基于表面傾角變化的滑坡臨災(zāi)預(yù)警方法研究

王妙茜 謝謨文 胡 嫚

（北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，中國(guó) 北京 100083）

0 引言

滑坡的變形破壞是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，按其破壞速度，可分為蠕滑型滑坡和突發(fā)型滑坡[1]，如金坪子滑坡屬于蠕滑型滑坡，即滑坡持續(xù)緩慢滑動(dòng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久。滑坡的發(fā)生發(fā)展都是從內(nèi)部變形破壞開始的，隨著內(nèi)部變形的發(fā)展，導(dǎo)致下滑力逐漸大于抗滑力，邊坡便會(huì)失穩(wěn)，局部或整體垮塌，以達(dá)到新的平衡。

滑坡的災(zāi)害識(shí)別、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重要課題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在滑坡安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域做了大量的研究，滑坡的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)常用的有齋藤迪孝模型[2]、灰色系統(tǒng)模型[3]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[4]等。對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警是減輕其危害的主要手段，監(jiān)測(cè)過(guò)程即是通過(guò)捕捉滑坡體動(dòng)態(tài)變化信息，建立其與滑坡成災(zāi)演化階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)專業(yè)分析預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害

滑坡監(jiān)測(cè)一般采用位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，有GPS監(jiān)測(cè)[6-9]，經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)[10]，鉆孔傾斜儀監(jiān)測(cè)[11-13]、遙感信息技術(shù)[14-16]等監(jiān)測(cè)手段，這些監(jiān)測(cè)手段大都成本高昂，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境和安裝條件要求嚴(yán)格，且需要專業(yè)的分析判斷。

本文提出捕捉滑坡突變信息的簡(jiǎn)易方法，大幅降低預(yù)警監(jiān)測(cè)成本。受滑坡征兆識(shí)別現(xiàn)象醉漢林的啟發(fā)，在待測(cè)邊坡布設(shè)監(jiān)測(cè)桿體，如果發(fā)生滑坡土體位移突變，桿體會(huì)發(fā)生一定角度的傾斜，這間接實(shí)現(xiàn)了滑坡的位移監(jiān)測(cè)，捕捉滑坡臨災(zāi)突變信息。

1 滑坡臨災(zāi)預(yù)警方法研究

假定一邊坡體如圖1所示，將滑體自右向左劃分為等距土條，分別編號(hào)為：1,2,3,4,5…i…n…，土條等間距為 bi，右邊長(zhǎng)度為 li，當(dāng)巖體向左移動(dòng)一個(gè)土條距離，即bi長(zhǎng)度，計(jì)算各土條單元地表位移。

將土坡分為兩個(gè)部分，即坡頂和斜披，記土坡向左移動(dòng)bi長(zhǎng)度時(shí)，坡頂?shù)乇砦灰茷镾1，而斜坡的位移為S2，在坡頂位移角度計(jì)算如式（1），位移值計(jì)算如式（2），斜坡的位移角和位移值計(jì)算如式（3）和式（4）所示。相應(yīng)地可以通過(guò)滑坡體上傾角傳感器的變化測(cè)定滑坡的位移狀況，進(jìn)而預(yù)警滑坡位移的突變，達(dá)到臨災(zāi)預(yù)警目的。

圖1 條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖

本文選取一個(gè)實(shí)例：大光包—紅洞子溝滑坡進(jìn)行滑坡模擬數(shù)值分析。大光包—紅洞子溝滑坡是汶川大地震引發(fā)的大規(guī)?；?，其體積達(dá)7.5×108立方米，堰塞壩高690m。數(shù)值模擬了滑坡的全過(guò)程，采用的主要參數(shù)如下：ρ=2.5（g/cm3），E=1.86GPa，摩擦角 φ=10.8(°)，粘聚力c=1.276(MPa)。在土體上標(biāo)記M點(diǎn)，滑坡破壞結(jié)束，土體趨于穩(wěn)定后，M點(diǎn)位置在滑坡前后的位置對(duì)比如圖2所示。在滑坡破壞過(guò)程中 ，M點(diǎn)的速度—時(shí)間以及位移—時(shí)間關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 滑坡前后M點(diǎn)位置對(duì)比

