何滿潮, 韓 雪, 張 斌, 陶志剛
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)北京100083;2.黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150027)
滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)與工程應(yīng)用
何滿潮1,2, 韓 雪2, 張 斌1, 陶志剛1
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)北京100083;2.黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150027)
針對(duì)傳統(tǒng)滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)存在的問(wèn)題,提出“滑坡發(fā)生的充分必要條件是滑動(dòng)力大于滑動(dòng)面抗滑力,并將滑動(dòng)力的變化作為滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)主要參數(shù)”的學(xué)術(shù)思想。以工程邊坡為研究背景,開(kāi)發(fā)滑坡超前滑動(dòng)力物理模擬實(shí)驗(yàn)、工程災(zāi)害物理模型實(shí)驗(yàn)等系統(tǒng)。采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、物理和數(shù)值模擬等綜合研究方法,建立力學(xué)模型,推導(dǎo)了相關(guān)公式,研發(fā)恒阻大變形纜索及其滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治—加固—監(jiān)測(cè)—預(yù)報(bào)一體化控制技術(shù)。研發(fā)基于滑動(dòng)力變化的滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)新技術(shù)及裝備系統(tǒng),通過(guò)大量實(shí)測(cè)曲線分析,總結(jié)四種相應(yīng)的滑坡預(yù)警模式。結(jié)果表明,自2006年以來(lái),該項(xiàng)技術(shù)已在露天煤礦和金屬礦開(kāi)采、西氣東輸、高速公路等工程邊坡及其他自然邊坡中成功推廣應(yīng)用,取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
滑坡地質(zhì)災(zāi)害;滑動(dòng)力;遠(yuǎn)程實(shí)時(shí);監(jiān)測(cè);預(yù)報(bào)
滑坡地質(zhì)災(zāi)害是人類面臨的主要自然災(zāi)害之一,長(zhǎng)期嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)安全[1]。研發(fā)更有效的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)新技術(shù),對(duì)于防控滑坡災(zāi)害發(fā)生,降低災(zāi)害損失,具有重大的理論和實(shí)際意義?;掳l(fā)生與否決定于滑動(dòng)力和抗滑力之間的平衡狀態(tài)變化。近百年來(lái),已有的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)主要針對(duì)位移、裂縫等物理力學(xué)指標(biāo)[2-11],這些指標(biāo)只是產(chǎn)生滑坡的必要條件而非充分條件,這是目前滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的主要原因。因此,探索滑坡發(fā)生的充分必要條件及其可測(cè)參數(shù),是新技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題。在眾多學(xué)者長(zhǎng)期研究和探索的基礎(chǔ)上[2-13],筆者以滑坡滑動(dòng)力與抗滑力相互作用規(guī)律及滑坡發(fā)生的充分必要條件等關(guān)鍵性問(wèn)題為突破點(diǎn),運(yùn)用災(zāi)害地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土工程、工程力學(xué)等多學(xué)科理論,建立滑坡超前滑動(dòng)力物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、工程災(zāi)害物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和軟巖水理作用測(cè)試系統(tǒng),采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、物理和數(shù)值模擬等綜合研究方法,結(jié)合現(xiàn)代通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)研究,研發(fā)基于滑動(dòng)力變化的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)新技術(shù)。
在滑坡發(fā)生前,邊坡表面一定會(huì)產(chǎn)生位移和裂縫,但是,發(fā)生位移和裂縫并不意味著一定會(huì)發(fā)生滑坡。也就是說(shuō),這些現(xiàn)象只是滑坡發(fā)生的必要條件,并不是充分條件。圖1為自主研發(fā)的滑坡超前滑動(dòng)力物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、工程災(zāi)害物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和軟巖水理作用測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析,在滑坡發(fā)生前和發(fā)生的過(guò)程中,潛在滑動(dòng)面上的滑動(dòng)力首先發(fā)生變化,邊坡巖體滑動(dòng)力與抗滑力之間的平衡不斷被打破,又不斷形成新的平衡,滑坡發(fā)生與否決定于滑動(dòng)力和抗滑力之間的平衡狀態(tài)變化。當(dāng)滑動(dòng)力為主要因素時(shí),即發(fā)生滑動(dòng);當(dāng)滑動(dòng)力為次要因素時(shí),邊坡便穩(wěn)定?;瑒?dòng)力的變化先于位移、裂縫產(chǎn)生,當(dāng)監(jiān)測(cè)到巖體有明顯變形時(shí),邊坡已經(jīng)發(fā)生了一定程度的滑動(dòng)破壞。因此,滑坡前的滑動(dòng)力變化可以作為預(yù)測(cè)滑坡的充分必要條件?;诖私ⅰ盎掳l(fā)生的充分必要條件是滑動(dòng)力大于滑動(dòng)面抗滑力,并將滑動(dòng)力的變化作為滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)主要參數(shù)”的學(xué)術(shù)思想,并確立把對(duì)位移、裂縫等變化的常規(guī)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)力變化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)滑坡地質(zhì)災(zāi)害”的技術(shù)途徑。
