喻 小，趙 其 華，張 埕 豪，劉 俊 鵬

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

我國(guó)山地眾多，城鎮(zhèn)化發(fā)展向山區(qū)擴(kuò)展已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)，勢(shì)必帶來(lái)一些山區(qū)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、泥石流、崩塌等。其中以滑坡最為典型，每年給我國(guó)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，尤以西南山地區(qū)域損失最為嚴(yán)重[1]。對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息是減少損失的一種最直接有效的方式。

20世紀(jì)60年代，基于巖土體蠕變理論，日本學(xué)者齋藤對(duì)日本飯山高場(chǎng)山隧道滑坡成功地進(jìn)行了預(yù)報(bào)，并提出了著名的齋藤曲線(xiàn)，齋藤曲線(xiàn)將滑坡的變形過(guò)程分為初始變形階段[2]、等速變形階段和加速變形階段。其他學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，許強(qiáng)[3]在王家鼎[4]提出的位移切線(xiàn)角基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，采用勻速變形階段的速率統(tǒng)一了橫縱坐標(biāo)的量綱，在一定程度上消除了橫縱坐標(biāo)單位不統(tǒng)一所造成滑坡臨滑判斷的不準(zhǔn)確性。王珣以西原模型為基礎(chǔ)，將滑坡S-t轉(zhuǎn)化為ε-t曲線(xiàn)并確定等速變形速率，結(jié)合最大切線(xiàn)角下限值作為滑坡臨滑判據(jù)，并建立了基于無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的滑坡智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[5-6]。王延平為研究滑坡突變點(diǎn)的變形特征，進(jìn)行了不同工況下的流變?cè)囼?yàn)，依據(jù)鎖固段理論提出了速度倒數(shù)法的滑坡預(yù)警模型[7]。賀可強(qiáng)基于損傷力學(xué)基本原理，確定了位移、坡體損傷變量、穩(wěn)定性三者之間的關(guān)系，提出了用于預(yù)測(cè)邊坡預(yù)警時(shí)間的邊坡穩(wěn)定性位移監(jiān)測(cè)預(yù)警判據(jù)[8]。

近年來(lái)，北斗衛(wèi)星的成功發(fā)射對(duì)我國(guó)定位設(shè)備的發(fā)展有著巨大幫助。其中基于北斗衛(wèi)星的GNSS位移監(jiān)測(cè)設(shè)備具有可持續(xù)工作的特點(diǎn)，在工程中已有諸多應(yīng)用。熊尋安利用GNSS自動(dòng)化、連續(xù)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)對(duì)茜坑水庫(kù)表面變形進(jìn)行監(jiān)控并驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)毫米級(jí)精度變形的能力[9]。黃觀文基于北斗衛(wèi)星自行研制出一套低成本高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在滑坡同一點(diǎn)位用人為手段使其位移發(fā)生變化，并用全站儀精密測(cè)量進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)，效果具有較好的一致性[10]。趙信文使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)清江隔河巖庫(kù)區(qū)偏山滑坡進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行19個(gè)月未出現(xiàn)異常[11]。在未來(lái)，GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)在滑坡乃至地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文采取的GNSS監(jiān)測(cè)儀器為深圳北斗云信息技術(shù)科技有限公司自行研發(fā)的監(jiān)測(cè)儀，精度可靠。結(jié)合王立偉[12]提出的位移速率比定性分析滑坡所處階段，在定性評(píng)價(jià)滑坡所處階段的基礎(chǔ)上，采取不同的預(yù)警模式進(jìn)行預(yù)測(cè)。在臨滑階段，利用GNSS具有實(shí)時(shí)監(jiān)控的特點(diǎn)(即每隔一小段時(shí)間監(jiān)測(cè)一次位移)，計(jì)算出此時(shí)間間隔的瞬時(shí)日位移，解決了以往臨滑預(yù)報(bào)時(shí)只有一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，放大了時(shí)序，能更加清楚地反映滑坡在臨滑期間的狀態(tài)。

1 滑坡階段的定性分析原理

巖體蠕變理論表明，松散土質(zhì)斜坡或者一些巖質(zhì)斜坡在發(fā)育的過(guò)程中主要分為3個(gè)階段：初始變形、等速變形和加速變形，但各點(diǎn)的變形速率受地質(zhì)條件和空間位置影響。為了減小以往監(jiān)測(cè)期間統(tǒng)一速度閾值而造成對(duì)滑坡階段判斷的片面性，將任意時(shí)刻的監(jiān)測(cè)速率除以等速變形階段平均速率得到一個(gè)無(wú)量綱值，這樣使得整個(gè)滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的定性判據(jù)得到統(tǒng)一，更能清楚地判定滑坡所處的各個(gè)階段，為利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定量評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)。

