邊坡工程災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警研究述評(píng)

任廣麗， 傅宇浩， 李立云

(1. 中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司， 北京 100089； 2. 空間信息應(yīng)用與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，北京 100089； 3. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

0 引言

我國(guó)乃至世界各國(guó)均普遍存在大量邊坡工程，伴隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施及國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，邊坡的數(shù)量在采礦、水利、公路、鐵路等多個(gè)行業(yè)中還在迅猛增加。僅以G7611都勻至香格里拉高速公路守望至紅山段為例，A1合同段17.83km內(nèi)就包含有10個(gè)高填路堤邊坡和8個(gè)深挖路塹邊坡，其中，填方路堤最大高度達(dá)41.64m，挖方路塹邊坡最大高度達(dá)39.47m。因此，確保邊坡的安全顯得尤為重要和必要，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界已對(duì)涉及邊坡工程安全的許多方面展開(kāi)了深入系統(tǒng)的研究。Duncan曾對(duì)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的論述[1]。本文對(duì)近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外邊坡工程災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，為我國(guó)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害防治，尤其是道路邊坡的災(zāi)變預(yù)警研究提出建議。

1 邊坡災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及破壞模式

邊坡是由于人類(lèi)工程活動(dòng)而形成的斜坡。與自然形成的邊坡相比，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在人類(lèi)工程活動(dòng)改變了原有斜坡的應(yīng)力場(chǎng)，從而誘發(fā)邊坡產(chǎn)生附加變形乃至破壞。其災(zāi)害類(lèi)型與自然斜坡類(lèi)似，主要有滑坡和崩塌兩種。

圖 1 邊坡破壞發(fā)生機(jī)理[11]Fig.1 The mechanism of slope deformation[11]

