一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法

摘要

本发明公开了一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法。在坡顶转折点和边坡临空面中点设置位移传感器，同时在反倾边坡后缘安装收敛位移计，形成位移监测点；在反倾边坡坡脚处的每个岩层层面上布置若干个土压力计；过坡顶转折点在同一边坡切面内入射两根测力锚索。通过监测坡表位移、坡脚岩层层面法向应力及测力锚索轴力的分布及变化，确定坡脚破裂面起裂点，并将该点与测力锚索轴力峰值点相连，实现在反倾边坡变形初期预判得到边坡破裂面，再根据预判破裂面选择边坡变形长期监测点，从而针对性地进行边坡位移监测，可更高效地监测反倾边坡的变形过程，减轻监测工作量，节约监测成本，为边坡的加固及减灾提供依据。

权利要求

1.一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在坡顶转折点和边坡临空面中点设置位移传感器，同时在反倾边坡后缘安装收敛位移计，形成位移监测点；在反倾边坡坡脚处的每个岩层层面上布置若干个土压力计；过坡顶转折点在同一边坡切面内入射两根测力锚索，其中一根测力锚索与水平面的夹角大于

80°，两根测力锚索之间的夹角为40°～60°；

(2)根据步骤(1)布置的土压力计获得各个岩层层面的层面法向应力分布曲线，得到各个岩层层面的层面法向应力跳跃波动点；用测力锚索上的若干锚索测力计监测测力锚索的轴力，获得两根测力锚索的测力锚索轴力分布曲线，并记录两根测力锚索各自的测力锚索轴力峰值点的位置；将层面法向应力跳跃波动点和测力锚索轴力峰值点进行连线，得到反倾边坡预判破裂面；

(3)根据步骤(1)确定的位移监测点获得坡体变形过程的位移时程曲线；通过土压力计实时监测反倾边坡预判破裂面上的各个层面法向应力跳跃波动点，得到每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力变化曲线；通过测力锚索上的锚索测力计实时监测反倾边坡预判破裂面上的两个测力锚索轴力峰值点，得到每个测力锚索轴力峰值点的轴力变化曲线；

当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值均小于其自身的稳态变形阶段与加速失稳阶段的分界点时刻的临界值时，判定为反倾边坡稳定；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值中的任意一个接近其自身的临界值时，发出反倾边坡失稳预警；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值的任意一个大于其自身的临界值时，判定为反倾边坡失稳。

2.根据权利要求1所述的可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于步骤(1)中，在反倾边坡坡脚处的每个岩层层面上均等间距布置若干个土压力计。

3.根据权利要求1所述的可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于步骤(1)中，一根测力锚索与水平面的夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于步骤(3)中，位移监测点通过GPS位移监测或无棱镜测量技术来获得坡体变形过程的位移时程曲线。

5.根据权利要求1所述的可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于步骤(3)中，当预判破裂面上的每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力变化曲线或预判破裂面上的两个测力锚索轴力峰值点的轴力变化曲线之一发生骤增时，判定为反倾边坡欠稳定，应及时采取预警措施；当位移监测点的位移时程曲线发生骤增时，判定为反倾边坡失稳。

说明书

一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及边坡变形监测预警领域，具体是一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法。

背景技术

[0002] 随着山区大型水利水电、公路铁路等工程的大量建设，反倾边坡倾倒变形越来越多，由倾倒变形转变而成的滑坡时有发生。然而目前针对反倾边坡的监测预警方法仍不够成熟，文献《赵华,李文龙,卫俊杰,等.2018.反倾边坡倾倒变形演化过程的模型试验研究[J].工程地质学报,26(3):749-757.》中通过模型试验提出了反倾边坡的变形阶段并探讨了监测预警方法，但反倾边坡破裂面位置如何判定仍亟待解决。

[0003] 目前滑坡监测中常用的方法有位移计、锚索测力计、GPS位移监测、光纤光栅监测等方法，这些方法在常规滑坡的监测中得到了较广泛的应用，并取得了良好的效果。但是目前缺乏对反倾边坡进行有效监测预警的方法。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法。

[0005] 本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

[0006] (1)在坡顶转折点和边坡临空面中点设置位移传感器，同时在反倾边坡后缘安装收敛位移计，形成位移监测点；在反倾边坡坡脚处的每个岩层层面上布置若干个土压力计；过坡顶转折点在同一边坡切面内入射两根测力锚索，其中一根测力锚索与水平面的夹角大于80°，两根测力锚索之间的夹角为40～60°；

