滑坡預(yù)測預(yù)報研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

麻鳳海，陳 霞，季 峰，孟祥吉

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116011)

“山水林田湖是一個生命共同體”，當(dāng)對自然生態(tài)資源的過度開采超過地質(zhì)環(huán)境可承受的范圍時，地質(zhì)環(huán)境就會受到不良擾動,從而直接增加了相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性[1]，例如有些地區(qū)不顧環(huán)境承載力，不斷大面積開采煤炭、石油等自然資源，加劇了山體塌方的發(fā)生概率，暴雨情況下甚至?xí)l(fā)泥石流等災(zāi)害.目前，我國地質(zhì)災(zāi)害主要有以下幾類：泥石流、滑坡以及山體塌方等,而這幾類災(zāi)害一般發(fā)生在強降雨、暴雨之后,占到所有山地地質(zhì)災(zāi)害的80%以上[2].因此，必須采取有效的對策，預(yù)測預(yù)報災(zāi)害的發(fā)生，防止山地地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致的惡劣后果.目前，關(guān)于對滑坡產(chǎn)生的事先預(yù)報與預(yù)測已是研究熱點：趙巖林等[3]提出了較多有關(guān)邊坡臨界失穩(wěn)的判斷閾值，即降雨強度、變形速率、聲發(fā)射率、力學(xué)判據(jù)等；李聰?shù)萚4]建立了關(guān)于滑坡的數(shù)據(jù)庫，并不斷添加滑坡的個數(shù)和部分滑坡裂縫發(fā)展特征等有關(guān)信息；賀可強等[5]分析了蠕滑型邊坡的變形特點及破壞機制，深入研究了邊坡蠕滑變形及其穩(wěn)定性的演化規(guī)律；殷坤龍[6]將滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報分為空間和時間二大類,并進一步將空間預(yù)測劃分為區(qū)域空間預(yù)測、地段空間預(yù)測和場地空間預(yù)測，將時間預(yù)測預(yù)報劃分為長期時間預(yù)測、短期時間預(yù)測和臨滑時間預(yù)測；張建永[7]對滑坡的調(diào)查方法、失穩(wěn)模式及處理措施以及各種方法的適用性進行了簡要的評述；段功豪等[8]基于指數(shù)平滑法，從滑坡的實際演化階段出發(fā)，研究外界主要誘發(fā)因素與模型參數(shù)的關(guān)聯(lián)，引入月累積降雨量作為模型參數(shù)動態(tài)評估因子.顯然，對滑坡的形成進行科學(xué)有效的預(yù)測預(yù)報具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值.

1 滑坡災(zāi)害的基本特征

1.1 滑坡的空間分布規(guī)律

地質(zhì)、氣候等因素會影響滑坡災(zāi)害的形成與演化[9].以下地帶一般是滑坡的易發(fā)區(qū)、多發(fā)區(qū)：

1)容易造成滑坡的巖、土分布區(qū)，比如泥巖、頁巖、黃土、松散的覆蓋層等巖土的存在為滑坡的形成提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ).

2)江河、海、湖等地方存在的岸坡區(qū)域，比如地形起伏較大的山區(qū)、峽谷、公路、鐵路工程的邊坡段等為滑坡的形成提供了方便的地貌和地形條件[10].

3)發(fā)生強降雨的區(qū)域或經(jīng)常性暴雨的地段是形成滑坡的誘導(dǎo)因素[11].

4)在地質(zhì)構(gòu)造帶中，地震帶和斷裂帶中常易發(fā)生滑坡.通常，當(dāng)?shù)卣鸬牧叶?7度、坡體的坡度>25°的情況下，地震過程中易發(fā)生滑坡，而巖土體破碎、裂隙發(fā)育等利于滑坡的形成和演化[12].上述四種地帶的疊加區(qū)域，就會形成滑坡的密集發(fā)育區(qū).