邊坡災(zāi)害的發(fā)生與邊坡的高度、坡度、形態(tài)等有密切的關(guān)系，受構(gòu)成邊坡的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制，降水和人類(lèi)活動(dòng)是邊坡災(zāi)害發(fā)生的主要誘因。由于邊坡的高度、坡度、形態(tài)、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等因素各不相同，故邊坡災(zāi)變機(jī)理也各有特點(diǎn)。魏云杰等對(duì)我國(guó)西南某水電站壩址區(qū)左岸高邊坡變形破壞模式進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該邊坡主要存在正常卸荷型、陡裂夾泥型和緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶的表生改造型3種變形破壞模式。巖體破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，左岸邊坡在地震作用下，緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移松弛，陡傾角結(jié)構(gòu)面大規(guī)模拉裂，整個(gè)邊坡將發(fā)生高速滑動(dòng)[2]。Zhang等對(duì)茨哈峽水電站某巖質(zhì)邊坡的變形機(jī)制研究后發(fā)現(xiàn)，該邊坡災(zāi)害類(lèi)型為崩塌，取決于軟硬巖性、巖體結(jié)構(gòu)的制約、傾倒的演替、卸荷裂隙和地貌，邊坡災(zāi)變演化可以分為彎拉斷裂變形、撓曲破壞、滑動(dòng)拉裂縫變形、地表塌陷和深層滑坡四個(gè)階段。軟硬地層組成的斜坡發(fā)生大規(guī)模傾覆，淺部地層先于內(nèi)部地層傾倒； 坡體水平方向傾覆過(guò)程由內(nèi)向外累積； 塊體傾倒發(fā)生在相對(duì)堅(jiān)硬的地層中，彎曲傾倒發(fā)生在相對(duì)較軟的地層中； 傾倒沒(méi)有形成連通的失穩(wěn)界面，而是拉裂縫和彎曲變形并存，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡變形的長(zhǎng)期發(fā)展和空間變異[3]。代貞偉等認(rèn)為楊家水井滑坡為持續(xù)降雨觸發(fā)的牽引式反傾巖質(zhì)滑坡，其特殊的地質(zhì)地貌是滑坡形成的內(nèi)因，順向陡傾節(jié)理裂隙的存在對(duì)于滑坡變形失穩(wěn)起著最為關(guān)鍵的控制因素，河流深切侵蝕的河谷地貌演化過(guò)程為滑坡提供了動(dòng)力基礎(chǔ)和運(yùn)動(dòng)空間，而持續(xù)降雨是導(dǎo)致滑坡形成的直接誘發(fā)因素[4]。Zhu等以怒江某邊坡為研究對(duì)象，考慮河流切割和風(fēng)化引起的巖體退化的影響建立了地質(zhì)演化模型，模擬了邊坡變形發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理。結(jié)果表明，坡腳的擠壓變形導(dǎo)致了上部邊坡的拉伸破壞，坡腳巖體是引起邊坡變形的關(guān)鍵因素[5]。Weng等利用離心機(jī)模型試驗(yàn)和離散單元數(shù)值模擬，分析了順層邊坡的裂縫發(fā)展和破壞機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同坡度和弱平面角的邊坡，高邊坡產(chǎn)生的裂縫和位移較多，導(dǎo)致滑動(dòng)體積較大[6]。吳瑞安等從巖體建造特征、構(gòu)造影響以及外動(dòng)力作用等方面分析了三峽庫(kù)區(qū)云陽(yáng)向城小學(xué)滑坡的變形失穩(wěn)機(jī)制。結(jié)果表明，該滑坡為軟硬互層結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)滑坡，變形破壞模式為蠕滑-拉裂-剪斷式。構(gòu)造作用和巖體的建造特征對(duì)滑坡的形成演化起到控制性作用，泥巖演化而成的軟弱夾層控制滑坡的發(fā)生，降雨和庫(kù)水位升降變化的耦合作用對(duì)滑坡變形發(fā)展起到促進(jìn)作用[7]。肖銳鏵等通過(guò)應(yīng)急調(diào)查、過(guò)程還原及工程地質(zhì)分析，對(duì)貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑村山體崩塌破壞過(guò)程及機(jī)理進(jìn)行了初步研究。研究發(fā)現(xiàn)，崩塌主要發(fā)生在三疊系下統(tǒng)夜郎組灰?guī)r和粉砂巖地層中，巖層面近水平； 受構(gòu)造和卸荷作用，發(fā)育有平行于坡面的陡傾節(jié)理； 受長(zhǎng)期重力作用和風(fēng)化作用影響，溶蝕漏斗和塌陷發(fā)育； 節(jié)理在長(zhǎng)期的風(fēng)化過(guò)程中形成裂隙帶和沉陷帶。崩塌可分為沉陷帶變形崩塌、坡面局部崩塌、整體潰屈崩塌、撞擊地面、碎屑流五個(gè)階段[8]。王立朝等研究發(fā)現(xiàn)，金沙江白格滑坡地段為V 型峽谷地形，地勢(shì)陡峻，地形高差大，為滑坡發(fā)生提供了自然臨空條件。長(zhǎng)期的重力演化作用導(dǎo)致白格滑坡出現(xiàn)局部變形破壞，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的金沙江峽谷岸坡、地震、凍融和降水等綜合因素作用引發(fā)了高位遠(yuǎn)程滑坡災(zāi)害[9]。Xia等對(duì)拉西瓦水電站的一處滑坡進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為該滑坡的發(fā)生機(jī)制包括傾倒、下沉楔體破壞、落石、拉裂等，并指出地質(zhì)條件的脆弱性、入滲、水庫(kù)蓄水是造成該處滑坡大變形的主要因素[10]。Vick等將挪威北部構(gòu)造控制巖質(zhì)邊坡的變形破壞機(jī)理歸結(jié)為圖 1所示的層理控制的后緣破裂(Foliation-controlled rear rupture)、節(jié)理控制的后緣破裂(Joint-controlled rear rupture)和斷層控制的后緣破裂(Fault-controlled rear rupture)，并將邊坡的破壞過(guò)程劃分為退化階段(Regressive stage)、損傷發(fā)展階段(Progressive stage)和失效后階段(post failure)[11]。楊龍偉等根據(jù)無(wú)人機(jī)航拍圖和野外地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，結(jié)合研究區(qū)的工程地質(zhì)要素，分析了新疆烏恰縣康蘇紅層崩塌的變形特征和災(zāi)變模式。研究表明，該崩塌為拉裂式崩塌，主要受危巖體巖性組合和坡體結(jié)構(gòu)面組合控制，其孕災(zāi)模式可分為差異風(fēng)化階段、巖體結(jié)構(gòu)變形破壞階段、懸挑危巖階段、和崩塌失穩(wěn)落下階段，具有典型的碎屑流運(yùn)動(dòng)特征[12]。

2 邊坡災(zāi)變形變特征

邊坡破壞的直接表現(xiàn)為邊坡體的空間位移。受監(jiān)測(cè)設(shè)備及技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)外在邊坡災(zāi)變變形特征方面的研究多利用數(shù)值方法或物理模型試驗(yàn)開(kāi)展，少有針對(duì)邊坡災(zāi)變過(guò)程的準(zhǔn)確描述。近年來(lái)，隨著衛(wèi)星遙感、GPS、激光掃描儀以及InSAR技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于邊坡災(zāi)變變形特征的研究才有所增加。

