一种基于位移监测的“降雨阶跃型”滑坡预警系统

2018-12-27黄晓虎夏俊宝雷德鑫

中国地质灾害与防治学报 2018年6期

黄晓虎，夏俊宝，雷德鑫

(1. 三峡大学湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北宜昌 443002；2. 兴山县国土资源局,湖北宜昌 443711)

0 引言

滑坡是一种较易造成巨大经济损失的自然地质灾害。合理而有效的预测预报是减少灾害损失的关键。目前，滑坡预报模型及方法是国内外学者研究的重点和热点，基于各类预报判据，建立了众多滑坡预报方法，并运用于实际，取得了不错的效果。王珣依据切线角—时间关系对滑坡等速变形速率进行研究，获取预警判据[1]。李聪等[2]建立了31个典型岩质滑坡组成的滑坡数据库，并开发以工程类比和模糊综合评判方法为基础的滑坡实例推理系统，并依此开展滑坡预警判据研究。滑坡位移变形规律是滑坡预报的关键指标，徐峰等建立了以受地质条件控制的趋势位移和受激发因素控制的周期性位移为主导的预报模型[3]。李秀珍等[4]建立了以变形速率为单一因子的滑坡预报模型。降雨作为滑坡的主要触发因素，也是滑坡预报的关键指标之一[5]。围绕获取精确的临界激发雨量，并建立基于临界激发雨量的区域滑坡预警模型是研究的热点之一[6-8]。李东山等[9]采用专家决策系统和多种滑坡预报模型建立了三峡库区滑坡综合预报系统。部分学者将滑坡最终破坏的时间设为目标函数，研究滑坡的时间预测模型[10-13]。

综上所述，建立滑坡预警系统的方法有很多类，以位移速率、临界激发雨量、时间预测为主导。但是滑坡具有鲜明的独特性，地质环境、影响因素、致灾机制复杂。不同运动类型的滑坡，如“降雨阶跃型”滑坡，其独特的监测位移曲线与降雨作用强度相关，其预警系统应与降雨特征紧密相关。黄润秋等[14]认为滑坡预报应以研究斜坡地质模型和斜坡所处的地质条件为基础，将斜坡变形破坏的宏观信息与滑坡监测资料相结合，将定性判断与定量分析有机地结合起来进行滑坡的综合预报。实际上，部分滑坡范围较小，但危害性较大，需要因地制宜的设计滑坡预报系统，以满足经济性的需求。

因此，以王家坡滑坡为例，以位移、降雨监测为基础，设计基于变形速率和降雨量为关键判据的5级递进式“降雨阶跃型”滑坡预警系统，为本地区的同类型滑坡灾害预警提供技术理论支撑和模型示范。

1 “降雨阶跃型”滑坡变形曲线特征

滑坡滑动迹象出现之后，持续聚积并释放应变能。滑坡开始进入稳定蠕变、加速蠕变这两个阶段。此时，在降雨作用影响下，滑坡变形曲线呈现阶梯状特征(图1)。

图1 “降雨阶跃型”位移曲线的各变形阶段Fig.1 The deformation stage of rainfall stepwise displacement curve

“阶跃型”会在累积位移-时间关系曲线上形成多级台阶，而单一的台阶，可以分为三个明显的阶段前等速阶段、加速阶段、后等速阶段。

2 “降雨阶跃型”滑坡预警判据

滑坡自出现变形迹象至失稳破坏的演化是一个位移变形从量变到质变的长时间的地质力学过程。在此过程中，位移变形逐渐累积且岩土体的强度在一定因素如降雨入渗的影响下逐渐降低，滑坡左、右侧边界裂缝贯通以及潜在滑动面逐渐贯通统一，这是量变过程。而累积位移变形突破某一限度，且岩土体的强度不足以支撑滑体稳定时，滑坡失稳破坏，这是质变过程。滑坡的预警预报需要可靠的判据，如何选取合适且可靠的判据，大量学者进行了研究。表1显示位移速率、降雨量、宏观信息等均是建立滑坡预警模型的关键判据。不同类型的滑坡需要根据其特定的特征选取合理的判据。

表1 部分滑坡预警模型判据Table 1 The warning criterion of landslide

“降雨阶跃型”滑坡的激发因素是持续的强降雨，变形曲线在降雨作用影响下呈现阶梯状特征。强降雨形成的坡面流沿地表裂缝进入岩土体，降低岩土体的物理性能，并改变斜坡周边的地下水条件。同时，浅层土体迅速达到饱和状态，孔隙水压力升高，基质吸力下降，抗剪强度下降。部分水体下渗至滑带，促使滑带岩土物质软化，抗剪强度降低。最终导致地表裂缝持续扩展，监测位移值加大，最终形成多级“阶跃”。当滑坡变形进入“阶跃”阶段中的加速阶段时，由于日位移速率较大，若持续发展，将逐步接近临滑阶段，滑坡发生失稳破坏的概率逐渐升高。

