白 潔 巨能攀 張成強(qiáng) 何朝陽 劉秀偉

(①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(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國(guó))(②貴州省大數(shù)據(jù)防災(zāi)應(yīng)用研究中心， 貴陽 550001， 中國(guó))

0 引 言

由于巖質(zhì)滑坡巖體結(jié)構(gòu)及其破壞機(jī)制的復(fù)雜性，巖質(zhì)滑坡預(yù)測(cè)是工程地質(zhì)科學(xué)家們面臨的全球性挑戰(zhàn)(Crosta et al.， 2003； Ju et al.， 2015； Loew et al.， 2016； Intrieri et al.， 2019)。災(zāi)難性滑坡通常在沒有任何明顯前兆的情況下突然發(fā)生，有些甚至沒有任何觸發(fā)因素，即緩慢變形的重力滑坡(Gariano et al.， 2016； Pecoraro et al.， 2018)。通過對(duì)中國(guó)西南地區(qū)數(shù)百種不同類型的滑坡(巖質(zhì)滑坡、土質(zhì)滑坡、淺層滑坡等)的監(jiān)測(cè)研究，并從各種地質(zhì)構(gòu)造和氣候背景的滑坡案例中收集數(shù)據(jù)，根據(jù)大量滑坡的監(jiān)測(cè)資料，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)被認(rèn)為是突發(fā)性災(zāi)害的滑坡實(shí)際上都經(jīng)歷了一個(gè)變形演化過程?；诖?，SKLGP(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)開發(fā)了一個(gè)基于人工智能和數(shù)據(jù)傳輸新技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)自2017年以來已成功預(yù)測(cè)了國(guó)內(nèi)的5次滑坡，并挽救了眾多生命和財(cái)產(chǎn)。

2019年2月17日凌晨5時(shí)53分，貴州省興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村九組不穩(wěn)定斜坡發(fā)生順層滑動(dòng)，滑動(dòng)方量約96×104im3(圖1)，由于前期應(yīng)急搶險(xiǎn)工程措施到位、監(jiān)測(cè)科學(xué)合理、預(yù)警及時(shí)，滑坡未造成人員財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 滑坡發(fā)生前后全貌Fig.1 Pictures before and after the landslide

貴州省在2018年6月的地質(zhì)災(zāi)害隱患排查過程中發(fā)現(xiàn)該地質(zhì)災(zāi)害隱患，隨即對(duì)該不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行簡(jiǎn)易觀測(cè)。觀測(cè)表明興義滑坡變形已經(jīng)進(jìn)入加速變形階段后，隨即在滑坡坡腳前布設(shè)了沙袋和樁加固的應(yīng)急預(yù)防措施。同時(shí)在2019年1月27日SKLGP安裝了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。

2019年2月17日凌晨5：00，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出了臨滑預(yù)警信息。團(tuán)隊(duì)人員迅速檢查了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確認(rèn)變形正在急劇增加，并進(jìn)入斜坡加速變形的最后階段，這表明即將發(fā)生滑坡。由于采取了事先計(jì)劃好的應(yīng)急措施，并提前疏散了所有現(xiàn)場(chǎng)人員和附近居民，完全避免了災(zāi)難造成的損失。本文在上述應(yīng)急調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，綜合分析多時(shí)相衛(wèi)星遙感影像，無人機(jī)航拍，LiDAR，地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料，初步揭示了滑坡的特征并分析其成因機(jī)制，同時(shí)依據(jù)地表位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了滑坡變形發(fā)展過程，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警模型等方面介紹了SKLGP自行研制的地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在興義滑坡預(yù)警中的成功應(yīng)用。該滑坡的成功預(yù)警對(duì)巖質(zhì)滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警研究及應(yīng)用有一定的啟示作用和參考價(jià)值。

