滑坡预测预报研究现状与发展趋势

2018-06-29麻凤海孟祥吉

徐州工程学院学报(自然科学版) 2018年2期

麻凤海，陈霞，季峰，孟祥吉

(大连大学建筑工程学院，辽宁大连 116011)

“山水林田湖是一个生命共同体”，当对自然生态资源的过度开采超过地质环境可承受的范围时，地质环境就会受到不良扰动,从而直接增加了相关地质灾害发生的可能性[1]，例如有些地区不顾环境承载力，不断大面积开采煤炭、石油等自然资源，加剧了山体塌方的发生概率，暴雨情况下甚至会引发泥石流等灾害.目前，我国地质灾害主要有以下几类：泥石流、滑坡以及山体塌方等,而这几类灾害一般发生在强降雨、暴雨之后,占到所有山地地质灾害的80%以上[2].因此，必须采取有效的对策，预测预报灾害的发生，防止山地地质灾害导致的恶劣后果.目前，关于对滑坡产生的事先预报与预测已是研究热点：赵岩林等[3]提出了较多有关边坡临界失稳的判断阈值，即降雨强度、变形速率、声发射率、力学判据等；李聪等[4]建立了关于滑坡的数据库，并不断添加滑坡的个数和部分滑坡裂缝发展特征等有关信息；贺可强等[5]分析了蠕滑型边坡的变形特点及破坏机制，深入研究了边坡蠕滑变形及其稳定性的演化规律；殷坤龙[6]将滑坡灾害预测预报分为空间和时间二大类,并进一步将空间预测划分为区域空间预测、地段空间预测和场地空间预测，将时间预测预报划分为长期时间预测、短期时间预测和临滑时间预测；张建永[7]对滑坡的调查方法、失稳模式及处理措施以及各种方法的适用性进行了简要的评述；段功豪等[8]基于指数平滑法，从滑坡的实际演化阶段出发，研究外界主要诱发因素与模型参数的关联，引入月累积降雨量作为模型参数动态评估因子.显然，对滑坡的形成进行科学有效的预测预报具有重要的学术意义和工程应用价值.

1 滑坡灾害的基本特征

1.1 滑坡的空间分布规律

地质、气候等因素会影响滑坡灾害的形成与演化[9].以下地带一般是滑坡的易发区、多发区：

1)容易造成滑坡的岩、土分布区，比如泥岩、页岩、黄土、松散的覆盖层等岩土的存在为滑坡的形成提供了充分的物质基础.

2)江河、海、湖等地方存在的岸坡区域，比如地形起伏较大的山区、峡谷、公路、铁路工程的边坡段等为滑坡的形成提供了方便的地貌和地形条件[10].

3)发生强降雨的区域或经常性暴雨的地段是形成滑坡的诱导因素[11].

4)在地质构造带中，地震带和断裂带中常易发生滑坡.通常，当地震的烈度>7度、坡体的坡度>25°的情况下，地震过程中易发生滑坡，而岩土体破碎、裂隙发育等利于滑坡的形成和演化[12].上述四种地带的叠加区域，就会形成滑坡的密集发育区.

1.2 滑坡的空间形态

滑坡在空间上的形态特征一般与滑坡的类型、所处的发育阶段、规模等有关.通常发育情况完整的滑坡，有下面几个组成部分：1)滑坡舌，又被称为滑坡前缘，或者是滑坡头，一般存在于滑坡的前面部位，呈舌状，直接延伸到河谷等地带，有的情况下甚至能够翻越过河谷的区域直至对岸位置；2)滑坡体，一般情况是指滑坡灾害发生之后，有部分与母体部分分开，而这一部分就被称为滑坡体；3)滑动面，是指滑坡体沿着下滑的表面；4)滑动带，是指滑动时形成的碾压破碎带；5)封闭洼地，一般情况就是存在于在滑体、滑坡壁之间的位置，而这一部分拉开成为沟槽，2个靠近的滑体区域间形成一个反坡的地形，简单说来就是一个周围高而中间低洼的地带；6)滑坡台阶，一般各个滑体的运动速度是不同的，导致滑体的上方部位会有1个滑坡错台；7)主滑线，一般又叫做滑坡轴，在滑坡滑动的过程中，各滑体运动速度不同，其中滑速最快的纵向线能说明滑动体的运动方向；8)滑坡壁，一般情况下，滑体的后面部分和从母体分开出去的那部分之间会有1个分界面，一般呈暴露状态，表现为圈椅状；9)滑坡周界，一般是指滑动的滑坡体和周围存在的不动体在空间状态上的1条分界线，决定了滑坡的1个范围以及滑坡的边界位置；10)滑坡床，一般是指存在于滑体下面不会滑动的部分，而这部分基本不会发生变形位移，能够保持原来的岩体结构；11)滑坡裂隙，事实上，在实际滑坡灾害中，有时很难区分出每个部分的明显边界[13].

