滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用

何满潮， 韩 雪， 张 斌， 陶志刚

(1.中国矿业大学(北京)北京100083;2.黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027)

滑坡地质灾害远程实时监测预报技术与工程应用

何满潮1，2， 韩 雪2， 张 斌1， 陶志刚1

(1.中国矿业大学(北京)北京100083;2.黑龙江科技学院 建筑工程学院，哈尔滨 150027)

针对传统滑坡地质灾害监测预报技术存在的问题，提出“滑坡发生的充分必要条件是滑动力大于滑动面抗滑力，并将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数”的学术思想。以工程边坡为研究背景，开发滑坡超前滑动力物理模拟实验、工程灾害物理模型实验等系统。采用室内和现场测试、物理和数值模拟等综合研究方法，建立力学模型，推导了相关公式，研发恒阻大变形缆索及其滑坡地质灾害防治—加固—监测—预报一体化控制技术。研发基于滑动力变化的滑坡地质灾害远程监测预报新技术及装备系统，通过大量实测曲线分析，总结四种相应的滑坡预警模式。结果表明，自2006年以来，该项技术已在露天煤矿和金属矿开采、西气东输、高速公路等工程边坡及其他自然边坡中成功推广应用，取得显著的经济和社会效益。

滑坡地质灾害;滑动力;远程实时;监测;预报

0 引言

滑坡地质灾害是人类面临的主要自然灾害之一，长期严重威胁着人类社会安全［1］。研发更有效的滑坡地质灾害监测预报新技术，对于防控滑坡灾害发生，降低灾害损失，具有重大的理论和实际意义。滑坡发生与否决定于滑动力和抗滑力之间的平衡状态变化。近百年来，已有的滑坡监测技术主要针对位移、裂缝等物理力学指标［2－11］，这些指标只是产生滑坡的必要条件而非充分条件，这是目前滑坡监测预报不准确的主要原因。因此，探索滑坡发生的充分必要条件及其可测参数，是新技术研发的关键和难点问题。在众多学者长期研究和探索的基础上［2－13］，笔者以滑坡滑动力与抗滑力相互作用规律及滑坡发生的充分必要条件等关键性问题为突破点，运用灾害地质、工程地质、水文地质、岩土工程、工程力学等多学科理论，建立滑坡超前滑动力物理模拟实验系统、工程灾害物理模型实验系统和软岩水理作用测试系统，采用室内和现场测试、物理和数值模拟等综合研究方法，结合现代通讯与计算机技术等高新技术手段进行系统研究，研发基于滑动力变化的滑坡地质灾害监测预报新技术。

1 监测力学模型及一体化控制技术

1.1 学术思想的提出

在滑坡发生前，边坡表面一定会产生位移和裂缝，但是，发生位移和裂缝并不意味着一定会发生滑坡。也就是说，这些现象只是滑坡发生的必要条件，并不是充分条件。图1为自主研发的滑坡超前滑动力物理模拟实验系统、工程灾害物理模型实验系统和软岩水理作用测试系统。通过实验研究，结合现场调查分析，在滑坡发生前和发生的过程中，潜在滑动面上的滑动力首先发生变化，边坡岩体滑动力与抗滑力之间的平衡不断被打破，又不断形成新的平衡，滑坡发生与否决定于滑动力和抗滑力之间的平衡状态变化。当滑动力为主要因素时，即发生滑动;当滑动力为次要因素时，边坡便稳定。滑动力的变化先于位移、裂缝产生，当监测到岩体有明显变形时，边坡已经发生了一定程度的滑动破坏。因此，滑坡前的滑动力变化可以作为预测滑坡的充分必要条件。基于此建立“滑坡发生的充分必要条件是滑动力大于滑动面抗滑力，并将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数”的学术思想，并确立把对位移、裂缝等变化的常规监测转变为“通过监测滑动力变化预测预报滑坡地质灾害”的技术途径。

