一種基于位移監(jiān)測的“降雨階躍型”滑坡預警系統(tǒng)

黃曉虎，夏俊寶，雷德鑫

(1. 三峽大學湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站,湖北 宜昌 443002；2. 興山縣國土資源局,湖北 宜昌 443711)

0 引言

滑坡是一種較易造成巨大經濟損失的自然地質災害。合理而有效的預測預報是減少災害損失的關鍵。目前，滑坡預報模型及方法是國內外學者研究的重點和熱點，基于各類預報判據(jù)，建立了眾多滑坡預報方法，并運用于實際，取得了不錯的效果。王珣依據(jù)切線角—時間關系對滑坡等速變形速率進行研究，獲取預警判據(jù)[1]。李聰?shù)萚2]建立了31個典型巖質滑坡組成的滑坡數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)以工程類比和模糊綜合評判方法為基礎的滑坡實例推理系統(tǒng)，并依此開展滑坡預警判據(jù)研究。滑坡位移變形規(guī)律是滑坡預報的關鍵指標，徐峰等建立了以受地質條件控制的趨勢位移和受激發(fā)因素控制的周期性位移為主導的預報模型[3]。李秀珍等[4]建立了以變形速率為單一因子的滑坡預報模型。降雨作為滑坡的主要觸發(fā)因素，也是滑坡預報的關鍵指標之一[5]。圍繞獲取精確的臨界激發(fā)雨量，并建立基于臨界激發(fā)雨量的區(qū)域滑坡預警模型是研究的熱點之一[6-8]。李東山等[9]采用專家決策系統(tǒng)和多種滑坡預報模型建立了三峽庫區(qū)滑坡綜合預報系統(tǒng)。部分學者將滑坡最終破壞的時間設為目標函數(shù)，研究滑坡的時間預測模型[10-13]。

綜上所述，建立滑坡預警系統(tǒng)的方法有很多類，以位移速率、臨界激發(fā)雨量、時間預測為主導。但是滑坡具有鮮明的獨特性，地質環(huán)境、影響因素、致災機制復雜。不同運動類型的滑坡，如“降雨階躍型”滑坡，其獨特的監(jiān)測位移曲線與降雨作用強度相關，其預警系統(tǒng)應與降雨特征緊密相關。黃潤秋等[14]認為滑坡預報應以研究斜坡地質模型和斜坡所處的地質條件為基礎，將斜坡變形破壞的宏觀信息與滑坡監(jiān)測資料相結合，將定性判斷與定量分析有機地結合起來進行滑坡的綜合預報。實際上，部分滑坡范圍較小，但危害性較大，需要因地制宜的設計滑坡預報系統(tǒng)，以滿足經濟性的需求。

因此，以王家坡滑坡為例，以位移、降雨監(jiān)測為基礎，設計基于變形速率和降雨量為關鍵判據(jù)的5級遞進式“降雨階躍型”滑坡預警系統(tǒng)，為本地區(qū)的同類型滑坡災害預警提供技術理論支撐和模型示范。

1 “降雨階躍型”滑坡變形曲線特征

滑坡滑動跡象出現(xiàn)之后，持續(xù)聚積并釋放應變能?；麻_始進入穩(wěn)定蠕變、加速蠕變這兩個階段。此時，在降雨作用影響下，滑坡變形曲線呈現(xiàn)階梯狀特征(圖1)。

圖1 “降雨階躍型”位移曲線的各變形階段Fig.1 The deformation stage of rainfall stepwise displacement curve

“階躍型”會在累積位移-時間關系曲線上形成多級臺階，而單一的臺階，可以分為三個明顯的階段前等速階段、加速階段、后等速階段。

2 “降雨階躍型”滑坡預警判據(jù)