若將滑坡預(yù)警傳感器插于山體之上，諸如M點(diǎn)位置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其位移、速度、加速度及振動(dòng)情況，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑坡征兆，為科研和工程監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)。下面對(duì)大光包滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)M進(jìn)行分析，其速度位移隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 M點(diǎn)的速度—時(shí)間曲線和位移—時(shí)間曲線V2

分析M點(diǎn)在整個(gè)滑坡過(guò)程中，隨時(shí)間推移的速度和位移變化曲線。分析曲線可以看出，在滑坡初始階段，位移和速度都有不同程度的變化，其中速度比位移對(duì)于土體的變化更加敏感，此時(shí)時(shí)間是在t=1.5s時(shí)O點(diǎn)的速度v=0.71m/s，位移S=5.43m。隨后，土體失穩(wěn)進(jìn)入加速下滑階段，即O S1段，此階段加速度為正值，故速度逐漸加大到峰值 v2點(diǎn)（t=22.5s，v=41.7，S=456.92m）。 從 S1點(diǎn)開始，滑體進(jìn)入減速下滑階段，直到 S4點(diǎn)（t=51.5s，S=1010.83m），滑體達(dá)到新的平衡，位移穩(wěn)定，位移的變化率為零，此時(shí)速度v3=2.29m/s。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)M的垂直監(jiān)測(cè)樁角度分析如圖4所示。作對(duì)比線L1，L2可以看出，在滑坡的始滑階段，當(dāng)位移還不十分明顯的時(shí)候，此時(shí)監(jiān)測(cè)樁已有很大的傾角。如對(duì)比線L1劃在時(shí)間t=0.5s時(shí)，此時(shí)的角度值θ=32.90°，S=4.77m，可見(jiàn)在滑坡開始的瞬間，監(jiān)測(cè)樁傾倒，根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)手段，可識(shí)別角度改變的最小誤差是0.01°，因此在角度超過(guò)安全范圍，報(bào)警器可立即感知，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。再將對(duì)比線L2劃在時(shí)間t=8.5s，此時(shí)的角度θ=89.07°，S=16.75m，由圖4可以看出，在對(duì)比線L2以后的時(shí)間段內(nèi)，角度值是趨于穩(wěn)定的，而位移值還有一個(gè)很大的變化幅度，在監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中，我們希望早發(fā)現(xiàn)早采取措施，因此基于土體的表面傾角變化的滑坡臨災(zāi)預(yù)警方法簡(jiǎn)單實(shí)用。

圖4 M點(diǎn)傾角及位移隨時(shí)間的變化曲線

為了能更清楚分析在滑坡初始階段土體的傾角變化，我們選取前20s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。角度監(jiān)測(cè)對(duì)土體的變化十分敏感，角度由初始階段的 θ=32.90°變化到 J 點(diǎn)（t=1.0s，θ=76.59°），突變明顯，易于偵測(cè)。到拐點(diǎn)K（t=2.0s，θ=79.75°），若在滑坡開始之初就發(fā)出預(yù)警信號(hào)，為監(jiān)測(cè)預(yù)防工作爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。最后土體達(dá)到新的平衡，角度穩(wěn)定，如 L 點(diǎn)（t=6.0s，θ=88.39°）以后基本穩(wěn)定在 θ=89°，在 KL 階段，時(shí)間跨度僅為4s，角度增加幅度為10°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)位移或速度的變化率，具有監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的現(xiàn)實(shí)意義。

圖5 M點(diǎn)角度隨時(shí)間的變化曲線（前20s）

因此，基于傾角突變的滑坡預(yù)警方法比位移或者速度監(jiān)測(cè)更加敏感，易于達(dá)到監(jiān)測(cè)目的，角度誤差小，監(jiān)測(cè)手段成熟，成本低，利于大面積推廣。

2 結(jié)論

本文通過(guò)基于表面傾角棉花的滑坡臨災(zāi)預(yù)警方法研究，比較分析滑坡滑動(dòng)過(guò)程中地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，速度及傾角變化，得到如下結(jié)論

