降雨誘發(fā)滑坡傾斜變形試驗研究

劉漢東， 劉靜靜, 陳家興

(1.華北水利水電大學(xué) 巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)研究院,河南 鄭州 450046；2.河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點實驗室,河南 鄭州 450046)

中國是世界上滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，且滑坡規(guī)模大、機(jī)制復(fù)雜、危害大、防治難度高，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。因此，正確揭示滑坡變形規(guī)律，準(zhǔn)確識別滑坡的演化過程，建立合理的滑坡預(yù)警指標(biāo)是防災(zāi)減災(zāi)的重要手段[2]。

降雨是誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的主要因素之一[3]。國內(nèi)外學(xué)者從降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨持時、降雨類型、滑體材料特征等多個角度研究了降雨與滑坡的關(guān)系[4-6]。CAINE N[7]對降雨強(qiáng)度-持續(xù)時間與淺層滑坡和碎屑流的關(guān)系開展了研究，提出了降雨強(qiáng)度-持時指數(shù)關(guān)系，并將其作為降雨誘發(fā)淺層滑坡失穩(wěn)的降雨閾值。GLADE T[8]通過對新西蘭北島3個滑坡區(qū)降雨與滑坡關(guān)系的研究，提出了采用日降雨量、前期日降雨量、土體初始含水狀態(tài)3個模型來確定降雨臨界值。降雨條件下土體初始孔隙率會對滑坡失穩(wěn)后滑移速率產(chǎn)生較大的影響，相同的降雨條件下，孔隙率為0.5的砂土由于降雨而液化后，滑動速度瞬間達(dá)到1 m/s，而孔隙率為0.4的砂土則以2 mm/s的速度向前滑動[9]。

降雨強(qiáng)度-持續(xù)時間模型(I-D)是目前應(yīng)用的主要降雨型滑坡預(yù)警模型，基于最大降雨強(qiáng)度和累計降雨量這兩個降雨參數(shù)，可以計算降雨閾值，而可靠的降雨閾值是建立準(zhǔn)確的滑坡災(zāi)害預(yù)警的關(guān)鍵[10]。BRUNETTI M T等[11]通過對意大利753個誘發(fā)滑坡失穩(wěn)的降雨事件進(jìn)行分析，建立了基于降雨強(qiáng)度-持時關(guān)系的降雨閾值。此外，關(guān)于降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)理也得到深入的研究。KEEFER D K等[12]在加州舊金山灣地區(qū)開發(fā)了一個實時監(jiān)測系統(tǒng)，并成功地預(yù)測了重大山體滑坡事件。該系統(tǒng)是基于降雨與滑坡破壞之間的實證和理論關(guān)系、區(qū)域性滑坡雨量計的實時監(jiān)測以及國家氣象局的降雨預(yù)報開發(fā)的。然而，由于缺乏長期、準(zhǔn)確的滑坡事件統(tǒng)計與相應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)，很難有效分析一個獨立的滑坡事件與降雨事件之間的相關(guān)性，導(dǎo)致單一的降雨閾值預(yù)警方法不可靠[13-14]。

滑坡監(jiān)測預(yù)警是目前滑坡災(zāi)害管理的有效替代方案，而選取有效的監(jiān)測指標(biāo)、提高滑坡預(yù)測的可信度是其中的重難點[15]。劉漢東等[16]對滑坡預(yù)測預(yù)報方法的進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對非線性理論的特點及其在滑坡預(yù)測中的作用和意義進(jìn)行了闡述，基于對復(fù)雜地質(zhì)體的認(rèn)識，提出了定性、定量綜合集成的方法以及新的研究思路與發(fā)展方向。典型的滑坡預(yù)警系統(tǒng)是基于坡面的位移監(jiān)測[17-19]進(jìn)行研究。SAITO M[20]首先提出了基于蠕變理論預(yù)測滑坡失穩(wěn)時間的方法，通過函數(shù)擬合建立位移曲線函數(shù)，進(jìn)而根據(jù)其位移特性進(jìn)行預(yù)測。后來，國內(nèi)外學(xué)者將表面位移、位移速率、位移加速度等多個指標(biāo)與滑坡變形破壞的力學(xué)機(jī)制相結(jié)合而進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測[21-25]。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)傳感器(包括位移計)的安裝和維護(hù)都具有復(fù)雜性，不僅增加了成本，而且限制了這些系統(tǒng)的應(yīng)用。