圖1 滑坡過(guò)程物理模型和水理測(cè)試實(shí)驗(yàn)Fig.1 Physical experimental and water-physical properties testing of landslide process
滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵就是掌握滑動(dòng)力相對(duì)于抗滑力的變化動(dòng)態(tài)。但是,天然力學(xué)系統(tǒng)的力學(xué)量是不能夠直接監(jiān)測(cè)的。為了解決這一難點(diǎn),通過(guò)恒阻大變形纜索穿過(guò)滑動(dòng)面,對(duì)邊坡巖體施加一個(gè)預(yù)應(yīng)力P,參與到滑坡力學(xué)系統(tǒng)中。通過(guò)可以直接測(cè)出的擾動(dòng)力P,可以推導(dǎo)擾動(dòng)力和滑動(dòng)力之間的函數(shù)關(guān)系,最終得到滑動(dòng)力的變化量。邊坡滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)力學(xué)模型見(jiàn)圖2。
由力的平衡原理,推導(dǎo)邊坡滑動(dòng)力為
式中:Gt——滑動(dòng)力,kN;
P——擾動(dòng)力,kN。
式中:G——滑體重力,kN;
α——滑動(dòng)面與水平面夾角,(°);
θ——監(jiān)測(cè)纜索加固角,(°);
c——滑動(dòng)面各土層黏聚力的加權(quán)平均值,kPa;
l——滑動(dòng)面長(zhǎng)度,m。
圖2 滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)力學(xué)模型原理Fig.2 Mechanical model
針對(duì)傳統(tǒng)錨索無(wú)法適應(yīng)滑坡大變形而破斷失效的問(wèn)題,研發(fā)了具有加固阻力恒定條件下適應(yīng)滑坡大變形特性的恒阻大變形纜索,見(jiàn)圖3。最大恒阻力可以達(dá)到850 kN,保持恒阻的變形量可達(dá)2 000 mm。
圖3 恒阻大變形纜索及其力學(xué)特性Fig.3 Large deformation cable with constant resistance and its mechanical property
圖4為恒阻大變形纜索能量本構(gòu)關(guān)系,結(jié)合恒阻大變形纜索和邊坡巖體相互作用的能量平衡方程,可以推導(dǎo)出滑動(dòng)力和位移的解。即
式中:EI——恒阻大變形纜索抵抗變形能量;
EII——恒阻大變形纜索吸收變形能量;
P0——纜索設(shè)計(jì)恒阻力,kN;
Uc——纜索極限變形量,m;
U0——纜索材料變形量,m;
ΔS——滑體沿潛在滑面滑移距離,m;
ΔF——滑動(dòng)力大小,kN。
圖4 恒阻大變形纜索與邊坡巖體作用能量變化曲線Fig.4 Interaction energy curve between CRLD cable and rock mass
圖5為進(jìn)行滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治—加固—監(jiān)測(cè)—預(yù)報(bào)一體化控制方法。
圖5 滑坡地質(zhì)災(zāi)害一體化控制方法Fig.5 Control method for landslide disaster
基于滑動(dòng)力變化的滑坡災(zāi)害遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)裝備,其硬件和軟件系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)兩部分構(gòu)成?,F(xiàn)場(chǎng)部分包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程發(fā)射裝備;室內(nèi)部分包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、分析及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該裝備系統(tǒng)通過(guò)邊坡滑動(dòng)力遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅預(yù)報(bào)邊坡的穩(wěn)定性,而且數(shù)據(jù)分析處理實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化,用戶可以通過(guò)Internet訪問(wèn)監(jiān)控中心服務(wù)器獲取預(yù)報(bào)信息。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖6。
圖6 工作原理Fig.6 Working principle
滑動(dòng)力變化的現(xiàn)場(chǎng)感知、采集、儲(chǔ)存和發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成包括力學(xué)傳感器、力學(xué)信號(hào)采集、存儲(chǔ)和發(fā)射模塊、點(diǎn)—面狀信息集中采集與傳輸設(shè)備、北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)射裝置和數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)(圖7),恒阻大變形纜索、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等。
圖7 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵元件Fig.7 Core components
裝備系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成邊坡滑動(dòng)力信息的傳感、自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)無(wú)線發(fā)射到北斗衛(wèi)星,然后由北斗衛(wèi)星通訊平臺(tái)發(fā)送到監(jiān)測(cè)預(yù)警中心。