1.2 滑坡的空間形態(tài)

滑坡在空間上的形態(tài)特征一般與滑坡的類型、所處的發(fā)育階段、規(guī)模等有關(guān).通常發(fā)育情況完整的滑坡，有下面幾個組成部分：1)滑坡舌，又被稱為滑坡前緣，或者是滑坡頭，一般存在于滑坡的前面部位，呈舌狀，直接延伸到河谷等地帶，有的情況下甚至能夠翻越過河谷的區(qū)域直至對岸位置；2)滑坡體，一般情況是指滑坡災(zāi)害發(fā)生之后，有部分與母體部分分開，而這一部分就被稱為滑坡體；3)滑動面，是指滑坡體沿著下滑的表面；4)滑動帶，是指滑動時形成的碾壓破碎帶；5)封閉洼地，一般情況就是存在于在滑體、滑坡壁之間的位置，而這一部分拉開成為溝槽，2個靠近的滑體區(qū)域間形成一個反坡的地形，簡單說來就是一個周圍高而中間低洼的地帶；6)滑坡臺階，一般各個滑體的運動速度是不同的，導(dǎo)致滑體的上方部位會有1個滑坡錯臺；7)主滑線，一般又叫做滑坡軸，在滑坡滑動的過程中，各滑體運動速度不同，其中滑速最快的縱向線能說明滑動體的運動方向；8)滑坡壁，一般情況下，滑體的后面部分和從母體分開出去的那部分之間會有1個分界面，一般呈暴露狀態(tài)，表現(xiàn)為圈椅狀；9)滑坡周界，一般是指滑動的滑坡體和周圍存在的不動體在空間狀態(tài)上的1條分界線，決定了滑坡的1個范圍以及滑坡的邊界位置；10)滑坡床，一般是指存在于滑體下面不會滑動的部分，而這部分基本不會發(fā)生變形位移，能夠保持原來的巖體結(jié)構(gòu)；11)滑坡裂隙，事實上，在實際滑坡災(zāi)害中，有時很難區(qū)分出每個部分的明顯邊界[13].

2 滑坡的基本類型

按照滑坡的滑動速度，可以將滑坡分為以下4類[14]：1)蠕動型滑坡，是指肉眼很難看見的，需借助有關(guān)儀器才能觀測到其存在運動狀態(tài)的一種滑坡；2)慢速滑坡，一般是指平均每天的滑動范圍在幾厘米至幾十厘米之間肉眼能夠直接觀測到的一種滑坡運動；3)中速滑坡，一般是指平均每小時的滑動范圍在幾十厘米至幾米之間的一種滑坡運動；4)高速滑坡，一般是指每秒鐘的滑動距離在幾米至幾十米之間的一種滑坡運動.

按照滑坡體的體積，可將滑坡分為以下等級：1)小型滑坡，其滑坡體積不足10×104m3；2)中型滑坡，其滑坡體積為10×104～100×104m3；3)大型滑坡，其滑坡體積為10×105～10×106m3；4)特大型滑坡(巨型滑坡),其滑坡體積大于10×106m3[15].

3 滑坡穩(wěn)定性分析

在工程實際中，一般通過宏觀觀察滑坡體，基于其表面特征，可大致判斷它的穩(wěn)定性.一般不穩(wěn)定的滑坡體會表現(xiàn)出以下一些性狀： 1)滑坡體上沒有樹木植被，然而林木森林等植被一般都能夠保有水土,在發(fā)生暴雨的情況下,能夠牢固地抓住土壤,有效防止滑坡等災(zāi)害的發(fā)生概率[16]；2)滑坡的表面存在有不均勻沉陷的局部平臺，參差不齊；3)在滑坡的表面，一般有濕地、泉水等的存在；4)滑坡體表面的總體坡度較陡，且延伸長，滑坡表面呈高低不平；5)存在于滑坡前面部位的土石，一般呈松散狀態(tài)，容易發(fā)生小型的坍塌，然后被河水沖刷；6)一般存在于滑坡的平臺位置，面積一般不大，呈現(xiàn)向下緩傾的狀態(tài).

滑坡穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵問題是評價方法與穩(wěn)定性判據(jù)[17].極限平衡法及位移時序法是目前滑坡預(yù)測預(yù)報采取的主要方法，在工程實踐中發(fā)揮了關(guān)鍵作用.極限平衡理論是一種經(jīng)典的確定性分析方法，建立在失穩(wěn)機制和受力條件明確的基礎(chǔ)上[18]，其基本原理是：假設(shè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)為Fx，當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的抗剪系數(shù)降低Fs倍之后，結(jié)構(gòu)內(nèi)的某一最危險滑動面上的滑體此時將處于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)[19].其具體做法是將1個呈現(xiàn)出滑動趨勢的巖土體按照一定規(guī)則劃分成為一個個小塊體，并靠這些塊體的平衡，建立起整個滑坡體的1個平衡方程，再進行穩(wěn)定性分析.位移時序法是建立在滑坡位移監(jiān)測的基礎(chǔ)上，用位移參數(shù)及其變化來評價滑坡是否穩(wěn)定及穩(wěn)定程度.位移監(jiān)測容易實施且精度高，能綜合反應(yīng)其穩(wěn)定性性狀[20].另外還有一些其他常用方法，比如不確定性分析法、圖解法、工程地質(zhì)類比法、歷史成因分析法、滑坡穩(wěn)定性分析法和數(shù)值分析法等.