(1)

式中，Vt為監(jiān)測(cè)期間任意時(shí)刻的位移速率，V0為滑坡勻變速階段的平均速率，αt為速率比。

由公式(1)的意義可以得到滑坡所處階段。滑坡在初始變形破壞時(shí)由于坡體結(jié)構(gòu)、坡體裂隙發(fā)育程度、坡體性質(zhì)等的不同，初始變形速率與平均速率之間沒(méi)有明確的關(guān)系。此外，當(dāng)滑坡處于初始變形階段時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，這里討論速率比的規(guī)律意義不大。重點(diǎn)考慮滑坡處于加速階段的速率比αt，滑坡在加速變形階段，變形速率往往大于勻速變形速率，由于滑坡在勻速變形階段的位移速率往往不是一個(gè)確定的值，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為了獲得準(zhǔn)確的平均速度V0，將等速變形階段每個(gè)時(shí)間段的變形速率求平均值，從而獲得平均速率：

(2)

式中,n為監(jiān)測(cè)次數(shù)，Vt為某個(gè)監(jiān)測(cè)期間滑坡的位移速率。

以黃茨滑坡為例，根據(jù)累計(jì)位移曲線(xiàn)判斷出滑坡的勻速變形階段，獲得其勻速變形速率，并根據(jù)所在階段計(jì)算出對(duì)應(yīng)階段的速率比。黃茨滑坡累計(jì)位移如圖1所示。

圖1 黃茨滑坡累計(jì)位移曲線(xiàn)Fig.1 Cumulative displacement of Huangci landslide

等速變形的位移曲線(xiàn)由公式(2)確定平均速率，公式(1)確定每一個(gè)階段的速率比αt。由速率比曲線(xiàn)可以看出：出現(xiàn)明顯增大的階段主要是滑坡的加速變形階段，在等速變形階段速率比也有增大的現(xiàn)象，但增大后迅速降低，可能為滑體突破鎖固+段后恢復(fù)勻速階段時(shí)的速率(見(jiàn)圖2)。而加速變形階段根據(jù)速率比大小持續(xù)增加，可再次分為初始加速、勻速加速和臨滑變形3個(gè)階段，速率比大致分布在2～4，4～8，>8三個(gè)區(qū)間。

圖2 黃茨滑坡速率比曲線(xiàn)Fig.2 Graph of velocity ratio of Huangci landslide

為了進(jìn)一步研究加速變形階段平均速率與監(jiān)測(cè)速率之間的關(guān)系，收集了6個(gè)歷史上著名滑坡的位移曲線(xiàn)，劃分了滑坡的所處階段，計(jì)算平均速率V0得到每個(gè)滑坡在各個(gè)階段的速率比，如表1所示。

由表1可以看到：受滑坡本身裂隙數(shù)量、大小以及巖性的影響，初始變形階段的速率比無(wú)明顯規(guī)律。在等速變形階段，速率比集中在0～2之間；對(duì)于加速變形階段中的初始加速變形階段，速率比普遍在2～4之間；勻加速變形階段速率比在4～9之間；處于臨滑階段時(shí)，速率比則有明顯突增的趨勢(shì)，且大多都大于9。因此，將速率比為8設(shè)置為滑坡處于臨滑階段的定性條件。

表1 歷史著名滑坡各個(gè)階段的速率比Tab.1 Velocity ratio of historical landslides in different periods