室內(nèi)數(shù)據(jù)接收、分析和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖8。包括信號(hào)接收裝置、數(shù)據(jù)處理—分析系統(tǒng)、基于3S技術(shù)的3D監(jiān)測(cè)工程圖像搜索顯示系統(tǒng),以及數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理軟件系統(tǒng)。室內(nèi)設(shè)備接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù),并輸入到計(jì)算機(jī)第一數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ),然后通過(guò)分析軟件基于力學(xué)模型對(duì)第一數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)處理,形成第二數(shù)據(jù)庫(kù),并動(dòng)態(tài)繪制監(jiān)測(cè)曲線,根據(jù)預(yù)警模式和預(yù)警準(zhǔn)則給出邊坡穩(wěn)定狀態(tài)提示信息。數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)引入了基于3S技術(shù)的3D工程圖像搜索系統(tǒng),可搜索并顯示所有監(jiān)測(cè)工程的3D影像,見(jiàn)圖9。
圖8 室內(nèi)接收、處理系統(tǒng)Fig.8 Receiving system indoor location
圖9 室內(nèi)3D圖像自動(dòng)搜索界面Fig.9 Automatic search interface of 3D figure
基于滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)原理,對(duì)大量實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行分析,不斷對(duì)監(jiān)測(cè)曲線特征與邊坡穩(wěn)態(tài)關(guān)系進(jìn)行研究和完善,總結(jié)四種預(yù)警模式,即穩(wěn)定模式、潛在不穩(wěn)定模式、裂縫模式和滑移模式。
圖10a為穩(wěn)定模式,滑動(dòng)力隨著時(shí)間t的延續(xù)沒(méi)有明顯變化,表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。
隨著時(shí)間t的延續(xù),滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)曲線上升,表明邊坡處于潛在不穩(wěn)定狀態(tài),見(jiàn)圖10b。
圖10c可見(jiàn),滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)曲線產(chǎn)生突然上升的跳躍,表明邊坡表面出現(xiàn)裂縫,根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn),大跳躍表示大裂縫,小跳躍表示小裂縫。
圖10d為滑移模式,滑動(dòng)力監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)近垂直的突降,這時(shí)現(xiàn)場(chǎng)邊坡出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,多次突降現(xiàn)象后,邊坡失穩(wěn)發(fā)生滑坡。
圖10 預(yù)警模式Fig.10 Warning model
目前,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)11個(gè)地區(qū)168個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了成功應(yīng)用和推廣,涉及古滑坡體、高陡黃土自然邊坡、城建邊坡、露天煤礦開(kāi)采、金屬礦開(kāi)采、西氣東輸及公路等工程邊坡監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)近6年的監(jiān)測(cè)實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了短期和臨滑預(yù)警。
2006年,該技術(shù)與裝備系統(tǒng)首先在內(nèi)蒙古平莊西露天煤礦進(jìn)行實(shí)施。期間,對(duì)采場(chǎng)工作幫、非工作幫和斷層滑坡區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。2007年,工作幫和斷層滑坡區(qū)分別發(fā)生了一次滑坡,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別提前24、30 d成功預(yù)警,過(guò)程預(yù)報(bào)見(jiàn)圖11。根據(jù)預(yù)報(bào)避免了人員傷亡和設(shè)備損失。該技術(shù)使西露天煤礦的開(kāi)采服務(wù)年限延長(zhǎng)了8a。
2007年,技術(shù)與裝備系統(tǒng)在西氣東輸管線陜西省子長(zhǎng)段沿線邊坡實(shí)施。期間對(duì)西氣東輸管線DD258-DD259樁號(hào)間高陡黃土邊坡進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。2008年3月,降雨誘發(fā)黃土邊坡發(fā)生裂縫災(zāi)害1次,系統(tǒng)提前21 d成功預(yù)警,監(jiān)測(cè)預(yù)警曲線見(jiàn)圖12。由于邊坡加固處理及時(shí),避免了嚴(yán)重的管線爆炸事故,保證了管線的安全運(yùn)營(yíng)和東南沿海城市天然氣正常供應(yīng)。
圖11 平莊滑坡”過(guò)程預(yù)報(bào)Fig.11 Landslide land slide”in pingzhuang open pit mine
圖12 西氣東輸工程“08-0313滑塌”過(guò)程預(yù)報(bào)Fig.12 Case of 08-0313 landslides at W-E pipeline project