4 滑坡預(yù)測預(yù)報研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

圖1 巖土體蠕變曲線

滑坡的形成與演化的這一破壞過程實際就是滑坡體巖土蠕動變形的過程，其基礎(chǔ)是黏彈塑性力學(xué)，而它能夠準(zhǔn)確表明巖土體的變形時間效應(yīng).蠕動變形理論一直被認(rèn)為是預(yù)測預(yù)報滑體滑動破壞的基礎(chǔ)，其位移-時間特性曲線(圖1)的3個階段長久以來都作為預(yù)測預(yù)報滑動體蠕動變形的基本準(zhǔn)則.圖中第一階段(AB段),是減速蠕變階段，滑體的變形一般表現(xiàn)為減速運動的趨勢,曲線的斜率呈現(xiàn)逐漸減小的狀態(tài).第二階段，是穩(wěn)定蠕變階段(BC段),滑動體的變形通常表現(xiàn)為等速發(fā)展的趨勢,此時曲線的外觀可以類似為1條傾斜的直線.第三階段是加速蠕變階段(CE段 ),此時滑動體的變形速率從C點開始迅速向上發(fā)展，一直增大到E,此時滑動體發(fā)生破壞；CD段中巖土體的變形迅速發(fā)展,但此時滑動體尚未達到破壞的狀態(tài)；DE段中滑動體的變形速率呈現(xiàn)繼續(xù)增大的趨勢,此時的滑動體將在較短時間內(nèi)達到破壞的狀態(tài).相應(yīng)的滑坡的失穩(wěn)過程將被分為對應(yīng)的幾個階段,一般情況下將各個階段的預(yù)測預(yù)報過程總結(jié)歸納為如下幾種情況:長期、中期、短期和臨滑預(yù)報.針對滑坡的時間預(yù)測預(yù)報，將以滑動體的蠕動變形曲線為基礎(chǔ),以不同階段的時間尺度為依據(jù)來進行.具有代表性的“齋滕法”經(jīng)驗公式[21]是：

lgtr=2.33-0.916×lgε±0.59,(第Ⅱ階段)，

(1)

(2)

式中：tr為滑坡發(fā)生的時間，ε為等速蠕變速率，t1、t2、t3分別為加速蠕變階段的觀測時間點.它以巖土體的蠕動變形理論為基礎(chǔ),依據(jù)第Ⅱ、第Ⅲ階段的應(yīng)變速率，對滑坡的時間進行預(yù)測預(yù)報，一定程度上反映出滑坡變形破壞的本質(zhì).通過工程實踐的運用，“齋滕法”取得了一定成效，但仍存在一定的局限性，適用于前端不受阻的土質(zhì)滑坡的情況.后人在其基礎(chǔ)上建立了推求滑動時間的外延法、滑坡指數(shù)時間預(yù)報模型、滑坡失穩(wěn)前總變形量和位移速率的綜合預(yù)測方法等的修正齋藤模型.

此外，比較有意義的理論[22]是：1)黃潤秋等依據(jù) “黃金分割律”，提出了“黃金分割法”，并籍此來預(yù)測滑坡的發(fā)生時間,發(fā)現(xiàn)滑坡蠕變變形的歷時曲線中線性段與線性、非線性段的歷時之和的比例正好為黃金分割點0.618.通過觀察其反演擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法對滑坡的中短期的預(yù)測預(yù)報的可靠性比較高，其預(yù)測預(yù)報的效果較好.2)秦四清等依據(jù)非線性動力學(xué)理論,通過滑坡變形演化過程的非線性動力學(xué)模型來預(yù)測預(yù)報滑坡災(zāi)害發(fā)生的時間.3)多參數(shù)預(yù)測預(yù)報的經(jīng)驗公式是

(3)

式中:tf為時間預(yù)報值；tx為時間初始值；Ω為任意參數(shù)，如剪應(yīng)力、位移、地面傾角等，Ωx為初始值，Ωf為預(yù)報值；α、A為經(jīng)驗常數(shù).

