滑坡地质灾害牛顿力远程监测预警系统及工程应用

邹玮昌 ZOU Wei-chang；屈李鹏 QU Li-peng；田程 TIAN Cheng

（核工业230研究所，长沙 410007）

0 引言

以信息技术的快速发展为支撑，滑坡地质灾害的监测手段变得更加丰富，如GPS监测、无人机摄影监测等，但是这些监测手段采用的多是几何监测、物理监测或者外部扰动因素监测的方式，这些因素仅仅是滑坡地质灾害发生的必要条件，在缺乏充分条件的情况下，可能并不会引发灾害。在监测信息真假难辨、预警成功率不高的情况下，很容易引发民众恐慌。对此，基于“滑坡地质灾害发生的充要条件是牛顿力变化”这一思想，提出了相应的牛顿力远程监测预警系统。

1 滑坡地质灾害分析

滑坡指存在于斜坡上的土体或者岩体，因为河流冲刷、雨水浸泡、地震、人为活动等因素，在重力作用下，沿软弱带或者软弱面，分散或者整体向下滑动的一种自然现象。滑坡的诱发因素可以分为两类，一类是自然因素，如降雨、地震、河水冲刷等，长时间连续降雨和短期强降雨是引发滑坡的最主要自然因素；另一类是人为因素，如边坡开挖、乱砍滥伐、劈山采石等，其中，边坡开挖是最主要人为因素[1]。

滑坡是一种会引发严重危害的地质灾害，经常给工农业生产以及人民的生命财产安全带来巨大损失。在农村地区，滑坡最主要的危害，是会摧毁农田、房舍，毁坏森林道路，威胁农业机械设施和水利水电设施的安全，甚至于可能给农村造成毁灭性灾害。在城镇地区，滑坡会掩埋房屋，摧毁学校、工厂，引发停水、停电、停工等问题。基于此，做好对于滑坡地质灾害的分析和预警非常重要。

2 滑坡地质灾害牛顿力远程监测预警系统构建

2.1 系统原理

滑坡地质灾害的基本原理，是滑体和主体部分脱离，于潜在滑动面上向下滑移，而在整个运动过程中，滑动面牛顿力的产生和变化，是导致滑坡地质灾害发生的充分必要条件，牛顿力能够直观展示滑坡的实际运行情况[2]。在2008年，有相关研究人员结合相应的室内滑坡牛顿力监测预警模型，总结出了滑坡地质灾害发生前后牛顿力的变化曲线，具体如图1所示。

图1 滑坡牛顿力变化曲线

滑坡的发展是一个非线性过程，牛顿力的整体变化经历了三个不同阶段：

第一阶段是变形渐进阶段，变形能在地质岩体中发生了积聚，引发了形变的情况，不过并没有引发大规模的变形，属于变形累积的过程，也是滑坡地质灾害的“量变”阶段。

第二阶段是突变阶段，岩体的牛顿力突降，引发了快速大规模变形，属于滑坡地质灾害的“质变”阶段[3]。

第三阶段是破坏运动阶段，这一阶段地质岩体结构发生破坏，沿着潜在滑动面滑动，滑动的过程契合牛顿运动定律。

从最初的变形阶段到最终的运动阶段，岩体呈现出的是一种非线性变形的状态，没有相应的力学理论依据能够对其进行充分诠释，这也是滑坡地质灾害难以精准预警的主要原因。

对此，本文以不连续的地质岩体作为对象，将胡克变形定律和牛顿运动定律连接在一起，通过岩石力学的相关理论，很好地解决了滑坡地质灾害牛顿力产生时间、灾害突变前兆以及发生时间的问题进行了解决，可以提高滑坡地质灾害预警的及时性和准确性[4]。

2.2 系统结构

对照滑坡地质灾害监测预警系统的现实需求，以计算机技术和现代通信技术为支撑，提出了能够对滑坡牛顿力变化情况进行远程实时监测的预警系统，系统结构如图2所示。

图2 系统结构

2.2.1 数据采集子系统

预警系统中的数据采集子系统包含了传感装置、供能装置和防护装置，其中，传感装置采用了三弦式静态力学传感器，能够将自身承受的压力引发的钢弦振动频率转化为电信号，借助公式频率值，还原出压力数值。供能系统采用的是太阳能智能系统，即便是出现连续的阴雨天气，也可以确保传感器装置的正常运转。防护系统的主要功能，是对传感器设备和供能装置提供保护[5]。

2.2.2 数据传输子系统

数据传输子系统实现了对于数据采集和传输功能的高度集成，采用了自研集成电路板，嵌入了相应的数据采集、数据存储、数据发射模块等，可以实现4组信息的同时发送。在预设条件下，传感器可以进入到激发状态并且产生反馈信号，经过整形后的信号会被传输到单片机，由单片机负责信号频率的测量，测量的结果存放到RAM中。发射模块从RAM中将信息提取出来，经GSM网传输到对应的信息中心或者终端。在一些常规通信手段无法发挥作用的场所，可以配合北斗微信通讯系统，实现数据的传输与监测。