滑坡自出現(xiàn)變形跡象至失穩(wěn)破壞的演化是一個位移變形從量變到質變的長時間的地質力學過程。在此過程中，位移變形逐漸累積且?guī)r土體的強度在一定因素如降雨入滲的影響下逐漸降低，滑坡左、右側邊界裂縫貫通以及潛在滑動面逐漸貫通統(tǒng)一，這是量變過程。而累積位移變形突破某一限度，且?guī)r土體的強度不足以支撐滑體穩(wěn)定時，滑坡失穩(wěn)破壞，這是質變過程?；碌念A警預報需要可靠的判據(jù)，如何選取合適且可靠的判據(jù)，大量學者進行了研究。表1顯示位移速率、降雨量、宏觀信息等均是建立滑坡預警模型的關鍵判據(jù)。不同類型的滑坡需要根據(jù)其特定的特征選取合理的判據(jù)。

表1 部分滑坡預警模型判據(jù)Table 1 The warning criterion of landslide

“降雨階躍型”滑坡的激發(fā)因素是持續(xù)的強降雨，變形曲線在降雨作用影響下呈現(xiàn)階梯狀特征。強降雨形成的坡面流沿地表裂縫進入巖土體，降低巖土體的物理性能，并改變斜坡周邊的地下水條件。同時，淺層土體迅速達到飽和狀態(tài)，孔隙水壓力升高，基質吸力下降，抗剪強度下降。部分水體下滲至滑帶，促使滑帶巖土物質軟化，抗剪強度降低。最終導致地表裂縫持續(xù)擴展，監(jiān)測位移值加大，最終形成多級“階躍”。當滑坡變形進入“階躍”階段中的加速階段時，由于日位移速率較大，若持續(xù)發(fā)展，將逐步接近臨滑階段，滑坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的概率逐漸升高。

圖2是典型的“降雨階躍型”滑坡降雨量與位移速率關系曲線圖。其位移變形速率與降雨量關系密切，降雨量達到一定值后，位移變形速率開始急劇增加，當降雨停止后，較高的位移變形速率依然持續(xù)較長的一段時間。進行“降雨階躍型”滑坡的預警模型設計工作，需要持續(xù)降雨量和位移速率的變化。單一的降雨量預警指標，不能顯示雨停之后，持續(xù)的位移速率變化對滑坡失穩(wěn)的影響；單一的位移速率預警指標，不能反映降雨量對滑坡失穩(wěn)的影響。因此，本文將選取變形速率和日降雨量為設計“降雨階躍型”滑坡預警系統(tǒng)的關鍵判據(jù)指標。

圖2 “降雨階躍型”滑坡位移速率與降雨量關系曲線Fig.2 The relation between displacement rate and rainfall of rainfall stepwise

3 “降雨階躍型”滑坡預警判據(jù)閾值

3.1 位移速率閾值

隨著監(jiān)測科技的高速發(fā)展，目前普遍的位移變形測量精度高達0.1 mm以上，以天(d)為等時間監(jiān)測期次，提取滑坡位移變形數(shù)據(jù)及降雨量數(shù)據(jù)，構建滑坡位移變形的探索點序列。以探索點為中心，運用切線角法，求解探索點前、后的線性回歸曲線的切線角。

在Ti所處的結算點中，首先對Ti前的 2、3、4 個數(shù)據(jù)做線性回歸，并求出回歸系數(shù)，同時對Ti后的 2、3、4 個數(shù)據(jù)做線性回歸，并求出回歸系數(shù)，分別記作ki(Ti)、kr(Ti)：

(1)

(2)

式中：Si——Ti時刻對應的位移檢測值，n= 2、3、4。

對式(1)和式(2)的計算結果，求其加權平均數(shù)：

(3)

(4)

計算結算點Ti前n個數(shù)據(jù)線性回歸線對應的切線角，記作θi(Ti)：

(5)

計算結算點Ti后n個數(shù)據(jù)線性回歸線對應的切線角，記作θr(Ti)：

(6)

計算結算點Ti處切線角對應的一階差分，記作Δ(Ti)：

Δ(Ti)=θi(Ti)-θr(Ti)

(7)

沿著監(jiān)測序列Ti，尋找序列中Δ(Ti)出現(xiàn)明顯的正值增大的點和明顯的負值減少的點，這兩個點對應的即是“降雨階躍型”滑坡位移曲線上的加速區(qū)間。在此基礎上，分析位移變形加速區(qū)間的位移速率，可以獲取相應的位移速率閾值。

