基于田西高速公路的滑坡預(yù)警模型研究

黎盟 司家琛 艾露

摘要 根據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，并結(jié)合田西高速公路全線范圍高邊坡與自然地質(zhì)的自然銜接關(guān)系，結(jié)合依托邊坡工程的勘察、設(shè)計(jì)資料和巖土體的室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)研究成果，基于依托工程特征及現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面信息的調(diào)查分析和邊坡裂隙巖體力學(xué)特征研究，分為3種類型制定了滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，分別為區(qū)域降雨滑坡（提示性）預(yù)警、單體變形監(jiān)測(cè)預(yù)警、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)綜合預(yù)警。

關(guān)鍵詞 滑坡;預(yù)警模型;地質(zhì)災(zāi)害

中圖分類號(hào) P642.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0072-03

0 引言

田林至西林高速公路項(xiàng)目位于廣西自治區(qū)百色市田林縣、西林縣境內(nèi)，路線總體呈東西走向，該項(xiàng)目全線路塹高邊坡工程共計(jì)290處。田西高速公路建設(shè)區(qū)出露地層主要為第四系沖洪積層和殘坡積層及三疊系中統(tǒng)板納組中段T2b2砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖。路線范圍內(nèi)發(fā)育的不良地質(zhì)類型主要為崩塌、滑坡及陡傾巖層破壞，特殊性巖土主要為軟土、崩解性泥巖。根據(jù)沿線巖土組成、物理力學(xué)性質(zhì)和工程地質(zhì)特征，將巖土劃分為較堅(jiān)硬碎屑巖、較軟碎屑巖、松散結(jié)構(gòu)巖土等3個(gè)工程地質(zhì)巖組。工程區(qū)廣泛分布的泥巖具有反復(fù)脹縮性、多裂隙性、強(qiáng)度衰減性，使得泥巖滑坡具有許多與一般硬巖不同的特點(diǎn)。田西高速工程區(qū)泥巖中存在大量的微裂隙，遇水后產(chǎn)生較大的孔隙力，特別是多雨炎熱的夏季，經(jīng)過反復(fù)干濕循環(huán)，極易使巖石發(fā)生崩解破壞，崩解性泥巖的存在使得邊坡的巖土體強(qiáng)度較低，容易產(chǎn)生變形破壞。另一方面，當(dāng)碎屑巖邊坡中存在崩解性泥巖夾層或出現(xiàn)硬巖砂巖與軟弱泥巖的互層形式時(shí)，邊坡開挖后風(fēng)化作用，崩解性泥巖與非崩解性巖石產(chǎn)生差異風(fēng)化，形成軟弱夾層，易使邊坡產(chǎn)生變形破壞，不利于碎屑巖邊坡的穩(wěn)定。

公路工程斜坡作為人類工程在一定地質(zhì)環(huán)境中的行為結(jié)果，必然受到工程地質(zhì)和地質(zhì)工程的相互作用，其病害是由斜坡的內(nèi)在因素和外在因素共同作用的結(jié)果[1]。其中內(nèi)在因素是公路工程斜坡病害的基礎(chǔ)，外在因素是公路工程斜坡病害的重要誘發(fā)因素。大量的工程實(shí)踐現(xiàn)象表明，含碎屑巖的邊坡穩(wěn)定性差的原因是含軟弱夾層，切坡后的安全性與穩(wěn)定性更差，一方面是因?yàn)楹樾紟r的軟弱夾層的水敏性強(qiáng)，一旦吸水容易飽和軟化，強(qiáng)度因此會(huì)大幅度降低，導(dǎo)致邊坡沿此軟弱夾層發(fā)生滑動(dòng)破壞，另一方面是隨著雨水的滲入而使坡體含水量升高使坡體自重增加，邊坡由此產(chǎn)生蠕動(dòng)變形[2]。根據(jù)多年氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，廣西西部中低山地區(qū)的年平均降雨量大概在1 110～1 710 mm之間，這為含泥巖的邊坡孕育滑坡災(zāi)害提供了充分的條件。根據(jù)2005—2013年期間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，廣西碎屑巖分布區(qū)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害1 260起，其中滑坡占684起，而其中與降雨有關(guān)的滑坡和崩塌占災(zāi)害總數(shù)的92%，共造成34人受傷，66人死亡，造成潛在經(jīng)濟(jì)損失共84 748.4萬元。根據(jù)導(dǎo)致災(zāi)害因素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，碎屑巖分布地區(qū)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的最主要的因素是降雨和人類工程活動(dòng)。