隨著微電子計算機(jī)和通信等技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程自動化實時采集滑坡的變形信息基本得到實現(xiàn)。劉漢東等[26]在滑坡穩(wěn)定性分析和發(fā)展趨勢判別理論的基礎(chǔ)上，布設(shè)了表觀及深部變形、滲壓、降雨等監(jiān)測項目,建立了物聯(lián)網(wǎng)自動化監(jiān)測方案和預(yù)警系統(tǒng)，提出了滑坡多因素綜合預(yù)報理論體系并構(gòu)建了滑坡預(yù)測預(yù)報模型。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測預(yù)警模型廣泛應(yīng)用于滑坡的實時監(jiān)測，采用相對位移傳感技術(shù)和全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM)技術(shù)，可以對滑坡地表裂縫進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和有效性[27]。

王妙茜等[28]提出了基于滑坡破壞時的傾角變化來發(fā)布預(yù)警信息的監(jiān)測方法，通過傾角與位移及速率等預(yù)報參數(shù)的對比研究發(fā)現(xiàn)，基于傾角變化的預(yù)警方法更加實用有效。楊賀等[29]利用微芯樁監(jiān)測四川省雅安市瀘定縣黃草坪滑坡破壞過程中的傾角變化，分析了滑坡失穩(wěn)過程的傾角發(fā)展特征。UCHIMURA T等[30-31]利用角度傳感器MEMS模塊監(jiān)測滑坡變形，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實時數(shù)據(jù)，根據(jù)傾角傳感器和體積含水量傳感器所得數(shù)據(jù)發(fā)出預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，建議以0.01 (°)/h的傾斜率變化發(fā)出預(yù)防，以0.1 (°)/h的傾斜率變化發(fā)出預(yù)警。由于傾角傳感器成本低、安裝簡單，其已在一系列現(xiàn)場試驗和模型試驗中得到應(yīng)用。研究表明，基于滑坡破壞時的傾角變化來發(fā)布預(yù)警信息的監(jiān)測方法相比基于位移及速率的監(jiān)測方法更加實用有效[28]。

本文采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法，根據(jù)澠池縣槐扒滑坡工程地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)場調(diào)查情況，建立了滑坡坡角為25°的試驗?zāi)Ｐ?。在降雨誘發(fā)滑坡破壞的條件下，利用HCA726S傾角傳感器、微型土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、三維激光掃描儀、高清相機(jī)等試驗儀器分別對滑坡模型傾斜變形、應(yīng)力、位移云圖、坡面形態(tài)等進(jìn)行高精度監(jiān)測，分析滑坡演化過程中的傾斜變形以及應(yīng)力響應(yīng)特征,根據(jù)試驗結(jié)果總結(jié)滑坡演化失穩(wěn)過程并對滑坡進(jìn)行預(yù)測分析。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本文開展了一系列降雨滑坡物理模型試驗，試驗裝置主要包括滑坡模型、降雨裝置、監(jiān)測設(shè)備等，如圖1所示。其中，T1—T4分別表示安裝在坡面上的4個傾角傳感器，P1—P4和S1—S4分別表示安裝在滑體上的4個孔隙水壓力傳感器和4個土壓力傳感器。通過傾角傳感器、微型土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、三維激光掃描儀、高清相機(jī)等試驗儀器分別量測滑坡傾斜角、應(yīng)力、變形、坡面形態(tài)等的變化。

