——以甘肅蘭州岷縣三處滑坡為例"/>
侯圣山,李 昂,陳 亮,馮 振,王立朝,曹 鵬,劉軍友,鄭 浩,李陽(yáng)光,黃 鑫,郭 偉,魏新平
(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心),北京 100081;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100083;3.航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京 100071;4.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,甘肅 蘭州 730050)
地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警是降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要工作[1]。我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作始于20世紀(jì)80年代,先后在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)、四川雅安、云南新平、陜西鎮(zhèn)安等地建成涵蓋區(qū)域環(huán)境要素監(jiān)測(cè)和典型地質(zhì)災(zāi)害單體監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),應(yīng)用了多種監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)設(shè)備,開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)庫(kù)和信息系統(tǒng),能夠有效監(jiān)控災(zāi)害變形和誘發(fā)因素的時(shí)間變化,做出了有益的嘗試[2]。
2014年以來(lái),中央和地方按照預(yù)防為主、綜合防治的總體原則,將地質(zhì)災(zāi)害防治工作重點(diǎn)從災(zāi)后治理轉(zhuǎn)移到災(zāi)前預(yù)防,建立健全地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)、群測(cè)群防、監(jiān)測(cè)預(yù)警、搬遷避讓、工程治理、科普宣傳及應(yīng)急處置等在內(nèi)的綜合防治體系,在多個(gè)省份開(kāi)展了監(jiān)測(cè)預(yù)警建設(shè),建設(shè)了數(shù)百處地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),投入數(shù)千套儀器設(shè)備,取得了較好的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果,也取得了大量建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[3]。
黨的十八大以后,中央加大了自然災(zāi)害防治工作力度,提出了更高的要求。自然資源部陸昊部長(zhǎng)提出了“研究原理、提前預(yù)警”的具體要求,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局部署了普適型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備的研發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作[4],編制了《地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)群結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南(試行)》。
按照《中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警普適型儀器設(shè)備示范試用工作方案(2020年3月)》,“洮河流域中游災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目承擔(dān)甘肅省三處地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)工作。
“洮河流域中游災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目的工作區(qū)為岷縣和蘭州市,監(jiān)測(cè)預(yù)警試點(diǎn)工作也在這一區(qū)域進(jìn)行選點(diǎn)。選點(diǎn)遵照“危險(xiǎn)性、代表性、可行性”的三原則,重點(diǎn)選擇群測(cè)群防難度大、變形失穩(wěn)較明顯、成災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)高的滑坡體。
岷縣位于甘肅南部,屬于西秦嶺北支中段,緊鄰長(zhǎng)江流域和黃河流域的分界線,洮河穿流而過(guò),為典型的中高山侵蝕地貌,縣域平均海拔2 500 m,是甘肅省滑坡、泥石流活躍區(qū)之一[5]。岷縣氣候類(lèi)型主要為高寒濕潤(rùn)氣候帶,多年平均降水量為560.8 mm,6—8月降水占總降水量的 60%以上,受地形及海拔高度影響,降雨的時(shí)空分布差異較大,呈現(xiàn)出由河谷到山頂,降雨量隨海拔高度升高逐漸增大的趨勢(shì)。