图1 滑坡过程物理模型和水理测试实验Fig.1 Physical experimental and water-physical properties testing of landslide process

1.2 监测力学模型的建立

滑坡监测预报的关键就是掌握滑动力相对于抗滑力的变化动态。但是，天然力学系统的力学量是不能够直接监测的。为了解决这一难点，通过恒阻大变形缆索穿过滑动面，对边坡岩体施加一个预应力P，参与到滑坡力学系统中。通过可以直接测出的扰动力P，可以推导扰动力和滑动力之间的函数关系，最终得到滑动力的变化量。边坡滑动力监测力学模型见图2。

由力的平衡原理，推导边坡滑动力为

式中:Gt——滑动力，kN;

P——扰动力，kN。

式中:G——滑体重力，kN;

α——滑动面与水平面夹角，(°);

θ——监测缆索加固角，(°);

c——滑动面各土层黏聚力的加权平均值，kPa;

l——滑动面长度，m。

图2 滑动力监测力学模型原理Fig.2 Mechanical model

1.3 一体化控制技术的研发

针对传统锚索无法适应滑坡大变形而破断失效的问题，研发了具有加固阻力恒定条件下适应滑坡大变形特性的恒阻大变形缆索，见图3。最大恒阻力可以达到850 kN，保持恒阻的变形量可达2 000 mm。

图3 恒阻大变形缆索及其力学特性Fig.3 Large deformation cable with constant resistance and its mechanical property

图4为恒阻大变形缆索能量本构关系，结合恒阻大变形缆索和边坡岩体相互作用的能量平衡方程，可以推导出滑动力和位移的解。即

式中:EI——恒阻大变形缆索抵抗变形能量;

EII——恒阻大变形缆索吸收变形能量;

P0——缆索设计恒阻力，kN;

Uc——缆索极限变形量，m;

U0——缆索材料变形量，m;

ΔS——滑体沿潜在滑面滑移距离，m;

ΔF——滑动力大小，kN。

图4 恒阻大变形缆索与边坡岩体作用能量变化曲线Fig.4 Interaction energy curve between CRLD cable and rock mass

图5为进行滑动力监测的滑坡地质灾害防治—加固—监测—预报一体化控制方法。

图5 滑坡地质灾害一体化控制方法Fig.5 Control method for landslide disaster

2 基于北斗卫星通讯平台的监测预报

2.1 装备系统整体构成及工作原理

基于滑动力变化的滑坡灾害远程实时监测预报装备，其硬件和软件系统主要由现场和室内两部分构成。现场部分包括数据的实时采集、存储及远程发射装备;室内部分包括数据实时接收、分析及预测预报系统。该装备系统通过边坡滑动力远程实时监测不仅预报边坡的稳定性，而且数据分析处理实现了网络化，用户可以通过Internet访问监控中心服务器获取预报信息。远程实时监测系统工作原理见图6。

图6 工作原理Fig.6 Working principle

2.2 装备系统现场部分

滑动力变化的现场感知、采集、储存和发射系统构成包括力学传感器、力学信号采集、存储和发射模块、点—面状信息集中采集与传输设备、北斗卫星数据发射装置和数据传输平台(图7)，恒阻大变形缆索、太阳能供电系统等。

图7 现场系统关键元件Fig.7 Core components

装备系统现场设备完成边坡滑动力信息的传感、自动采集、实时无线发射到北斗卫星，然后由北斗卫星通讯平台发送到监测预警中心。

2.3 装备系统室内部分

室内数据接收、分析和预测预报系统构成见图8。包括信号接收装置、数据处理—分析系统、基于3S技术的3D监测工程图像搜索显示系统，以及数据自动分析处理软件系统。室内设备接收北斗卫星数据，并输入到计算机第一数据库内存储，然后通过分析软件基于力学模型对第一数据库进行自动处理，形成第二数据库，并动态绘制监测曲线，根据预警模式和预警准则给出边坡稳定状态提示信息。数据接收处理系统引入了基于3S技术的3D工程图像搜索系统，可搜索并显示所有监测工程的3D影像，见图9。