圖1 模型試驗裝置

滑坡模型主要包括模型箱、滑體材料和基巖3部分。根據(jù)滑坡模型相似理論和相似判據(jù)[32]，將豫西槐扒滑坡進(jìn)行等比例縮放，構(gòu)建滑坡物理模型試驗。根據(jù)豫西地區(qū)滑坡的平均坡度，將滑坡模型的坡角設(shè)定為25°。模型箱采用長1.6 m、寬0.5 m、高0.5 m的有機(jī)玻璃箱體，假設(shè)基巖各向同性且無變形，因此采用長1.0 m、寬0.5 m、高0.4 m的鋼板以25°角進(jìn)行焊接，從而以此模擬基巖，對其表面進(jìn)行輕度拋光處理。模型試驗所用的滑體材料為槐扒滑坡體原狀粉土，經(jīng)晾曬、過篩后備用。滑體呈平行四邊形，底邊長0.4 m，沿模型箱寬度方向延伸。通過室內(nèi)擊實試驗，得到土體最優(yōu)含水率為16%，最大干密度為1.76 g/cm3，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查豫西滑坡的密實程度，將試驗中粉土干密度控制在1.52 g/cm3。將土料拌水調(diào)配到模型試驗所需的含水率后，通過顆粒篩分試驗、擊實試驗、直剪試驗、滲透試驗等獲取土體顆粒級配曲線、干密度-含水率曲線和剪應(yīng)力-正壓力曲線分別如圖2、圖3和圖4所示，測得的模型材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 土體顆粒級配曲線

圖3 干密度-含水率曲線

圖4 剪應(yīng)力-正應(yīng)力曲線

表1 試驗土體物理力學(xué)參數(shù)

降雨裝置采用便攜式人工降雨系統(tǒng)，其有效降雨面積為4 m×4 m，降雨裝置高4 m，由27個不同尺寸的噴頭構(gòu)成。通過不同的壓強(qiáng)及噴頭組合控制降雨強(qiáng)度，雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為10～240 mm/h；降雨均勻度系數(shù)大于0.8，雨滴大小調(diào)控范圍為1.5～5.0 mm，降雨調(diào)節(jié)精度為3 mm/h(誤差率小于3%)；DCS全自動控制模式，液晶顯示屏顯示雨強(qiáng)數(shù)值和雨強(qiáng)曲線。根據(jù)豫西地區(qū)多年平均降雨量，本次模型試驗中采用50 mm/h的雨強(qiáng)，雨滴范圍自動調(diào)節(jié)。

試驗采用低成本、高精度的HCA726S雙軸傾角儀，該產(chǎn)品集成高新技術(shù)MEMS模塊，體積為56.0 mm×46.0 mm×20.5 mm，量程為±10°，精度為±0.008°，分辨率為0.000 1°，數(shù)據(jù)采集頻率為15 Hz。微型土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器的采集頻率為1 Hz，其參數(shù)見表2。三維激光掃描儀型號為FARO X330，該掃描儀分辨率大于 7 000萬彩色像素，能夠?qū)ξ挥?.6～330.0 m范圍內(nèi)的物體進(jìn)行掃描，測距誤差為±2 mm。

表2 土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器參數(shù)

1.2 試驗方法

為了探討傾角傳感器在滑坡災(zāi)變過程中的有效性，構(gòu)建降雨型滑坡演化狀態(tài)的傾斜行為。根據(jù)模型試驗材料特點，為保證初始條件下滑體模型的均質(zhì)性，對滑體模型采用分層填筑的方法。本次模型試驗滑坡坡角為25°，降雨強(qiáng)度為50 mm/h，降雨時間為300 min，在降雨過程中將高速相機(jī)和三維激光掃描儀架置于模型正前方，通過高清相機(jī)每隔10 min記錄一次坡面形態(tài)變化，利用三維激光掃描儀每隔20 min對坡面進(jìn)行掃描，形成三維地形點云數(shù)據(jù)，利用surfer得到三維豎向位移云圖。以40 mm×120 mm直角鐵片為基座，將固定在鐵片上的傾角傳感器T1插入滑坡模型的后緣，T2、T3和T4等距離(210 mm)安裝在滑坡模型的坡面上，鐵片插入滑體的深度為60 mm。傾角傳感器的兩個方向分別監(jiān)測滑坡縱向和橫向傾斜變形，其中滑坡縱向(Y軸向)為主滑方向，滑坡橫向(X軸向)與主滑方向垂直。將一系列孔隙水壓力傳感器P1、P2、P3、P4和微型土壓力傳感器S1、S2、S3、S4等間距埋設(shè)在滑坡體內(nèi)來監(jiān)測坡體應(yīng)力變化。其中，P1和S1分別代表滑體后緣孔隙水壓力和土壓力測點，P2、P3、P4和S2、S3、S4分別代表滑坡坡面自上而下的孔隙水壓力和土壓力測點，埋置深度均約為70 mm，它們之間的水平距離約為160 mm，試驗的儀器布置如圖1所示。最后將滑坡模型上所有監(jiān)測設(shè)備的另一端接入電腦來記錄滑坡破壞過程中的數(shù)據(jù)變化。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 滑坡演化失穩(wěn)過程