Wartman等通過(guò)飽和黏土邊坡破壞土工離心試驗(yàn)探討了基于前兆位移預(yù)測(cè)慢行滑坡的破壞時(shí)間。發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)集的初始部分應(yīng)用簡(jiǎn)單的線(xiàn)性逆速度關(guān)系會(huì)產(chǎn)生保守但不準(zhǔn)確的失效時(shí)間預(yù)測(cè)，基于后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)可用于滑坡預(yù)警[13]； Voight非線(xiàn)性模型[14]在觀測(cè)位移的整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)具有良好的擬合效果，但需要對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行擬合[13]。Leung和Ng利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)某土質(zhì)邊坡的變形特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在極端風(fēng)暴事件(重現(xiàn)期相當(dāng)于245年)期間，斜坡表現(xiàn)為深層位移模式。在滑坡體的平移滑動(dòng)過(guò)程中，滑坡體發(fā)生了較大的變形，產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力遷移。在隨后的旱季，上坡發(fā)生反彈，但由于極端風(fēng)暴而恢復(fù)的下坡位移不超過(guò)25%。對(duì)土質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，其變形主要受降水的影響，水平變形表現(xiàn)為由坡面向內(nèi)部逐漸減小，并在一定深度保持穩(wěn)定[15]。Lin等基于Burgers模型，考慮摩擦系數(shù)、黏結(jié)剛度、組成材料的強(qiáng)度以及層間黏結(jié)的剛度和強(qiáng)度，采用PFC程序數(shù)值研究了具有蠕變變形跡象的泥質(zhì)巖順層邊坡的變形破壞特征。結(jié)果表明，層間黏結(jié)強(qiáng)度是影響滑移的最大因素[16]。Weng等通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，順層邊坡的層間滑動(dòng)由邊坡自重作用引起。巖體由于濕化變質(zhì)和重力作用發(fā)生變形，然后在坡腳受阻時(shí)彎曲，最后在坡腳處形成隆起，導(dǎo)致剪切和滑動(dòng)破壞。裂紋和主要變形主要分布在主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)[6]。Xie等以小洞槽邊坡為例，通過(guò)地質(zhì)調(diào)查和地表監(jiān)測(cè)資料，綜合分析了反傾邊坡傾倒變形的時(shí)空特征。小洞槽邊坡為一彎道崩塌的岸坡，邊坡明顯變形區(qū)域主要分布在岸坡前部和后部，岸坡前部以水平變形為主，后部以垂直變形為主。岸坡整體變形受坡前水平變形控制。邊坡中部的條帶區(qū)是連接岸坡前后變形的紐帶，控制著邊坡變形的演化。邊坡整體變形滯后于該中心區(qū)域，該條帶狀區(qū)域的位移可引發(fā)后期岸坡整體位移。邊坡變形在宏觀上表現(xiàn)為地表滑動(dòng)裂縫、滑坡滑動(dòng)和巖石彎曲斷裂[17]。

Zhang等以向家壩水電站馬眼坡塊狀順層巖質(zhì)邊坡為例，系統(tǒng)研究了滑坡的地質(zhì)背景、變形特征、潛在破壞模式、觸發(fā)機(jī)理及防治。研究結(jié)果表明，該邊坡的變形為內(nèi)外源整合的結(jié)果，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面由原生軟巖層(薄層砂巖層)向軟弱夾層的演化過(guò)程為滑坡提供了契機(jī)[18]。Jiang等通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)2016年11月29日發(fā)生的瀾滄江右岸滑坡的破壞機(jī)理和后變形特征進(jìn)行了研究。根據(jù)鉆孔揭示地層和測(cè)斜數(shù)據(jù)，確定潛在滑動(dòng)帶位于崩積層和基巖之間，水庫(kù)水位上升是觸發(fā)滑坡發(fā)生的關(guān)鍵因素； GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，整個(gè)邊坡的變形速度服從冪函數(shù)關(guān)系[19]。Dai等通過(guò)膨脹土邊坡物理模型試驗(yàn)，研究了飽和-非飽和膨脹土邊坡在含水量變化下的物理行為和破壞模式。試驗(yàn)表明，隨著降雨的加深，土壤表層迅速飽和，入滲深度、入滲速度和入滲飽和度隨坡高的增加而減??； 地表位移從坡腳到坡肩逐漸增大，并向深度方向顯著衰減。土壤表面首先出現(xiàn)裂縫，然后隨著持續(xù)蒸發(fā)向下膨脹。膨脹效應(yīng)導(dǎo)致膨脹土邊坡應(yīng)力場(chǎng)重新分布，是導(dǎo)致膨脹土淺層邊坡破壞的最重要因素。含水率變化對(duì)垂直變形的影響大于水平變形，垂直位移基本與平均增量含水率呈線(xiàn)性關(guān)系，在不同部位表現(xiàn)出一定的差異[20]。Vick等在挪威北部構(gòu)造控制巖質(zhì)邊坡變形破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用DEM軟件和InSAR技術(shù)分析了3種破壞模式的變形特征。層理控制的后緣破裂滑塊的主要特征是具有非常清晰的后破裂面，由于后方破裂角度較低，水平延伸程度大于其他部位。轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)部剪切在轉(zhuǎn)換區(qū)表面表現(xiàn)為更高程度的脆性斷裂，中部斜坡顯示高應(yīng)變跡象?；禄灼屏衙鏋橥暾麕r石的葉理、階躍裂縫、其他不連續(xù)面和破裂的組合，坡頂?shù)母叨壬煺箤?dǎo)致坡腳處壓縮。對(duì)于節(jié)理控制的后緣破裂和斷層控制的后緣破裂，后方的接縫和斷層面很容易被識(shí)別為后緣。斷層面破裂處的基巖顯示出高度退化，通過(guò)表面向斜坡提供堆積物，表明這些地點(diǎn)的破壞程度很高。一般在有地表運(yùn)動(dòng)跡象的地區(qū)，地表變形率很高[11]。