該文結(jié)合依托邊坡工程的勘察、設(shè)計(jì)資料和巖土體的室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)研究成果，針對(duì)邊坡（群）工程風(fēng)險(xiǎn)“識(shí)別難、預(yù)警難、控制難”的問題，結(jié)合依托工程田西高速公路高邊坡（群）的特征，通過實(shí)控的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立重大風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)變規(guī)則知識(shí)庫(kù)，基于依托工程特征及現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)面信息的調(diào)查分析和邊坡裂隙巖體力學(xué)特征研究，通過理論分析和典型高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，進(jìn)行田西高速公路典型高邊坡穩(wěn)定性及破壞模式研究。

1 地質(zhì)災(zāi)害滑坡預(yù)警模型

建立滑坡預(yù)報(bào)模型以“概念模型”（地質(zhì)模型）為基本，而地質(zhì)模型的建立則是以研究滑坡實(shí)體的工程地質(zhì)為基礎(chǔ)。在對(duì)工程實(shí)體正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，才能建立正確合理的工程地質(zhì)模型，由此抓住斜坡發(fā)生變形破壞起控制作用的決定性因素，提出正確的“概念模型”[3]。對(duì)工程實(shí)體的研究一般包括兩方面的基本內(nèi)容：一方面是對(duì)原型工程實(shí)體地質(zhì)環(huán)境的研究;另一方面是對(duì)斜坡發(fā)生變形破壞現(xiàn)象的研究。在“概念模型”基礎(chǔ)上，為了從數(shù)學(xué)力學(xué)上進(jìn)行驗(yàn)證并完善對(duì)變形破壞機(jī)制及該過程的認(rèn)識(shí)了解，須采取對(duì)巖體力學(xué)形態(tài)的描述，即為巖體力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型。巖體本構(gòu)模型的建立來源于巖石力學(xué)室內(nèi)各種試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究的對(duì)象則是與“概念模型”緊密相關(guān)的關(guān)鍵因素[4]。

根據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，結(jié)合研究區(qū)范圍與單體之間的自然銜接關(guān)系，分為3種類型制定了滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，分別為：

區(qū)域降雨滑坡（提示性）預(yù)警：主要是利用研究區(qū)范圍內(nèi)的雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出預(yù)警等級(jí)，提醒管理人員或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)負(fù)責(zé)人等進(jìn)行必要的檢查與關(guān)注[5]。

單體變形監(jiān)測(cè)預(yù)警：主要是針對(duì)單個(gè)滑坡災(zāi)害的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析，通過一定的現(xiàn)場(chǎng)室外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬等手段，獲得單體滑坡的判據(jù)條件，包括累積變形量與變形速率兩類指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)，給出研究區(qū)所有滑坡單體的基于變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)警等級(jí)。

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)綜合預(yù)警：主要是針對(duì)具備了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的單體滑坡地質(zhì)災(zāi)害，通過利用目前比較成熟的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警模型展開分析，如改進(jìn)切線角模型[6]。

2 預(yù)警模型系統(tǒng)研究

計(jì)算數(shù)值分析模型，可由此獲得邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，并加深對(duì)深層次變形破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)理解，并可對(duì)數(shù)值模型中的關(guān)鍵點(diǎn)位置進(jìn)行位移、應(yīng)力應(yīng)變跟蹤，再根據(jù)邊坡工程實(shí)體的穩(wěn)定性情況和實(shí)際監(jiān)測(cè)資料去不斷調(diào)整和校正這個(gè)數(shù)值分析模型，直到數(shù)值分析模型計(jì)算出的邊坡穩(wěn)定性、位移時(shí)程曲線與工程實(shí)際情況大體一致[7]。然后根據(jù)校正調(diào)好的數(shù)值分析模型去做出安全可靠的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，也可以據(jù)此再進(jìn)一步加深對(duì)工程實(shí)體地質(zhì)分析時(shí)得到的邊坡變形破壞機(jī)理理論認(rèn)識(shí)，還可以參考滑坡點(diǎn)位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等相關(guān)資料，據(jù)此應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)位移應(yīng)力跟蹤的方法對(duì)整個(gè)滑坡位移進(jìn)行較全面的預(yù)報(bào)。在此分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際建立的預(yù)報(bào)模型，運(yùn)用數(shù)值與物理模擬等推理手段根據(jù)對(duì)時(shí)間的進(jìn)一步延拓，由此來達(dá)到預(yù)報(bào)滑坡變形的目的[8]。

