滑坡變形階段的劃分及短期預(yù)報(bào)研究

楊慶義，孫 政

（1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013；2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

滑坡變形階段的劃分及短期預(yù)報(bào)研究

楊慶義1，孫 政2

（1. 山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013；2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

滑坡是一種重要的地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生，就會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，本文研究了滑坡變形階段的劃分問題，并在此基礎(chǔ)上提出了每個(gè)階段應(yīng)該進(jìn)行的相應(yīng)工作及目的。當(dāng)滑坡進(jìn)入加速變形階段后期，出于防災(zāi)減災(zāi)的需要，此時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間顯得尤為重要，結(jié)合實(shí)際工程本文研究了滑坡進(jìn)入加速變形階段的短期預(yù)報(bào)問題，并取得了較好的效果。

滑坡；預(yù)報(bào)；分析

滑坡是一種重要地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生，就會(huì)帶來嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致公路和鐵路運(yùn)輸中斷、河道堵塞、摧毀廠礦、掩埋村鎮(zhèn)，造成重大災(zāi)害?；轮酝o人類造成嚴(yán)重的損失，究其原因是人們難以事先準(zhǔn)確知道其發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間、強(qiáng)度和影響，也就預(yù)先難以防范，所以對(duì)于滑坡災(zāi)害，重在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。［1］

從廣義上講，滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)包括時(shí)間預(yù)報(bào)、空間預(yù)測(cè)和災(zāi)害預(yù)測(cè)。從狹義上講，滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)就是指對(duì)坡體失穩(wěn)、發(fā)生劇滑時(shí)間的預(yù)報(bào)，即滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)?；聲r(shí)間預(yù)報(bào)準(zhǔn)了，可大大降低災(zāi)害影響，避免人員傷亡，降低經(jīng)濟(jì)損失。因而滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)是邊（滑）坡安全預(yù)報(bào)的核心。

傳統(tǒng)的采用擬合整段監(jiān)測(cè)位移與時(shí)間關(guān)系曲線的方法［2、3］（如Verhulst模型等）來預(yù)估滑坡具體日期的做法并不科學(xué)，因?yàn)榛略诎l(fā)展過程中往往受到降雨、庫水位升降及其他一些不可預(yù)見的人為因素的影響，而這些影響又是事前未知和不確定的。在滑坡處于等速變形階段或者進(jìn)入加速變形階段初期時(shí)預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間的可能性很小，因此在邊（滑）坡預(yù)報(bào)研究中，要首先弄清當(dāng)前滑坡處于何種變形階段，并且明確各個(gè)變形階段與時(shí)間預(yù)報(bào)相關(guān)的任務(wù)和目的，為最終準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡時(shí)間做好充分的準(zhǔn)備。

出于上述目的，本文研究了滑坡變形階段的劃分問題，并在此基礎(chǔ)上提出了每個(gè)階段應(yīng)該進(jìn)行的相應(yīng)工作及目的。當(dāng)滑坡進(jìn)入加速變形階段后期，出于防災(zāi)減災(zāi)的需要，此時(shí)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間顯得尤為重要，因此在本文中研究了滑坡進(jìn)入加速變形階段的短期預(yù)報(bào)問題。

1 滑坡變形階段的劃分及各個(gè)階段的任務(wù)

滑坡變形的典型位移－時(shí)間曲線可分為3個(gè)階段，即初始減速變形階段、等速變形階段、加速變形階段，見圖1。實(shí)際上大部分滑坡的位移－時(shí)間曲線有一定程度的波動(dòng)和起伏，［4］可以采用文獻(xiàn)給出的一些方法對(duì)變形數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理，使之變成光滑曲線再用于滑坡預(yù)報(bào)。根據(jù)滑坡所處的變形階段，可將滑坡預(yù)報(bào)分為以下幾種階段：長(zhǎng)期、中期、短期、臨滑四個(gè)階段?？紤]長(zhǎng)期和中期預(yù)報(bào)的一些重復(fù)性，可以根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將其簡(jiǎn)化為中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、臨滑預(yù)報(bào)，其中最重要的是臨滑預(yù)報(bào)。

圖1 典型滑坡變形－時(shí)間曲線

1.1 中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)

斜坡已經(jīng)存在某些滑坡跡象（包括老滑坡的殘留跡象和新生滑坡的初始跡象），但尚未出現(xiàn)較明顯的位移變化，因而是對(duì)滑坡今后變形行為和破壞時(shí)間的趨勢(shì)性預(yù)報(bào)。

預(yù)報(bào)目的：判斷存在滑坡的可能性，決定是否需要對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和觀察。

