基于普適型監(jiān)測(cè)的多參數(shù)預(yù)警研究
——以三峽庫(kù)區(qū)卡門子灣滑坡為例

馬娟，趙文祎*，齊干，劉哲儒，邢顧蓮，葉思卿，陳瑤

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 北京 100081；2. 湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430022)

監(jiān)測(cè)預(yù)警作為地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系的重要組成部分，是減少地質(zhì)災(zāi)害造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的重要手段(Yueping Yin，et al.2010)。經(jīng)過(guò)多年的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，中國(guó)已基本查明28.6萬(wàn)處地災(zāi)隱患點(diǎn)，構(gòu)建了由30余萬(wàn)人組成的群測(cè)群防隊(duì)伍，初步形成了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警理論技術(shù)體系和科技支持保障體系(劉艷輝等，2015)。1999年以來(lái)，先后在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)、四川雅安、重慶巫山、云南哀牢山等地建立區(qū)域性國(guó)家級(jí)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警示范區(qū)(Han Bing, et al.2018；侯圣山等，2014; Han Bing, et al.2020)。四川、貴州、湖北、重慶等省(市)率先實(shí)施自動(dòng)化專業(yè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，取得了大量的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和較好的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果。但是相對(duì)于隱患點(diǎn)總數(shù)，專業(yè)監(jiān)測(cè)所占比率仍很低，點(diǎn)少面窄。

如何依托已有的群測(cè)群防和專業(yè)監(jiān)測(cè)工作基礎(chǔ)，開(kāi)展“專群結(jié)合”監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)，探索“普適型”監(jiān)測(cè)之路尤為必要而迫切。以實(shí)現(xiàn)“專群結(jié)合”的監(jiān)測(cè)預(yù)警為目標(biāo)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院聯(lián)合20余家相關(guān)單位開(kāi)展普適型監(jiān)測(cè)預(yù)警儀器(簡(jiǎn)稱“滑坡儀”)攻關(guān)，以“兩個(gè)提高、兩個(gè)降低”(提高可靠性、提高集成度、降低功耗、降低成本)為目標(biāo)(李慧等，2020),聚焦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中降水與地表變形2個(gè)主要內(nèi)容(薛強(qiáng)等，2018)，針對(duì)性集成研發(fā)了雨量計(jì)、土壤含水率計(jì)、裂縫計(jì)、GNSS、傾角計(jì)、加速度計(jì)等6種普適型及多參數(shù)組合設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)，組織編制了《地質(zhì)災(zāi)害專群結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南》等5部相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了加快推進(jìn)普適型儀器設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用，首批對(duì)包括卡門子灣滑坡在內(nèi)的全國(guó)9個(gè)省(區(qū)、市)29處代表性地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)展滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)驗(yàn)進(jìn)行樣機(jī)示范試用，總體運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 滑坡概況及發(fā)生過(guò)程

卡門子灣滑坡位于湖北省秭歸縣泄灘鄉(xiāng)陳家灣村7組，距鄉(xiāng)政府約3.5 km，距三峽大壩約50 km。卡門子灣滑坡位于長(zhǎng)江支流泄灘河左側(cè)，地理坐標(biāo)E:110°36′50″，N:31°01′27″?；虑熬壐叱碳s160 m，后緣高程約290 m，地形坡度35°～45°，坡向315°,坡體中前部有上泄公路穿過(guò)?；抡w縱長(zhǎng)約192 m，橫寬約135 m，面積約2.7×104 m2，厚度10～25 m，總體積約50×104 m2，主滑方向350°?；轮饕苫瑒?dòng)區(qū)和牽引區(qū)組成，滑動(dòng)區(qū)縱長(zhǎng)約154 m，橫寬約135 m，面積約1.9×104 m2，滑體厚度15～25 m，滑動(dòng)體積約38×104 m3；牽引區(qū)面積約0.8×104 m2，滑體厚度10～20 m，體積約12×104 m3。滑坡出露巖體為中侏羅統(tǒng)沙鎮(zhèn)溪組(J2s)紫紅色薄層粉砂巖、含碳泥質(zhì)粉砂巖與青灰綠色粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層，巖層產(chǎn)狀30°∠40°,該滑坡主要為坡體上部粉砂巖、含碳泥質(zhì)粉砂巖沿粉砂質(zhì)泥巖滑移(Yueping Yin，et al.2020)。