3.2 降雨量閾值

在確定位移變形加速區(qū)間及位移速率閾值后，確定加速區(qū)間內以及之前的一定時間內的降雨量，以日降雨量為監(jiān)測周期，距離預警當次時間越長，其對滑坡變形的影響就越小，這是一個定向衰減的過程，可以下式(8)來表示：

(8)

(9)

式中：Qe——“降雨過程”中的有效降雨量(mm)；

Qt——某次降雨時段的總雨量(mm)；

αt——衰減系數(shù)；

ti——時間序列。

4 遞進式分級預警系統(tǒng)構建

4.1 設計原則

優(yōu)質的滑坡預警系統(tǒng)應有充足的功能滿足各方的預警要求，包括業(yè)主、預警單位、預警目標、政府等，同時高效便捷，能有效避免“狼來了”的情況。這些功能主要體現(xiàn)在：

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動獲取入庫分析：主要包括降雨量及位移變形實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時采集入庫，累積位移—時間—降雨量關系曲線的生成。

(2)便攜式數(shù)據(jù)查詢：實時監(jiān)測的降雨量、位移變形數(shù)據(jù)以及累積位移—時間—降雨量關系曲線的實時查詢平臺，并能多部門共享。

(3)多部門協(xié)作多目標預警信息發(fā)布：預警的核心是當?shù)匕傩张c鄉(xiāng)政府、學校等本地的固定目標，以及到訪此區(qū)域的流動目標，同時業(yè)主、預警單位、政府等也需及時獲取預警信息。預警信息發(fā)布應以預警中心、政府部門、氣象部門、移動通信部門等協(xié)作發(fā)布。

(4)遞進式分級預警：根據(jù)需求，可將預報等級劃分為5級(表2)。

表2 遞進式5級預警制Table 2 5-level warning system

(5)適時災害預警解除：根據(jù)降雨量信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)等適時解除預警。

通過(1)～(5)原則建立合理的預警系統(tǒng)時，要保證滑坡預警判據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)處理平臺高效可靠、各子系統(tǒng)分工明確、通訊系統(tǒng)便捷通暢、各級預警適時有度信譽高。

4.2 監(jiān)測儀器

(1)雨量監(jiān)測

圖3 0.2 mm翻斗式雨量計Fig.3 0.2 mm tilting rain gauge

采用0.2 mm翻斗式雨量計，由雨量計和太陽能供電系統(tǒng)組成，實現(xiàn)滑坡區(qū)域的降雨信息，降雨類型監(jiān)測，用來估算單位時段內的降雨指標。具有智能采集、長期固態(tài)存儲、遠距離傳輸功能(圖3)。

圖4 GNSS一體化監(jiān)測站Fig.4 Integrated monitoring station of GNSS

(2)位移監(jiān)測

采用DM-GNSS A300形變監(jiān)測設備。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、GNSS解算系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務平臺等組成。用以獲取毫米級的瞬時位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)。

(3)實時數(shù)據(jù)查詢平臺

通過地質災害實時監(jiān)測平臺，實時展現(xiàn)監(jiān)測體位移發(fā)生的時間、強度、雨量(圖5)。

圖5 地質災害實時監(jiān)測平臺Fig.5 Geological disaster real-time monitoring platform

4.3 遞進式分級預警原理

根據(jù)變形監(jiān)測資料分析獲取的日位移變形速率、日降雨量設計災害發(fā)生臨界線(圖6)。

圖6 滑坡災害分級預警示意圖Fig.6 The disaster precautionary line of Wangjiapo Landslide

圖6顯示，白色圓點坐標為(xa，ya)，原點坐標(x0，y0)，此兩點連線與災害發(fā)生臨界線之交點坐標為(xc，yc)。則(x0，y0)與(xa，ya)組成的直線方程為：

(10)

災害發(fā)生臨界線與日位移速率軸的坐標值為(xb，

yb)，與日降雨量的坐標值為(xd，yd)，同時xb= 0，yd= 0，則災害發(fā)生臨界線的直線方程可以表示為：

(11)

聯(lián)立式(10)與(11)可以得到：

(12)