3 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)與預(yù)警方法

3.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了減少邊坡破壞而造成的損害，邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警是邊坡工程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于邊坡變形破壞的種類(lèi)和模式不同，所采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法也各不相同。就監(jiān)測(cè)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，一般包括位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地表水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地聲監(jiān)測(cè)、環(huán)境因素監(jiān)測(cè)和宏觀現(xiàn)象監(jiān)測(cè)等。

位移監(jiān)測(cè)包括大地測(cè)量、近景攝影測(cè)量、GPS衛(wèi)星定位、裂縫監(jiān)測(cè)和傾斜儀監(jiān)測(cè)。其中，大地測(cè)量最為傳統(tǒng)，該方法利用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等監(jiān)測(cè)滑坡體表層的絕對(duì)位移，測(cè)量范圍廣，無(wú)量程限制。近景攝影測(cè)量使用專(zhuān)業(yè)測(cè)量照相機(jī)對(duì)邊坡坡面拍照并分析其變形特征。王秀美等開(kāi)發(fā)了一套數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)，并介紹了采用該系統(tǒng)進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)的做法[21]。劉昌華等以近景攝影測(cè)量理論和變形監(jiān)測(cè)理論為基礎(chǔ)，分析了非量測(cè)相機(jī)監(jiān)測(cè)變形的精度和可行性[22]。張喆基于近景攝影測(cè)量軟件lensphoto探討了近景攝影測(cè)量方法在邊坡變形監(jiān)測(cè)中的可行性[23]。程效軍等利用近景攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)廣東大峽谷工地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍攝，分析了控制點(diǎn)方向誤差、平面及深度精度[24]。GPS衛(wèi)星定位通過(guò)在邊坡測(cè)點(diǎn)布設(shè)GPS接收機(jī)，利用衛(wèi)星定位技術(shù)測(cè)量邊坡的絕對(duì)位移，精度較高。隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星全球定位與通信系統(tǒng)(BDS)投入使用，將該系統(tǒng)用于邊坡變形監(jiān)測(cè)成為了近年來(lái)的研究重點(diǎn)。王迪等采用BDS高精度差分定位技術(shù)，使平面和高程監(jiān)測(cè)精度均能達(dá)到毫米級(jí)，同時(shí)運(yùn)用傳統(tǒng)的點(diǎn)位穩(wěn)定性分析方法和圖像移動(dòng)判別技術(shù)，設(shè)計(jì)了邊坡監(jiān)測(cè)智能預(yù)警系統(tǒng)[25]。黃步云將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用于平羅公路牙舟互通段左側(cè)邊坡的變形監(jiān)測(cè)[26]。裂縫監(jiān)測(cè)是利用卡尺、皮尺等監(jiān)測(cè)滑坡體裂縫和滑帶的相對(duì)位移。傾斜監(jiān)測(cè)一般是利用地表傾斜儀監(jiān)測(cè)坡體地表傾斜度、傾斜方向，利用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)坡體深部構(gòu)造面和滑帶位移。應(yīng)力監(jiān)測(cè)一般針對(duì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行，通過(guò)埋設(shè)壓力盒、應(yīng)變計(jì)和測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)部的應(yīng)力變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化和錨索(桿)的預(yù)應(yīng)力變化。地下水監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)地下水的水位、流量、孔隙水壓力和巖土體的透水性變化，進(jìn)而評(píng)估邊坡的穩(wěn)定性。地聲監(jiān)測(cè)主要利用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀和地震監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)聲發(fā)射隨機(jī)事件的頻度、坡體本身的振動(dòng)頻率和振幅變化，用以對(duì)坡體的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估。Lenti等針對(duì)邊坡變形時(shí)巖體內(nèi)部的不穩(wěn)定，利用加速度計(jì)陣列記錄進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地下不穩(wěn)定與連續(xù)的斜坡變形有關(guān)[27]。環(huán)境因素監(jiān)測(cè)主要針對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的氣溫、降水等因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多新的監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法也被逐步應(yīng)用到邊坡監(jiān)測(cè)中。例如，閻宗嶺等基于無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)提出了一種危巖監(jiān)測(cè)預(yù)警方法[28]。王旭等基于三維激光掃描技術(shù)開(kāi)展了高陡邊坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究，并將其應(yīng)用于巴基斯坦山達(dá)克銅金礦邊坡[29]。Zhang等利用衛(wèi)星遙感ALOS-PALSAR和ALOS-PRISM影像對(duì)郭埠滑坡不同時(shí)期的變形進(jìn)行了研究，探討了郭埠滑坡與蓄水的關(guān)系[30]。Li等基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)研發(fā)了慣性測(cè)量傳感器，提出了一種在沒(méi)有外部地質(zhì)參考的情況下測(cè)量和跟蹤位移和移動(dòng)的邊坡變形監(jiān)測(cè)方法。該方法不僅可以得到被觀測(cè)目標(biāo)的速度信息，而且可以得到目標(biāo)的姿態(tài)和位置，與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)邊坡變形全過(guò)程監(jiān)測(cè)[31]。王俊豪等探索了一種基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像和飛控?cái)?shù)據(jù)的滑坡單體信息多維提取的方法[32]。