2019年10月底三峽水庫(kù)蓄水至175 m高水位后，于11月20日，該滑坡公路上下區(qū)域發(fā)現(xiàn)變形裂縫；于11月29日滑坡出現(xiàn)明顯變形跡象：滑坡體呈現(xiàn)沿粉砂質(zhì)泥巖(軟弱面)滑移現(xiàn)象,與巖層傾向一致, 滑坡南側(cè)出現(xiàn)一條拉張裂縫, 裂縫走向315°，縫寬10～25 cm；同時(shí)，因坡體坡度較陡,滑坡體在重力作用下,向臨空面滑移,方向315°，與坡向一致，并使滑坡中部南側(cè)陡坎處粉砂巖沿粉砂質(zhì)泥巖頂面外移20 cm,滑坡后緣出現(xiàn)一條弧形拉張裂縫，裂縫呈走向150°～225°～275°,縫寬5～25 cm，前緣局部下座5～30 cm,裂縫可見(jiàn)深度1.2 m；12月9日滑坡出現(xiàn)加速變形，后緣裂縫單日下座變形量達(dá)20 cm，滑體中部出現(xiàn)多條橫向裂縫，滑坡左側(cè)及后緣裂縫完全貫通，滑坡單日中前部道路變形約17 cm，滑坡前緣臨江部位出現(xiàn)臌脹隆起變形，左側(cè)邊界滑移面變形錯(cuò)動(dòng)增大約12 cm。

2019年12月10日上午，該滑坡兩側(cè)及后緣裂縫已完全貫通，且以0.8 cm/h的速度加速變形。左側(cè)邊界處公路上方巖體不斷掉塊，且發(fā)出巖體摩擦、破裂聲音；于當(dāng)日下午16點(diǎn)50分，該滑坡出現(xiàn)整體滑動(dòng)，導(dǎo)致005鄉(xiāng)道錯(cuò)斷，水平推移約15 m，損毀道路長(zhǎng)度約135 m，部分滑體涌入江中，未堵塞河道?；抡w滑動(dòng)后，后部牽引變形裂縫仍在向斜坡上部新建公路(萬(wàn)家-翁家灣公路)方向擴(kuò)展，至晚上18點(diǎn)，該裂縫已延伸至上方公路，出現(xiàn)路面開(kāi)裂現(xiàn)象(圖1、圖2)；至11日上午9點(diǎn)，該裂縫不斷擴(kuò)張，最大寬度約12 cm，下沉約7 cm，且還在不斷發(fā)展變形中。后部牽引區(qū)變形明顯，后緣裂縫最大寬度約12 cm，內(nèi)側(cè)下沉約7 cm，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，后期存在下滑的可能(圖3、圖4)。一旦后部牽引區(qū)下滑加載后，在庫(kù)水位上升作用下，不排除二次整體滑移的可能(王金波，2020)。

2 基于地質(zhì)分析的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

卡門子灣滑坡發(fā)生后，中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心)(以下簡(jiǎn)稱“院(中心)”聯(lián)合湖北省地質(zhì)環(huán)境總站等單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急調(diào)查。通過(guò)對(duì)該滑坡地質(zhì)條件分析研究制定了普適型設(shè)備監(jiān)測(cè)方案。12月22日起在該處開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝布設(shè)工作，在坡體共計(jì)安裝雨量計(jì)、多參數(shù)、加速度計(jì)等3類16套監(jiān)測(cè)設(shè)備，剖面布設(shè)采用“一縱一橫”的布設(shè)方式(圖5)。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)楹蟛繝恳齾^(qū)。其中滑體上布設(shè)9套形變監(jiān)測(cè)設(shè)備，含8套傾角加速度計(jì)，1套多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀；牽引區(qū)布設(shè)6套形變監(jiān)測(cè)設(shè)備，含4套傾角加速度計(jì)，2套多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀；滑坡周界上布置壓電式雨量計(jì)1套，布設(shè)于滑坡體屋頂上(圖6、圖7)。