[0007] (2)根据步骤1)布置的土压力计获得各个岩层层面的层面法向应力分布曲线，得到各个岩层层面的层面法向应力跳跃波动点；用测力锚索上的若干锚索测力计监测测力锚索的轴力，获得两根测力锚索的测力锚索轴力分布曲线，并记录两根测力锚索各自的测力锚索轴力峰值点的位置；将层面法向应力跳跃波动点和测力锚索轴力峰值点进行连线，得到反倾边坡预判破裂面；

[0008] (3)根据步骤1)确定的位移监测点获得坡体变形过程的位移时程曲线；通过土压力计实时监测反倾边坡预判破裂面上的各个层面法向应力跳跃波动点，得到每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力变化曲线；通过测力锚索上的锚索测力计实时监测反倾边坡预判破裂面上的两个测力锚索轴力峰值点，得到每个测力锚索轴力峰值点的轴力变化曲线；

[0009] 当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值均小于其自身的稳态变形阶段与加速失稳阶段的分界点时刻的临界值时，判定为反倾边坡稳定；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值中的任意一个接近其自身的临界值时，发出反倾边坡失稳预警；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点的轴力值的任意一个大于其自身的临界值时，判定为反倾边坡失稳。

[0010] 与现有技术相比，本发明有益效果在于：

[0011] (1)本方法通过监测坡表位移、坡脚岩层层面法向应力及测力锚索轴力的分布及变化，确定坡脚破裂面起裂点，并将该点与测力锚索轴力峰值点相连，实现在反倾边坡变形初期预判得到边坡破裂面，再根据预判破裂面选择边坡变形长期监测点，从而针对性地进行边坡位移监测，可更高效地监测反倾边坡的变形过程，减轻监测工作量，节约监测成本，为边坡的加固及减灾提供依据。

[0012] (2)本方法为反倾边坡的监测预警提供了位移、法向应力、锚索轴力等多种判据，可更加准确地判断反倾边坡变形与失稳。

[0013] (3)本方法基于实例监测，并通过离散元模拟验证，验证了有效性，对确定反倾边坡的变形破坏阶段，实现边坡稳定性的评判提供了依据。

附图说明

[0014] 图1为本发明的反倾边坡上的监测仪器的分布图；

[0015] 图2为本发明的层面法向应力分布曲线图；

[0016] 图3为本发明的测力锚索轴力分布曲线图；

[0017] 图4为本发明的反倾边坡预判破裂面的示意图；

[0018] 图5为本发明的位移监测点的位移-时程曲线图；

[0019] 图6为本发明的预判破裂面上的层面法向应力-时程曲线图；

[0020] 图7为本发明的预判破裂面上的测力锚索轴力-时程曲线图；

[0021] 图8为本发明实施例1的反倾边坡模型上的监测仪器的分布图；

[0022] 图9为本发明实施例1的层面法向应力分布曲线图；

[0023] 图10为本发明实施例1的测力锚索轴力分布曲线图；

[0024] 图11为本发明实施例1的预判破裂面与实际破裂面的对比图；

[0025] 图12为本发明实施例1的坡顶转折点和边坡临空面中点的位移-时程曲线图；

[0026] 图13为本发明实施例1的软岩层面上的法向应力跳跃波动点两侧土压力计测得的层面法向应力-时程曲线图；

[0027] 图14为本发明实施例1的下侧测力锚索轴力峰值点两侧测力节点测得的轴力-时程曲线图；

[0028] 图中：1、坡顶转折点；2、边坡临空面中点；3、收敛位移计；4、土压力计；5、测力锚索；6、岩层层面；7、层面法向应力跳跃波动点；8、测力锚索轴力峰值点；9、预判破裂面；10、软岩层面；11、硬岩层面；12、实际破裂面。

具体实施方式

[0029] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

[0030] 本发明提供了一种可预判破裂面位置的反倾边坡稳定性判定方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

[0031] (1)充分利用现有技术手段，在反倾边坡布置监测仪器；

[0032] 在坡顶转折点1和边坡临空面中点2等坡面关键点设置位移传感器，同时反倾边坡通常首先在边坡后缘发生宏观拉张破坏，因此在反倾边坡后缘安装收敛位移计3，形成位移监测点，以监测反倾边坡的位移时程曲线；在反倾边坡坡脚处的每个岩层层面6上均等间距布置若干个土压力计4，用于监测各个测点的层面法向应力；过坡顶转折点1在同一边坡切面内入射两根测力锚索5，用于监测各个测点的轴力，其中一根测力锚索5与水平面的夹角大于80°(优选竖直入射即与水平面的夹角为90°)，两根测力锚索5之间的夹角应足够大，保持40～60°夹角；