本次試驗中，在降雨強(qiáng)度為50 mm/h的條件下誘發(fā)滑坡破壞，由傾角傳感器監(jiān)測滑坡的傾斜變形，孔隙水壓力傳感器和土壓力傳感器監(jiān)測滑坡的坡體應(yīng)力，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對滑坡模型的演化過程進(jìn)行分析。

傾角傳感器監(jiān)測的角度-時間曲線如圖5所示。分析圖5可知：滑坡橫向(X軸向)變形曲線在滑坡演化過程中不會出現(xiàn)大幅度變化，試驗過程中主要監(jiān)測滑坡縱向(Y軸向)的傾斜變形；滑坡的傾斜變形曲線具有典型的非線性特征，可以分為基本穩(wěn)定階段、變形初始階段和變形失穩(wěn)階段。在滑坡模型的變形初始階段，坡面無明顯的垮塌破壞現(xiàn)象，滑動面還未形成，傾角傳感器可以監(jiān)測到坡面微小的變形，基于此可提出相應(yīng)的預(yù)防措施；在滑坡模型的變形失穩(wěn)階段，模型出現(xiàn)顯著的破壞特征，可以將該階段作為滑坡臨滑預(yù)報的關(guān)鍵階段?；履Ｐ偷难莼^程表現(xiàn)為：在降雨初始階段，滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，標(biāo)志點未發(fā)生明顯位移，坡面未出現(xiàn)明顯變形和裂縫；隨著降雨的入滲，滑坡土體強(qiáng)度逐漸降低，滑坡進(jìn)入初始變形階段，滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，滑坡前緣土體的抗剪強(qiáng)度小于剪應(yīng)力而首先發(fā)生降雨侵蝕現(xiàn)象，隨著滑坡前緣的細(xì)溝逐漸加深變寬，滑坡前緣發(fā)生局部滑塌現(xiàn)象，滑坡中后部未見裂縫出現(xiàn)；隨著降雨持續(xù)，垮塌部分由坡腳逐漸向滑坡中后部擴(kuò)展，垮塌面積逐漸變大，降雨180 min后，滑坡坡面的中后部出現(xiàn)剪切破壞；隨著降雨持續(xù)，坡面垮塌不斷向后緣發(fā)展，降雨280 min左右，滑坡后緣出現(xiàn)沉降，最終形成前緣牽引式滑動破壞。

由圖5還可以看出，同一滑坡不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的傾斜變形特征，具體表現(xiàn)為：傾角傳感器T4監(jiān)測的角度變化曲線在70 min時開始緩慢上升，明顯早于滑坡其他區(qū)域傾角傳感器監(jiān)測到的，說明該滑坡區(qū)域最先開始發(fā)生微小的傾斜變形。由于滑坡前緣在重力和降雨的作用下最先出現(xiàn)沖溝和局部滑塌，對應(yīng)的該滑坡模型區(qū)域進(jìn)入變形初始階段。降雨持續(xù)到120 min左右，傾角傳感器T4的變形曲線斜率不斷增加，滑坡前緣進(jìn)入變形失穩(wěn)階段而首先發(fā)生垮塌破壞。緊接著T3、T2和T1的傾斜變形曲線開始緩慢上升，其角度變化率依次減小，這是由于降雨入滲導(dǎo)致滑坡體的有效應(yīng)力降低，滑坡的變形由坡腳不斷向后發(fā)展，滑坡中后部也相繼發(fā)生緩慢變形。隨著降雨持續(xù)，垮塌部分由坡腳向滑坡中后部擴(kuò)展，直至傾角傳感器T3、T2和T1監(jiān)測的傾斜變形曲線進(jìn)入變形失穩(wěn)階段。