(2019年12月10日，據(jù)王金波，2020)圖1 滑坡左側(cè)邊界滑移圖Fig.1 Slide on left boundary (Dec.10，2020)

(2019年12月10日，據(jù)王金波，2020)圖2 前部路面拉張裂縫圖Fig.2 Front road tension crack(Dec.10，2020)

(2019年12月11日,據(jù)王金波，2020)圖3 牽引區(qū)后緣拉張裂縫圖Fig.3 Tensile crack at trailing edge of traction zone(Dec.11，2020)

(2020年12月11日,據(jù)王金波，2020)圖4 滑坡左側(cè)變形圖Fig.4 The left slope deformation after sliding(Dec. 11，2020)

圖5 卡門子灣滑坡全貌(據(jù)王金波,2020)Fig.5 Full view of Kamenziwan Landslide

1.滑動(dòng)區(qū)；2.牽引區(qū)；3.剖面線；4.多參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備；6.設(shè)備編號(hào)圖6 卡門子灣滑坡監(jiān)測(cè)平面布置示意圖Fig.6 Monitoring equipment layout of Kamenziwan landslide

1.第四系殘坡積；2.第四系滑坡堆積；3.侏羅紀(jì)中統(tǒng)沙溪廟組；4.滑動(dòng)面；5.碎石土塊；6.塊裂巖；7.泥質(zhì)粉砂巖；8.粉砂質(zhì)泥巖圖7 卡門子灣滑坡監(jiān)測(cè)方案剖面圖Fig.7 Monitoring deployment profile of Kamenziwan landslide

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備選型

卡門子灣滑坡以監(jiān)測(cè)變形和降雨為主，具體包括裂縫、傾角、加速度、雨量等測(cè)項(xiàng)，裂縫測(cè)項(xiàng)用于監(jiān)測(cè)滑坡體裂縫擴(kuò)展，傾角測(cè)項(xiàng)用于監(jiān)測(cè)滑坡體多級(jí)旋轉(zhuǎn)，加速度測(cè)項(xiàng)用于監(jiān)測(cè)滑坡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。選用了東方智感(浙江)科技股份有限公司、上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司、上海展為智能技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的設(shè)備，主要傳感器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特征如表1所示。

表1 卡門子滑坡監(jiān)測(cè)儀器實(shí)施表Tab.1 Implementation of Kamenziwan landslide monitoring instrument

2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警試運(yùn)行

設(shè)備安裝完畢后，整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入試運(yùn)行狀態(tài)。普適型多參數(shù)設(shè)備(裂縫+傾角+加速度計(jì))和普適型雨量計(jì)通過(guò)4G公共通信網(wǎng)發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；普適型傾角加速度計(jì)通過(guò)NB-lot窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚到湖北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站“湖北省地質(zhì)環(huán)境綜合信息平臺(tái)”，并實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)至中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院“全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)”。2套系統(tǒng)均提供前端數(shù)據(jù)管理和多測(cè)項(xiàng)分析功能；同時(shí)能夠設(shè)置單參數(shù)預(yù)警判據(jù)和多參數(shù)組合預(yù)警模型指標(biāo)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算，自動(dòng)發(fā)布預(yù)警消息，并根據(jù)預(yù)警等級(jí)及地質(zhì)災(zāi)害波及的范圍進(jìn)行短信發(fā)送。目前單參數(shù)判據(jù)針對(duì)主要變形特征與影響因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)時(shí)序大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(張茂省等,2019；劉穎瑩等，2018)(表2)，基于滑坡孕災(zāi)、發(fā)災(zāi)、成災(zāi)等方面的科學(xué)認(rèn)識(shí)，建立測(cè)項(xiàng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成多參數(shù)組合預(yù)警模型(賈俊等, 2019；段釗等，2018)。