1 滑坡地質(zhì)條件

滑坡所處位置行政區(qū)劃隸屬興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村九組，位于興義市以北7km，興-馬大道西側(cè)，交通較為便利，中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)104°54′12″，北緯25°09′25″(圖2)。

圖2 研究區(qū)地理位置圖Fig.2 Location map of the study area

研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫14～19℃?；聟^(qū)年平均降雨量為1300～1600mm，歷年來最大日降雨量可達(dá)203mm(2015年8月27日)，最大暴雨時(shí)強(qiáng)65mm·h-1。

滑坡區(qū)屬溶蝕中山地貌區(qū)，侵蝕切割強(qiáng)烈，區(qū)域構(gòu)造以北西向、北北西向構(gòu)造為主(圖3)?；路秶鷥?nèi)最高點(diǎn)位于滑坡西側(cè)山頂，海拔1232m，最低點(diǎn)位于興馬大道，海拔1042m，相對(duì)高差190m。斜坡總體地形上陡下緩，上部陡坡段坡度50°～70°，滑體坡度約15°～28°。滑體的主要組成部分為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2gl)，巖性主要為灰、淺灰色薄層狀、中-厚層狀泥晶白云巖、細(xì)晶白云巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整?；w底部為厚度0.8～1.5m的軟弱夾層，可分為3層，第①層為紫紅色黏土巖，具有較高的黏性，平均厚度約20cm，第②層為棕黃色薄層狀泥質(zhì)白云巖，平均厚度約30cm，第③層為灰黑色的泥灰?guī)r，平均厚度約60cm(圖4)。

圖3 滑坡區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.3 Regional geological structure map of landslide

圖4 坡體軟弱夾層照片F(xiàn)ig.4 Picture of the weak intercalations

軟弱夾層以下為滑床部分，滑床主要為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2gl)中風(fēng)化中厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖，巖層層面清晰可見，巖層傾向52°，傾角22°左右，潛在滑床基巖層面與坡面近平行。

2 滑坡歷史變形與失穩(wěn)過程

2.1 滑坡歷史變形

筆者在Google Earth上收集了2014～2019年1月期間的多次高分辨率滑坡區(qū)歷史衛(wèi)星光學(xué)影像(圖5)，利用目視解譯的方式對(duì)滑源區(qū)的歷史變形跡象以及滑坡的變形失穩(wěn)過程進(jìn)行分析研究。

圖5 滑坡區(qū)域歷史影像圖(底圖據(jù)Google Earth)Fig.5 Historical image of landslide area(bottom image Google Earth)

滑坡所在區(qū)域原始斜坡地形稍陡，自然坡度約30°～45°左右，后緣高程達(dá)1200m。據(jù)2014年2月6日的Google Earth衛(wèi)星影像圖分析，此時(shí)滑坡區(qū)域還基本保留原始地形，但坡腳已經(jīng)出現(xiàn)一處明顯垮塌，且在滑坡的北西側(cè)邊界出現(xiàn)裂縫，后緣表層堆積體部分垮塌。

2014年11月27日的Google Earth 衛(wèi)星影像圖顯示，由于滑坡前緣開始修建公路，坡腳處開挖，滑坡發(fā)生了第一次滑動(dòng)。為清理滑坡堆積體，在滑坡范圍內(nèi)從坡腳處向上開挖出了一條呈“S”形的小路，滑坡后緣的表層堆積體已完全垮落。經(jīng)人工清除滑坡堆積體后，在坡表形成了較光滑的順坡向光面，光面北西側(cè)邊界形成陡坎，巖層順坡向產(chǎn)出，如2017年11月16日的Google Earth 衛(wèi)星影像圖所示。此后一段時(shí)間內(nèi)，滑坡區(qū)域基本沒有發(fā)生明顯的滑動(dòng)變形跡象，且前緣公路也已經(jīng)修建完成，滑坡整體呈基本穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)2019年2月11號(hào)的Google Earth 衛(wèi)星影像圖，滑坡后緣出現(xiàn)長(zhǎng)大裂縫，已經(jīng)采用隔水材料對(duì)已有裂縫進(jìn)行了封閉，防止雨水入滲； 北西側(cè)邊緣的巖體出露更加明顯，其坡腳處部分巖體發(fā)生局部垮塌(2019年2月7日發(fā)生)。光面后緣以及公路彎道處上方已經(jīng)修建了截排水溝等應(yīng)急搶險(xiǎn)工程。