蘭州市位于黃河岸邊,主要分布于黃河的各級(jí)階地之上。蘭州市氣候類(lèi)型為大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量為317.2 mm,降雨多集中在7—9三個(gè)月,約占全年降水量的60%以上。蘭州市降水量雖較小,但其降雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短、暴雨多,4小時(shí)最大降雨量 150 mm,另有1小時(shí)平均降雨量50 mm的記錄,有利于滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的形成[6]。
岷縣的主要地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型為泥石流、滑坡,但泥石流多流域面積巨大,且具有洪水的性質(zhì);致災(zāi)特征受水文過(guò)程控制多于巖土過(guò)程??紤]到典型性、代表性,在岷縣選擇了兩處中等規(guī)模的滑坡——馬場(chǎng)村滑坡和文斗學(xué)?;麻_(kāi)展監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)工作(圖1)。
蘭州市南北兩山山前及沖溝地帶分布多處滑坡。本次在蘭州市選擇了穩(wěn)定性較差的一處黃土滑坡——石峽口滑坡開(kāi)展監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)(圖1)。
圖1 地質(zhì)災(zāi)害普適型監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of landslides being momonitored
1.2.1馬場(chǎng)村滑坡
馬場(chǎng)村滑坡位于岷縣梅川鎮(zhèn)馬場(chǎng)村馬場(chǎng)溝溝口左岸低山山前第一斜坡帶。該滑坡處于構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū),地勢(shì)陡峻,植被稀少,以耕地為主的人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈,經(jīng)人類(lèi)耕作活動(dòng)的改造坡面形態(tài)呈臺(tái)階狀?;虑胺綖轳R場(chǎng)溝沖洪積堆積區(qū),地勢(shì)平坦,其上主要為居住和基礎(chǔ)設(shè)施為主,馬場(chǎng)村和國(guó)道212線就分布在此區(qū)域。
經(jīng)初步踏勘,該滑坡平面形態(tài)呈不規(guī)則簸箕狀,滑坡體長(zhǎng)約120 m,寬180 m,厚5 m,滑坡面積1.98×104m2,體積10.8×104m3,規(guī)模為中型?;轮骰较?yàn)?91°,滑體后壁坡度42°左右,滑體坡面平均坡度為28°,滑體前緣坡腳局部因人為削坡建房而形成高 8 m,坡度約65°的人工邊坡。目前,該滑坡約中下部可見(jiàn)弧形裂縫(2015年出現(xiàn)),垂直下錯(cuò)距離 10~45 cm,延伸長(zhǎng)度約30 m,基本貫通?;w前緣村民新建房屋墻體擠壓變形開(kāi)裂。
馬場(chǎng)村滑坡為一處具有古滑坡局部復(fù)活特征的土質(zhì)滑坡,監(jiān)測(cè)主要針對(duì)滑坡變形、土體含水量及降雨量開(kāi)展,布設(shè)4臺(tái)GNSS、2套裂縫計(jì)、1臺(tái)雨量計(jì)和1套含水量監(jiān)測(cè)儀(3個(gè)探頭,埋深分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m)。這一方案的實(shí)施,將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡區(qū)裂縫變形、絕對(duì)位移、土體含水量變化和降雨情況,從而對(duì)滑坡的變形及誘發(fā)因素進(jìn)行監(jiān)控。
1.2.2文斗學(xué)校滑坡
該斜坡位于岷縣梅川鎮(zhèn)文斗九年制學(xué)校北山第一斜坡帶前緣。地貌單元屬構(gòu)造剝蝕中低山區(qū),地層巖性上部為坡積、殘積碎石土,下部為二疊系下統(tǒng)十里墩組(P1sl)石英砂巖、粉砂巖、板巖。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步踏勘,該滑坡為殘坡積堆積層老滑坡,滑坡體長(zhǎng)120 m,寬100 m,主滑方向175°,平均坡度25°,體積約18.0×104m3,屬中型滑坡。目前,滑坡前緣發(fā)育一處坡寬為60 m,坡長(zhǎng)45 m,坡度65°的不穩(wěn)定斜坡。2019年7月,該斜坡中部出現(xiàn)一條裂縫,延伸長(zhǎng)度25 m,縫寬5~30 cm。目前,該斜坡仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),嚴(yán)重影響坡腳文斗中學(xué)操場(chǎng)和教學(xué)樓,威脅人口約500人,危險(xiǎn)性大。