表2 系統(tǒng)主要測(cè)項(xiàng)單參數(shù)預(yù)警判據(jù)表達(dá)式表Tab.2 Single parameter early warning criterion of the main test item

2.3 預(yù)警指標(biāo)設(shè)置及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

該滑坡為典型的順向巖質(zhì)滑坡，預(yù)警判據(jù)主要采用巖質(zhì)滑坡的判據(jù)。本研究將累計(jì)位移變形速率與時(shí)間曲線與降雨量歷程圖進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)滑坡變形與降雨有著密切的關(guān)系，且用相關(guān)性函數(shù)計(jì)算出歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)裂縫累計(jì)位移與累計(jì)降雨量的關(guān)系系數(shù)為0.988 066。所以在設(shè)置模型的時(shí)候主要聚焦“變形”和“雨量”設(shè)置了模型參數(shù)。降雨判據(jù)是利用1小時(shí)降雨量、3日有效降雨量等指標(biāo)進(jìn)行判斷。位移判據(jù)是利用日裂縫位移變化量，并綜合降雨指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷?？ㄩT子灣滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型降雨和位移判據(jù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 卡門子灣滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型表Tab.3 Monitoring and warning model of Kamenziwan landslide

2020年4月17日以來(lái)滑坡區(qū)域出現(xiàn)大到暴雨，至20日中午累計(jì)雨量達(dá)66.2 mm(圖8)，所安裝的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警儀等均捕捉到裂縫加大、傾角突變等明顯的滑坡變形錯(cuò)動(dòng)信息(圖8、圖9、圖10、圖11)。

圖8 04-LF02與17-YL01裂縫雨量綜合分析曲線圖(2020年4月6日—29日)Fig.8 Comprehensive curve of 04-LF02 and 17-YL01 (April 6-29, 2020)

圖9 07-LF02與17-YL01裂縫雨量綜合分析曲線圖(2020年3月31日—4月29日)Fig.9 Comprehensive curve of 07-LF02 and 17-YL01(March 31 - April 29, 2020)

圖10 14-QJ01傾角計(jì)曲線圖(2020年4月6日—29日)Fig.10 Dipmeter Curve of 14-QJ01(April 6-29, 2020)

圖11 01-QJ01傾角計(jì)曲線圖(2020年4月6日—29日)Fig.11 Dipmeter Curve of 01-QJ01(April 6-29, 2020)

從圖8、圖9可以看出，卡門子灣滑坡04、07號(hào)裂縫計(jì)(滑坡后緣)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和日降雨量之間存在明顯的相關(guān)性。分析形成臨滑階段日降雨與日變形對(duì)比表(表4)，4月18日日降雨量達(dá)48.9 mm，隨后04、07號(hào)裂縫發(fā)生了較大的變形；4月19日04號(hào)裂縫變形量5.2 mm，07號(hào)裂縫變形量18.1 mm；4月20日07號(hào)裂縫變形量達(dá)21.2 mm，且連續(xù)5天變形量都在10 mm以上。從圖10、11可以看出，該滑坡位于前緣的14號(hào)傾角計(jì)和位于滑坡后緣的01號(hào)傾角同時(shí)發(fā)生突變。07號(hào)裂縫4月19日、20日連續(xù)發(fā)出黃色預(yù)警。

表4 臨滑階段日降雨與日變形對(duì)比表Tab.4 Comparison between daily rainfall and deformation in sliding stage

4月20日下午，根據(jù)普適型監(jiān)測(cè)設(shè)備反饋信息，隨即召開(kāi)國(guó)家-省-市-縣多級(jí)視頻云會(huì)商會(huì)，實(shí)時(shí)在線化分析綜合研判滑坡的變形現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。一致認(rèn)為滑坡有變形加劇趨勢(shì)，鑒于該滑坡為三峽庫(kù)區(qū)“跨線”滑坡，正值庫(kù)水位消落期，加之滑坡影響區(qū)“倫晚”臍橙成熟采摘季，確定預(yù)警等級(jí)為黃色。