2.2.3 数据处理子系统

数据处理子系统主要是由放置在室内环境下的监测系统终端完成，其能够凭借相应的接收-处理软件，完成和不同硬件设施的信息传递，可以将设备传输的监测数据存储到数据库中。实践环节，可以针对每一个监测区域进行编号，然后依照ID编号进行独立分析。系统设置四个不同等级的预警模式，分别为蓝色、黄色、橙色和红色，后期可以通过人工勘查的方式，对预警区域进行分析和评估[6]。

2.2.4 数据发布子系统

监测预警信息发布的及时性，会对灾害预防、应急方案启动、救灾准备等工作的实施产生直接影响。在系统中，数据发布子系统采用了主从式网状结构。用户终端能够结合授权账号及密码，实现对于监测信息的实时查询、检索和下载，可以切实保证数据发布的及时性。在配合互联网技术、无线网络技术等的基础上，相关部门能够很好地了解滑坡体的实时状态和发展情况，确定好最佳的应对方案，对灾害进行预警，以尽可能降低其所造成的损失。

2.3 关键技术

2.3.1 NPR锚索监测技术

NPR（Negative Poisson S ratio，负泊松比）锚索监测技术是滑坡地质灾害牛顿力远程监测预警实现的首要技术[5]。NPR锚索是一种基于滑坡地质灾害中岩土体大幅度变形破坏而设计的锚索材料，兼具加固、监测、预警功能，其恒阻值为锚索材料屈服强度的91%±1%。在NPR锚索荷载达到设计荷载时，锚索上恒阻器可经恒阻体在套管内摩擦滑移，同时产生结构变形抵消荷载产生拉断效应。NPR锚索监测技术主要是在构造边坡滑动力预测证据推理模型中，以当前时刻NPR锚索传感器采集滑动力监测值、当前时刻与历史时刻边坡滑动力监测值偏差为输入值，以边坡未来滑动力预测值为输出变量，建立参考证据矩阵建模输入变量、输出变量之间映射。在获取输入变量样本后，经参考证据矩阵获取样本激活证据，证据推理模型的输出向量为：

式（1）中，t表示边坡滑动力样本采集时刻，采样周期为30min，每30min采集一次，共采集T次（T＞0）；x1（t）表示t时NPR锚索传感器采集滑动力监测值；x2（t）表示t时刻与t-1时刻NPR锚索传感器采集滑动力监测值差值；x3（t）表示t时刻与t-2时刻NPR锚索传感器采集滑动力监测值差值。

在证据推理模型内，经证据推理算法融合全部输入变量样本激活证据，x1（t）、x2（t）、x3（t）的参考值集合为：

式（2）中，Ai为样本参考集合，Ai，j为输入变量x1的第j个参考值；ji为最终输入变量编号。在t=3、4、5时，在线获取样本向量X（t）计算输出某一输入变量xi（t）与参考值匹配度。

在确定输入变量xi（t）与参考值完全匹配的情况下，输入已获取样本，根据融合结果推算未来某一时刻边坡滑动力预测结果。并判定预测结果是否达到报警阈值，若达到则发出警报。

2.3.2 双体灾变力学模型构建技术

双体主要是在外力、内力作用下，沿滑动带（或滑动面）产生相对运动的2个块体。2个块体的相对运动受牛顿力的直接影响，即双体发生突变临界状态是牛顿力达到极大值后突然下降并发生加速运动[7]。基于此，双体相对运动可视为作用于滑动带（或滑动面）的牛顿力大小、方向合力，若牛顿力大于0且方向沿着滑动面向下，则发生滑坡地质灾害，反之则边坡处于相对稳定状态。基于此，结合滑坡动力学特点，可以构建断层双体灾变数学模型，具体如式（3）：

P为边坡滑动面牛顿力，kN；M为NPR锚索扰动力，kN；k1、k2均为滑动系数，与滑动带各土层内摩擦角加权平均值、滑动面与水平面夹角、滑动面各土层黏聚力加权平均值、滑动面的面积具有较大关系。

2.3.3 地表位移自动监测技术

地表位移自动监测技术是GNSS（Global Navigation Satellite System）技术与数据通信技术、计算机技术、数据处理与分析技术集成的结果，可以实时采集不稳定滑坡数据，并将其上传到环境监控平台，实现在线变形分析。位移监测组网为N+1灵活组网，一个基准站对应多个测量站，测量站数量在32个以内，适应山体滑坡漫长、位移趋势不间断观测要求。测量期间综合利用GPS全球卫星定位、北斗卫星导航、格洛纳斯全球卫星导航与伽利略卫星导航、RTK载波相位差分定位技术，在同一时刻测量多点三维位移，为边坡位移细微变化趋势的精准判定提供依据。