圖2 馬場(chǎng)村滑坡監(jiān)測(cè)剖面圖Fig.2 Profile of monitoring network of Macangcun Landslide
針對(duì)文斗學(xué)?;缕露却蟆⑼{群眾多的特點(diǎn),布設(shè)4臺(tái)GNSS、2套裂縫計(jì)、1臺(tái)雨量計(jì)和1套聲光報(bào)警器。
1.2.3石峽口滑坡
石峽口滑坡位于蘭州市城關(guān)區(qū)武警總隊(duì)加油站西側(cè),處于黃河Ⅴ級(jí)高階地?;聦捈s217 m,高約90~130 m,坡向0°~30°,整體坡度約35°。滑坡區(qū)坡頂?shù)貏?shì)平坦,為市政林場(chǎng)和辦公室,坡腳為羅鍋溝溝道、九州大道和新九州花園小區(qū),坡頂和斜坡坡面可見(jiàn)多處變形跡象,穩(wěn)定性差。石峽口滑坡長(zhǎng)約76 m,寬約 55 m,主滑方向22°,平均厚度約5 m,滑坡體積約2.09×104m3。威脅對(duì)象為坡頂市政林場(chǎng)工人、坡腳對(duì)岸的武警總隊(duì)油庫(kù)、九州大道過(guò)往車(chē)輛及行人,威脅財(cái)產(chǎn)約2 000萬(wàn)元。
本次對(duì)石峽口滑坡變形區(qū)開(kāi)展監(jiān)測(cè)示范,布設(shè)4臺(tái)GNSS、2套裂縫計(jì)、1臺(tái)雨量計(jì)和1套含水量監(jiān)測(cè)儀(3個(gè)探頭,埋深分別為0.5 m、1.0 m和1.5 m),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滑坡區(qū)裂縫變形、絕對(duì)位移、土體含水量變化和降雨情況,從而對(duì)滑坡的變形及誘發(fā)因素進(jìn)行監(jiān)控。
圖3 文斗學(xué)校滑坡監(jiān)測(cè)剖面圖Fig.3 Profile of monitoring network of Wendou School Landslide
圖4 石峽口滑坡監(jiān)測(cè)方案剖面圖Fig.4 Profile of monitoring network of Shixiakou Landslide
按照《地質(zhì)災(zāi)害專(zhuān)群結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南(試行)》的要求,本次監(jiān)測(cè)工作選用了GNSS、雨量計(jì)、無(wú)線位移計(jì)、含水量監(jiān)測(cè)儀等,選用了航天科工慣性技術(shù)有限公司生產(chǎn)的設(shè)備,主要傳感器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特征如下:
普適型GNSS接收機(jī): 1、全開(kāi)放天空靜態(tài)解算精度:平面優(yōu)于±5 mm+1 ppm,高程優(yōu)于±10 mm+1 ppm;2、星頻: BDS:B1/B2,GPS L1/L2,L2,GLONASS G1/G2;3、工作溫度:-40 ℃至80 ℃;4、工作濕度:最大98% RH;5、采用天線、主機(jī)一體化結(jié)構(gòu);6、防水防塵:IP67;7、供電:無(wú)日照能連續(xù)正常工作時(shí)間10天;8、通訊:內(nèi)置全網(wǎng)通通信模塊,支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信2/3/4 G傳輸;9、支持通電自啟。
普適型雨量計(jì):1、最大瞬時(shí)雨量0.4 mm/s;2、分辨力:不低于0.5 mm;3、測(cè)量準(zhǔn)確度:誤差≤±5%;4、通訊:支持2/3/4 G全網(wǎng)通;5、供電系統(tǒng):無(wú)日照連續(xù)正常工作時(shí)間不小于30天;6、工作溫度:-20 ℃至 65 ℃;7、工作濕度:最大98% RH;8、防水防塵:IP66;9、可與無(wú)線網(wǎng)關(guān)集成安裝(表1)。
表1 三處滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)施表Table 1 Monitoring network of 3 landslides
普適型無(wú)線位移計(jì)(2 m) :1、量程:0~2 000 mm;2、分辨力:0.2 mm;3、測(cè)量精度:±0.1%F·S;4、具備閾值觸發(fā)功能,觸發(fā)閾值1.5 mm,位移變化值超過(guò)閾值,則自動(dòng)上報(bào)位移計(jì)數(shù)據(jù);5、通訊:支持2/3/4 G全網(wǎng)通或短距無(wú)線方式;6、短距無(wú)線通信能力:空曠3 km/遮擋情況不低于500 m;7、待機(jī)功耗:3.7 V/60 μA;8、供電系統(tǒng):一體化集成5 V/1 W光伏充電,20 Ah可充電鋰電池,無(wú)日照工作時(shí)間可達(dá)2年;9、支持休眠狀態(tài)下隨時(shí)喚醒;10、工作溫度:-20 ℃至65 ℃;11、工作濕度:最高98% RH;12、防水防塵: IP66。
