中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”崩塌體監(jiān)測預(yù)警研究

伍先福 馮凱旋

摘要：中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處于典型的“三高”地區(qū)，以印支燕山期花崗巖發(fā)育為主的高陡反向斜坡，風(fēng)化卸荷嚴(yán)重，巖體被多組結(jié)構(gòu)面切割，極易形成傾倒式崩塌。本文選取該段一處典型崩塌體，結(jié)合基本的“地質(zhì)模型”和“北斗衛(wèi)星信號接發(fā)射系統(tǒng)”及“位移計等多種傳感器”對其進(jìn)行監(jiān)測研究，結(jié)合相關(guān)力學(xué)分析，以角位移、角加速度和時間的關(guān)系建立預(yù)警預(yù)報模型。通過現(xiàn)場實際的角位移量監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證其預(yù)警模型的可靠性。

關(guān)鍵詞：“三高”地區(qū)，傾倒式崩塌，角位移，角加速度，預(yù)警模型

中巴公路奧依塔克—布倫口段主要穿行于新疆三大山脈之一的昆侖山脈之中，沿線公路地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較多，而崩塌災(zāi)害十分發(fā)育，頻頻造成交通堵塞以及人員傷亡^[1]，若要對公路沿線所有的災(zāi)害進(jìn)行治理，顯然是不可能的。因此，對災(zāi)害點進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警、預(yù)報就顯得十分必要，并且是目前減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡比較好的手段。

對于崩塌災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警研究，一些學(xué)者做了相關(guān)工作，包括速度倒數(shù)法預(yù)警模型，Voight^[2]通過對在靜荷載作用下一個純剪切過程和指數(shù)蠕變過程進(jìn)行了理論分析^[3]4]，對Satio，Uezawa的時間與變形速率的對數(shù)經(jīng)驗公式進(jìn)行了驗證，建立了位移加速度與速度的關(guān)系^[5][6]，日本學(xué)者齋藤迪孝^[7]是在時間位移曲線上選定三個點，兩個時間段的位移相同，根據(jù)幾何方法確定崩塌失穩(wěn)時間^[8]。王玉^[9]等提出次生山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)想，針對滑坡崩塌及泥石流監(jiān)測預(yù)警，而具體實施難度較大。許強(qiáng)^[10]等提出利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）和地面觀測手段（如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、裂縫計等），在掌握滑坡崩塌的變形規(guī)律和階段以及時間-空間變形特征的基礎(chǔ)上，建立分級綜合預(yù)警體系，卻較適用于滑坡變形的監(jiān)測及早期預(yù)報。

綜上，目前對于崩塌的預(yù)測預(yù)警研究相對較少，比較側(cè)重于理論研究，而且這些預(yù)測預(yù)警模型的適用性和可靠性還需要進(jìn)一步驗證。然而隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化新技術(shù)、人工智能等新技術(shù)的不斷發(fā)展，創(chuàng)新發(fā)展的監(jiān)測儀器設(shè)備的產(chǎn)出，對崩塌監(jiān)測預(yù)警提供了有利條件。本文主要結(jié)合基本的“地質(zhì)模型”和“北斗衛(wèi)星信號接發(fā)射系統(tǒng)”及“位移計等多種傳感器”對崩塌體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警研究。監(jiān)測數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)距離傳輸和分析處理，在災(zāi)害發(fā)生時的第一時間通知相關(guān)部門啟動應(yīng)急預(yù)案趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理。

一、崩塌災(zāi)害點概況

中巴公路“K1568”處崩塌災(zāi)害點基本概況如下：此處為花崗巖高邊坡，該邊坡位于河流左岸，地處斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎塊狀。巖體風(fēng)化嚴(yán)重，下部巖體處于中風(fēng)化，上部巖體處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。整個崩塌體呈肉紅色、風(fēng)化較嚴(yán)重的部分偏灰色，塊狀構(gòu)造，該段長約200m，高約100m。

巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，主要發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面：其中第①、②組結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，間距較小，約10～20cm，第組③結(jié)構(gòu)面欠發(fā)育。裂隙面張開0.5cm～2cm不等，并被風(fēng)化形成的砂土所充填。多組結(jié)構(gòu)面組合，將巖體切割成碎塊狀，易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

坡腳發(fā)育有因崩落形成的倒石錐，塊石粒徑變化較大，小者約3～10cm，大者可達(dá)80cm。在反復(fù)的凍融作用下，結(jié)構(gòu)面一步步張開，使其與母巖脫離，因此在坡表仍在較多的孤立巖塊，成為潛在崩落體，對坡腳公路運營存在較大的威脅。

由于中巴公路為連通巴基斯坦的一條交通要道，來往的車輛尤其是大貨車特別多，崩塌體受寒凍風(fēng)化作用特別嚴(yán)重。極易在外營力作用下失穩(wěn)，根據(jù)該崩塌災(zāi)害體的特點，該處以傾倒式崩塌失穩(wěn)為主，因此從中選擇一塊典型的傾倒式崩塌體作為監(jiān)測的對象，并進(jìn)行相關(guān)研究。