[0033] (2)通过层面受力与测力锚索轴力分布，得到反倾边坡的预判破裂面9的位置；

[0034] 根据步骤1)布置的土压力计4获得各个岩层层面6沿层面方向的法向应力分布曲线(如图2所示)，得到各个岩层层面6的层面法向应力跳跃波动点7；将边坡未发生明显宏观破坏时的各个岩层层面6的层面法向应力跳跃波动点7的位置预判为坡脚破裂面起裂点位置；用测力锚索5上的若干锚索测力计监测测力锚索5的轴力，获得两根测力锚索5的测力锚索轴力分布曲线(如图3所示，由图3可以看出轴力分布由外到内呈现先增后减的二次曲线型分布趋势)，并记录两根测力锚索5各自的测力锚索轴力峰值点8的位置；将坡脚破裂面起裂点位置和测力锚索轴力峰值点8的位置进行连线，得到反倾边坡预判破裂面9(如图4所示)；

[0035] (3)确定各监测方式的失稳判据；

[0036] 根据步骤1)确定的位移监测点通过GPS位移监测或无棱镜测量技术来获得坡体变形过程的位移时程曲线；通过土压力计4实时监测反倾边坡预判破裂面9上的各个层面法向应力跳跃波动点7，得到每个层面法向应力跳跃波动点7的法向应力变化曲线；通过测力锚索5上的锚索测力计实时监测反倾边坡预判破裂面9上的两个测力锚索轴力峰值点8，得到每个测力锚索轴力峰值点8的轴力变化曲线；

[0037] 反倾边坡的变形破坏存在明显的阶段性，分为起始蠕变阶段、稳态变形阶段和加速失稳阶段。针对位移-时程曲线(如图5所示)，起始蠕变阶段坡内各部位无可见变形，边坡位移量极小；稳态变形阶段，变形岩体向临空面方向均匀变形，位移曲线线性增大，该阶段为较典型的重力时效累进变形阶段；进入加速失稳阶段后，破裂面迅速贯通，位移曲线发生突变，边坡整体失稳。针对层面法向应力-时程曲线(如图6所示)，起始蠕变阶段时，法向应力极小；稳态变形阶段，法向应力值近似线性增大；进入加速失稳阶段后，法向应力值发生骤增。针对测力锚索轴力-时程曲线(如图7所示)，起始蠕变阶段，轴力值极小；稳态变形阶段，轴力缓慢增大；进入加速失稳阶段后，轴力时程曲线斜率明显增大，轴力值迅速增大。

[0038] 当预判破裂面9上的每个层面法向应力跳跃波动点7的法向应力变化曲线或预判破裂面9上的两个测力锚索轴力峰值点8的轴力变化曲线之一发生骤增时，判定为反倾边坡欠稳定，应及时采取预警、工程抢险措施或组织应急避险；当位移监测点的位移时程曲线发生骤增时，判定为反倾边坡失稳。位移为最直接判据，将稳态变形阶段与加速失稳阶段的分界点时刻t2的临界位移量d2作为阈值，评价反倾边坡的稳定性。此外，由于边坡内部变形的隐蔽性，内部变形并不一定使边坡表层位移迅速增大，因此边坡内部破裂面附近的层面法向应力跳跃波动点7的法向应力时程曲线和测力锚索轴力峰值点8的测力锚索轴力时程曲线的骤增一般稍早于位移时程曲线，因此，当此两个曲线之一发生骤增时，即应认为边坡欠稳定，应及时采取预警、工程抢险措施或组织应急避险。

[0039] 当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点7的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点8的轴力值均小于其自身的稳态变形阶段与加速失稳阶段的分界点时刻t2的临界值时，判定为反倾边坡稳定；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点7的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点8的轴力值中的任意一个接近其自身的临界值时，发出反倾边坡失稳预警；当每个位移监测点的位移量、每个层面法向应力跳跃波动点7的法向应力值以及每个测力锚索轴力峰值点8的轴力值的任意一个大于其自身的临界值时，反倾边坡发生变形破坏造成失稳，可以判定为反倾边坡失稳。

[0040] 实施例1

[0041] 使用离散元数值模拟软件UDEC6.0，建立反倾边坡离散元数值模型，模型边坡坡角60°，倾角60°，坡高0.46m，具有软硬互层结构，硬岩层厚24mm，软岩单层厚8mm，硬岩与软岩层整体等厚，层内预置横向裂隙，间距随机分布，软硬岩及层面力学参数见表1(岩块除密度外的其他参数均为层间节理的参数)。计算采用增重法，模拟离心机加载过程，每5g为一级。

[0042] 表1边坡数值模型材料参数

[0043]

[0044]