監(jiān)測(cè)方案和儀器選型確定以后,即進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)施工階段。至2020年5月31日,完成了設(shè)備的安裝調(diào)試,進(jìn)入試運(yùn)行階段。
安裝到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)GNSS設(shè)備將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)發(fā)送;雨量計(jì)、裂縫計(jì)和含水量監(jiān)測(cè)儀采用遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)(LoRa)的方式在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集,通過(guò)布設(shè)在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)集中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到設(shè)置在中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院的地質(zhì)云“地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)”平臺(tái)和設(shè)置在甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院的“甘肅省地質(zhì)災(zāi)害信息一張圖”系統(tǒng)平臺(tái)。兩處平臺(tái)均有顯示監(jiān)測(cè)設(shè)備布置、圖形化顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。
在基于地質(zhì)云的“地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息系統(tǒng)”平臺(tái)上,可以設(shè)置單參數(shù)和多參數(shù)的預(yù)警指標(biāo)和判據(jù),自動(dòng)判別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),達(dá)到預(yù)設(shè)預(yù)警條件時(shí),自動(dòng)生成預(yù)警信息,并將預(yù)警信息以手機(jī)短信的形式發(fā)送到指定聯(lián)系人。
從2020年5月31日全部監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完畢,數(shù)據(jù)陸續(xù)在數(shù)據(jù)平臺(tái)上線。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況良好,數(shù)據(jù)在線率一直是100%。
從圖5可以看出,石峽口滑坡6號(hào)裂縫計(jì)(滑坡后緣)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和累積降雨量之間存在明顯的相關(guān)性,6月15日前后、6月26日前后、7月2日前后、7月9日前后、7月17日前后、8月24日前后、8月28日前后、9月14日前后、9月22日前后等降雨過(guò)程均對(duì)應(yīng)著裂縫數(shù)據(jù)的增大。用Excel里面的CORREL(array1, array2)函數(shù)計(jì)算,得到裂縫值和累積降雨量值之間的相關(guān)系數(shù)為0.981 2,顯示出強(qiáng)正相關(guān)的特征。6號(hào)裂縫增大和強(qiáng)降雨過(guò)程密切相關(guān)。
6月9日至9月25日,基本上涵蓋了一個(gè)完整的汛期,石峽口滑坡所在地累積降雨363.1 mm,后緣裂縫增大15.2 mm,目前,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯整體失穩(wěn)的特征,但需要嚴(yán)密監(jiān)控降雨情況和變形情況,及時(shí)分析滑坡穩(wěn)定性狀況。
從圖6可以看出,文斗學(xué)?;?號(hào)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的水平位移也同降雨之間存在明顯的相關(guān)性,6月15日前后、6月21日前后、6月26日前后、7月9日前后、7月8日前后、8月12日前后、8月24日前后等降雨過(guò)程均對(duì)應(yīng)著4號(hào)GNSS水平位移的增大。用Excel里面的CORREL(array1, array2)函數(shù)計(jì)算,得到4號(hào)GNSS水平位移和累積降雨量值之間的相關(guān)系數(shù)為0.943 7,顯示出強(qiáng)正相關(guān)的特征。同樣,可以用降雨預(yù)測(cè)滑坡整體的變形。6月9日至9月25日文斗學(xué)校滑坡所在地累積降雨747.0 mm,4號(hào)GNSS水平位移32.3 mm,目前,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯整體失穩(wěn)的特征,但需要嚴(yán)密監(jiān)控降雨情況和變形情況,隨時(shí)分析判別滑坡穩(wěn)定性狀況。