2.4 基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)滑坡趨勢(shì)分析及處置對(duì)策

通過(guò)分析04LF02裂縫數(shù)據(jù)穩(wěn)定安裝后的變化趨勢(shì)(圖12)，整體上明顯分為3個(gè)階段。第一階段是1月8日～2月27日(2020年)，第二階段2月29日～4月18日(2020年)，第三階段4月19日～6月8日(2020年)。3個(gè)階段的斜率逐步增大。為了量化分析，本研究將該部分?jǐn)?shù)據(jù)以日為量綱，求出日變形速率和切線角(圖13)(許強(qiáng)等，2008,2009)。通過(guò)切線角分析(剔除設(shè)備2月28日的異常波動(dòng))，角度值與3個(gè)階段基本吻合。第一階段角度值絕大部分落在(5°～20°)以內(nèi)，第二階段角度值絕大部分落在(20°～25°)以內(nèi)，第三階段的角度值(45°～60°)以內(nèi)。根據(jù)齋藤曲線變形階段劃分(Saito M, 1969)，當(dāng)切線角<45°時(shí)，斜坡處于初始變形階段；當(dāng)切線角=45°時(shí)，斜坡處于等速變形階段；當(dāng)切線角>45°時(shí)，斜坡處于加速變形階段。故判斷卡門子灣滑坡處于加速變形階段。穩(wěn)定運(yùn)行近半年來(lái)，先后觸發(fā)了21次預(yù)警，均為裂縫觸發(fā)預(yù)警，其中紅色預(yù)警7次，黃色預(yù)警5次，藍(lán)色預(yù)警9次，其中觸發(fā)預(yù)警的約80%為設(shè)備數(shù)據(jù)波動(dòng)導(dǎo)致。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)滑坡趨勢(shì)分析，牽引區(qū)變形仍進(jìn)一步擴(kuò)展，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等不利因素影響下，牽引區(qū)存在繼續(xù)下滑的可能。由于該滑坡距三峽大壩約50 km，一旦下滑后果較嚴(yán)重，建議地方對(duì)該滑坡進(jìn)行治理。

圖12 04LF02與17-YL01裂縫雨量綜合分析曲線圖(2020年1月7日—6月9日)Fig.12 Comprehensive curve of 04LF02 and 17-YL01(Jan 7- June 9, 2020)

圖13 04LF02日變形速率與切線角曲線圖(2020年1月7日—6月9日)Fig.13 04LF02 Daily Deformation rate and Tangent Angle Curve(Jan 7- Jun 9, 2020)

3 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)三峽庫(kù)區(qū)卡門子灣滑坡開(kāi)展普適型多參數(shù)設(shè)備監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)運(yùn)行和智能分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡的整體監(jiān)控，并成功預(yù)警，及時(shí)有效指導(dǎo)了三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作。

(1)從卡門子灣滑坡的運(yùn)行情況分析，普適型監(jiān)測(cè)儀器可滿足滑坡監(jiān)測(cè)的需求，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素“雨量”和“變形”的監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)警。

(2)裂縫計(jì)和雨量計(jì)的數(shù)據(jù)相關(guān)性很強(qiáng)，日降雨量達(dá)到大雨級(jí)別后，日裂縫出現(xiàn)較明顯變形，同時(shí)傾角發(fā)生突變，通過(guò)對(duì)雨量、裂縫、傾角等關(guān)聯(lián)分析，可實(shí)現(xiàn)精度更高的多參數(shù)預(yù)警。

(3)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)研發(fā)的全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)具備儀器運(yùn)管、數(shù)據(jù)聚合、預(yù)警分析、響應(yīng)處置等功能，可滿足對(duì)災(zāi)害對(duì)象自動(dòng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)需求，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作“建-管-運(yùn)”全流程信息化管理。