目前，各種統(tǒng)計數(shù)學(xué)理論已被廣泛應(yīng)用在力學(xué)領(lǐng)域，許多專家學(xué)者嘗試?yán)媒y(tǒng)計數(shù)學(xué)理論，構(gòu)建滑坡演化過程的位移-時間關(guān)系模型,以求找尋滑坡變形演化的規(guī)律及特征，并以此來預(yù)測預(yù)報滑坡災(zāi)害發(fā)生的時間.現(xiàn)階段，有如下幾種常見的統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型，如突變理論模型、灰色理論模型、回歸模型、泊松旋回模型、生物生長模型、梯度正弦模型、灰色-災(zāi)變藕合模型等.上述幾種模型得出的預(yù)測預(yù)報方法一般適用于臨滑預(yù)報，實踐運用中的效果良好，但不足的是無法用于對尚未發(fā)生的滑坡災(zāi)害的超前預(yù)報.利用滑坡變形演化過程中涉及到的巖土體的聲發(fā)射參數(shù)來預(yù)測預(yù)報滑坡動態(tài)變形情況，是當(dāng)前的一個熱點.

現(xiàn)階段，雖然國內(nèi)外對滑坡滑動時間的預(yù)測預(yù)報研究已經(jīng)取得了一些卓有成效的進展，但仍有許多重要的問題亟待解決，例如關(guān)于滑坡的滑動時間預(yù)測預(yù)報的相關(guān)理論和預(yù)測方法仍不是很成熟.需要指出的是，基于地質(zhì)情況，探尋滑坡的變形演化過程在微觀條件上的變化規(guī)律，在未來相當(dāng)長的一段時間里，仍然是滑坡滑動時間預(yù)測預(yù)報研究過程中的重點內(nèi)容.

在目前研究的基礎(chǔ)上，預(yù)計未來關(guān)于預(yù)測預(yù)報滑坡的滑動時間的研究將體現(xiàn)為：

1)滑動體蠕變理論中的滑坡變形破壞規(guī)律.依據(jù)巖土體的蠕變理論，滑坡的變形破壞過程中巖土體強度不斷隨時間變化.該理論能夠揭示滑坡變形破壞的過程，以及滑坡的強度、應(yīng)力、位移等隨時間變化的內(nèi)在規(guī)律.

2)基于數(shù)理統(tǒng)計理論的滑坡滑動時間預(yù)測預(yù)報模型.

3)巖土體強度的內(nèi)在變化規(guī)律.它指示隨著滑坡變形演化的逐步發(fā)展，滑動體的強度是不斷發(fā)生變化的.

4)水在滑坡演化過程中的作用及定量評價.降水在滑坡變形破壞過程中的作用極大，但關(guān)于它的作用原理及對其定量研究,將成為滑坡預(yù)測預(yù)報中的難點.

5)多參數(shù)綜合預(yù)測預(yù)報的方法.在滑坡的形成過程中，巖土體會表現(xiàn)出多種物理和化學(xué)上的特性，比如巖土體的應(yīng)力、強度、應(yīng)變、應(yīng)變速率、位移、聲發(fā)射參數(shù)、地下水位、彈性波波速、 地面溫度、電阻率等，而這些指標(biāo)都能作為預(yù)測預(yù)報滑坡破壞的因子.

6)人類活動對滑坡破壞產(chǎn)生的影響.隨著人類生產(chǎn)、生活范圍的不斷擴大，過度的開采所導(dǎo)致的滑坡災(zāi)害時有發(fā)生，因此研究人類活動在滑坡破壞過程中的作用機理將是未來的重點.

5 結(jié)語

通過介紹、分析滑坡災(zāi)害的幾種基本特征及基本類型，總結(jié)了現(xiàn)階段研究滑坡穩(wěn)定性的典型分析方法，預(yù)測了關(guān)于滑坡破壞研究發(fā)展趨勢，以求為滑坡形成及破壞的機理研究及工程實踐提供借鑒.

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