2019年2月7日上午9時(shí)10分，受降雨影響，滑坡體北西側(cè)中部至坡腳的山體發(fā)生滑塌，滑塌方量約2×104m3(圖6)。2019年2月16日，滑坡體中部陡崖處出現(xiàn)崩塌掉塊現(xiàn)象，崩塌方量約5 m3。2019年2月17日凌晨5時(shí)，預(yù)警平臺(tái)發(fā)出紅色警報(bào)，約53min后，滑坡發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，大量碎塊石滑塌堆積于原光面中上部。

圖6 滑坡左前緣滑塌Fig.6 Photographs of the left front slope of the landslide

2.2 滑坡變形失穩(wěn)過程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該滑坡發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)前變形跡象顯著，裂縫分布特征如圖7所示，裂縫特征如圖8所示。主要表現(xiàn)為斜坡后緣及側(cè)邊界的兩條拉張裂隙，其中LF1為貫穿性裂縫，在2018年6月27日進(jìn)行貴州省興義市高位隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害隱患專業(yè)排查期間首次發(fā)現(xiàn)時(shí)，其延伸長(zhǎng)度30余米，張開寬度0.2～0.9m。2018年12月5日，裂縫LF1延伸長(zhǎng)度增長(zhǎng)至約200m，寬度增大至1.0～3.5m，可測(cè)深度9～33m，下錯(cuò)高度0.05～0.5m， 2019年1月7日，裂縫寬度在2018年12月5日的基礎(chǔ)上又?jǐn)U大了6～9cm。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂縫沿坡向向下延伸連接LF2。

圖7 坡體裂縫分布Fig.7 Photographs of crack distribution in slope

圖8 坡體裂縫特征Fig.8 Fracture characteristics of slope body

LF2寬0.2～5m，走向46°，自LF1北側(cè)端點(diǎn)沿斜坡延伸至坡腳，延伸約300m，下錯(cuò)高度2～15cm，可測(cè)深度約5～30cm； 沿LF2追索至斜坡中部輸水管道溝渠處，見溝渠擋墻開裂變形； 在輸水管道旁，直壁陡崖面上發(fā)育一斜向裂縫LF3，沿162°方向延伸，寬3～5cm不等； 在管道下方見LF4，延伸方向24°，寬30～60cm，下錯(cuò)2～10cm； 沿LF4順坡面往下20m處直壁下方見軟弱層錯(cuò)動(dòng)痕跡，下錯(cuò)方向56°； 滑坡體前緣興馬大道沿坡面往上約50m處可見LF5，延伸方向40°，延伸長(zhǎng)度約9m，下錯(cuò)方向126°，下錯(cuò)高度最大處為30cm； 位于滑坡體直壁陡崖下方小平臺(tái)處，距輸水管道約7m，地面有破裂、鼓脹現(xiàn)象，鼓脹區(qū)域總體延伸方向330°，延伸長(zhǎng)度約36m，地面破裂最寬處裂縫張開約4cm，隆起最高處約20cm。

2019年2月17日凌晨5點(diǎn)53分，滑坡發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)。圖9所示為滑坡發(fā)生前后的三維地質(zhì)模型。

圖9 滑坡發(fā)生前后三維地形Fig.9 Three-dimensional topographic map before and after landslide

3 滑坡特征及分區(qū)