2.4 预警模式

结合相应的监测原理以及现场监测信息，构建起了三种预警模式：

第一种是稳定模式，牛顿力监测曲线斜率为零，状态整体稳定，曲线近似于水平线。额定模式下，牛顿力监测曲线和牛顿力预警值线不存在交点，地质岩体处于稳定状态。

第二种是裂缝模式，牛顿力监测曲线斜率大于零，在发展中呈整体上升趋势，又或者在较短的时间内出现了突然增长，曲线整体表现为跳跃或者陡增的趋势，此时地质岩体的稳定状态被打破，岩体结构的表面和内部会出现明显裂缝，裂缝的尺寸与曲线的跳跃幅度成正比[8]。

第三种是滑移模式，牛顿力监测曲线斜率会在一个相对较短的时间内，产生从正到负的突然变化，这种变化可能是一次也可能是多次。滑移模式下，地质岩体基本已经脱离主体结构，滑动面已经形成，滑坡体也处理滑坡的临界状态，曲线斜率从正到负的转折点，就是相应的预警点。

3 工程应用

3.1 工程概况

某石料加工厂所处区域降水集中在每年的5-9月份，年平均降水量达到了1100mm。2018年3月，在开采区域的顶部岩体产生了裂缝，裂缝整体长度较大，沿着边坡朝下方蔓延。4月，在开采区域外某天然边坡上，也出现了3道长度较大的裂缝。6月，距离开挖轮廓线外10m和20m高程位置，再次出现开裂的情况，而且伴随着采掘工作的持续，裂缝不断发展扩大。虽然加工厂现已进行了多次维护，但是实际效果并不十分理想。从保障采掘工作正常进行，维护员工生命财产安全的角度，引入了上文提到的监测预警系统来监测边坡的状态变化。

3.2 监测实施

相关技术人员需要综合考虑加工厂所处区域的地形地貌特点，结合潜在滑动面的深度，做好监测点布设工作，一共设置了4个NPR牛顿力监测点，具体分布情况见图3。

图3 监测点分布

系统在实际运行中，针对监测区域发布了长期预警、中期预警和临滑预警信息，做出了成功预警。这里选择位于监测区域中心位置的3#监测点，对其牛顿力监测曲线（见图4）进行分析。

图4 牛顿力监测曲线

从2019年1月开始监测，在7月10号前，3#监测点的牛顿力监测曲线整体趋近于水平线，斜率基本为0。监测点位置的初始预应力数值约为124kN，数值的变化很小，基本处于安全预警阈值内，边坡整体呈相对稳定安全的状态。7月10号后，3#监测点的牛顿力监测曲线开始上升，表明边坡岩体内部的牛顿力发生了较为显著的变化，系统发出了相应的预警信息，加工厂组织专家进行了现场勘查，并没有在边坡上发现新的裂缝。经会议探讨后，暂停了大型机械的采掘作业，并且在现有基础上，适当提高了检测频率。7月24号17点07分，3#监测点牛顿力的增长累计达到了200kN，系统发布了黄色预警。次日上午再次组织现场勘查，发现在边坡的坡顶位置，出现了长度约30m的大裂缝。7月27日凌晨4点15分，3#监测点牛顿力的增长累计超过400kN，监测曲线斜率出现转折点，系统发布橙色预警。现场管理人员将所有大型采掘设备和施工人员全部撤离，启动避险方案。当日14点48分，3#牛顿力监测曲线突然下降，曲线斜率小于0，系统发布临滑预警。7月28日上午10点29分，边坡出现了滑移解体的情况，经后续勘查确认，滑坡发生后，于后缘位置，产生了4m的高错台，碎石覆盖了监测区域接近一半的面积，不过因为撤离及时，没有出现人员伤亡以及设备损坏的情况。

3.3 总体应用

从系统研发成功并投入使用开始，其在全国二十多个示范区得到了使用，涉及的领域众多，如交通工程、水利工程、工民建防护工程、文化遗产保护工程等。结果显示，在监测点布设范围内，一共发生了16次滑坡地质灾害，系统全部实现了成功预警，所有灾害无一人死亡，挽回的经济损失达到数千万元，有着非常显著的经济效益和社会效益。

在这些被准确预警的滑坡地质灾害中，滑坡的类型多种多样，包括了黄土边坡、变质岩边坡、沉积岩边坡等，很好地对系统的原理依据，即“牛顿力突降、滑坡灾害发生”进行了验证。对照实践数据，系统给出的滑坡临滑预警时间最短为3.5h，最长为20h，其主要受滑坡规模的影响，规模越大预警时间越长。系统的有效应用，实现了对滑坡短临预报难题的解决[9]。

4 结语

总而言之，滑坡地质灾害会带来巨大的人员伤亡和经济损失，做好其监测预警工作非常必要。文章提出了一种滑坡地质灾害牛顿力远程监测预警系统，明确了“滑坡发生的充要条件是牛顿力”的学术思想，将牛顿力的变化作为了对滑坡进行监测预警的核心参数，并通过相应的室内试验和工程实践，对牛顿力突降、滑坡灾害发生的规律进行了验证。系统在投入使用后，实现了对多次滑坡地质灾害的成功预警，很好地保障了人民群众的生命财产安全，社会效益和经济效益显著。