公路邊坡滑坡地質災害監(jiān)測預警技術探究

張 鑄 華北水利水電大學，鄭州 450000

張華贊 遼寧省高速公路運營管理有限責任公司桃仙分公司，沈陽 110169

1 邊坡滑坡變形及監(jiān)測機理研究

邊坡發(fā)生失穩(wěn)往往不是一種單一因素作用的結果，它是眾多因素耦合作用下產(chǎn)生的結果。從已有的大量資料可以發(fā)現(xiàn)，當坡體發(fā)生滑坡時，多具備以下三種特征：周期性、地域性和階段性。而滑坡的形成則要經(jīng)歷災害孕育期、災害成長期、災害發(fā)生期，隨著災害的不斷累積疊加，最后產(chǎn)生明顯的宏觀變形，引起山體滑坡。因此，從邊坡滑坡機理進行研究，探尋滑坡發(fā)生的周期規(guī)律，對于邊坡滑坡監(jiān)測預警可以起到很好的幫助作用。

邊坡滑坡機理的研究由來已久。1963年，日本學者齋藤迪孝結合大量工程實踐，并通過滑坡數(shù)據(jù)綜合分析，提出了滑坡預報經(jīng)驗公式法和滑坡預報圖解法，建立了齋藤迪孝預報模型。目前，這種方法經(jīng)過后期大量工程實踐的驗證，已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認同。按照齋藤法的理論原理，土體變形以蠕變?yōu)橹鳎煞譃槿齻€階段：初始蠕變、等速蠕變、加速蠕變，以應變速率為基本參數(shù)建立了加速蠕變微分方程。當巖土性質不同時，其蠕變曲線也不相同，但滑坡的位移—時間曲線與巖石的蠕變曲線整體上保持相同的變化趨勢。隨著滑坡數(shù)據(jù)的逐漸積累和數(shù)據(jù)模型以及計算速度的迅速提升，日本學者對齋藤公式進行了改進，以差分法和最小二乘法優(yōu)化了齋藤迪孝模型，使得滑坡預報精度得到大幅提高。

其中，S軸表示坡體累計位移；t軸表示坡體變形時間；t0表示坡體形成時間點；t1表示坡體初始變形轉為等速變形臨界時間點；t2表示坡體等速變形轉為加速變形臨界時間點；t3表示坡體加速變形轉為下滑前臨界時間點。

圖1 齋藤迪孝模型位移—時間曲線

結合長期的工程實踐，邊坡滑坡監(jiān)測時，一般很難獲得全程變形曲線，需要通過現(xiàn)場實地考察，判斷滑坡所處階段，更多是從變形開始的某個時段、即曲線中某點開始監(jiān)測。進行短期預報時，工程中普遍采用等速蠕變資料進行滑坡預測。根據(jù)齋藤迪孝模型理論經(jīng)驗公式法，得到基于蠕變曲線的等速蠕變微分方程：

求得微分方程的解：

tc為預測滑坡時間；t1為初始變形和等速變形臨界時間點；t2為等速變形和加速變形臨界時間點。

進行臨滑預報時，工程中普遍采用加速蠕變資料進行滑坡預測。此時，在齋藤迪孝模型理論中，只存在加速變形階段曲線。通過位移曲線圖，即可預測滑坡發(fā)生的具體情況：（1）依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，做出監(jiān)測位移曲線；（2）在曲線上隨機選擇兩個點，作出時間軸垂線，與T軸分別交于t1和t2；（3）以A為圓心，以t1和t2點水平間距一半為半徑作圓弧，分別交輔助線于M和M’；（4）過M’作縱軸垂線，與時間—位移曲線交于點B；（5）以A為圓心，以t1和t2點水平間距一半同t1和t3點水平間距一半的差值為半徑作圓弧，分別交輔助線于N和N’；（6）連接EN’并延長線段，與直線M’B相交于點C；（7）過點C作T軸的垂線，交T軸于點tC，tC即為臨滑時間點。該方法開創(chuàng)了世界滑坡預報的先河，被世界各國學者應用和改進，其中不乏成功案例。我國學者曾用此法反演過寶雞臥龍寺新滑坡和灑勒滑坡，結果比較滿意。其中，S軸表示累計位移；T軸表示時間。

圖2 齋藤迪孝模型圖解法滑坡預測曲線

2 滑坡地質災害監(jiān)測預警

2.1 變形監(jiān)測

公路邊坡監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容的不同，宜采用不同的監(jiān)測實施步驟，其基本流程相同，可分為五步進行操作。第一步，實地踏勘、收集整理內(nèi)業(yè)資料，結合匯總數(shù)據(jù)對邊坡致災因子、破壞形式、影響規(guī)模、成災狀況合理分析，對邊坡的穩(wěn)定性、危險性進行綜合評估；第二步，依據(jù)評估報告，確定滑坡變形監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測項目；第三步，綜合考慮滑坡體危害性、經(jīng)濟以及技術可行性，選擇適用于公路邊坡坡體變形監(jiān)測的相關儀器；第四步，在公路邊坡的滑坡體上選擇合適的點位，布設固定監(jiān)測點，同時結合選用的監(jiān)測儀器確定監(jiān)測周期；第五步，調(diào)試數(shù)據(jù)收集和傳輸系統(tǒng)，對于公路施工和運營階段，可采用無線傳輸設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動收集技術，做到監(jiān)測實時有效。

2.2 滑坡預警

公路邊坡滑坡預警有廣義和狹義之分。僅從狹義預警角度對發(fā)生的坡體變形災害做出警報?；骂A警從宏觀角度講，是一個集成體系，由公共管理部門借助于先進的科學技術，充分調(diào)動公眾參與，達到防災減災的目的。通常以邊坡變形量、變形速率結合齋藤迪孝模型，進行綜合評估，提出監(jiān)測預警閾值。不同地質狀況的坡體，通常預警閾值均不相同，需要根據(jù)理論模型、設計規(guī)范、監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合設置。

變形速率預警值：為避免不同人采用不同的坐標，將變形曲線豎坐標改造為時間量綱，以切線角表示變形速率。

切線角

初加速階段：45°＜切線角＜80°；中加速階段：80°≤切線角＜85°；臨滑階段：切線角≥85°；下滑前：切線角≈89°。

2.3 應急預案

應急預案，是指針對潛在發(fā)生的各種事故，提前制定行之有效的救援計劃或方案，做好定期演練的工作籌備，應不大于3年對應急預案進行更新修改一次。應急預案是一種高效有序的管理方案，對于處置突發(fā)事件具有很強的針對性，對于降低人員傷亡和減少經(jīng)濟損失具有較為明顯的作用。

表1 預警分類及警戒值判別