2010年,技術(shù)與裝備系統(tǒng)在本溪鋼鐵(集團(tuán))南芬露天鐵礦實(shí)施。期間對(duì)采場(chǎng)下盤(pán)700 m高陡邊坡進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。2010和2011年,開(kāi)挖和降雨聯(lián)合誘發(fā)采場(chǎng)430平臺(tái)、526平臺(tái)和334平臺(tái)共發(fā)生滑坡和裂縫災(zāi)害3次,系統(tǒng)均提前3~5 d成功預(yù)警,預(yù)警曲線見(jiàn)圖13。過(guò)程預(yù)報(bào)避免了滾石和滑體對(duì)人員和設(shè)備的損害,實(shí)現(xiàn)了邊坡開(kāi)挖安全的可控管理,使十年不能開(kāi)采的千萬(wàn)噸礦體實(shí)現(xiàn)了安全回采。
圖13 南芬露天鐵礦過(guò)程預(yù)報(bào)Fig.13 Land slides in nanfen
基于將滑動(dòng)力的變化作為滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)主要參數(shù)的學(xué)術(shù)思想,確立了通過(guò)監(jiān)測(cè)滑動(dòng)力變化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的技術(shù)途徑。在一體化控制技術(shù)的研發(fā)中,采用恒阻大變形纜索,最大恒阻力達(dá)850 kN,保持恒阻變形量達(dá)2 000 mm,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。自2006年,項(xiàng)目核心技術(shù)和研究成果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。目前,已在露天煤礦開(kāi)采、金屬礦開(kāi)采、西氣東輸、高速公路等工程邊坡和其他自然邊坡中成功應(yīng)用和推廣,收到顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該技術(shù)不僅適用于礦山、鐵路、公路、水利水電等工程邊坡,也適用于山體等其他自然邊坡的滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。
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Real-time remote monitoring and forecasting technology for landslide disasters based on sliding force variation and its engineering application
HE Manchao1,2, HAN Xue2, ZHANG Bin1, TAO Zhigang1
(1.China University of Mining & Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.College of Civil Engineering,Heilongjiang Institute of Science& Technology,Harbin 150027,China)
Aimed at the problems negatively affecting traditional monitoring and forecasting technology of landslide geological disasters,this paper highlights the academic thinking,“the necessary and sufficient condition of the occurrence of landslide is that the sliding force is greater than the anti-sliding force of the sliding surface,and the sliding force changes are regarded as the main parameters of landslide monitoring and forecasting”.Based on the research background of engineering slope,the paper introduces many systems developed,such as physical simulation experiments of landslide ahead of sliding force and physical model experiments of engineering disasters,followed by some comprehensive research methods,including indoor and field tests,physical and numerical simulation methods,describes the development of mechanical model,related formulas,and the large deformation cable of constant resistance and its control technology incorporated with 4 in 1 function,i.e.reinforcement,controlling and prevention,monitoring,and forecasting of the side slope,along with landslide remote monitoring and forecasting new technology and its equipment system which is based on sliding force changes,and provides the corresponding landslide forecasting models through the analysis of large quantities of measured curve.The successful use of this technology in many provinces and regions in China has yielded some remarkable economic and social benefits.
landslide geological disaster;sliding force;real time remote;monitoring;forecasting
P642.22
A
1671-0118(2012)04-0337-06
2012-07-10
何滿潮(1956-),男,河南省靈寶市人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:軟巖、邊坡及工程地質(zhì),E-mail:hanxue69@yahoo.cn。
(編輯 徐 巖)