根據(jù)坐標系內兩點間求距離的公式可得監(jiān)測的白色圓點(xa，ya)到坐標原點的長度lm為：

(13)

其距離原點的距離lc為：

(14)

當lm

(15)

圖7 王家坡形態(tài)及監(jiān)測點布置Fig.7 Plan sketch of Wangjiapo Landslide

4.4 災害解除

“降雨階躍型”滑坡預警系統(tǒng)設計完成后，由于預警系統(tǒng)的權威性，滑坡災害預警發(fā)出后，滑坡區(qū)域范圍內的一切經濟活動將會停止。因此，合理的“降雨階躍型”滑坡預警系統(tǒng)需要在合適的時間節(jié)點解除預警。

預警解除同樣依托監(jiān)測儀器提供的位移變形及降雨量數(shù)據(jù)。當日位移變形速率、日降雨量減少到一定范圍內時，預警系統(tǒng)可以發(fā)出預警解除的信號。在解除預警后，區(qū)域一定范圍內的經濟活動才可陸續(xù)恢復。

5 實例分析

5.1 王家坡滑坡

王家坡滑坡位于興山縣城古夫河左岸，古洞村1組朝陽小區(qū)后山。地理中心坐標：經度110°45′39.648″，緯度31°21′20.034″。滑坡平面呈寬舌型，南北寬185 m，東西縱向長190 m，坡度25°，高程為225～290 m，相對高差65 m，面積3.23×104m2，平均厚度12 m，體積3.88×105m3。

2017年5月開始，因強降雨等影響，王家坡滑坡左側、后緣邊界出現(xiàn)裂縫變形，呈羽狀分布，寬度1～3 cm，同時滑體出現(xiàn)拉張裂縫。6～7月時，左側、后緣邊界逐漸貫通，寬度開始加大，達到5～25 cm。右側邊界裂縫開始出現(xiàn)，呈羽狀分布，寬度5～20 cm，局部上下錯動明顯，達25 cm。同時出現(xiàn)滑體裂縫變形加劇、坡腳地下水滲涌、局部土體坍滑、應急擋墻被破壞等現(xiàn)象。目前，坡體上地表裂縫已多達30余條，主要分布于滑坡邊界及滑體上。各裂縫詳細特征見表3、圖7。典型裂縫形態(tài)及變形跡象見圖8。

圖8 王家坡滑坡典型變形跡象Fig.8 Typical cracks of Wangjiapo Landslide

位置編號走向長/m寬/cm裂縫特征左側邊界T1～T6SW230°～240°1005～202017年5月初開始出現(xiàn),呈羽狀分布,6～7月持續(xù)發(fā)展貫通,為前切裂縫,平均下錯5～10 cm,最大下錯距離可達50 cm。右側邊界T7～T10SE130°～160°10～205～202017年6～7月開始出現(xiàn),呈羽狀分布,為前切裂縫,10月開始逐漸貫通,平均下錯5～10 cm,最大下錯距離可達30 cm。后緣邊界T11SE175°203～102017年5月初開始出現(xiàn),呈弧狀分布,6～7月持續(xù)發(fā)展貫通,為拉張裂縫?；w中部T12～T18SE180°～200°10～2010～202017年6月出現(xiàn),7月持續(xù)發(fā)展,為拉張裂縫,下錯20～50 cm。滑體中前部T19～T27SE190°～210°20～3015～502017年6～7月持續(xù)發(fā)展,為拉張裂縫。滑體前緣T28～T30SW250°～290°2～32～102017年7月出現(xiàn)

5.2 監(jiān)測網絡

2017年6～7月，王家坡滑坡所在區(qū)域遭遇強降雨。其中7月8日～21日，遭遇持續(xù)強降雨，單日最大降雨量達到32.8 mm。在強降雨影響下，位移變形發(fā)展迅速，左側邊界裂縫與后緣邊界開始貫通(表3、圖8)。

為了及時獲取相關區(qū)域變形位移信息，預防滑坡災害，采取以實時自動GPS地表位移監(jiān)測方法。監(jiān)測網由1個基點+3個變形點構成，各點位置見圖7，具體信息見表4。