（1）通過(guò)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化與速度變化的關(guān)系可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度在滑坡滑動(dòng)開始有一個(gè)突變點(diǎn)O點(diǎn)，此時(shí)滑坡還基本沒(méi)有產(chǎn)生位移，難以作為滑坡預(yù)警指標(biāo)，同時(shí)滑坡本身可能還有一個(gè)較長(zhǎng)的滑動(dòng)位移時(shí)間段。另一個(gè)速度突變點(diǎn)V2點(diǎn)發(fā)生在滑坡產(chǎn)生較大加速位移之后，此時(shí)的預(yù)警時(shí)機(jī)較晚，不利于及時(shí)避險(xiǎn)。

（2）結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移與傾角變化的關(guān)系曲線可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)角度在位移拐點(diǎn)S1之前早已產(chǎn)生幅度較大的傾角突變并趨于穩(wěn)定，可以很好地用于滑坡災(zāi)害的避災(zāi)預(yù)警。

總之，采用基于傾角突變的滑坡預(yù)警方法可以達(dá)到滑坡臨災(zāi)預(yù)警的目的。其系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本大幅度降低，利于大面積推廣。

［1］劉廣潤(rùn)，晏鄂川，練操.論滑坡分類[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2002,10（4）：340-342.

［2］SAITO M.Forecasting the time of occurrence of a slope failure[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Montreal,Canada:[s.n.],1965:537－541.

［3］陳明東,王蘭生.邊坡變形破壞的灰色預(yù)報(bào)方法[C]//全國(guó)第三次工程地質(zhì)大會(huì)論文選集(下卷).[S.l.]:[s.n.],1988：1226－1232.

［4］MAYORAZ T,CORNU T,VULLIET L.Using neural networks to predict slope movements [C]//Proceedings of 7th International Conference on Landslides.Rotterdam:Balkema,1996:295－300.

［5］徐紹銓，程溫鳴，黃學(xué)斌，李征航.GPS用于三峽庫(kù)區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)的研究[J].水利學(xué)報(bào)，2003（1）：114-118.

［6］裴世建，王祖軍.GPS 在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2007，10:55-57.

［7］張文君.滑坡災(zāi)害遙感動(dòng)態(tài)特征監(jiān)測(cè)及其預(yù)測(cè)分析研究[D].李永樹，成都：西南交通大學(xué)，2007，1.

［8］易慶林，盧書強(qiáng)，何祥.測(cè)量機(jī)器人在滑坡應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2007,10:55-57.

［9］陳開圣，彭小平.測(cè)斜儀在滑坡變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2006,20（1）：39-41.

［10］金梟豪，王剛，郭寧，陸可喜.鉆孔傾斜儀監(jiān)測(cè)在塘角村1#滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)中的作用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2009,20（1）：103-107.

［11］李剛，王剛，高幼龍，薛星橋.固定式鉆孔測(cè)斜儀在滑坡示范監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009（4）：135-137.

［12］張文君.滑坡災(zāi)害遙感動(dòng)態(tài)特征監(jiān)測(cè)及其預(yù)測(cè)分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007，1.

［13］石菊松，吳樹仁，石玲.遙感在滑坡災(zāi)害研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].地質(zhì)評(píng)論，2008,54（8）：505-513.

［14］王治華.滑坡、泥石流遙感回顧與新技術(shù)展望[J].國(guó)土資源遙感，1993（3）：10-15.

［15］徐衛(wèi)亞，齊志誠(chéng).水布婭大巖淌滑坡及馬巖灣滑坡極限平衡分析[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1996（1）：3-7.

［16］沈振中，崔娟，任華春.土石壩抗震穩(wěn)定性分析的極限平衡水平條分法[J].南水北調(diào)與水利科技，2011,9（54）：145-148.

［17］沈可，張仲卿.三維抗滑穩(wěn)定分析中點(diǎn)的安全系數(shù)法[J].人民珠江，2003（2）：21-22.

［18］張占榮，朱澤奇，楊艷霜，等.基于不同應(yīng)力路徑的點(diǎn)的安全系數(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2009,29（6）：626-627.

［19］蔣青青.基于Hoek—Brown準(zhǔn)則點(diǎn)安全系數(shù)的邊坡穩(wěn)定性分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，40（3）：786-789.