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1、斜坡失稳的非线性过程与物理预报,中国科学院地质与地球物理研究所,秦四清,常用稳定性评价方法,方法：1、工程地质类比法2、数值方法3、 刚体极限平衡方法 评价：1、数值方法：用于评价斜坡演化规律性，定量使用，定性评价，存在许多问题；2、极限平衡法：（1）不能考虑斜坡的滑动位移；（2）不能解释安全系数1的发生了滑坡这样的事实；（3）不能回答在暴雨条件下，即使两个斜坡的各种条件相同或相近，为何一个发生了滑坡，而另一个处于稳定状态的问题 。 结论：以上方法不能反映在失稳时的滑坡不连续行为，评价结论常带有主观人为性。 需要发展新的稳定性分析方法。,对水的作用认识,物理作用：静水压力，动水压力；降低力学参
2、数。 化学腐蚀作用。 有没有新的作用？水的本质作用是什么？,常用滑坡预报方法,经验方法 统计预报缺乏物理基础，不仅所用参数的物理意义不明确，而且预报结果与选用不同蠕变阶段的数据有关，常带有很大的主观随意性。正如Rat指出的：统计预报方法一般是很不可靠的，常常是有“诡计”的。 成功之路：滑坡时间预报研究要取得重大进展，必须从统计预报 转向物理预报。,预报指标的选择,常用位移或位移速率1、多大的位移或速率(降雨)可以表明发生滑坡，因坡而易。2、其物理意义不明确。 结论：需要明确物理意义的新指标。,位移,时间,降雨,对斜坡演化非线性特征的认识,对快速滑坡，存在从蠕变到突变的不连续行为； 某些滑坡演化
3、存在者混沌特征，滑坡预报必须有可预报时间尺度限制； 是一种从无序到有序行为。,斜坡演化过程混沌的研究,以往的混沌研究是依据滑坡监测数据，进行统计研究 未解决：1、混沌产生的物理机制与模型？2、导致混沌的条件和道路是什么？3、混沌与哪些力学参数有关？,滑动过程的抗剪性能（岩桥）,1、裂纹贯通，岩桥断裂,2、剪切阶段：台阶型或锯齿型滑面，滑动、滚动摩擦,3、滑动阶段：受岩粉颗粒控制,刚体极限平衡方法的适用性,适用于滑动面介质为单一介质； 或适用于多种介质同时达到峰值强度； 而实际滑动面可能由多种介质组成，如弹脆性，弹塑性，应变软化，应变硬化等。也不可能同时达到峰值强度。,滑面由两种介质组成的平面滑
4、动斜坡,斜坡平面滑动失稳本构模型,滑动面简化为两种介质； 介质1是弹脆性的或是应变硬化的 ，介质2是应变软化介质。,图 2 软弱夹层两种不同介质的本构曲线,图1 斜坡平面滑动失稳的力学模型,斜坡平面滑动失稳本构模型,介质1（弹脆性）本构方程：,式中，ub 为对应于岩块被剪断时的临界位移；u2 是当不规则的不连续面被磨平时的位移；Ge1 和 Ge2 分别是对应于 u0.91也是稳定的。,斜坡平面滑动失稳非线性动力学模型,对应变软化段介质2，如果考虑其粘滞或蠕变属性 ，可得到：,图 考虑粘滞力的剪应力模型,失稳判据：,D=4a3+27b2=0,该式是一个各参数具有明确意义的非线性动力学模型或物理预
5、报模型，只要根据室内实验和现场调查确定了各力学与几何参数，就能对滑坡的变形规律作出预测。,斜坡平面滑动失稳非线性动力学模型的反演,1、因为实测的序列为（u,t），所以必须把(x,t)序列转换为（u,t）序列。,2、反演方法 可用我们提出的改进Backus广义线性反演理论求解。求解后，可算出a,b值，进行预测。再根据D值的变化判断斜坡的稳定性。,根据观测位移数据可反演力学参数,模型,方法,鸡鸣寺滑坡背景知识,1991年6月29日凌晨，湖北省秭归县鸡鸣寺发生了滑坡，体积60万m3。由于滑坡预报及时准确，避免了重大的人员伤亡和财产损失。 鸡鸣寺滑坡为一人类活动诱发的岩质顺层滑坡，滑坡体岩性为坚硬石灰
6、岩夹软弱泥质灰岩组成，岩层倾角基本与坡角一致，约为35。坡顶高程1296m，坡脚处采石场堆石平台面高程250m，其中坡脚高程300-310m以下岩层被水泥厂开采。滑动面为软弱泥灰岩夹层，在长期采石爆破震动和降雨的条件下，坡体开始变形。,鸡鸣寺滑坡地质剖面,鸡鸣寺滑坡剖面图,鸡鸣寺滑坡突变特征值D的变化,图8 鸡鸣寺滑坡c4测点位移和,值随时间的变化,|D|值在等速蠕变阶段呈现比较稳定的变化，变幅（|D|3.27）很小；在加速蠕变阶段开始后，|D|值陡增（增幅分别为：71.48, 286.42, 9326）出现一峰值点，而后迅速降低，在临近失稳时，接近于零。我们可以根据这一特殊现象，判断滑坡的发
7、生。,木城涧矿,图 木城涧矿千军台坑741003工作面顶板沉降观测记录,监测数据无规律性时，D值也有类似规律。推荐D值可作为判别斜坡稳定性的重要指标,鸡鸣寺滑坡根据位移观测数据反演力学参数的方法,根据反演出的a和b值，可估算m、k和 的合理取值范围。下图给出了k和 随m 值的变化。可看出，k的合理值范围为0k0.8272，的合理值范围为11.61，m的合理值范围为0m1.4。 若考虑最不利的情况，即无锁固段的情况（le=0，k=0，m=1.4，=1.582），并已知ls=237.6m，u1=0.928m，Wg=641520kN，h=0.2m，=35，则得到Gs=1.17Mpa，=7.12810
8、10Pa.s。可见滑坡发生前，剪切模量参数非常低。,简化的物理预报模型,1、简化的物理预报模型： 斜坡系统演化进入了稳定蠕变阶段，此时有b0，得到：,2、分岔,刚度比k=1是分岔点,简化的物理预报模型,3、混沌判别表达式,在应用式（28）时，应注意 的单位（一般是Pa.s）应当与,物理意义是：当a0（k1），即系统有可能失稳时，斜坡演化才可能出现混沌，而对不可能失稳的斜坡，不会出现混沌，这说明混沌也是斜坡失稳可能性的标志。从上式还可看出，混沌能否出现取决于应变软化段的力学参数（Gs，m）与两段不同介质的刚度比k，由斜坡系统内在的物理力学性质所决定。如果斜坡系统不具有混沌特征，可进行确定性的预报；反之，预报必有可预报时间尺度的限制。显然，m越大，k越小，系统越易出现混沌。 通向混沌之路是通过倍周期分岔实现的。,简化的物理预报模型,4、预报模型（只适用于斜坡变形的等速蠕变阶段）,上式类似于Logistic方程 。根据鸡鸣寺等速蠕变阶段的数据估算失稳时间为91.4.26日。1=0.1711.3，表明该滑坡无混沌现象，可进行确定性预报。,谢谢大家！,欢迎各位专家提出宝贵意见！,