二、崩塌體臨界失穩(wěn)判據(jù)及預(yù)報模型的建立

傾倒式崩塌是由于外界擾動或者風(fēng)化作用，使得崩塌體向坡外傾倒變形。其失穩(wěn)前的宏觀特征是變形破壞，所以選擇位移變形量作為預(yù)警判據(jù)指標(biāo)。王延平^[7]把后緣裂縫臨界寬度作為失穩(wěn)判據(jù)，認(rèn)為崩塌體基座為硬質(zhì)巖，崩塌體的臨界變形值只與崩塌體自身形態(tài)有關(guān)，可以建立崩塌體的尺寸和旋轉(zhuǎn)點的關(guān)系，由于傾倒式崩塌體的失穩(wěn)是整體變形，其失穩(wěn)的臨界狀態(tài)為其形心與旋轉(zhuǎn)點在同一條豎直垂向上。但由于實際工程中的崩塌體為不規(guī)則的多面體，計算形心的誤差較大，所得到的后緣裂縫寬度臨界值誤差也較大。

考慮到角加速度、角位移和時間的關(guān)系，以積分的形式得到角加速度與角位移的函數(shù)關(guān)系，建立預(yù)警模型，最后設(shè)置一定的角加速度預(yù)警閥值就可以對崩塌體進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。

把角加速度β對時間t進(jìn)行一次積分可得到角速度ω與時間t的關(guān)系如下：

為了監(jiān)測的方便和可視性將加速度轉(zhuǎn)化為運動速率的的切線角，這是由于運動速率曲線切線角的正切值即為加速度大小，而這里定義切線角Φ∈[-π/2，π/2 ]在這個取值范圍內(nèi)，函數(shù)為單調(diào)遞增函數(shù)。

對于傾倒式崩塌體監(jiān)測預(yù)警閥值，這里定義“不同預(yù)警級別的閥值”為：當(dāng)速率曲線切線角值小于30°（π/6）時為藍(lán)色預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測值大于或等于30°值且小于45°（π/4）時為黃色預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測值大于或等于45°值且小于60°（π/3）時為橙色預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測值大于或等于60°值時為紅色預(yù)警。

三、結(jié)語

我國的地質(zhì)災(zāi)害多且面廣，尤其是西部地區(qū)，其災(zāi)害源位置偏高遠(yuǎn)且地形復(fù)雜，單從傳統(tǒng)的人工調(diào)查已經(jīng)很難提早發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。本文引入現(xiàn)代衛(wèi)星觀測技術(shù)和監(jiān)測儀器設(shè)備，對崩塌體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，擬解決公路沿線崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警預(yù)報問題，減少人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。得到以下成果：

（1）通過對中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處典型崩塌地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，該處的變形破壞機(jī)制屬于傾倒式崩塌，并提出和確定該類崩塌的針對性監(jiān)測內(nèi)容、方法、儀器設(shè)備。根據(jù)實際的崩塌監(jiān)測數(shù)據(jù)，對主要監(jiān)測曲線的類型和特征進(jìn)行了分析和處理，

（2）將崩塌體的運動過程中的“角位移、角加速度、時間”作為預(yù)警預(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，利用剛體轉(zhuǎn)動定律及相關(guān)力學(xué)分析，建立了傾倒式崩塌體的監(jiān)測預(yù)警預(yù)報模型：

該模型適用于短期預(yù)報。

（3）通過模型預(yù)警預(yù)報判別分析可以得出，中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處崩塌體監(jiān)測預(yù)警最高級別為“黃色預(yù)警”，表明在短時間內(nèi)不會有大型崩塌現(xiàn)象出現(xiàn)。與現(xiàn)場實際觀測情況基本符合。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]蒙明輝，裴向軍，魏小佳，黃勇.G314奧依塔克-布倫口段高寒山區(qū)崩塌發(fā)育規(guī)律研究[J].公路工程，2015，40（06）：202-206+251.

[2]A method for prediction of volcanic eruptions. Barry Voight. Nature . 1988.

[3]A Relation to Describe Rate-Dependent Material Failure. Voight B. Science . 1989.

[4]A new method for predicting the failure time of a slope. FUKUZONO T. Proceedings of the 4th International Conference and Field Workshop on Landslides . 1985.

[5]申太奇.底部凹巖腔控制型崩塌成因機(jī)理與監(jiān)測預(yù)警研究[D].四川：成都理工大學(xué)，2016.

[6]亓星. 突發(fā)型黃土滑坡監(jiān)測預(yù)警研究[D].成都理工大學(xué)，2017.

[7]王延平. 崩塌災(zāi)害變形破壞機(jī)理與監(jiān)測預(yù)警研究[D].成都理工學(xué)，2016.

[8]王延平，許強(qiáng)，鄭光，鄭海君.速度倒數(shù)法滑坡預(yù)警模型流變試驗研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（06）：1606-1614.

[9]王玉，陳曉清.汶川地震區(qū)次生山地災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系初步構(gòu)想[J].四川大學(xué)學(xué)報（工程科學(xué)版），2009，41（S1）：37-44.

[10]許強(qiáng)，董秀軍，李為樂.基于天-空-地一體化的重大地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別與監(jiān)測預(yù)警[J].武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2019，44（07）：957-966.

[11]許強(qiáng)，黃潤秋，李秀珍.滑坡時間預(yù)測預(yù)報研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展. 2004（03）.

[12]蒙明輝. 循環(huán)凍融條件下巖質(zhì)邊坡破裂機(jī)制及變形監(jiān)測研究[D].成都理工大學(xué)，2015.

[13]秦四清，王媛媛，馬平.崩滑災(zāi)害臨界位移演化的指數(shù)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29（05）：873-880.

作者簡介：伍先福（1995-），男，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評價與防治。