InSAR 技術(shù)(星載合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù))是隨雷達(dá)衛(wèi)星的發(fā)展而產(chǎn)生的一種對(duì)地形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用位于不同空間位置的雷達(dá)對(duì)同一目標(biāo)地物進(jìn)行觀測(cè)，得到兩幅或多幅SAR影像，進(jìn)而利用干涉處理獲取該目標(biāo)的高程或形變信息，具有監(jiān)測(cè)精度高、分辨率高、全天候監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。韋忠跟采用差值干涉測(cè)量法利用雷達(dá)波監(jiān)測(cè)邊坡變形，建立了邊坡雷達(dá)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，并用于黑岱溝露天煤礦邊坡[33]。劉懿俊探討了地基InSAR技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[34]。鄭翔天對(duì)基于邊坡雷達(dá)的形變?yōu)暮μ卣魈崛》椒ㄟM(jìn)行了研究，提出了基于雷達(dá)圖像的預(yù)警模型形變參數(shù)反演方法和基于融合數(shù)據(jù)時(shí)空分析的巖質(zhì)邊坡形變?yōu)暮μ卣魈崛》椒╗35]。譚璦軍研究了地基合成孔徑雷達(dá)工作模型和干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)形變數(shù)據(jù)提取的方法，對(duì)原始形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的隨機(jī)干擾噪聲和局部異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并將該技術(shù)應(yīng)用于河北馬蘭莊露天開(kāi)采邊坡[36]。王立文依托撫順西露天礦，驗(yàn)證了邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的可行性和有效性[37]。

光纖傳感技術(shù)近年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。史彥新等利用光纖布拉格光柵(FBG)和布里淵光時(shí)域反射傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滑坡體的全面監(jiān)測(cè)[38]。李洪才等采用FBG彎曲傳感技術(shù)提高了FBG的靈敏度，并將其用于邊坡表面形變及深部位移[39]。章征林等基于FBG傳感技術(shù)捕捉邊坡失穩(wěn)過(guò)程中的坡體內(nèi)位移變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡演化的監(jiān)測(cè)預(yù)警[40]。鄭勇研發(fā)了復(fù)合光纖裝置用于邊坡深部位移的監(jiān)測(cè)[41]。俞鈞耀研制了一種全方位智能實(shí)時(shí)感知的新型邊坡內(nèi)部變形光纖光柵測(cè)斜桿，并提出了邊坡實(shí)時(shí)三維變形場(chǎng)構(gòu)建方法[42]。李曉赫等提出了一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Optical time domain reflectometry， OTDR)光路結(jié)構(gòu)的分布式光纖監(jiān)測(cè)高速公路邊坡落石[43]。

時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)(TDR)是一種電子測(cè)量技術(shù)，多用于物體形態(tài)特征的測(cè)量和空間定位。利用TDR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，將同軸測(cè)試電纜垂直埋設(shè)在滑坡體內(nèi)，從地表電纜端向同軸電纜內(nèi)發(fā)射高頻脈沖測(cè)試信號(hào)； 埋設(shè)的同軸電纜某段受到滑坡蠕動(dòng)的巖石或土體的擠壓時(shí)，同軸電纜就會(huì)發(fā)生變形，變形處同軸電纜的特征阻抗發(fā)生變化，測(cè)試信號(hào)發(fā)生反射。通過(guò)分析反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間與振幅幅度推測(cè)滑坡體的變形位置和程度，達(dá)到對(duì)滑坡體監(jiān)測(cè)的目的。Lin等采用時(shí)域反射測(cè)試技術(shù)(TDR)監(jiān)測(cè)滑坡體中注漿同軸電纜的變形，利用TDR波形的變化和反射系數(shù)積分法的計(jì)算，確定滑坡中剪切變形的位置和大小，從而監(jiān)測(cè)滑坡中潛在斜坡運(yùn)動(dòng)的位置和大小[44]。