圖5 傾角傳感器T1—T4監(jiān)測的角度-時間曲線

在降雨條件下，該滑坡模型呈前緣牽引式滑動破壞，滑坡前緣首先出現(xiàn)局部垮塌，隨著降雨的持續(xù)，垮塌部分由坡腳擴(kuò)展到整個坡面，直至滑坡進(jìn)入整體滑動破壞。由于坡腳在降雨條件下最先發(fā)生垮塌，相對應(yīng)傾角傳感器T4的角度-時間曲線最先出現(xiàn)上升現(xiàn)象，因此根據(jù)T4的傾斜變形曲線可以判斷滑坡預(yù)兆信息。在滑坡的變形初始階段，傾角傳感器周圍滑坡區(qū)域沒有發(fā)生明顯破壞，當(dāng)傾角傳感器的角度-時間曲線進(jìn)入變形失穩(wěn)階段，滑坡的傾斜變形率增大，滑坡進(jìn)入加速破壞階段，在該階段可以觀察到傾角傳感器的滑坡區(qū)域出現(xiàn)明顯的破壞特征，直至滑坡完全破壞。所以，可以將曲線的變形初始階段作為滑坡發(fā)生的預(yù)警階段，將傾角變化率作為滑坡破壞的預(yù)警值。

在滑坡演化過程中，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力和土壓力的變化特征反映了滑體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的傳遞與轉(zhuǎn)移過程，以及滑體內(nèi)部的滑動與擠壓過程?？紫端畨毫鞲衅鱌1和土壓力傳感器S1埋設(shè)在滑坡后緣，P2、P3、P4(S2、S3、S4)代表滑坡坡面自上而下的孔隙水壓力(土壓力)測點，監(jiān)測的孔隙水壓力和土壓力變化過程如圖6所示。由圖6(a)可知，滑坡體內(nèi)孔隙水壓力變化過程可劃分為3個階段：緩慢增長、加速增長、快速下降。降雨初期，由于孔隙內(nèi)氣體的存在，滑坡體內(nèi)并未形成穩(wěn)定的滲透通道，滑坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隨著降雨由坡面向坡體內(nèi)部逐漸滲透，孔隙水壓力增長緩慢；降雨入滲使土體由非飽和狀態(tài)向飽和狀態(tài)過渡，坡體滲透系數(shù)增加，逐漸形成穩(wěn)定的滲透通道，孔隙水壓力處于快速增長階段；由于雨水的匯聚效應(yīng)，坡面上孔隙水壓力測點P4、P3、P2、P1依次開始顯著增長，當(dāng)土體抗剪強(qiáng)度小于剪應(yīng)力時，滑坡失穩(wěn)滑動，孔隙水得以快速釋放，孔隙水壓力顯著降低。降雨70 min左右，P4的孔隙水壓力快速增長，坡腳區(qū)域發(fā)生降雨侵蝕現(xiàn)象，滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞；降雨120 min左右，坡腳發(fā)生滑塌破壞，P4的孔隙水壓力快速下降，該曲線變化形態(tài)與傾角傳感器T3的傾斜變形曲線基本一致。隨著降雨入滲強(qiáng)度增加，P3、P2的孔隙水壓力進(jìn)入加速增長階段，滑坡進(jìn)入初始蠕滑階段，隨著垮塌范圍從坡腳向后緣擴(kuò)展，P3的孔隙水壓力開始出現(xiàn)下降，該滑坡區(qū)域逐漸發(fā)生破壞；降雨180 min左右，后緣拉裂縫貫通整個坡面，滑坡后緣出現(xiàn)臺階式滑動，P1、P2的孔隙水壓力依次快速下降，滑坡發(fā)生整體滑動破壞。隨著降雨入滲強(qiáng)度的增大，土體含水量增加，導(dǎo)致坡體容重增大，土壓力緩慢增加。由于滑體下滑趨勢增強(qiáng)，導(dǎo)致土體被逐漸壓密，也會引起土壓力緩慢增長。因此，在滑坡演化過程中，坡腳在降雨條件下最先發(fā)生滑塌，由于滑體內(nèi)部的滑動擠壓作用，坡腳處的土壓力明顯高于滑坡模型其他區(qū)域的(圖6(b))。

