边坡对固体潮等日周期变化因子的响应及其稳定性研究

在我国，滑坡是极为常见的地质灾害，造成的人员和财产损失仅次于地震。滑坡发生的时间和空间特征一直是地质领域的热点研究内容。经过统计分析各类历史数据，我们发现，滑坡发生存在一定的日周期性，在一天中的不同时间点分布显著不均，其中凌晨三点时段及下午 14 点时段频率较高。滑坡的触发因素较为复杂，常常具有发生频率高、动力效应明显的特点。固体潮、地脉动及大气压力等大范围自然因素对滑坡发生的影响尚缺乏系统性的研究和成果，尤其是日周期规律与动力相应方面的研究。本课题以现场测试、振幅分析与频谱分析为手段，在分析固体潮、地脉动与大气压力等日周期因子的基础上，着重探讨它们与边坡坡体应力变形之间的相关关系以及它们的内在联系，并进一步研究边坡的变形和应力对上述周期性因子的动力响应以及各因子对边坡稳定性的敏感性，最终在传统极限平衡分析的基础上，建立相应的计算模型，提出考虑日周期性因子的边坡稳定性分析和评价方法。这一项目的开展将有助于深化对边坡破坏机理的认识，推进边坡稳定性理论研究。 2100433B

滑坡是仅次于地震的第二大地质灾害。滑坡的时间分布规律的研究是当前滑坡研究的热点之一。我们在初步研究工作中，收集大量已有的滑坡数据并加以统计，统计结果显示，滑坡在日周期分布显著不均，其中凌晨三点时段及下午点时段频率较高。滑坡发生的具体时间的触发因素具有经常发生，作用较小，动力效应明显的特点。而目前关于滑坡的固体潮、地脉动及大气压力等因素导致的日周期规律与动力相应方面的研究比较缺乏。本课题以现场测试、振幅分析与频谱分析为手段，在分析固体潮、地脉动与大气压力等日周期因子的基础上，着重探讨它们与边坡坡体应力变形之间的相关关系以及它们的内在联系，并进一步研究边坡的变形和应力对上述周期性因子的动力响应以及各因子对边坡稳定性的敏感性，最终在传统极限平衡分析的基础上，建立相应的计算模型，提出考虑日周期性因子的边坡稳定性分析和评价方法。这一项目的开展将有助于深化对边坡破坏机理的认识，推进边坡理论研究。

水位的固体潮效应是含水层在日、月起潮力作用下，产生固体潮体应变的反映。这种含水层的体应变使其孔隙中的流体压力产生潮汐波动，迫使水在井孔与含水层之间产生潮汐渗流，从而形成了井孔内水位的潮汐变化。大量的地下水位观测事实表明，一个好的承压井的地下水位变化，能反映出地球潮汐体应变的变化。因此，对地球潮汐提应变的分析完全适合于对地下水位观测资料的分析。地震孕育是震源区内介质的变形、损伤并导致失稳的过程，即震源区介质的损伤、演化、破坏过程。根据震源区介质受构造应力作用后的破坏过程这一非线性系统失稳的自然现象，利用潮汐因子变化分析方法，进行计算、分析和研究，以期识别和提取本地区井水位的地震短临异常前兆信息。

潮汐因子通河静水位测量井基本情况

通河台地理构造于伊春—延寿地槽北段，北东向依舒断裂、东西向通河断裂、北西向岔林河断裂。其中静水位测量井位于台站院内，井深200米，数据产出质量较稳定。静水位主要采用LN－3A数字水位仪，水位探头埋深为7.24米，可以很好的反映地下水固体潮汐效应。水位传感器每月标定合格，没发现外界环境对观测数据有影响，地下水类型属孔隙承压水，其下也有较厚的粘土层隔水层。

潮汐因子井水位固体潮分析原理与方法

地壳在日、月起潮力的作用下，会产生相应的固体潮体应变，这种应变使含水层孔隙中的流体压力产生波动。在钻孔穿透含水层后，含水层和井内的压力差使水流流入（或流出）井孔，井水水位就会出现相应的潮汐波动，这种由固体潮应变引起的水井水位的潮汐现象，就是水井水位的固体潮效应。

井水位固体潮效应的机理为因地球表层潮汐应力大小随地球与天体在运动中的相对位置的变化而有规律的变化，地下水位也必然随之产生有规律的升降变化。当潮汐应力增大时，含水岩体发生膨胀，含水空隙水压降低，井水位下降。反之，井水位上升。设水柱高度含水层层压为P，P为大气压力，σ为潮汐应力，γ为水的密度，则水位与潮汐应力的平衡方程为：