3.2 預(yù)警方法

邊坡災(zāi)變預(yù)警方法的發(fā)展經(jīng)歷了從群防群測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)巡檢到遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警，從單一監(jiān)測(cè)到融合監(jiān)測(cè)和本質(zhì)監(jiān)測(cè)。劉建永等提出一種基于低功耗傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和北斗/GPRS相結(jié)合的滑坡地質(zhì)災(zāi)害無(wú)人監(jiān)測(cè)方案，并設(shè)計(jì)了多傳感器融合的滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)[45]。趙忠海和李敏對(duì)北京山區(qū)公路邊坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，認(rèn)為北京地區(qū)目前在公路邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的工作尚處于起步階段，存在著專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)密度較低、成災(zāi)機(jī)理研究不夠深入，監(jiān)測(cè)技術(shù)及預(yù)警方法的針對(duì)性和實(shí)用性不強(qiáng)等諸多問(wèn)題[46]。鄔凱等依托湖南婁新高速公路邊坡，選擇典型滑坡安裝了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，捕捉滑坡體局部變形破壞的全過(guò)程，分析了滑坡時(shí)空演化規(guī)律。該遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以地表位移和降雨量作為主要監(jiān)測(cè)變量，通過(guò)在滑坡上設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，安裝3臺(tái)觸發(fā)式地表位移計(jì)、1 臺(tái)容柵式雨量計(jì)、1 套數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和1套供電系統(tǒng)，對(duì)滑坡發(fā)育的主要裂縫以及該區(qū)域的降雨量開(kāi)展遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用降雨量-變形加卸載響應(yīng)比分析滑坡變形所處的演化階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，并采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸[47]。劉冠洲等采用多源監(jiān)測(cè)信息采集和融合、云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與邊坡穩(wěn)定性分析、三維建模、綜合預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)，建立了一套多源監(jiān)測(cè)預(yù)警信息一體化平臺(tái)[48]。周明和邱凌云提出了基于GNSS、GPS表面位移、自動(dòng)化機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)等多傳感器技術(shù)融合的立體高精度變形監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了高危邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化[49]。覃事河和周全采用高精度全站儀、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、三維激光掃描、微芯樁監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等多種智能手段對(duì)大渡河猴子巖水電站庫(kù)區(qū)某滑坡體實(shí)施監(jiān)測(cè)預(yù)警，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，保障了滑坡體應(yīng)急處置與管制通行期間的安全穩(wěn)定[50]。孫光林等指出滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的發(fā)展方向是先進(jìn)監(jiān)測(cè)方法、多技術(shù)融合方法和本質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法[51]。

邊坡災(zāi)變預(yù)警離不開(kāi)邊坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確判別，其關(guān)鍵在于預(yù)警值的取值和評(píng)判方法選取。王紅明等探討了公路邊坡的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及預(yù)警值[52]。朱家劍等結(jié)合甘肅渭武高速公路邊坡調(diào)查分析，基于IFOA 算法對(duì)位移傳感器的布設(shè)位置進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，以降雨強(qiáng)度、邊坡位移-時(shí)間曲線(xiàn)特征和位移量作為預(yù)警指標(biāo)，提出邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警方案[53]。Deng等提出了一種用靈敏度分析方法定量分析隨機(jī)變量對(duì)邊坡破壞概率的影響[54]。Hasan 和 Najjar將一種基于貝葉斯技術(shù)的簡(jiǎn)化概率反分析方法應(yīng)用于阿爾及利亞擬建公路路段穩(wěn)定性分析[55]。Su等建立了適用于預(yù)測(cè)變形和不穩(wěn)定性的具有高邊坡變形形成機(jī)理的邊坡變形統(tǒng)計(jì)模型，并從變形速率、變形加速度等方面提出了邊坡穩(wěn)定性預(yù)警指標(biāo)[56]。Xue提出了一種預(yù)測(cè)邊坡穩(wěn)定性的混合最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)和粒子群優(yōu)化(PSO)技術(shù)，該技術(shù)采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)最小二乘支持向量機(jī)參數(shù)的最優(yōu)值進(jìn)行選擇，從而改善最小二乘支持向量機(jī)的性能預(yù)測(cè)精度[57]。Cheng 和 Hoang提出了一種新的邊坡崩塌評(píng)價(jià)方法。該方法結(jié)合了貝葉斯框架和K-最近鄰密度估計(jì)技術(shù)，采用貝葉斯框架對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行概率估計(jì)[58]。Lo 和 Leung采用隨機(jī)場(chǎng)理論進(jìn)行了邊坡和條形基礎(chǔ)的概率分析。隨機(jī)場(chǎng)模擬采用拉丁超立方體相關(guān)抽樣(LHSD)，將拉丁超立方體相關(guān)采樣與多項(xiàng)式混沌展開(kāi)(PCE)相結(jié)合，逼近模型響應(yīng)的概率密度函數(shù)，進(jìn)而將LHSD-PCE方法應(yīng)用于具有交叉相關(guān)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的土壤的概率邊坡分析[59]。Liu 和 Cheng提出了一種與準(zhǔn)蒙特卡羅模擬(QMCS)相結(jié)合的改進(jìn)kriging元模型(AKQMCS)，改進(jìn)kriging模型代替邊坡極限狀態(tài)函數(shù)(LSF)，利用基于熵理論的學(xué)習(xí)函數(shù)，逐步更新kriging模型。然后在改進(jìn)的kriging元模型上進(jìn)行QMCS仿真，以評(píng)估邊坡的系統(tǒng)失效概率[60]。Li等提出了一種綜合監(jiān)測(cè)參數(shù)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。該方法利用觀測(cè)信息對(duì)強(qiáng)度和荷載參數(shù)進(jìn)行反分析，然后利用更新后的基本參數(shù)計(jì)算邊坡的安全系數(shù)或破壞概率[61]。Pan等對(duì)邊坡的三維穩(wěn)定性進(jìn)行了概率分析。分析過(guò)程中，利用基于極限分析的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法計(jì)算邊坡臨界高度，采用廣義Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則來(lái)表征巖體的破壞，采用響應(yīng)面法和稀疏多項(xiàng)式混沌展開(kāi)進(jìn)行概率分析[62]。