图8 室内接收、处理系统Fig.8 Receiving system indoor location

图9 室内3D图像自动搜索界面Fig.9 Automatic search interface of 3D figure

3 基于滑动力变化的滑坡预警模式

基于滑动力监测原理，对大量实测曲线进行分析，不断对监测曲线特征与边坡稳态关系进行研究和完善，总结四种预警模式，即稳定模式、潜在不稳定模式、裂缝模式和滑移模式。

图10a为稳定模式，滑动力随着时间t的延续没有明显变化，表明边坡处于稳定状态。

随着时间t的延续，滑动力监测曲线上升，表明边坡处于潜在不稳定状态，见图10b。

图10c可见，滑动力监测曲线产生突然上升的跳跃，表明边坡表面出现裂缝，根据大量实测数据可见，大跳跃表示大裂缝，小跳跃表示小裂缝。

图10d为滑移模式，滑动力监测曲线出现近垂直的突降，这时现场边坡出现滑移现象，多次突降现象后，边坡失稳发生滑坡。

图10 预警模式Fig.10 Warning model

4 典型应用实例

目前，该项技术已经在全国11个地区168个点进行了成功应用和推广，涉及古滑坡体、高陡黄土自然边坡、城建边坡、露天煤矿开采、金属矿开采、西气东输及公路等工程边坡监测。经过近6年的监测实践，实现了短期和临滑预警。

4.1 开挖诱发型滑坡过程及其监测预报

2006年，该技术与装备系统首先在内蒙古平庄西露天煤矿进行实施。期间，对采场工作帮、非工作帮和断层滑坡区进行远程实时监控。2007年，工作帮和断层滑坡区分别发生了一次滑坡，监测系统分别提前24、30 d成功预警，过程预报见图11。根据预报避免了人员伤亡和设备损失。该技术使西露天煤矿的开采服务年限延长了8a。

4.2 降雨诱发型滑坡过程及其监测预报

2007年，技术与装备系统在西气东输管线陕西省子长段沿线边坡实施。期间对西气东输管线DD258－DD259桩号间高陡黄土边坡进行远程实时监控。2008年3月，降雨诱发黄土边坡发生裂缝灾害1次，系统提前21 d成功预警，监测预警曲线见图12。由于边坡加固处理及时，避免了严重的管线爆炸事故，保证了管线的安全运营和东南沿海城市天然气正常供应。

图11 平庄滑坡”过程预报Fig.11 Landslide land slide”in pingzhuang open pit mine

图12 西气东输工程“08－0313滑塌”过程预报Fig.12 Case of 08－0313 landslides at W－E pipeline project

4.3 开挖和降雨联合诱发型滑坡过程及其监测预报

2010年，技术与装备系统在本溪钢铁(集团)南芬露天铁矿实施。期间对采场下盘700 m高陡边坡进行远程实时监控。2010和2011年，开挖和降雨联合诱发采场430平台、526平台和334平台共发生滑坡和裂缝灾害3次，系统均提前3～5 d成功预警，预警曲线见图13。过程预报避免了滚石和滑体对人员和设备的损害，实现了边坡开挖安全的可控管理，使十年不能开采的千万吨矿体实现了安全回采。

图13 南芬露天铁矿过程预报Fig.13 Land slides in nanfen

5 结束语

基于将滑动力的变化作为滑坡监测预报主要参数的学术思想，确立了通过监测滑动力变化预测预报滑坡地质灾害的技术途径。在一体化控制技术的研发中，采用恒阻大变形缆索，最大恒阻力达850 kN，保持恒阻变形量达2 000 mm，填补了国内外空白。自2006年，项目核心技术和研究成果在现场实施。目前，已在露天煤矿开采、金属矿开采、西气东输、高速公路等工程边坡和其他自然边坡中成功应用和推广，收到显著经济和社会效益。该技术不仅适用于矿山、铁路、公路、水利水电等工程边坡，也适用于山体等其他自然边坡的滑坡地质灾害监测预报。

［1］ 全国灾害实录(2004年8、9月)［J］.中国减灾，2004(10):61－64.