該滑坡為一順層巖質(zhì)滑坡。根據(jù)滑坡變形跡象及結(jié)構(gòu)特征可將滑坡及其影響區(qū)域分為5個(gè)區(qū)，分別為滑坡物源區(qū)Ⅰ、堆積區(qū)Ⅱ、變形破裂區(qū)Ⅲ、不穩(wěn)定區(qū)Ⅳ、潛在危險(xiǎn)區(qū)Ⅴ，如圖10所示。各區(qū)域具體特征如下所述。

圖10 滑坡分區(qū)示意圖Fig.10 Division diagram of landslide

3.1 滑坡物源區(qū)(Ⅰ區(qū))

在2014年首次滑坡后形成了北東向的長(zhǎng)條狀光面，物源區(qū)為光面北側(cè)中上部至后緣呈舌狀的山體，由后緣裂縫LF1、北東側(cè)裂縫LF2上半部分及光面?zhèn)冗吔缍秆滤纬?。后緣裂縫長(zhǎng)約178m，走向138°； 北東側(cè)邊界裂縫在1125m高程處偏轉(zhuǎn)約30°并延伸至陡崖，由此形成了滑源區(qū)邊界(圖10a)。

滑源區(qū)后緣最高處高程為1178m，前緣最低處高程為1096m。其所在斜坡巖體屬三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2gl)，巖性主要以灰色厚層狀白云巖為主，夾薄層狀頁巖，區(qū)域厚度265～750m?；磪^(qū)地層呈單斜產(chǎn)出，地層產(chǎn)狀52°∠ 22°，坡向62°，坡度30°，為巖質(zhì)順向坡?；鹿こ痰刭|(zhì)剖面圖如圖11所示。

圖11 興義滑坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.11 Geological profile of Xingyi landslidea.1-1′剖面; b.2-2′剖面

3.2 堆積區(qū)(Ⅱ 區(qū))

滑坡發(fā)生后并未產(chǎn)生遠(yuǎn)距離的滑動(dòng)，主要堆積于物源區(qū)及其前緣斜坡中上部，整體形狀呈不規(guī)則的倒三角形。堆積區(qū)后緣高程1145m，前緣高程1070m，高差約75m(圖10b)。

3.3 破裂變形區(qū)(Ⅲ 區(qū))

此區(qū)與滑坡堆積區(qū)相鄰，位于堆積區(qū)的北東側(cè)，為物源區(qū)下方坡體，由LF2下半部分和光板側(cè)邊陡崖劃分成一不規(guī)則的梯形。該處為順坡向的厚層白云巖，一側(cè)臨空，巖體中已經(jīng)產(chǎn)生了較多的裂縫，其本該與物源區(qū)為一體，但由于其前緣布置了抗滑樁和搶險(xiǎn)沙垛，因此在滑坡發(fā)生時(shí)與物源區(qū)分離開，并未產(chǎn)生滑動(dòng)，但坡體的裂縫增多，整個(gè)區(qū)域以較為破碎的狀態(tài)堆積于滑坡北西側(cè)邊界的中下部(圖10c)。

3.4 不穩(wěn)定區(qū)(Ⅳ 區(qū))

不穩(wěn)定區(qū)域是位于滑體周圍因滑坡滑動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)而穩(wěn)定性降低的區(qū)域(朱世煜等， 2014)。該區(qū)主要為滑坡右后緣外50m寬， 20m高范圍內(nèi)的圓形區(qū)域，其左前緣已經(jīng)臨空，斜坡坡度20°～55°，坡體上發(fā)育有橫向及縱向長(zhǎng)大裂縫，當(dāng)滑源區(qū)發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)后，其前緣臨空面增大，且其具有較大的重力勢(shì)能，在長(zhǎng)期重力作用下坡體易產(chǎn)生拉裂變形，該部位穩(wěn)定性將進(jìn)一步降低(圖10d)。

3.5 潛在危險(xiǎn)區(qū)(Ⅴ區(qū))