圖6 孔隙水壓力、土壓力變化過程

根據(jù)以上試驗結(jié)果分析，在滑坡的演化過程中，由傾角傳感器監(jiān)測的滑坡的傾斜變形曲線與坡體應(yīng)力變化具有一致性。因此，利用傾角傳感器可以監(jiān)測滑坡的傾斜變形，根據(jù)角度-時間曲線可判斷滑坡預(yù)兆信息。根據(jù)滑坡傾斜變形曲線和坡體應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)一步分析滑坡的演化過程。

2.2 滑坡預(yù)測分析

根據(jù)角度-時間變化曲線分析，滑坡傾斜變形經(jīng)歷了從變形初始階段到變形失穩(wěn)階段，最終完全破壞的全過程?；略谧冃纬跏茧A段，其傾斜變形曲線出現(xiàn)上升，可以計算出滑坡的開始破壞時間?；略谂R滑前會經(jīng)歷加速變形階段，當(dāng)進(jìn)入變形失穩(wěn)階段，滑坡角度變化率增大，可以進(jìn)一步計算出滑坡的完全破壞時間。因此，根據(jù)滑坡的傾斜變形曲線可以分析滑坡的演化過程，并進(jìn)一步預(yù)測滑坡的破壞時間。

根據(jù)傾角傳感器監(jiān)測的角度-時間曲線，可以觀察到滑坡在變形初始階段曲線緩慢上升，在變形失穩(wěn)階段角度變化率增加，傾斜變形曲線陡升，而角度變化率與時間呈線性關(guān)系，如圖7所示。

圖7 滑坡演化階段數(shù)據(jù)的分析圖[33]

本文基于以滑坡破壞前的傾斜特性與持續(xù)時間的相關(guān)性來預(yù)測滑坡破壞的思想[33]，研究滑坡在變形初始階段和變形失穩(wěn)階段角度變化率的倒數(shù)與時間之間的線性關(guān)系，基于此線性關(guān)系提出線性相關(guān)方程，并利用該方程預(yù)測滑坡開始破壞和完全破壞的時間。

根據(jù)角度-時間變化曲線，角度變化率采用方程(1)進(jìn)行計算：

(1)

在該研究中，考慮到監(jiān)測數(shù)據(jù)波動的影響，在滑坡開始破壞前的變形初始階段選取的角度變化間隔為0.1°的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行分析，在滑坡完全破壞前的變形失穩(wěn)階段選取角度變化間隔為0.5°的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行分析。

(2)

根據(jù)以上分析方法，將傾角傳感器T1—T4監(jiān)測得到的角度-時間曲線變形初始階段和變形失穩(wěn)階段的角度數(shù)據(jù)代入式(2)，可以得到角度變化率的倒數(shù)與時間的線性關(guān)系，并做出相應(yīng)的擬合線，當(dāng)角度變化率的倒數(shù)為0 min/(°)時，對應(yīng)的即為滑坡開始破壞和完全破壞的時間。由T1、T2、T3和T4得到的角度變化率倒數(shù)與時間的變化關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 變形初始階段角度變化率的倒數(shù)隨時間的變化

圖9 變形失穩(wěn)階段角度變化率的倒數(shù)隨時間的變化

由圖8可知，在變形初始階段，由線性方程計算T4、T3、T2和T1處區(qū)域開始破壞的時間分別為92.65、175.58、195.50、202.33 min。由圖9可知，在變形失穩(wěn)階段，由T4、T3、T2和T1角度變化率倒數(shù)與時間的擬合線計算滑坡完全破壞的時間分別為154.27、186.23、217.54、284.35 min。