［2］ 郑孝玉.滑坡预报研究方法综述［J］.世界地质，2002，19(4):370－373.

［3］周平根.滑坡监测的指标体系与技术方法［J］.地质力学学报，2004，10(1):19－26.

［4］仝达伟，张平之.滑坡监测研究及其最新进展［J］.传感器世界，2005(6):10－14.

［5］DING X L，REN D，MONTGOMERY B.Automatic monitoring of slope deformations using geotechnical instruments［J］.Journal of Surveying Engineering，ASCE.2000，126(2):57 －68.

［6］文海家，张永兴，柳 源.滑坡预报国内外研究动态及发展趋势［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15(1):1－2.

［7］张志英，何 昆.边坡监测方法研究［J］.土工基础，2006，20(3):82－84.

［8］殷建华，丁晓利，杨育文.全球定位系统和常规仪器远距离边坡监测及预报系统的应用［J］.防灾减灾工程学报，2003，23(2):14－20.

［9］YIN J H，DING X L，YUWEN YANG，et al.An integrated system for slope monitoring and warning in Hong Kong［C］//Proc Advances in Building Technology. Hong Kong， Inc， 2002:1661－1670.

［10］CHEN Y Q，DING X L，HUANG D F.A multi-antenna GPS system for local area deformation monitoring［J］.Earth Planets and Space.2000，52(10):873－876.

［11］DING X L，YIN J H，CHEN Y Q.A new generation of multi-antenna GPS system for landslide and structural deformation monitoring［C］//Proceedings Advances in Building Technology.Hong Kong China，Inc，2002:1611 －1618.

［12］何满潮.滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用［J］.岩石力学与工程学报，2009(6):1081－1090.

［13］韩 雪.平庄露天矿边坡稳定性远程监控系统及预测预报方法［D］.北京:中国矿业大学(北京)，2007.

Real-time remote monitoring and forecasting technology for landslide disasters based on sliding force variation and its engineering application

HE Manchao1，2， HAN Xue2， ZHANG Bin1， TAO Zhigang1
(1.China University of Mining ＆ Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2.College of Civil Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at the problems negatively affecting traditional monitoring and forecasting technology of landslide geological disasters，this paper highlights the academic thinking，“the necessary and sufficient condition of the occurrence of landslide is that the sliding force is greater than the anti-sliding force of the sliding surface，and the sliding force changes are regarded as the main parameters of landslide monitoring and forecasting”.Based on the research background of engineering slope，the paper introduces many systems developed，such as physical simulation experiments of landslide ahead of sliding force and physical model experiments of engineering disasters，followed by some comprehensive research methods，including indoor and field tests，physical and numerical simulation methods，describes the development of mechanical model，related formulas，and the large deformation cable of constant resistance and its control technology incorporated with 4 in 1 function，i.e.reinforcement，controlling and prevention，monitoring，and forecasting of the side slope，along with landslide remote monitoring and forecasting new technology and its equipment system which is based on sliding force changes，and provides the corresponding landslide forecasting models through the analysis of large quantities of measured curve.The successful use of this technology in many provinces and regions in China has yielded some remarkable economic and social benefits.

landslide geological disaster;sliding force;real time remote;monitoring;forecasting

P642.22

A

1671－0118(2012)04－0337－06

2012－07－10

何满潮(1956－)，男，河南省灵宝市人，教授，博士生导师，研究方向:软岩、边坡及工程地质，E-mail:hanxue69@yahoo.cn。

(编辑 徐 岩)