基于表面倾角变化的滑坡临灾预警方法研究

2015-04-16王妙茜谢谟文

科技视界 2015年2期

王妙茜谢谟文胡嫚

（北京科技大学土木与环境工程学院，中国北京 100083）

0 引言

滑坡的变形破坏是一个长期过程，按其破坏速度，可分为蠕滑型滑坡和突发型滑坡[1]，如金坪子滑坡属于蠕滑型滑坡，即滑坡持续缓慢滑动长达数十年之久。滑坡的发生发展都是从内部变形破坏开始的，随着内部变形的发展，导致下滑力逐渐大于抗滑力，边坡便会失稳，局部或整体垮塌，以达到新的平衡。

滑坡的灾害识别、监测预报是我国经济社会的重要课题。国内外学者在滑坡安全监测领域做了大量的研究，滑坡的预测预报常用的有斋藤迪孝模型[2]、灰色系统模型[3]、神经网络方法[4]等。对滑坡灾害进行有效的监测预警是减轻其危害的主要手段，监测过程即是通过捕捉滑坡体动态变化信息，建立其与滑坡成灾演化阶段的对应关系，通过专业分析预测地质灾害

滑坡监测一般采用位移监测技术，有GPS监测[6-9]，经纬仪监测[10]，钻孔倾斜仪监测[11-13]、遥感信息技术[14-16]等监测手段，这些监测手段大都成本高昂，对监测环境和安装条件要求严格，且需要专业的分析判断。

本文提出捕捉滑坡突变信息的简易方法，大幅降低预警监测成本。受滑坡征兆识别现象醉汉林的启发，在待测边坡布设监测杆体，如果发生滑坡土体位移突变，杆体会发生一定角度的倾斜，这间接实现了滑坡的位移监测，捕捉滑坡临灾突变信息。

1 滑坡临灾预警方法研究

假定一边坡体如图1所示，将滑体自右向左划分为等距土条，分别编号为：1,2,3,4,5…i…n…，土条等间距为 bi，右边长度为 li，当岩体向左移动一个土条距离，即bi长度，计算各土条单元地表位移。

将土坡分为两个部分，即坡顶和斜披，记土坡向左移动bi长度时，坡顶地表位移为S1，而斜坡的位移为S2，在坡顶位移角度计算如式（1），位移值计算如式（2），斜坡的位移角和位移值计算如式（3）和式（4）所示。相应地可以通过滑坡体上倾角传感器的变化测定滑坡的位移状况，进而预警滑坡位移的突变，达到临灾预警目的。

图1 条分法计算简图

本文选取一个实例：大光包—红洞子沟滑坡进行滑坡模拟数值分析。大光包—红洞子沟滑坡是汶川大地震引发的大规模滑坡，其体积达7.5×108立方米，堰塞坝高690m。数值模拟了滑坡的全过程，采用的主要参数如下：ρ=2.5（g/cm3），E=1.86GPa，摩擦角 φ=10.8(°)，粘聚力c=1.276(MPa)。在土体上标记M点，滑坡破坏结束，土体趋于稳定后，M点位置在滑坡前后的位置对比如图2所示。在滑坡破坏过程中，M点的速度—时间以及位移—时间关系曲线如图3所示。

图2 滑坡前后M点位置对比

若将滑坡预警传感器插于山体之上，诸如M点位置，实时监测其位移、速度、加速度及振动情况，做到及时发现滑坡征兆，为科研和工程监测提供数据。下面对大光包滑坡监测点M进行分析，其速度位移随时间变化曲线如图3所示。

图3 M点的速度—时间曲线和位移—时间曲线V2

分析M点在整个滑坡过程中，随时间推移的速度和位移变化曲线。分析曲线可以看出，在滑坡初始阶段，位移和速度都有不同程度的变化，其中速度比位移对于土体的变化更加敏感，此时时间是在t=1.5s时O点的速度v=0.71m/s，位移S=5.43m。随后，土体失稳进入加速下滑阶段，即O S1段，此阶段加速度为正值，故速度逐渐加大到峰值 v2点（t=22.5s，v=41.7，S=456.92m）。从 S1点开始，滑体进入减速下滑阶段，直到 S4点（t=51.5s，S=1010.83m），滑体达到新的平衡，位移稳定，位移的变化率为零，此时速度v3=2.29m/s。

监测点M的垂直监测桩角度分析如图4所示。作对比线L1，L2可以看出，在滑坡的始滑阶段，当位移还不十分明显的时候，此时监测桩已有很大的倾角。如对比线L1划在时间t=0.5s时，此时的角度值θ=32.90°，S=4.77m，可见在滑坡开始的瞬间，监测桩倾倒，根据现在的技术手段，可识别角度改变的最小误差是0.01°，因此在角度超过安全范围，报警器可立即感知，实现报警。再将对比线L2划在时间t=8.5s，此时的角度θ=89.07°，S=16.75m，由图4可以看出，在对比线L2以后的时间段内，角度值是趋于稳定的，而位移值还有一个很大的变化幅度，在监测预报工作中，我们希望早发现早采取措施，因此基于土体的表面倾角变化的滑坡临灾预警方法简单实用。