2 滑坡的基本类型

按照滑坡的滑动速度，可以将滑坡分为以下4类[14]：1)蠕动型滑坡，是指肉眼很难看见的，需借助有关仪器才能观测到其存在运动状态的一种滑坡；2)慢速滑坡，一般是指平均每天的滑动范围在几厘米至几十厘米之间肉眼能够直接观测到的一种滑坡运动；3)中速滑坡，一般是指平均每小时的滑动范围在几十厘米至几米之间的一种滑坡运动；4)高速滑坡，一般是指每秒钟的滑动距离在几米至几十米之间的一种滑坡运动.

按照滑坡体的体积，可将滑坡分为以下等级：1)小型滑坡，其滑坡体积不足10×104m3；2)中型滑坡，其滑坡体积为10×104～100×104m3；3)大型滑坡，其滑坡体积为10×105～10×106m3；4)特大型滑坡(巨型滑坡),其滑坡体积大于10×106m3[15].

3 滑坡稳定性分析

在工程实际中，一般通过宏观观察滑坡体，基于其表面特征，可大致判断它的稳定性.一般不稳定的滑坡体会表现出以下一些性状： 1)滑坡体上没有树木植被，然而林木森林等植被一般都能够保有水土,在发生暴雨的情况下,能够牢固地抓住土壤,有效防止滑坡等灾害的发生概率[16]；2)滑坡的表面存在有不均匀沉陷的局部平台，参差不齐；3)在滑坡的表面，一般有湿地、泉水等的存在；4)滑坡体表面的总体坡度较陡，且延伸长，滑坡表面呈高低不平；5)存在于滑坡前面部位的土石，一般呈松散状态，容易发生小型的坍塌，然后被河水冲刷；6)一般存在于滑坡的平台位置，面积一般不大，呈现向下缓倾的状态.

滑坡稳定性评价的关键问题是评价方法与稳定性判据[17].极限平衡法及位移时序法是目前滑坡预测预报采取的主要方法，在工程实践中发挥了关键作用.极限平衡理论是一种经典的确定性分析方法，建立在失稳机制和受力条件明确的基础上[18]，其基本原理是：假设结构的稳定系数为Fx，当结构材料的抗剪系数降低Fs倍之后，结构内的某一最危险滑动面上的滑体此时将处于失稳的极限平衡状态[19].其具体做法是将1个呈现出滑动趋势的岩土体按照一定规则划分成为一个个小块体，并靠这些块体的平衡，建立起整个滑坡体的1个平衡方程，再进行稳定性分析.位移时序法是建立在滑坡位移监测的基础上，用位移参数及其变化来评价滑坡是否稳定及稳定程度.位移监测容易实施且精度高，能综合反应其稳定性性状[20].另外还有一些其他常用方法，比如不确定性分析法、图解法、工程地质类比法、历史成因分析法、滑坡稳定性分析法和数值分析法等.

4 滑坡预测预报研究现状及发展方向

图1 岩土体蠕变曲线

滑坡的形成与演化的这一破坏过程实际就是滑坡体岩土蠕动变形的过程，其基础是黏弹塑性力学，而它能够准确表明岩土体的变形时间效应.蠕动变形理论一直被认为是预测预报滑体滑动破坏的基础，其位移-时间特性曲线(图1)的3个阶段长久以来都作为预测预报滑动体蠕动变形的基本准则.图中第一阶段(AB段),是减速蠕变阶段，滑体的变形一般表现为减速运动的趋势,曲线的斜率呈现逐渐减小的状态.第二阶段，是稳定蠕变阶段(BC段),滑动体的变形通常表现为等速发展的趋势,此时曲线的外观可以类似为1条倾斜的直线.第三阶段是加速蠕变阶段(CE段 ),此时滑动体的变形速率从C点开始迅速向上发展，一直增大到E,此时滑动体发生破坏；CD段中岩土体的变形迅速发展,但此时滑动体尚未达到破坏的状态；DE段中滑动体的变形速率呈现继续增大的趋势,此时的滑动体将在较短时间内达到破坏的状态.相应的滑坡的失稳过程将被分为对应的几个阶段,一般情况下将各个阶段的预测预报过程总结归纳为如下几种情况:长期、中期、短期和临滑预报.针对滑坡的时间预测预报，将以滑动体的蠕动变形曲线为基础,以不同阶段的时间尺度为依据来进行.具有代表性的“斋滕法”经验公式[21]是：

lgtr=2.33-0.916×lgε±0.59,(第Ⅱ阶段)，

(1)