5.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)王家坡區(qū)域2017年7月～2018年3月監(jiān)測信息及降雨資料，獲取各監(jiān)測點累積位移關系曲線(圖9)。

表4 王家坡滑坡監(jiān)測點信息表

圖9 監(jiān)測點累積位移與降雨關系曲線Fig.9 Displacement-time curves of monitoring direction

5.4 數(shù)據(jù)分析

(1)位移速率閾值

以王家坡滑坡監(jiān)測點中的W2點為主要研究對象，獲取滑坡位移變形的加速區(qū)間見表5。

表5 變形加速區(qū)間信息表Table 5 Information of deformation acceleration interval

在表5顯示的加速區(qū)間中，滑坡的日平均位移速率可以達到19.2～65.9 mm/d。這說明，王家坡進入滑坡變形曲線中的“階躍”中時，日位移保持在19.2 mm/d以上，若降雨持續(xù)，滑坡的累積位移在加速區(qū)間中會持續(xù)急增，逐漸達到臨滑階段，最終滑坡失穩(wěn)。因此，取整值，位移速率閾值為20 mm/d。

(2)降雨量閾值

在確定滑坡變形加速區(qū)間以及位移速率閾值后，分析計算變形加速區(qū)間內及其附近的降雨信息，運用公式(8)、公式(9)確定降雨量(表6)。

表6 加速區(qū)間對應的降雨信息Table 6 Rainfall information of deformation acceleration interval

分析表5和表6，處在變形加速區(qū)間內的位移速率明顯受降雨量的影響，處在變形加速破壞區(qū)間內的降雨量達到22.6～45.2 mm。降雨為滑坡變形加速的激發(fā)因素，將其納入預警系統(tǒng)，可反應其對滑坡的影響程度。因此取整值，降雨量閾值為25 mm。

5.5 王家坡分級預警示意圖

以日降雨量25 mm/d，位移速率20 mm/d為Ⅲ級黃色預警的中心線。根據(jù)公式(10)～(15)，設計的分級預警見表7。

表7 根據(jù)臨災預警線之比值建立的分級預警

根據(jù)表5可繪制王家坡滑坡的臨災分級預警示意圖(圖10)。

圖10 王家坡滑坡分級預警臨災線圖Fig.10 The disaster precautionary line of Wangjiapo Landslide

5.6 王家坡滑坡災害預警系統(tǒng)

根據(jù)5.1～5.5節(jié)設計的王家坡滑坡災害預警示意圖(圖11)。

圖11 王家坡滑坡災害預警系統(tǒng)示意圖Fig.11 The schematic diagram of disaster warning system of Wangjiapo Landslide

由監(jiān)測系統(tǒng)、預警中心、預警目標、縣國土部門、村有關領導等組成。其中監(jiān)測系統(tǒng)主要由形變監(jiān)測設備和雨量監(jiān)測系統(tǒng)組成。預警中心由實時監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)處理中心組成，可以對監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的位移變形、降雨信息進行處理分析，并及時發(fā)布在可視平臺上。

6 結論

(1)“降雨階躍型”滑坡的預警判據(jù)應選擇能直觀反應變形特征的位移速率和反應激發(fā)因素的降雨量。

(2)運用切線角法，確定“降雨階躍型”滑坡位移變形曲線上的加速區(qū)間，在此基礎上，獲取王家坡滑坡的日降雨量、日位移速率閾值分別為25 mm/d、20 mm/d。

(3)以日降雨量、日位移速率為主要控制因子，建立臨災預警線，進而建立5級遞進式分級預警系統(tǒng)。將“降雨階躍型”滑坡的宏觀變形信息和監(jiān)測資料相結合，同時將定性判斷與定量分析有機地結合起來，綜合預報，從而提高了精準度。

本文選取的日降雨量、日位移速率是滑坡監(jiān)測的最直觀數(shù)據(jù)信息，具有較高的實用性，但是其并不能深刻的反應滑坡的失穩(wěn)機制。同時對前期降雨、降雨過程、地形地貌，空間形態(tài)等對預警準確度的影響，也欠考慮。下一步需要在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎上，進一步考慮這些因素的影響。