2 工程應(yīng)用

2.1 滑坡基本情況

陜西省周至縣G108K1393+310～K1393+600路段位于該縣南部山區(qū)，屬于中低山區(qū)。邊坡所在位置高程約750 m，與黑河水面相對(duì)高差約127 m，坡體為一巖質(zhì)邊坡，上陡下緩。出露地層為下元古界寬坪群干岔溝組的含炭絹云母石英片巖，該類(lèi)巖石為可軟化、易風(fēng)化的軟質(zhì)巖，厚度較大。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，油坊溝-皇臺(tái)斷裂帶從該邊坡南部通過(guò)，斷層傾向北西，傾角50°～60°。坡面巖層傾向225°～230°，傾角45°～50°。坡面傾角145°～150°，上邊坡傾角65°～70°，下邊坡傾角80°～85°，坡面傾向與巖層傾向接近垂直，屬于橫向坡。橫向坡在天然狀態(tài)下表現(xiàn)為較穩(wěn)定的坡型，但此處坡面傾角較陡，且發(fā)育有多條張拉裂縫。以國(guó)道為分界線(xiàn)將滑坡分為上邊坡和下邊坡，上邊坡主要為第四系覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化基巖，在重力作用下發(fā)育有一條較長(zhǎng)的裂縫與坡向近乎垂直，主要變形特征為第四系松散體與強(qiáng)風(fēng)化基巖順坡向滑塌。下邊坡路肩擋土墻下沉持續(xù)變形致使路面出現(xiàn)弧形裂縫，導(dǎo)致左半幅路基垮塌，右半幅路基出現(xiàn)斜向裂縫。2017年10月受降雨影響，此區(qū)域已經(jīng)發(fā)生局部滑塌，說(shuō)明此處已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為了防止滑坡威脅路過(guò)車(chē)輛，在2017年12月15日對(duì)滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)坡體變形特征在上邊坡布置有JC01與JC02監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于上邊坡裂縫下方，在下邊坡路基位置布置有JC03與JC04監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖3)。

GNSS設(shè)備從2017年12月15日開(kāi)始對(duì)滑坡位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，次年2月19日左側(cè)發(fā)生滑塌，2號(hào)與3號(hào)設(shè)備停止運(yùn)行。

2.3 監(jiān)測(cè)成果分析

監(jiān)測(cè)設(shè)備獲得各點(diǎn)監(jiān)測(cè)詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2及圖4～5。在監(jiān)測(cè)期間，1月24日山體發(fā)生落石造成JC01與JC04監(jiān)測(cè)設(shè)備離線(xiàn)。在1月15日之前，JC02變形速率較為穩(wěn)定，變形速率在6～10 mm/d之間，將1月15日之前確定為勻速變形階段，通過(guò)計(jì)算得到勻速變形階段的速率為6.81 mm/d。在1月15日之后，變形速率開(kāi)始增加，在2月15日加速增加；JC03的變形速率在1月10日之前較為穩(wěn)定，保持在2～3 mm/d，通過(guò)計(jì)算得到JC03勻速變形階段的變形速率為2.44 mm/d。在1月10日到2月25日期間，變形速率從勻速增加逐漸變?yōu)榧铀僭黾?，?月15日之后迅速增加，上邊坡變形速率大于下邊坡。

圖3 周至G108路段滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意Fig.3 Diagram of Zhouzhi landslide and monitoring pionts in G108 section

日期/(月-日)位移/mmJC02JC03變形速率/(mm·d-1)JC02JC0312-150012-2134.4611.446.362.1012-2771.5924.376.712.4101-05137.8046.939.152.1201-10181.5062.3310.713.3101-15206.1078.614.583.6601-20263.5099.6414.134.5701-25328.10124.5013.995.7701-30401.90153.4022.569.4202-05519.30201.3025.1110.7302-10652.90261.4041.5918.1102-15867.60363.4057.0629.6702-191386.00671.93329.9363.00

注：變形速率為當(dāng)日變形速率。

從監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可以看出，2月15日之后變形速率持續(xù)增長(zhǎng)且增長(zhǎng)幅度迅速變大(見(jiàn)圖5)，由于變形速率過(guò)大使得前面的數(shù)據(jù)接近坐標(biāo)軸。為了更好地對(duì)滑坡所處階段進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，選取2月15日之前的數(shù)據(jù)作出JC02與JC03的速率比曲線(xiàn)圖(見(jiàn)圖6)，可以看出在1月15日之前，滑坡一直處于勻速變形狀態(tài)，在1月15日到1月31日之間，變形速率穩(wěn)定上漲，在2月5日速率比達(dá)到4，此時(shí)滑坡處于初始加速變形階段；2月15日達(dá)到8，此階段存在速率比突降的現(xiàn)象，是因?yàn)樵谙禄^(guò)程中遭遇鎖固段并且快速突破鎖固段造成的速率比劇烈波動(dòng)，2月15日之后速率比大于8，可以認(rèn)為滑坡進(jìn)入臨滑階段?；贕NSS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，可利用瞬時(shí)變形速率對(duì)滑坡進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