(2)

式中：tr为滑坡发生的时间，ε为等速蠕变速率，t1、t2、t3分别为加速蠕变阶段的观测时间点.它以岩土体的蠕动变形理论为基础,依据第Ⅱ、第Ⅲ阶段的应变速率，对滑坡的时间进行预测预报，一定程度上反映出滑坡变形破坏的本质.通过工程实践的运用，“斋滕法”取得了一定成效，但仍存在一定的局限性，适用于前端不受阻的土质滑坡的情况.后人在其基础上建立了推求滑动时间的外延法、滑坡指数时间预报模型、滑坡失稳前总变形量和位移速率的综合预测方法等的修正斋藤模型.

此外，比较有意义的理论[22]是：1)黄润秋等依据 “黄金分割律”，提出了“黄金分割法”，并籍此来预测滑坡的发生时间,发现滑坡蠕变变形的历时曲线中线性段与线性、非线性段的历时之和的比例正好为黄金分割点0.618.通过观察其反演拟合结果发现该方法对滑坡的中短期的预测预报的可靠性比较高，其预测预报的效果较好.2)秦四清等依据非线性动力学理论,通过滑坡变形演化过程的非线性动力学模型来预测预报滑坡灾害发生的时间.3)多参数预测预报的经验公式是

(3)

式中:tf为时间预报值；tx为时间初始值；Ω为任意参数，如剪应力、位移、地面倾角等，Ωx为初始值，Ωf为预报值；α、A为经验常数.

目前，各种统计数学理论已被广泛应用在力学领域，许多专家学者尝试利用统计数学理论，构建滑坡演化过程的位移-时间关系模型,以求找寻滑坡变形演化的规律及特征，并以此来预测预报滑坡灾害发生的时间.现阶段，有如下几种常见的统计数学模型，如突变理论模型、灰色理论模型、回归模型、泊松旋回模型、生物生长模型、梯度正弦模型、灰色-灾变藕合模型等.上述几种模型得出的预测预报方法一般适用于临滑预报，实践运用中的效果良好，但不足的是无法用于对尚未发生的滑坡灾害的超前预报.利用滑坡变形演化过程中涉及到的岩土体的声发射参数来预测预报滑坡动态变形情况，是当前的一个热点.

现阶段，虽然国内外对滑坡滑动时间的预测预报研究已经取得了一些卓有成效的进展，但仍有许多重要的问题亟待解决，例如关于滑坡的滑动时间预测预报的相关理论和预测方法仍不是很成熟.需要指出的是，基于地质情况，探寻滑坡的变形演化过程在微观条件上的变化规律，在未来相当长的一段时间里，仍然是滑坡滑动时间预测预报研究过程中的重点内容.

在目前研究的基础上，预计未来关于预测预报滑坡的滑动时间的研究将体现为：

1)滑动体蠕变理论中的滑坡变形破坏规律.依据岩土体的蠕变理论，滑坡的变形破坏过程中岩土体强度不断随时间变化.该理论能够揭示滑坡变形破坏的过程，以及滑坡的强度、应力、位移等随时间变化的内在规律.

2)基于数理统计理论的滑坡滑动时间预测预报模型.

3)岩土体强度的内在变化规律.它指示随着滑坡变形演化的逐步发展，滑动体的强度是不断发生变化的.

4)水在滑坡演化过程中的作用及定量评价.降水在滑坡变形破坏过程中的作用极大，但关于它的作用原理及对其定量研究,将成为滑坡预测预报中的难点.

5)多参数综合预测预报的方法.在滑坡的形成过程中，岩土体会表现出多种物理和化学上的特性，比如岩土体的应力、强度、应变、应变速率、位移、声发射参数、地下水位、弹性波波速、地面温度、电阻率等，而这些指标都能作为预测预报滑坡破坏的因子.

6)人类活动对滑坡破坏产生的影响.随着人类生产、生活范围的不断扩大，过度的开采所导致的滑坡灾害时有发生，因此研究人类活动在滑坡破坏过程中的作用机理将是未来的重点.