基于物理力學(xué)參數(shù)的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究★

王林鳳 楊繼清 李 鳳

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)際學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引言

滑坡災(zāi)害在世界上廣泛分布且發(fā)生頻率高，這對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅，也嚴(yán)重破壞了自然環(huán)境和生態(tài)資源，每年因滑坡造成的資源損失極大，限制著人類的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)是受滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響最大的國(guó)家之一，2017年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害7 521起，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)35.9億元[1,2]。

云南省有94%的區(qū)域?qū)儆诟咴降?，地形條件復(fù)雜，極易形成滑坡災(zāi)害。近10年云南省平均每年發(fā)生地質(zhì)自然災(zāi)害1 000多起，2014年的云南省怒江“5·10”泥石流災(zāi)害和“6·30”山體滑坡嚴(yán)重自然災(zāi)害，這兩個(gè)案例僅僅是云南省近10年來(lái)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的自然災(zāi)害中的一個(gè)縮影，這些滑坡災(zāi)害都沒(méi)有預(yù)警。

現(xiàn)行常用的監(jiān)測(cè)手段(如表1所示)，目前是已經(jīng)開(kāi)展了大量的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，并取得了豐碩的成果。但根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，成功預(yù)警實(shí)例中專業(yè)預(yù)警所占比例過(guò)低，成功預(yù)警率卻并不理想，也存在一些缺點(diǎn)。

表1 國(guó)內(nèi)外較為成功的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警方法

由表1可見(jiàn)，單純的位移監(jiān)測(cè)存在一定的時(shí)間滯后性和現(xiàn)象不確定性，比較難實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的超前預(yù)警預(yù)報(bào)，為了做到超前預(yù)警，本文將采用直接導(dǎo)致滑坡的“抗滑力—下滑力”因子，通過(guò)演化模型分析邊坡從穩(wěn)態(tài)到失穩(wěn)的力學(xué)本質(zhì)和規(guī)律，找出臨界值，實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)的基本概況

以云南省昭通市東北約30 km的盤河鄉(xiāng)頭寨溝村大型滑坡為例(如圖1所示)。1991年9月23日18時(shí)10分金沙江支流—橫江(關(guān)河)二級(jí)支流盤河左岸一條季節(jié)性溪流(沖溝—頭寨溝)的溝頭部位發(fā)生1 800×104m3的特大山體滑坡，此次頭寨滑坡掩埋牲畜252頭，毀壞耕地300畝，直接經(jīng)濟(jì)損失1 200萬(wàn)元，災(zāi)害十分嚴(yán)峻。

1.2 降雨滑坡機(jī)理

1)大強(qiáng)度降雨，一部分雨水沿坡體表面移動(dòng)，在較短的時(shí)間里難以從坡體排除，形成一定厚度水層，使土壤的含水量增加，土體位移增大，坡體自重加大邊坡自重推動(dòng)力增大[3]。

2)雨水除產(chǎn)生坡面徑流外，仍有較大部分滲入坡體中，使土體壓力增大，產(chǎn)生的下滑力增大；另一方面，雨水多黏土體內(nèi)粘聚力增加，但內(nèi)摩擦角會(huì)減少，抗剪強(qiáng)度就迅速降低，內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變引起變形破壞。

3)降雨滲透到隔水層表面時(shí)，將在此處聚集，并使這里的物質(zhì)軟化甚至泥化，巖土體摩擦角迅速減小，甚至接近于0，從而形成滑面和滑帶。

4)邊坡內(nèi)的地下水形成較大的靜水壓力產(chǎn)生一個(gè)上浮的浮托力，消弱了軟弱面上所受滑體重量產(chǎn)生的法向應(yīng)力，從而降低了抗滑力[3]。

5)降雨入滲時(shí)，雨水不斷沖填裂縫及軟弱結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生一種順坡向的動(dòng)態(tài)擴(kuò)張力，裂縫張大，同時(shí)潛在滑動(dòng)面上充水而引起孔隙水壓力升高，也起到降低有效應(yīng)力，削弱抗滑力的作用[3]。

1.3 該地區(qū)災(zāi)害的成因

1991年9月23日18時(shí)10分云南省昭通市東北約30 km的盤河鄉(xiāng)頭寨溝村大型滑坡災(zāi)害，原因分析是該地區(qū)的玄武巖體自身的構(gòu)造裂隙就很發(fā)育，加之長(zhǎng)期的卸荷演化和化學(xué)風(fēng)化，使得巖體轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌梢?、不同?guī)模宏觀缺陷極為發(fā)育、水穩(wěn)定性很差的松散介質(zhì)，加上當(dāng)年8月25日降雨量達(dá)41.31 mm，以后8 d又陰雨連綿，至滑坡發(fā)生之日共降雨209 mm，較長(zhǎng)時(shí)間的降雨和中間的大降雨，使坡體含水量增大，自重增大，邊坡自重產(chǎn)生的下滑力增大，孔隙水壓力升高，又降低了巖土體的抗滑力；黏土體內(nèi)的粘聚力迅速減小，巖土體摩擦角迅速減小，抗剪強(qiáng)度迅速降低，甚至接近于0，從而形成滑面和滑帶，各類因素綜合下巖土體內(nèi)抗滑力小于下滑力，最終使得頭寨溝的巖體以巨型滑坡的形勢(shì)失穩(wěn)并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛聻?zāi)害。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