图2是典型的“降雨阶跃型”滑坡降雨量与位移速率关系曲线图。其位移变形速率与降雨量关系密切，降雨量达到一定值后，位移变形速率开始急剧增加，当降雨停止后，较高的位移变形速率依然持续较长的一段时间。进行“降雨阶跃型”滑坡的预警模型设计工作，需要持续降雨量和位移速率的变化。单一的降雨量预警指标，不能显示雨停之后，持续的位移速率变化对滑坡失稳的影响；单一的位移速率预警指标，不能反映降雨量对滑坡失稳的影响。因此，本文将选取变形速率和日降雨量为设计“降雨阶跃型”滑坡预警系统的关键判据指标。

图2 “降雨阶跃型”滑坡位移速率与降雨量关系曲线Fig.2 The relation between displacement rate and rainfall of rainfall stepwise

3 “降雨阶跃型”滑坡预警判据阈值

3.1 位移速率阈值

随着监测科技的高速发展，目前普遍的位移变形测量精度高达0.1 mm以上，以天(d)为等时间监测期次，提取滑坡位移变形数据及降雨量数据，构建滑坡位移变形的探索点序列。以探索点为中心，运用切线角法，求解探索点前、后的线性回归曲线的切线角。

在Ti所处的结算点中，首先对Ti前的 2、3、4 个数据做线性回归，并求出回归系数，同时对Ti后的 2、3、4 个数据做线性回归，并求出回归系数，分别记作ki(Ti)、kr(Ti)：

(1)

(2)

式中：Si——Ti时刻对应的位移检测值，n= 2、3、4。

对式(1)和式(2)的计算结果，求其加权平均数：

(3)

(4)

计算结算点Ti前n个数据线性回归线对应的切线角，记作θi(Ti)：

(5)

计算结算点Ti后n个数据线性回归线对应的切线角，记作θr(Ti)：

(6)

计算结算点Ti处切线角对应的一阶差分，记作Δ(Ti)：

Δ(Ti)=θi(Ti)-θr(Ti)

(7)

沿着监测序列Ti，寻找序列中Δ(Ti)出现明显的正值增大的点和明显的负值减少的点，这两个点对应的即是“降雨阶跃型”滑坡位移曲线上的加速区间。在此基础上，分析位移变形加速区间的位移速率，可以获取相应的位移速率阈值。

3.2 降雨量阈值

在确定位移变形加速区间及位移速率阈值后，确定加速区间内以及之前的一定时间内的降雨量，以日降雨量为监测周期，距离预警当次时间越长，其对滑坡变形的影响就越小，这是一个定向衰减的过程，可以下式(8)来表示：

(8)

(9)

式中：Qe——“降雨过程”中的有效降雨量(mm)；

Qt——某次降雨时段的总雨量(mm)；

αt——衰减系数；

ti——时间序列。

4 递进式分级预警系统构建

4.1 设计原则

优质的滑坡预警系统应有充足的功能满足各方的预警要求，包括业主、预警单位、预警目标、政府等，同时高效便捷，能有效避免“狼来了”的情况。这些功能主要体现在：

(1)监测数据自动获取入库分析：主要包括降雨量及位移变形实时监测数据的及时采集入库，累积位移—时间—降雨量关系曲线的生成。

(2)便携式数据查询：实时监测的降雨量、位移变形数据以及累积位移—时间—降雨量关系曲线的实时查询平台，并能多部门共享。

(3)多部门协作多目标预警信息发布：预警的核心是当地百姓与乡政府、学校等本地的固定目标，以及到访此区域的流动目标，同时业主、预警单位、政府等也需及时获取预警信息。预警信息发布应以预警中心、政府部门、气象部门、移动通信部门等协作发布。

(4)递进式分级预警：根据需求，可将预报等级划分为5级(表2)。

表2 递进式5级预警制Table 2 5-level warning system

(5)适时灾害预警解除：根据降雨量信息、监测数据等适时解除预警。

通过(1)～(5)原则建立合理的预警系统时，要保证滑坡预警判据的可靠性、数据处理平台高效可靠、各子系统分工明确、通讯系统便捷通畅、各级预警适时有度信誉高。

4.2 监测仪器

(1)雨量监测

图3 0.2 mm翻斗式雨量计Fig.3 0.2 mm tilting rain gauge

采用0.2 mm翻斗式雨量计，由雨量计和太阳能供电系统组成，实现滑坡区域的降雨信息，降雨类型监测，用来估算单位时段内的降雨指标。具有智能采集、长期固态存储、远距离传输功能(图3)。

