦山應力測量,近十年來逐漸應用於滑坡監測。儀器包括地面聲發射儀和地面聲波探測儀。該儀器用於采集巖體變形、破碎或破壞時釋放的應力波強度、頻率等信號數據,分析判斷滑坡的變形情況。儀器應設置在滑坡的應力集中部位,靈敏度高,可連續監測。它只適用於監測滑坡或邊坡的變形,而不適用於滑坡的均勻變形階段。測量時,將探頭置於鉆孔或裂隙的不同深度,監測巖體(尤其是滑動面)的破壞情況。在滑坡擠壓階段,地面裂縫不明顯,地面位移難以測量時,聲發射技術可以作為壹種早期監測預報手段。該方法對崩塌滑坡具有較高的應用前景,但其應用於其他類型滑坡的可能性有待進壹步研究。
4)地溫觀測
地熱監測技術是利用溫度計測量地溫,分析溫度變化與巖石變形的關系,間接了解危巖體的變形特征。
5)地震監測
地震力是作用於滑坡的特殊荷載之壹,對滑坡的穩定性起著重要的作用。應使用地震儀監測該地區及其周圍地震的烈度、發生時間、震中位置和震源深度,分析該地區的地震烈度,評價地震作用對滑坡穩定性的影響。
6)觀察與人類相關的活動
挖掘、削坡、爆破、裝載以及水利設施的運行等人類活動往往會引發人為地質災害或誘發地質災害。當出現上述情況時,我們應該監控並停止壹項活動。在對人類活動的監測中,應監測對滑坡有影響的項目,監測其範圍、強度、速度等。
6.2.4.4宏觀地質調查與觀測
采用常規地質調查方法,對宏觀變形跡象(如裂縫的發生發展、地面沈降、塌陷、塌陷、膨脹、隆起、建築物變形等。)和與變形有關的異常現象(如地聲、地下水異常、動物異常)進行定期調查記錄。
綜上所述,目前,國內外滑坡觀測技術和方法已發展到較高水平。主要表現在:
(1)從用人工卷尺進行地表測量等簡單監測,到用儀器進行災害觀測,逐步實現自動化、高精度的遙測系統。
(2)監測技術和方法的發展拓寬了監測內容,從地表監測到地下監測和水下監測,從位移監測到應變監測、相關動力因素和環境因素監測。
(3)監測技術和方法的發展很大程度上取決於監測儀器的發展。隨著電子照相激光技術、GPS技術、遙感遙測技術、自動化技術和計算機技術的發展,監測儀器正朝著精度高、性能好、應用範圍廣、自動化程度高的方向發展。