1)滑坡地質(zhì)災(zāi)害誘因數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集。

通過(guò)現(xiàn)有的滑坡計(jì)算機(jī)軟件專利和技術(shù)路線，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)手段，建立一套科學(xué)的高原山地滑坡災(zāi)害防治智能預(yù)警云服務(wù)平臺(tái)。對(duì)頭寨溝滑坡體特征、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、滑坡體現(xiàn)狀等因素的研究，確定出頭寨溝村滑坡災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，用傳感器采集正常情況和降雨時(shí)的土體粘聚力、土層位移、土壤含水量、孔隙水壓力、土層壓力、內(nèi)摩擦角引起滑坡地質(zhì)災(zāi)害的因素?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)降雨時(shí)產(chǎn)生的微小變化實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)更新到服務(wù)器做成大數(shù)據(jù)庫(kù)云平臺(tái)，為后期模擬分析提供數(shù)據(jù)支持。

2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析建模新方向。

通過(guò)傳感器采集正常情況和降雨時(shí)的土體粘聚力、土層位移、土壤含水量、孔隙水壓力、土層壓力、內(nèi)摩擦角的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依照坡體變形表現(xiàn)的內(nèi)部力學(xué)作用機(jī)理τ=σtanφ+c，建立降雨—滲流—變形滑動(dòng)的深度演化模型通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬分析(如圖2所示)，克服現(xiàn)有系統(tǒng)所存在的這些弊端和缺點(diǎn),做到在地質(zhì)內(nèi)部變形滑動(dòng)發(fā)生之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行預(yù)警防治，建立對(duì)滑坡災(zāi)害的內(nèi)部量變演化至外部質(zhì)變的長(zhǎng)期監(jiān)控這一超前預(yù)警研究方向。

3)監(jiān)測(cè)儀器預(yù)警警報(bào)功能。

一旦監(jiān)測(cè)到某地區(qū)的重要控制因素將要接近極限值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警警報(bào)，人工立即對(duì)該監(jiān)測(cè)地區(qū)進(jìn)行復(fù)核和分析，若情況屬實(shí)立即報(bào)告有關(guān)部門，同時(shí)可通過(guò)控制MCU(微控制單元)通訊向周圍的人發(fā)出預(yù)警警報(bào)，以及在夜間照明情況不良配合有閃爍射燈發(fā)出警報(bào)信息，讓周圍人遠(yuǎn)離該區(qū)域。

4)監(jiān)測(cè)儀器節(jié)能環(huán)保性。

監(jiān)測(cè)儀器初始監(jiān)測(cè)一次，之后根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際降雨及地質(zhì)變化情況定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，平時(shí)處在重點(diǎn)因子監(jiān)測(cè)狀態(tài)，在降雨季災(zāi)害多發(fā)期全面監(jiān)測(cè)，設(shè)備可回收再利用，減少能源消耗與浪費(fèi)；采用云平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)易于部署，占用資源少，建設(shè)和維護(hù)成本低，能在滑坡災(zāi)害易發(fā)地區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū)里大面積范圍安裝，設(shè)置多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，對(duì)滑坡災(zāi)害實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)及面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)效性好，有利于推進(jìn)云南省高原山地滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警全方位推廣，建立健全完善的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)防治網(wǎng)。

5)采用該研究方法對(duì)云南省昭通市東北約30 km的盤河鄉(xiāng)頭寨溝村內(nèi)滑坡體特征、地形地貌特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和雨季雨量綜合分析，將山體滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用到與云南省昭通市東北約30 km的盤河鄉(xiāng)頭寨溝村地質(zhì)情況一樣的地方，進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，以來(lái)保障人民安全。

3 結(jié)語(yǔ)

云南94%的區(qū)域?qū)儆诟咴降氐匦?，地形環(huán)境脆弱，易發(fā)生各種山體災(zāi)害，也是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，新的對(duì)滑坡災(zāi)害的內(nèi)部量變演化至外部質(zhì)變的長(zhǎng)期監(jiān)控這一超前預(yù)警方向監(jiān)測(cè)研究方向，預(yù)警系統(tǒng)能夠廣泛遍及在山體里，通過(guò)輔助地方政府在危險(xiǎn)區(qū)域山體的災(zāi)患點(diǎn)應(yīng)用滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)布置地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)，打破了傳統(tǒng)的只能監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)地質(zhì)變形發(fā)生后，解決重大地質(zhì)災(zāi)害隱患的“重、難、險(xiǎn)”問(wèn)題點(diǎn)監(jiān)測(cè)不到位問(wèn)題，及時(shí)對(duì)存在滑坡隱患區(qū)域進(jìn)行維護(hù)治理，做到提前預(yù)警保障生命財(cái)產(chǎn)安全。