图4 GNSS一体化监测站Fig.4 Integrated monitoring station of GNSS

(2)位移监测

采用DM-GNSS A300形变监测设备。由数据采集系统、数据传输系统、GNSS解算系统、数据服务平台等组成。用以获取毫米级的瞬时位移监测数据(图4)。

(3)实时数据查询平台

通过地质灾害实时监测平台，实时展现监测体位移发生的时间、强度、雨量(图5)。

图5 地质灾害实时监测平台Fig.5 Geological disaster real-time monitoring platform

4.3 递进式分级预警原理

根据变形监测资料分析获取的日位移变形速率、日降雨量设计灾害发生临界线(图6)。

图6 滑坡灾害分级预警示意图Fig.6 The disaster precautionary line of Wangjiapo Landslide

图6显示，白色圆点坐标为(xa，ya)，原点坐标(x0，y0)，此两点连线与灾害发生临界线之交点坐标为(xc，yc)。则(x0，y0)与(xa，ya)组成的直线方程为：

(10)

灾害发生临界线与日位移速率轴的坐标值为(xb，

yb)，与日降雨量的坐标值为(xd，yd)，同时xb= 0，yd= 0，则灾害发生临界线的直线方程可以表示为：

(11)

联立式(10)与(11)可以得到：

(12)

根据坐标系内两点间求距离的公式可得监测的白色圆点(xa，ya)到坐标原点的长度lm为：

(13)

其距离原点的距离lc为：

(14)

当lm

(15)

图7 王家坡形态及监测点布置Fig.7 Plan sketch of Wangjiapo Landslide

4.4 灾害解除

“降雨阶跃型”滑坡预警系统设计完成后，由于预警系统的权威性，滑坡灾害预警发出后，滑坡区域范围内的一切经济活动将会停止。因此，合理的“降雨阶跃型”滑坡预警系统需要在合适的时间节点解除预警。

预警解除同样依托监测仪器提供的位移变形及降雨量数据。当日位移变形速率、日降雨量减少到一定范围内时，预警系统可以发出预警解除的信号。在解除预警后，区域一定范围内的经济活动才可陆续恢复。

5 实例分析

5.1 王家坡滑坡

王家坡滑坡位于兴山县城古夫河左岸，古洞村1组朝阳小区后山。地理中心坐标：经度110°45′39.648″，纬度31°21′20.034″。滑坡平面呈宽舌型，南北宽185 m，东西纵向长190 m，坡度25°，高程为225～290 m，相对高差65 m，面积3.23×104m2，平均厚度12 m，体积3.88×105m3。

2017年5月开始，因强降雨等影响，王家坡滑坡左侧、后缘边界出现裂缝变形，呈羽状分布，宽度1～3 cm，同时滑体出现拉张裂缝。6～7月时，左侧、后缘边界逐渐贯通，宽度开始加大，达到5～25 cm。右侧边界裂缝开始出现，呈羽状分布，宽度5～20 cm，局部上下错动明显，达25 cm。同时出现滑体裂缝变形加剧、坡脚地下水渗涌、局部土体坍滑、应急挡墙被破坏等现象。目前，坡体上地表裂缝已多达30余条，主要分布于滑坡边界及滑体上。各裂缝详细特征见表3、图7。典型裂缝形态及变形迹象见图8。

图8 王家坡滑坡典型变形迹象Fig.8 Typical cracks of Wangjiapo Landslide

位置编号走向长/m宽/cm裂缝特征左侧边界T1～T6SW230°～240°1005～202017年5月初开始出现,呈羽状分布,6～7月持续发展贯通,为前切裂缝,平均下错5～10 cm,最大下错距离可达50 cm。右侧边界T7～T10SE130°～160°10～205～202017年6～7月开始出现,呈羽状分布,为前切裂缝,10月开始逐渐贯通,平均下错5～10 cm,最大下错距离可达30 cm。后缘边界T11SE175°203～102017年5月初开始出现,呈弧状分布,6～7月持续发展贯通,为拉张裂缝。滑体中部T12～T18SE180°～200°10～2010～202017年6月出现,7月持续发展,为拉张裂缝,下错20～50 cm。滑体中前部T19～T27SE190°～210°20～3015～502017年6～7月持续发展,为拉张裂缝。滑体前缘T28～T30SW250°～290°2～32～102017年7月出现