預(yù)報(bào)特點(diǎn)：這是一種“可能性”預(yù)報(bào)，不確定性大，現(xiàn)實(shí)中隨著外界條件和時(shí)間的變化，滑坡變形可能持續(xù)發(fā)生，也可能在變形之后恢復(fù)穩(wěn)定。長(zhǎng)期預(yù)報(bào)不要求預(yù)報(bào)出確切的滑坡時(shí)間，但應(yīng)該指出滑坡處于何種階段，是以較快的速度開展還是以較為緩慢的速度進(jìn)行著。

1.2 短期預(yù)報(bào)

邊（滑）坡后緣、前緣、兩側(cè)全面表現(xiàn)出來可觀察到的不斷發(fā)展的變形和裂縫，而且情況日趨嚴(yán)重。可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和觀察資料，對(duì)滑坡的短期內(nèi)的變形行為和破壞時(shí)間做出粗略預(yù)報(bào)。

預(yù)報(bào)目的：基本上確定滑坡的可能性，必須對(duì)滑坡進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)和密切觀察，以便預(yù)報(bào)劇滑時(shí)間和災(zāi)害影響范圍，并采取應(yīng)急搶險(xiǎn)措施或防范措施，減輕災(zāi)害影響。

預(yù)報(bào)特點(diǎn)：滑坡變形持續(xù)增長(zhǎng)，位移速度－時(shí)間曲線由線性狀態(tài)轉(zhuǎn)為非線性，出現(xiàn)一定加速。明顯的變形跡象與位移速度加速表明，滑坡的可能性非常大，只有在其他因素（如卸載、壓腳、支護(hù)等）的影響時(shí)，滑坡才可能在變形中趨于平衡穩(wěn)定。

1.3 臨滑預(yù)報(bào)

滑坡的變形破壞現(xiàn)象和詳細(xì)的全方位的綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，表明滑坡即將出現(xiàn)劇滑狀態(tài)。

預(yù)報(bào)目的：必須嚴(yán)密監(jiān)視滑坡的動(dòng)態(tài)變化，隨時(shí)根據(jù)影響因素的變化對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果做出修改，并采取一切措施，最大限度地減少災(zāi)害。對(duì)于臨滑狀態(tài)的滑坡，需要立即徹底轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的人員和物資，對(duì)危及交通安全的滑坡區(qū)域，實(shí)施嚴(yán)格的交通管制。

預(yù)報(bào)特點(diǎn)：坡體的變形破壞出現(xiàn)突變，位移－時(shí)間曲線處于劇速蠕變階段，對(duì)滑坡臨滑所做出的時(shí)間預(yù)報(bào)表明滑坡即將發(fā)生，臨滑預(yù)報(bào)是滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)中最為重要的階段。

2 臨滑階段的滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)

當(dāng)邊坡變形進(jìn)入加速變形階段后期，滑坡在短期內(nèi)發(fā)生已成為一種必然，此時(shí)才可以選用一些合適的數(shù)學(xué)模型來模擬變形－時(shí)間曲線，預(yù)報(bào)滑坡時(shí)間。齋藤預(yù)報(bào)法是國(guó)內(nèi)外為數(shù)不多的成功事先預(yù)報(bào)滑坡的方法之一，其原理可表示為下述微分方程。［5］

式（1）中，ε表示變形，t0可取為加速變形階段后期的任意時(shí)刻。

要求解方程（1），可在位移－時(shí)間關(guān)系曲線上取三點(diǎn)，見圖2，使其在位移上所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)間距△L相等，由此可求出參數(shù)a和b，進(jìn)而可以推出滑坡啟動(dòng)時(shí)間為：

圖2 滑坡加速蠕變階段位移－時(shí)間關(guān)系曲線

方程（1）也可表達(dá)為在變形加速階段，某時(shí)刻t的變形速率ε&與該時(shí)刻距破壞時(shí)間tr的時(shí)間（tr－t）的b次方成反比，即：

公式（3）的應(yīng)用，一般是通過作圖法得出t0、t1及t2后，再求tr。這樣的好處是簡(jiǎn)潔、直觀。事實(shí)上，位移時(shí)間曲線是由一些離散點(diǎn)連接而成，因此用直接作圖得出的光滑曲線，其可靠程度就因人而異了。

為了盡量減小在作圖法中的人為誤差，本文中根據(jù)公式（4），推導(dǎo)出變形隨時(shí)間變化的函數(shù)如下：

當(dāng)b≠1時(shí)，

式（6）中，A、B、C、tr為待定參數(shù)?；逻M(jìn)入臨滑階段后，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形在總體上趨于一致，在獲得大量滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)間序列之后，可以采用優(yōu)化算法（如梯度下降、遺傳算法等）。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如式（6）的變化趨勢(shì)，從而根據(jù)tr判斷滑坡發(fā)生時(shí)間。