4 現(xiàn)狀分析及評(píng)述

由前敘述可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)邊坡災(zāi)變已經(jīng)開(kāi)展了非常系統(tǒng)、深入的研究，并獲得了大量的研究成果，為邊坡工程防災(zāi)減災(zāi)做出了巨大貢獻(xiàn)。

邊坡災(zāi)變機(jī)理和模式是問(wèn)題研究的基礎(chǔ)。從已有研究成果可以看出，由于廣泛分布的邊坡所處的地質(zhì)條件、邊坡本體性質(zhì)、氣候環(huán)境以及工程活動(dòng)特點(diǎn)等各不相同，邊坡的災(zāi)變機(jī)理及模式各有特點(diǎn)，需要根據(jù)其實(shí)際情況專(zhuān)門(mén)分析。邊坡形變特征多與邊坡的災(zāi)變模式相關(guān)，且受邊坡本體性質(zhì)控制。

邊坡災(zāi)害發(fā)生受多種因素的綜合影響，并在許多方面有所展現(xiàn)。為此，針對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)不僅需要邊坡本體的監(jiān)測(cè)，還需要針對(duì)周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)； 從坡面深入到坡體內(nèi)部，從直接表征的邊坡變形到體現(xiàn)材料性能的力學(xué)響應(yīng)，從常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)巡檢到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，無(wú)不體現(xiàn)人們對(duì)邊坡災(zāi)變認(rèn)知的不斷深入。然而，從獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，這些監(jiān)測(cè)多針對(duì)邊坡坡面或坡內(nèi)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，針對(duì)整個(gè)坡面形變特征的監(jiān)測(cè)還很少。

GPS和BDS系統(tǒng)為我們的生產(chǎn)和生活提供了很大的便利，由于GPS技術(shù)和BDS技術(shù)具有較高的精度，將二者用于邊坡監(jiān)測(cè)是今后的發(fā)展方向。利用GPS或BDS的監(jiān)測(cè)需要在邊坡上布設(shè)相應(yīng)的接收裝置，通過(guò)接收衛(wèi)星向地面發(fā)射電磁波信號(hào)，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用坐標(biāo)差反算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，但需要考慮安裝成本，并且GPS或BDS測(cè)站站點(diǎn)選擇自由度低、反射性較強(qiáng)的物體容易產(chǎn)生多效應(yīng)路徑、易受惡劣天氣影響、人工不能作業(yè)。

相比傳統(tǒng)的GPS技術(shù)和水準(zhǔn)測(cè)量，InSAR技術(shù)無(wú)需設(shè)置地面觀測(cè)站，僅需通過(guò)雷達(dá)衛(wèi)星對(duì)地監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高、分辨率高、可以全天候監(jiān)測(cè)，近年來(lái)已在一些工程中得到初步應(yīng)用。但是，時(shí)空失相關(guān)和大氣延遲嚴(yán)重影響形變測(cè)量的精度和可靠性[63]，為此，張成龍等[64]針對(duì)高落差、相干點(diǎn)密度低、空間分布嚴(yán)重不均勻等問(wèn)題，利用GACOS(generic atmos￣pheric correction online service for In SAR)輔助下干涉影像堆疊技術(shù)(InSAR Stacking)和 Li CSBAS方法獲取雷達(dá)視線(xiàn)方向(line of sight， LOS)年形變速率，進(jìn)而提取出二維的形變場(chǎng)； 柴華彬等[65]提出了一種融合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地表沉降SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)方法。

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)掃描整個(gè)邊坡面構(gòu)建邊坡的點(diǎn)云圖像，對(duì)比不同時(shí)段的點(diǎn)云圖像分析邊坡的變形特征，該技術(shù)測(cè)程有限，無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、大范圍變形監(jiān)測(cè)的需要，且需要定期運(yùn)送設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

近景攝影測(cè)量技術(shù)和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是利用攝影照片，識(shí)別并提取邊坡的特征標(biāo)識(shí)，通過(guò)標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置的前后對(duì)比識(shí)別邊坡的變形特征； 但圖像處理復(fù)雜、損失細(xì)節(jié)信息、攝影測(cè)量的精度尚待提高，且需要定期運(yùn)送設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