在滑坡演化過程中，由于坡腳在降雨條件下首先發(fā)生局部破壞，傾角傳感器T3首先監(jiān)測到滑坡的傾斜變形，隨著滑塌部分逐漸向上延伸至滑坡中部，傾角傳感器T2監(jiān)測到滑坡中部開始發(fā)生傾斜變形，緊接著坡腳完全滑塌，傾角傳感器T3達(dá)到量程而失效；隨著降雨的持續(xù)，滑坡后緣的拉裂縫向下延伸至貫通整個坡面，滑坡后緣發(fā)生微小的錯臺式滑動，傾角傳感器T1開始監(jiān)測到滑坡的傾斜變形，滑塌部分由坡腳向上延伸至滑坡中部完全破壞，傾角傳感器T2達(dá)到量程而失效，最后滑坡發(fā)生整體滑動，滑坡后緣的傾角傳感器T1達(dá)到量程而失效。

根據(jù)試驗過程中得到的滑坡失穩(wěn)過程的坡面形態(tài)如圖10所示，將三維激光掃描儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入Surfer進(jìn)行分析，得到滑坡失穩(wěn)過程中豎向位移云圖，如圖11所示。由圖10和圖11可知，在滑坡的演化過程中，其破壞模式是前緣牽引式破壞，具體表現(xiàn)為：降雨持續(xù)90 min后，坡腳首先發(fā)生局部破壞，坡面無明顯的變形；隨著降雨持續(xù)，滑坡前緣的細(xì)溝逐漸加深變寬，滑坡前緣發(fā)生局部滑塌現(xiàn)象，滑坡中后部未見裂縫出現(xiàn)；隨著降雨持續(xù)，垮塌部分由坡腳逐漸向滑坡中后部擴(kuò)展，垮塌面積逐漸變大，降雨180 min后，滑坡坡面的中后部出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，由T3監(jiān)測的角度逐漸變大直至其達(dá)到量程而失效；降雨200 min后，垮塌部分由坡腳擴(kuò)展至整個坡面，傾角傳感器T2失效；降雨280 min后，由于滑坡后緣出現(xiàn)沉降，滑坡失去支撐后最終導(dǎo)致滑坡整體滑動，傾角傳感器T1達(dá)到量程而失效。

圖10 不同時刻滑坡坡面形態(tài)圖

圖11 不同時刻滑坡豎向位移云圖

因此，根據(jù)傾角傳感器監(jiān)測的角度-時間曲線預(yù)測滑坡開始破壞與完全破壞時間與滑坡實際破壞時間基本一致。

3 討論

本研究的目的是為了驗證傾角傳感器在滑坡演化過程中的有效性，從而進(jìn)一步根據(jù)其傾斜變形曲線預(yù)測滑坡破壞時間。

傾角傳感器是利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開發(fā)的一種新型、低成本實時監(jiān)測系統(tǒng)[34]，本研究中每個傾角傳感器的成本約1 600元，安裝過程少于5 min?；贗VERSON R M等[35]的模型試驗結(jié)果分析，滑坡的角度隨著位移的增加而增加。因此，可以將滑坡的傾斜行為視為滑坡的指示信息，這樣可以在一定程度上實現(xiàn)大面積部署，提高了預(yù)警效率，進(jìn)一步提升了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測水平。

XIE J R等[33]通過一系列模型試驗和現(xiàn)場試驗研究了滑坡的傾斜行為，基于坡面傾斜變形提出預(yù)測滑坡發(fā)生的新方法。與本研究結(jié)果不同的是該研究中的角度-時間曲線沒有明顯的階段性變形特性，其傾斜變形曲線由平緩到突然上升的過程如圖12所示。分析其可能原因如下：①試驗中傾角傳感器選擇的差異性。本滑坡模型試驗研究所用的傾角傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為15 Hz，XIE J R等在研究中所用的傾角傳感器的采集頻率為1 Hz,采集頻率越高，時域內(nèi)信號分辨率越高，采集到的信號越接近原始信號。②試驗持續(xù)時間的差異性。本研究的降雨模型試驗持續(xù)時間約300 min，而XIE J R等的降雨模型試驗的持續(xù)時間約為50 min。因此，可以猜測：降雨時間短，則滑坡的蠕變變形不明顯；隨著降雨量逐漸接近閾值，滑坡產(chǎn)生較大的傾斜變形而加速破壞。