圖4 JC02、JC03累計(jì)位移Fig.4 Accumulative displacement of JC02 and JC03

圖5 JC02、JC03變形速率Fig.5 Deformation rate of JC02 and JC03

滑坡在臨滑前5 d變形速率持續(xù)增大，具體數(shù)值見(jiàn)表3。在2月19日增至最大，由于GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有無(wú)間斷工作的特點(diǎn)，提出某時(shí)刻瞬時(shí)日位移的概念，目的是在臨滑監(jiān)測(cè)期間，更好地觀測(cè)滑坡動(dòng)態(tài)情況。

(3)

式中,Vdi為d日第i時(shí)刻的瞬時(shí)日變形速率；Sdi為d日第i時(shí)刻的累計(jì)位移；Sd0為d日0時(shí)刻的累計(jì)位移；di為i時(shí)刻之前的監(jiān)測(cè)采集次數(shù)。

圖6 JC02、JC03速率比(12月19日-2月15日)Fig.6 Deforration rate ratio of JC02 and JC03(12.19-2.15)

日期/(月-日)JC02JC03日期/(月-日)JC02JC0302-1557.05529.66702-18253.798143.16702-1677.81539.59202-19(4:30)671.990363.08502-17117.14060.874

本次GNSS最短監(jiān)測(cè)間隔為1 h，2月15日變形速率突增，15日后采用具有淘汰機(jī)制的瞬時(shí)日變形速率進(jìn)行分析。在15日和16日期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)日變形速率變化平穩(wěn)，表明雖然滑坡處于臨滑階段，但滑動(dòng)趨勢(shì)平穩(wěn)。17日之后，滑坡瞬時(shí)日位移逐漸增大，18日瞬時(shí)日位移加速增大且不收斂，由此判斷JC02與JC03監(jiān)測(cè)的區(qū)域即將發(fā)生失穩(wěn)。19日零點(diǎn)位移出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象，最終此區(qū)域于19日04:30左右發(fā)生滑塌。由于預(yù)警發(fā)布及時(shí)，提前封閉道路，沒(méi)有造成人員傷亡。

3 結(jié) 論

(1) 在監(jiān)測(cè)期間，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果分析，周至滑坡在2017年12月15到2018年1月15日期間處于勻速變形階段，上邊坡變形速率為6.81 mm/d，下邊坡變形速率為2.44 mm/d。1月15日到2月15日為加速變形階段中的初加速變形階段和勻加速變形階段，2月15日之后進(jìn)入臨滑階段，且臨滑階段歷時(shí)短，發(fā)展迅速。

(2) 將速率比作為滑坡階段定性判斷的依據(jù)，能減小滑坡在不同地點(diǎn)由于變形速率的不同造成對(duì)滑坡位移階段劃分的差異，更好地定性評(píng)價(jià)和判斷滑坡所處的階段。

(3) 通過(guò)定性判斷、定量評(píng)價(jià)對(duì)滑坡進(jìn)行預(yù)警，提出瞬時(shí)日變形速率，利用GNSS監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間短的特點(diǎn)可以在臨滑階段全過(guò)程跟蹤滑坡?tīng)顟B(tài)。在實(shí)際預(yù)報(bào)過(guò)程中，2月14日地表位移發(fā)生突變(定性階段)，綜合速率比定性分析，判斷滑坡處于臨滑階段，15日采用瞬時(shí)日位移全過(guò)程跟蹤預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)變形速率持續(xù)增加，18日加速增加，于18日上午判斷滑坡即將失穩(wěn)，最終19日04：30發(fā)生滑塌。驗(yàn)證了該方法的可行性與科學(xué)性，對(duì)滑坡的臨滑預(yù)報(bào)具有一定的借鑒意義。

本文主要側(cè)重于利用GNSS監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)對(duì)滑坡在臨滑期間的實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)滑坡本身的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地層巖性尚未深入研究。此外，未來(lái)GNSS的監(jiān)測(cè)間隔可達(dá)秒級(jí)別，意味著瞬時(shí)速率每隔幾秒更新一次，即可以時(shí)刻反映滑坡的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合滑坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性以及內(nèi)在變形破壞模式，對(duì)于一些突發(fā)性滑坡的預(yù)警預(yù)報(bào)可能會(huì)有重大突破。