由此可以看出，井水位h随着潮汐应力σ的变化而变化，且与σ反向。井水位潮汐因子是将水位观测值△h转换为固体潮观测值C后与固体潮理论值△g的比值：

潮汐因子震例分析

构造地震是地球内部某些特殊构造部位应力不断积累、增大、以致超过岩石强度极限时，地壳岩石突然破裂而产生的一种自然现象。国内外的研究结果表明，在地震孕育的广阔范围内，岩层中的应力积累、应力状态都会引起地下水介质体系的变化，临阵阶段，岩石中裂隙的迅速扩展、震时破裂、在构造断裂带附近，若含水层组之间有水力联系，则深层承压水还可携带深部组分沿断裂带上涌，与浅水层混合，这些来自地壳深部的信息就会直接被观测到。通过对通河地震台近5年来地下水位的长期观测，总结出通河地震台水位潮汐因子01波正常值范围：（0.0003~0.006），周日波正常值范围：（0~0.0024），发现01波与周日波在超出正常范围出现高值或低值后，间隔几天后在周围区域均发生地震，总结2007年至2012年出现几次的异常次数与地震的对应关系。图1红色线范围为01波正常变化值范围，在正常变化范围外有4次异常，而且异常形式为单个时间点异常与时间域异常，分别对应4次地震。而周日波在正常范围外出现5次高值异常，在出现高值异常后均出现5次地震。黑龙江省发生地震次数较少（图2），发现发生地震与异常都能很好的对应，具体对应地震关系见（表1、表2）。

潮汐因子排除干扰

通过对通河地震台静水位近6年的观测数据曲线动态特征分析，删除由于干扰造成的数据波动，取正常时段静水位观测数值，进行潮汐因子变化分析，静水位开始观测以来。严格遵守《地震地下水观测规范》的要求，水位内精度较高，连续率较好。而且水位观测近6年来未发现有外界干扰源对其数据产生干扰。

潮汐因子通河静水位潮汐因子变化异常映震分析

根据上述所列水位异常与地震对应关系的资料，通河1号井静水位潮汐因子异常的映震特征可归纳为以下两点：

（1）01波与周日波出现异常时间点后发震，震前01波与周日波潮汐因子出现单点异常高值或异常低值，而且消失后都在未来几天后发生地震。

（2）01波在异常时间域内发震，即在01波出现异常时间域，发现周围区域发生地震的时间与异常时间域对应。

潮汐因子结论与讨论

通过潮汐因子变化分析可以有效的提取地下流体水位数字化观测资料的有震异常信息，分析认为，地震孕育过程是一个非平稳过程，异常信号叠加在平稳的背景上，利用地下水位对潮汐应力的响应，分析含水层对一些地震孕育过程中应力变化的响应，统计异常和地震对应的关系，对异常信息分析总结，将有助于揭示地震孕育与发生的某些规律。 2100433B

本项目属地质工程的应用研究领域，具体涉及边坡工程中岩质高边坡的演化、变形破坏机制、稳定性评价、稳定性监测、稳定性控制以及失稳时间预报等。 主要研究内容包括三大部分。第一部分为高边坡岩体的工程地质基础；第二部分为岩质工程高边坡稳定性分析与评价；第三部分为岩质工程高边坡稳定性的控制。具体的研究内容包括：（1）高边坡的形成与演化特征研究；（2）高边坡的稳定条件研究；（3）工程高边坡岩体质量分级研究；（4）工程高边坡整体稳定性研究；（5）工程高边坡局部稳定性研究；（6）工程高边坡坡比与加固方案研究；（7）工程高边坡的信息化监测与失稳预报研究。 结合典型工程高边坡稳定性的研究实践和国内外其它边坡工程的对比研究，采用现代工程地质、岩土工程和岩体力学的先进理论和方法，并引用现代数学理论、非线性科学理论和现代监测技术，从工程地质基础、稳定性分析与评价以及稳定性控制三大方面，全面系统地研究了岩质工程高边坡的稳定性问题，不同程度的涉及了岩质工程高边坡稳定性研究的主要方面。在边坡岩体浅表生改造理论和岩石工程高边坡稳定性及其控制的基础理论和方法方面取得了重要进展，建立了一套完善的岩质工程高边坡稳定性及其控制研究的技术方法体系，而且研究成果解决了大型工程建设中与高边坡稳定性相关的诸多技术难题，创造了显著的经济效益和社会效益，对推动工程高边坡领域的科技进步和学科发展做出了重要贡献。据溪洛渡水电站工程设计单位中国水电顾问集团成都勘测设计研究院测算，本项成果为该电站创造了6200万元以上的直接经济效益；鹧鸪山隧道西引道高边坡加固工程应用本项成果进行优化设计，节约投资2110万元。此外，本项研究成果还在黄河拉西瓦电站、雅砻江锦屏一级和二级电站等多项水电工程高边坡以及交通基础设施建设中的诸多高边坡工程中得到推广和应用。通过本项目共培养博士、硕士研究生8名，出版专著3部，发表论文37篇。 2100433B