圖12 傾角傳感器T1和T2監(jiān)測坡面傾斜時程[33]

本文以角度-時間曲線為主要監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合坡體應(yīng)力、變形云圖以及坡面形態(tài)分析滑坡的傾斜變形及演化過程。在降雨條件下,滑坡傾斜變形不僅發(fā)生在坡體表層，具有向坡體內(nèi)部逐漸擴(kuò)展的趨勢，促使滑坡向不穩(wěn)定的方向發(fā)展?；缕茐倪^程中坡面形態(tài)、變形云圖以及坡體應(yīng)力的變化趨勢與滑坡的傾斜變形曲線基本一致。

變形初始階段是滑坡發(fā)生的預(yù)防階段，滑坡在該階段無明顯的開裂跡象，滑動面還未形成，由傾角傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，坡體發(fā)生微小的傾斜變形，沒有明顯的破壞。為了及時采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施，減少災(zāi)害發(fā)生，可以根據(jù)該階段的傾斜變形曲線預(yù)測滑坡的開始破壞時間。當(dāng)滑坡進(jìn)入變形失穩(wěn)階段，后緣拉裂縫變形加速，滑動面開始貫通，滑坡整體開始滑動，因此變形失穩(wěn)階段是滑坡臨滑預(yù)報的關(guān)鍵階段。根據(jù)角度-時間曲線的變形初始階段可以得到角度變化率倒數(shù)與時間的線性關(guān)系，并提出相應(yīng)的線性方程(式2)，以方程中的傾斜率倒數(shù)為0 min/(°)時作為閾值，可得出滑坡坡下、坡中、坡上以及滑坡后緣的開始破壞時間分別為92.65、175.58、195.50、202.33 min。同理，根據(jù)曲線的變形初始階段，由T4、T3、T2和T1角度變化率倒數(shù)與時間的擬合線計算得到滑坡完全破壞時間分別為154.27、186.23、217.54、284.35 min。通過與試驗結(jié)果對比分析，表明利用該方程預(yù)測滑坡破壞時間與本次試驗記錄的滑坡實際破壞時間基本一致。因此，利用滑坡的傾斜變形預(yù)測滑坡的破壞時間是一種簡單高效的方法。

4 結(jié)論

本文采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法，在降雨誘發(fā)滑坡破壞的條件下，分析滑坡演化過程及其傾斜變形特征，并根據(jù)傾角傳感器監(jiān)測得到的角度-時間變化曲線，預(yù)測滑坡的開始破壞時間和完全破壞時間。主要結(jié)論如下：

1)傾角傳感器作為一種新型監(jiān)測儀器，由于其成本低、精度高且安裝簡單，可以廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測。

2)通過分析傾角傳感器監(jiān)測的角度-時間試驗曲線，可以將滑坡演化過程分為基本穩(wěn)定階段、變形初始階段和變形失穩(wěn)階段。結(jié)合模型試驗的傾斜變形曲線及其演化狀態(tài)，可以將變形初始階段作為判斷滑坡失穩(wěn)的預(yù)警信息。

3)根據(jù)滑坡傾斜變形曲線可以預(yù)測滑坡的破壞時間。利用角度-時間曲線的變形初始階段和變形失穩(wěn)階段分析角度變化率的倒數(shù)與時間的線性關(guān)系，提出相應(yīng)的擬合方程，將方程傾斜率的倒數(shù)設(shè)為0 min/(°)作為閾值，可以進(jìn)一步預(yù)測滑坡的開始破壞時間和完全破壞時間。并且，其預(yù)測時間與滑坡演化過程中的坡面形態(tài)、位移云圖、坡體應(yīng)力等參數(shù)具有一致性。