光纖光柵技術(shù)在邊坡工程中的應(yīng)用尚不成熟，在確定滑坡滑動(dòng)方向、滑坡大變形監(jiān)測(cè)、以及滑坡巖土體與光纖耦合性關(guān)系模型方面存在不足[66]，且成本較高。徐靚等[66]系統(tǒng)分析了分布式光纖感測(cè)技術(shù)應(yīng)用于滑坡體內(nèi)部多源多場(chǎng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)和潛力，但仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決。

邊坡災(zāi)變預(yù)警經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已步入先進(jìn)監(jiān)測(cè)方法、多技術(shù)融合和本質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警的階段，協(xié)同利用多種測(cè)量手段開(kāi)展邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、隱患早期識(shí)別、自動(dòng)化解疑是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[67]。

由上文分析可知，邊坡的災(zāi)變機(jī)理及模式各有特點(diǎn)，邊坡災(zāi)變特征也體現(xiàn)在許多方面，利用單個(gè)因素進(jìn)行災(zāi)變預(yù)警往往難以達(dá)到預(yù)期的效果。在邊坡災(zāi)變過(guò)程中，坡面形變特征是最為直觀的一項(xiàng)內(nèi)容，前述針對(duì)邊坡坡面特征的監(jiān)測(cè)技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)及適用范圍，且多為專(zhuān)用監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，缺乏對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和資源的優(yōu)化配置，InSAR技術(shù)和光纖光柵技術(shù)等還需進(jìn)一步完善。

在我國(guó)利用攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控已非常普及，城市交通監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇的視頻監(jiān)控、以及模型試驗(yàn)中均有攝像技術(shù)的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，攝像的成圖質(zhì)量不斷提高，其價(jià)格在持續(xù)下降，為研發(fā)低成本邊坡坡面變形特征監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了條件，使研發(fā)一種精度高、檢測(cè)速度快、部署成本低、監(jiān)測(cè)范圍大、可24h無(wú)人值守連續(xù)監(jiān)測(cè)的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)成為了可能。該技術(shù)涉及的關(guān)鍵問(wèn)題包括：(1)邊坡坡面變形標(biāo)識(shí)的選取及識(shí)別。為了準(zhǔn)確地識(shí)別邊坡坡面變形情況，需要從提高攝像器材的分辨率和識(shí)別算法方面入手，充分將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和近景攝影測(cè)量相結(jié)合。具體思路為：采用CMOS成像技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和夜間及低能見(jiàn)度條件下的目標(biāo)自動(dòng)補(bǔ)光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙光傳感器全天時(shí)獲取的位移時(shí)變影像信息量達(dá)到高精度檢測(cè)要求，以此實(shí)現(xiàn)雙光傳感器24h連續(xù)數(shù)據(jù)采集。進(jìn)而，基于序列影像檢測(cè)的邊坡紋理變化感知技術(shù)，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以邊坡監(jiān)測(cè)圖像為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)邊坡形變特征的描述與提取方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡形變位移的實(shí)時(shí)識(shí)別與監(jiān)測(cè)。(2)邊坡災(zāi)變預(yù)警值的確定及災(zāi)變水平評(píng)判。此項(xiàng)內(nèi)容需要在明晰邊坡災(zāi)變機(jī)理和邊坡坡面變形特征的基礎(chǔ)上，利用精細(xì)化數(shù)值模擬方法和物理模型試驗(yàn)確定。精細(xì)化數(shù)值模擬需要選擇合適的計(jì)算方法和材料本構(gòu)模型，非連續(xù)分析方法(如PFC、3DEC、UDEC、DDA、NMM等)在描述邊坡災(zāi)變等大變形問(wèn)題方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。故此，利用非連續(xù)分析方法構(gòu)建精細(xì)化模型描述邊坡災(zāi)變過(guò)程是邊坡形變特征識(shí)別及預(yù)警值確定的重要環(huán)節(jié)，而物理模型試驗(yàn)的主要作用則是災(zāi)變重現(xiàn)、數(shù)值模型檢驗(yàn)和參數(shù)反演。(3)邊坡潛在災(zāi)變機(jī)理及模式的準(zhǔn)確判斷。這是邊坡災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警順利實(shí)施的最重要、最基本的問(wèn)題，需要對(duì)具體的工程進(jìn)行詳盡的地質(zhì)調(diào)查、勘察，獲取第一手的資料。

5 結(jié)論

本文對(duì)近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于邊坡災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納、整理、和評(píng)述，分析了該方面研究的發(fā)展方向。建議在交通監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種精度高、檢測(cè)速度快、部署成本低、監(jiān)測(cè)范圍大、可24h無(wú)人值守連續(xù)監(jiān)測(cè)的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，作為我國(guó)道路邊坡災(zāi)變監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效補(bǔ)充，提高我國(guó)道路邊坡防災(zāi)減災(zāi)能力。本文給出了研發(fā)這種低成本邊坡坡面變形特征監(jiān)測(cè)技術(shù)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。