2.1 滑坡進(jìn)入加速變形階段后期的判別

要采用式（6）來預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間，必須先判斷滑坡是否進(jìn)入滑坡加速變形階段后期，可以采用如下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷：

（1）滑坡進(jìn)入加速變形階段后期，基本呈現(xiàn)整體破壞的趨勢(shì)，滑坡上所有的測(cè)點(diǎn)一起加速變形，同步現(xiàn)象十分明顯；如果只是個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)劇烈的加速變形，滑坡可能只是局部發(fā)生破壞，而非整體破壞。

（2）變形速率大幅度增加。進(jìn)入加速階段后期，滑帶的結(jié)構(gòu)基本破壞，滑體在失去約束的情況下，變形速率與加速階段前期相比必然有大幅度的增加。

（3）變形速率除了大幅度增加外，而且是持續(xù)增加。有些邊坡在遇到降雨或庫水浸泡時(shí)，滑坡巖土體的強(qiáng)度降低，引起滑坡產(chǎn)生變形。但降雨過后或庫水消退后，巖土體強(qiáng)度又會(huì)升高，變形速度隨時(shí)間減小，最后邊坡趨于穩(wěn)定。所以邊坡變形速率出現(xiàn)大幅度增加時(shí)，首先要查明原因，并且進(jìn)行加密觀測(cè)，隨時(shí)注意滑坡發(fā)展動(dòng)向。如果在外界影響因素沒有很大改變的條件下，滑坡變形速率一直持續(xù)增加，說明滑坡的結(jié)構(gòu)基本破壞，在短時(shí)間內(nèi)極有可能發(fā)生劇滑。

2.2 基于加速階段后期的時(shí)間預(yù)報(bào)法在黃茨滑坡上的應(yīng)用

黃茨滑坡位于甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村，鐵道部科學(xué)研究院西北分院通過地質(zhì)調(diào)查、宏觀現(xiàn)象分析，認(rèn)為該滑坡于1994年7月已進(jìn)入滑坡加速蠕變后期。［6］從1994年9月底到滑坡劇滑前對(duì)其進(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)，積累了豐富的變形數(shù)據(jù)，為滑坡預(yù)報(bào)研究提供了一個(gè)不可多得的實(shí)例。

黃茨滑坡滑體上多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移－時(shí)間曲線見圖3。

圖3 黃茨滑坡的多個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形曲線

用式（6）對(duì)上述四個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移－時(shí)間曲線進(jìn)行擬合，通過優(yōu)化方法得到相應(yīng)的參數(shù)t 、A、B、C，擬合效果見表1和圖4。r

表1 齋藤法預(yù)報(bào)法分析成果表

3 結(jié)束語

從表1和圖4可以看出，應(yīng)用公式（6）擬合出的曲線可信

1 王恭先.中國(guó)滑坡防治研究綜述［A］.蘭州滑坡會(huì)議論文選集［C］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988

2 晏同珍.滑坡時(shí)間的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)［A］.滑坡論文選集［C］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989

3 文寶萍.滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.地學(xué)前緣，1996（1）：86～92

4 李天斌、陳明東.滑坡預(yù)報(bào)的幾個(gè)基本問題［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999（3）：200～206

5 Saito M. Forecasting time of slope failure by tertiary creep［A］.Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundati on Engineering［C］.Mexico City, 1969

6 徐俊齡.黃茨大型滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)［R］.蘭州：鐵道部科學(xué)研究院西北分院，1995度較高，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，證明該方法上適用于未經(jīng)任何加固的黃茨滑坡的臨滑預(yù)報(bào)。黃茨滑坡劇滑發(fā)生的真實(shí)日期是2005年1月31日凌晨2時(shí)30分，通過齋藤法計(jì)算得到的滑坡時(shí)間在2005年1月28日至2月1日之間，而且有3個(gè)點(diǎn)預(yù)測(cè)得到的滑坡日期就在1月31日，可見對(duì)于此類滑坡，該方法的預(yù)報(bào)效果已經(jīng)能夠滿足工程需要。

Landslide Distortion Stage Division and Short-term Forecast Research

Yang Qingyi，Sun Zheng

The landslide is one important geological disaster, once occurs, will bring the serious consequence, this article has studied landslide distortion step the section division question, based on this and proposed each stage should carry on corresponding work and goal.When the landslide enters accelerates to distort the stage later period, reduces disaster the need stemming from the disaster prevention, this time the accurate forecast landslide had the time appears especially important, union actual project this article studies the landslide to enter accelerates to distort the stage short－term forecast question, and has made the good progress.

landslide; forecast; analysis

P642.1

A

1000－8136（2011）03－0008－03

圖4 齋藤預(yù)報(bào)法擬合效果圖