[0045] 步骤1，在坡顶转折点1和边坡临空面中点2及反倾边坡后缘布置位移记录点，模拟实际边坡位移监测；通过裂缝两侧的两个测点的数据计算得到相对位移，模拟收敛位移计3的记录过程；在坡体前缘层面上沿软岩层面10和硬岩层面11分别布置各两排法向应力记录点，共四排，每排记录点间距0.03m，模拟土压力计4的工作过程；坡顶转折点1在同一边坡切面内入射两根测力锚索5，下侧测力锚索5入射角80°，两根测力锚索5间的夹角45°，测力锚索5的测力节点间距0.02m即锚索测力计布置的间距为0.02m，监测其加载过程中的各测力节点的轴力变化。

[0046] 步骤2，提取各个法向应力记录点在加载至自重平衡时的法向应力值，并沿层面方向绘制法向应力分布曲线(图9)，得到坡脚附近岩层从坡面向内(即由外向内)的层面法向应力跳跃波动点7的位置；提取测力锚索各个节点的轴力值，绘制其轴力分布曲线(图10)，从而得到测力锚索轴力峰值点8的位置；将层面法向应力跳跃波动点7的位置和测力锚索轴力峰值点8的位置进行连线，即可得到反倾边坡预判破裂面9；

[0047] 步骤3，提取加载过程中位移记录点的位移、最下层硬岩层面11上的预判破裂面9两侧最近的土压力计(即土压力计4-6为距坡面0.18m的土压力计以及土压力计4-7为距坡面0.21m的土压力计)的法向应力值、下侧测力锚索上的预判破裂面9两侧最近的测力节点(测力节点10和测力节点12)测得的轴力值对时间的关系曲线(图12-14)，可见各曲线的变化趋势均可分为三个阶段：起始蠕变阶段(约70k时步，15g荷载前)，位移及应力值均极小，坡体无宏观变形，整体稳定；稳态变形阶段(约580k时步，60g荷载前)，变形体整体向临空面均匀变形，位移曲线线性增大，层面法向应力及锚索轴力同样缓慢均匀增长；进入加速失稳阶段后，破裂面贯通，位移曲线显著阶跃，且层面法向应力骤增，锚索轴力曲线的斜率也明显增大，边坡失稳破坏。可将位移曲线的第一个阶跃点的位移值d2、层面法向应力时程曲线的第一个阶跃点的应力值N2以及测力锚索轴力时程曲线的斜率增加点的轴力值F2作为判断边坡失稳的评价阈值即临界值。

[0048] 图11中，虚线表示原始坡形，实线为失稳后坡形。由图11可以看出，实际破裂面12即实际塑性屈服面与通过本方法得到的预判破裂面9的形态及位置吻合较好，验证了本方法预判破裂面的有效性。

[0049] 由图12可以看出，在稳态变形阶段(50-560k时间步)的水平位移线性增大，坡顶转折点1的最大水平位移达到14mm，边坡临空面中点2的最大水平位移达到14mm；之后边坡变形进入加速失稳阶段，两点位移在100k时间步内迅速增大至36mm，边坡失稳破坏，因此可得出边坡稳态变形阶段结束后边坡即快速破坏的结论，稳态变形阶段与加速失稳阶段的分界点可作为边坡监测的判断依据。

[0050] 由图13可以看出，在稳态变形阶段(15～60g荷载)的预判破裂面两侧法向应力监测点的法向应力值平稳变化，且应力值较小(小于2MPa)，在达到破坏荷载(60g)后，距坡面0.18m处监测点即发生应力阶跃(应力值骤增至11MPa)，此时的加载时间步约560k步，对应于图12位移监测点的临界位置，因此可得出法向应力的突变也可作为判断边坡失稳的依据之一。但由于边坡内部受力的复杂性，部分监测点的应力值阶跃可能滞后(如图13中距坡面
0.21m处监测点)，因此，应在第一个应力阶跃出现后即认为边坡欠稳定。

[0051] 由图14可以看出，稳态变形阶段后期(50～60g)，锚索轴力值出现小幅波动，加速失稳阶段(60g后)，锚索轴力曲线斜率明显增大，边坡加速变形破坏，锚索轴力曲线转折点对应的荷载与图12中第一个应力阶跃时刻一致，因此二者可共同作为边坡失稳破坏的判断依据。

[0052] 综上，由图12-图14各个记录点的时程曲线可见，本方法所选监测点的变化过程很好的反映了边坡的变形过程，并通过数值模拟验证了其有效性，对确定反倾边坡的变形破坏阶段，实现边坡稳定性的评判提供了依据。

[0053] 本发明未述及之处适用于现有技术。