公路边坡滑坡地质灾害监测预警技术探究

2018-05-31华北水利水电大学郑州450000

建筑 2018年10期

张铸华北水利水电大学，郑州 450000

张华赞辽宁省高速公路运营管理有限责任公司桃仙分公司，沈阳 110169

1 边坡滑坡变形及监测机理研究

边坡发生失稳往往不是一种单一因素作用的结果，它是众多因素耦合作用下产生的结果。从已有的大量资料可以发现，当坡体发生滑坡时，多具备以下三种特征：周期性、地域性和阶段性。而滑坡的形成则要经历灾害孕育期、灾害成长期、灾害发生期，随着灾害的不断累积叠加，最后产生明显的宏观变形，引起山体滑坡。因此，从边坡滑坡机理进行研究，探寻滑坡发生的周期规律，对于边坡滑坡监测预警可以起到很好的帮助作用。

边坡滑坡机理的研究由来已久。1963年，日本学者斋藤迪孝结合大量工程实践，并通过滑坡数据综合分析，提出了滑坡预报经验公式法和滑坡预报图解法，建立了斋藤迪孝预报模型。目前，这种方法经过后期大量工程实践的验证，已经得到业界的广泛认同。按照斋藤法的理论原理，土体变形以蠕变为主，可分为三个阶段：初始蠕变、等速蠕变、加速蠕变，以应变速率为基本参数建立了加速蠕变微分方程。当岩土性质不同时，其蠕变曲线也不相同，但滑坡的位移—时间曲线与岩石的蠕变曲线整体上保持相同的变化趋势。随着滑坡数据的逐渐积累和数据模型以及计算速度的迅速提升，日本学者对斋藤公式进行了改进，以差分法和最小二乘法优化了斋藤迪孝模型，使得滑坡预报精度得到大幅提高。

其中，S轴表示坡体累计位移；t轴表示坡体变形时间；t0表示坡体形成时间点；t1表示坡体初始变形转为等速变形临界时间点；t2表示坡体等速变形转为加速变形临界时间点；t3表示坡体加速变形转为下滑前临界时间点。

图1 斋藤迪孝模型位移—时间曲线

结合长期的工程实践，边坡滑坡监测时，一般很难获得全程变形曲线，需要通过现场实地考察，判断滑坡所处阶段，更多是从变形开始的某个时段、即曲线中某点开始监测。进行短期预报时，工程中普遍采用等速蠕变资料进行滑坡预测。根据斋藤迪孝模型理论经验公式法，得到基于蠕变曲线的等速蠕变微分方程：

求得微分方程的解：

tc为预测滑坡时间；t1为初始变形和等速变形临界时间点；t2为等速变形和加速变形临界时间点。

进行临滑预报时，工程中普遍采用加速蠕变资料进行滑坡预测。此时，在斋藤迪孝模型理论中，只存在加速变形阶段曲线。通过位移曲线图，即可预测滑坡发生的具体情况：（1）依据观测数据，做出监测位移曲线；（2）在曲线上随机选择两个点，作出时间轴垂线，与T轴分别交于t1和t2；（3）以A为圆心，以t1和t2点水平间距一半为半径作圆弧，分别交辅助线于M和M’；（4）过M’作纵轴垂线，与时间—位移曲线交于点B；（5）以A为圆心，以t1和t2点水平间距一半同t1和t3点水平间距一半的差值为半径作圆弧，分别交辅助线于N和N’；（6）连接EN’并延长线段，与直线M’B相交于点C；（7）过点C作T轴的垂线，交T轴于点tC，tC即为临滑时间点。该方法开创了世界滑坡预报的先河，被世界各国学者应用和改进，其中不乏成功案例。我国学者曾用此法反演过宝鸡卧龙寺新滑坡和洒勒滑坡，结果比较满意。其中，S轴表示累计位移；T轴表示时间。

图2 斋藤迪孝模型图解法滑坡预测曲线

2 滑坡地质灾害监测预警

2.1 变形监测

公路边坡监测根据监测内容的不同，宜采用不同的监测实施步骤，其基本流程相同，可分为五步进行操作。第一步，实地踏勘、收集整理内业资料，结合汇总数据对边坡致灾因子、破坏形式、影响规模、成灾状况合理分析，对边坡的稳定性、危险性进行综合评估；第二步，依据评估报告，确定滑坡变形监测内容及监测项目；第三步，综合考虑滑坡体危害性、经济以及技术可行性，选择适用于公路边坡坡体变形监测的相关仪器；第四步，在公路边坡的滑坡体上选择合适的点位，布设固定监测点，同时结合选用的监测仪器确定监测周期；第五步，调试数据收集和传输系统，对于公路施工和运营阶段，可采用无线传输设备实现数据的自动收集技术，做到监测实时有效。

2.2 滑坡预警

公路边坡滑坡预警有广义和狭义之分。仅从狭义预警角度对发生的坡体变形灾害做出警报。滑坡预警从宏观角度讲，是一个集成体系，由公共管理部门借助于先进的科学技术，充分调动公众参与，达到防灾减灾的目的。通常以边坡变形量、变形速率结合斋藤迪孝模型，进行综合评估，提出监测预警阈值。不同地质状况的坡体，通常预警阈值均不相同，需要根据理论模型、设计规范、监测数据综合设置。

变形速率预警值：为避免不同人采用不同的坐标，将变形曲线竖坐标改造为时间量纲，以切线角表示变形速率。

切线角

初加速阶段：45°＜切线角＜80°；中加速阶段：80°≤切线角＜85°；临滑阶段：切线角≥85°；下滑前：切线角≈89°。