除以上數(shù)據(jù)顯示出明顯的相關(guān)規(guī)律外,三處滑坡其它監(jiān)測(cè)設(shè)施也采集到了連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
圖5 2020年6月9日至9月25日石峽口滑坡6號(hào)裂縫計(jì)及日降雨量、累積降雨量數(shù)據(jù)圖Fig.5 No.6 crack-meter data and daily rainfall, accumulation rainfall data of Shixiakou Landslide during June 9 and September 25,2020
圖6 2020年6月9日至9月25日文斗學(xué)校滑坡4號(hào)GNSS及日降雨量、累積降雨量數(shù)據(jù)圖Fig.6 No.4 GNSS data and daily rainfall, accumulation rainfall data of Wendou School Landslide during June 9 and September 25, 2020
設(shè)備安裝調(diào)試完畢后,預(yù)警系統(tǒng)即開(kāi)始上線試運(yùn)行。
預(yù)警判據(jù)主要采用中型土質(zhì)滑坡的判據(jù),分為降雨判據(jù)和位移判據(jù)。降雨判據(jù)體系,利用10分鐘降雨量(R1/6 h)、1小時(shí)降雨量(R1 h)、1天降雨量(R1 d)、3天降雨量(R3 d)等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷確定預(yù)警等級(jí)[7],降雨指標(biāo)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行賦值,并在預(yù)警運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。位移判據(jù)體系,利用GNSS和裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行判斷[8]。降雨和位移判據(jù)見(jiàn)表2。
通過(guò)近4個(gè)月的試運(yùn)行,共觸發(fā)了45次預(yù)警,其中紅色預(yù)警9次、橙色預(yù)警8次、黃色預(yù)警9次、藍(lán)色預(yù)警19次,由降雨判據(jù)觸發(fā)的10次、裂縫及GNSS位移觸發(fā)的35次。預(yù)警模型判據(jù)的研究工作尚需深入開(kāi)展。
表2 三處滑坡預(yù)警判據(jù)表Table 2 Critical values for warning of three landslides
(1)通過(guò)三處監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行,能夠?qū)崟r(shí)掌握三處滑坡的變形情況、土體含水量及降雨等環(huán)境要素的狀況,實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡動(dòng)向的監(jiān)控。
(2)通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)判別,可以自動(dòng)預(yù)警,將相關(guān)信息發(fā)送到指定聯(lián)系人。
(3)石峽口滑坡6號(hào)裂縫計(jì)數(shù)據(jù)和累積降雨量數(shù)據(jù)強(qiáng)正相關(guān),文斗學(xué)校滑坡4號(hào)GNSS水平位移和累積降雨量數(shù)據(jù)強(qiáng)正相關(guān),對(duì)降雨數(shù)據(jù)的監(jiān)控,有望能夠有效進(jìn)行預(yù)警。
(4)三處滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的范例,能夠?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)事業(yè)發(fā)展提供借鑒。
下一步,將開(kāi)展以下工作,提高監(jiān)測(cè)預(yù)警工作水平:
(1)對(duì)試運(yùn)行進(jìn)行及時(shí)總結(jié),調(diào)整預(yù)警判據(jù)和預(yù)警模型,利用多監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、多傳感器的數(shù)據(jù)綜合判別方法,提高預(yù)警的成功率,降低誤報(bào)率;
(2)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象開(kāi)展勘查和測(cè)繪,從滑坡機(jī)理方面提出監(jiān)測(cè)預(yù)警的判據(jù)體系;
(3)對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和儀器設(shè)備進(jìn)行適用性評(píng)估,提出規(guī)范化的轉(zhuǎn)群結(jié)合監(jiān)測(cè)預(yù)警建設(shè)建議。
中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2020年6期