2.1 區(qū)域降雨滑坡（提示性）預(yù)警

降雨，特別是大型暴雨是引起滑坡的重要產(chǎn)生因素。由降雨誘發(fā)的滑坡大量存在，這種現(xiàn)象既造成了人民的傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，又不利于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)穩(wěn)定。降雨誘發(fā)滑坡有以下4種不同的作用機(jī)理：一是針對(duì)邊坡巖土體，降雨使巖土體增大容重，并由此產(chǎn)生動(dòng)靜水壓力;二是侵蝕邊坡坡腳，破壞坡體完整性，改變邊坡穩(wěn)定結(jié)構(gòu);三是雨水滲入，會(huì)由此弱化巖體，造成泥化軟化滑帶，導(dǎo)致土體粘著力降低甚至消失，由此降雨會(huì)改變邊坡巖土體力學(xué)性能;四是引起滑動(dòng)體的漸進(jìn)性破壞，并增大滲透力。降雨的相關(guān)力學(xué)作用極其復(fù)雜，不過從誘發(fā)滑坡機(jī)制上可以概括為導(dǎo)致滑移面剪應(yīng)力增大及促使巖土體抗剪強(qiáng)度降低[9]。

因此，基于降雨的預(yù)警通過設(shè)定雨量及場(chǎng)次降雨的閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)的提示性預(yù)警。

2.2 單體變形監(jiān)測(cè)預(yù)警

早期的位移監(jiān)測(cè)預(yù)警也主要是基于位移速度和累積位移量，如通過對(duì)多個(gè)邊坡失穩(wěn)破壞的工程分析，統(tǒng)計(jì)出了國(guó)內(nèi)幾個(gè)已破壞邊坡的臨界位移速率（見表1），由表可見，邊坡破壞時(shí)加速蠕變階段的位移速率幾乎是勻速蠕變階段的10～20倍，這對(duì)判定斜坡當(dāng)前所處的變形階段具有一定的意義。

但是隨著人們認(rèn)識(shí)的深入，發(fā)現(xiàn)不同類型的斜坡臨界變形速率差異較大，如巖質(zhì)滑坡10～60 mm/d，土質(zhì)滑坡有大有小，黃蠟石滑坡的臨界速率為2 mm/d，但是新灘滑坡卻是116 mm/d，因此很難給定一個(gè)統(tǒng)一的臨界值。

故在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)其進(jìn)行有效位移速度和累計(jì)位移量的臨界值分析，基于該臨界值實(shí)現(xiàn)對(duì)單體滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2.3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)綜合預(yù)警

對(duì)于采取相關(guān)手段獲取了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的滑坡，可以根據(jù)變形與時(shí)間關(guān)系曲線進(jìn)行預(yù)警。斜坡的加速變形階段是發(fā)出安全預(yù)警的關(guān)鍵時(shí)段，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的四級(jí)預(yù)警機(jī)制，可以將加速變形階段具體劃分為初加速、中加速、加加速（臨滑）等三個(gè)亞階段（圖1），并建立滑坡預(yù)警級(jí)別與斜坡變形所處階段的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系表?？梢钥闯觯伦冃闻c時(shí)間關(guān)系曲線的切線角在不同的變形階段具有不同的特點(diǎn)，在滑坡初始變形階段切線角先增大隨后逐漸減小并逐步趨于穩(wěn)定;在滑坡等速變形階段時(shí)切線角基本保持不變，保持在45°左右;然而在滑坡加速變形階段，切線角會(huì)從45°開始并逐漸向90°靠攏發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

確定邊坡破壞模式是進(jìn)行邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，工程實(shí)踐表明如果邊坡破壞模式選取不得當(dāng)，即使利用先進(jìn)的手段進(jìn)行邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其得出結(jié)果也會(huì)與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。因此正確認(rèn)識(shí)泥巖的病害特征及其破壞模式是對(duì)邊坡進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)防護(hù)的前提條件。該文結(jié)合依托工程的勘察設(shè)計(jì)資料，對(duì)田西高速公路沿線邊坡特征、工程地質(zhì)條件、自然環(huán)境的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)行沿線滑坡地質(zhì)災(zāi)害資料的收集、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析;開展沿線典型高邊坡巖土體的物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究;研究高邊坡的巖土性狀、巖體結(jié)構(gòu)面特征及邊界條件和影響邊坡穩(wěn)定性的因素，建立田西高速公路高邊坡地質(zhì)模型;進(jìn)行田西高速公路典型高邊坡破壞模式研究，通過對(duì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析和典型高邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析，確定田西高速公路典型高邊坡滑坡預(yù)警模型。

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