图4 M点倾角及位移随时间的变化曲线

为了能更清楚分析在滑坡初始阶段土体的倾角变化，我们选取前20s的数据进行分析，如图5所示。角度监测对土体的变化十分敏感，角度由初始阶段的 θ=32.90°变化到 J 点（t=1.0s，θ=76.59°），突变明显，易于侦测。到拐点K（t=2.0s，θ=79.75°），若在滑坡开始之初就发出预警信号，为监测预防工作争取宝贵时间。最后土体达到新的平衡，角度稳定，如 L 点（t=6.0s，θ=88.39°）以后基本稳定在 θ=89°，在 KL 阶段，时间跨度仅为4s，角度增加幅度为10°，远远超过位移或速度的变化率，具有监测预报的现实意义。

图5 M点角度随时间的变化曲线（前20s）

因此，基于倾角突变的滑坡预警方法比位移或者速度监测更加敏感，易于达到监测目的，角度误差小，监测手段成熟，成本低，利于大面积推广。

2 结论

本文通过基于表面倾角棉花的滑坡临灾预警方法研究，比较分析滑坡滑动过程中地表监测点的位移，速度及倾角变化，得到如下结论

（1）通过地表监测点位移变化与速度变化的关系可知，监测点速度在滑坡滑动开始有一个突变点O点，此时滑坡还基本没有产生位移，难以作为滑坡预警指标，同时滑坡本身可能还有一个较长的滑动位移时间段。另一个速度突变点V2点发生在滑坡产生较大加速位移之后，此时的预警时机较晚，不利于及时避险。

（2）结合监测点位移与倾角变化的关系曲线可知，监测点角度在位移拐点S1之前早已产生幅度较大的倾角突变并趋于稳定，可以很好地用于滑坡灾害的避灾预警。

总之，采用基于倾角突变的滑坡预警方法可以达到滑坡临灾预警的目的。其系统简单实用，成本大幅度降低，利于大面积推广。

［1］刘广润，晏鄂川，练操.论滑坡分类[J].工程地质学报，2002,10（4）：340-342.

［2］SAITO M.Forecasting the time of occurrence of a slope failure[C]//Proceedings of the 6th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Montreal,Canada:[s.n.],1965:537－541.

［3］陈明东,王兰生.边坡变形破坏的灰色预报方法[C]//全国第三次工程地质大会论文选集(下卷).[S.l.]:[s.n.],1988：1226－1232.

［4］MAYORAZ T,CORNU T,VULLIET L.Using neural networks to predict slope movements [C]//Proceedings of 7th International Conference on Landslides.Rotterdam:Balkema,1996:295－300.

［5］徐绍铨，程温鸣，黄学斌，李征航.GPS用于三峡库区滑坡监测的研究[J].水利学报，2003（1）：114-118.

［6］裴世建，王祖军.GPS 在滑坡监测中的应用[J].工程勘察，2007，10:55-57.

［7］张文君.滑坡灾害遥感动态特征监测及其预测分析研究[D].李永树，成都：西南交通大学，2007，1.

［8］易庆林，卢书强，何祥.测量机器人在滑坡应急监测中的应用[J].工程勘察，2007,10:55-57.

［9］陈开圣，彭小平.测斜仪在滑坡变形监测中的应用[J].岩土工程技术，2006,20（1）：39-41.

［10］金枭豪，王刚，郭宁，陆可喜.钻孔倾斜仪监测在塘角村1#滑坡预警监测中的作用[J].中国地质灾害与防治学报，2009,20（1）：103-107.

［11］李刚，王刚，高幼龙，薛星桥.固定式钻孔测斜仪在滑坡示范监测中的应用[J].水文地质工程地质，2009（4）：135-137.

［12］张文君.滑坡灾害遥感动态特征监测及其预测分析研究[D].成都：西南交通大学，2007，1.

［13］石菊松，吴树仁，石玲.遥感在滑坡灾害研究中的应用进展[J].地质评论，2008,54（8）：505-513.

［14］王治华.滑坡、泥石流遥感回顾与新技术展望[J].国土资源遥感，1993（3）：10-15.

［15］徐卫亚，齐志诚.水布娅大岩淌滑坡及马岩湾滑坡极限平衡分析[J].勘察科学技术，1996（1）：3-7.

［16］沈振中，崔娟，任华春.土石坝抗震稳定性分析的极限平衡水平条分法[J].南水北调与水利科技，2011,9（54）：145-148.