該區(qū)域呈“口哨”狀包裹在滑坡后緣，“哨柄”為滑坡后緣約20m高程范圍內(nèi)的山體，“口哨頭”為滑坡后緣北側(cè)的一危巖體，危巖體面向前緣公路一側(cè)近乎直立，背向公路的一側(cè)坡度約60°到70°之間，該危巖體高度約40～50m，底邊寬度約60～70m，呈圓錐狀孤立于滑坡體的北側(cè)，滑坡滑動(dòng)后，其坡體上的裂縫若向上延伸到危巖體形成崩塌，將會(huì)對(duì)坡腳的居民產(chǎn)生極大的威脅(圖10e)。

4 滑坡災(zāi)害成因初步分析

根據(jù)滑坡歷史變形過程，坡體結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合滑坡區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件，分析滑坡失穩(wěn)的原因，主要有如下幾點(diǎn)：

4.1 地質(zhì)條件

含軟弱夾層的巖質(zhì)斜坡的失穩(wěn)破壞，常常是因?yàn)槠淦麦w內(nèi)部的軟弱夾層在長(zhǎng)期地質(zhì)歷史演化過程中受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或上覆巖層荷載影響，導(dǎo)致軟巖原有結(jié)構(gòu)破壞，碎裂化甚至泥化，形成錯(cuò)動(dòng)滑移面，巖質(zhì)斜坡沿此軟弱面形成的滑帶滑出而破壞(朱賽楠等， 2018)。

興義滑坡滑體的主要組成部分為厚-巨厚層狀白云巖，夾灰色薄層狀白云質(zhì)黏土巖，滑體中部夾有厚度0.8～1.5m的軟弱夾層，上部白云巖巖質(zhì)整體堅(jiān)硬，巖體完整，屬硬質(zhì)巖，下部軟弱夾層質(zhì)軟，可壓縮性較高，浸水后呈軟塑-流塑狀態(tài)。在構(gòu)造作用下，強(qiáng)度差異明顯的軟硬互層狀巖體沿軟硬巖交界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成層間剪切錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，再經(jīng)過長(zhǎng)期的水巖作用，軟層的強(qiáng)度逐漸降低，上部硬質(zhì)巖在重力作用下對(duì)其產(chǎn)生擠壓，發(fā)生壓縮變形，且越靠近臨空邊緣擠壓變形越大，坡體同時(shí)發(fā)生壓縮作用和剪切作用，這一過程導(dǎo)致滑坡后緣產(chǎn)生拉裂縫，拉裂縫不斷發(fā)展，逐漸貫通后最終導(dǎo)致滑坡產(chǎn)生，其過程如圖12所示。

圖12 滑坡形成過程剖面示意圖Fig.12 Section diagram of formation process of landslide

如此硬質(zhì)巖夾軟弱夾層的組合，構(gòu)成了滑坡形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，是滑坡形成的關(guān)鍵原因。

Sharmila Parmanand用一個(gè)話題說明了己方立場(chǎng)：婦女參政人數(shù)的“緩慢的轉(zhuǎn)變是不能接受的”。因此，我們提議政府要在議會(huì)為婦女保留30%到40%的席位。

4.2 誘發(fā)因素

該滑坡坡腳為興-馬大道，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，根據(jù)滑坡的歷史衛(wèi)星影像圖可知， 2014年修建公路切割坡腳導(dǎo)致產(chǎn)生小型滑坡，滑體清方后形成了一側(cè)為陡崖的不穩(wěn)定斜坡，由于前緣陡崖長(zhǎng)期臨空，誘使該不穩(wěn)定斜坡后緣裂縫的形成及發(fā)展，是滑坡形成的重要外在因素。研究區(qū)大氣降雨豐富，年降雨量在1500～1600mm之間，大氣降雨將增加滑體的重度，結(jié)構(gòu)面在暴雨期間受到侵蝕、軟化作用，抗剪強(qiáng)度降低，不利滑坡的穩(wěn)定(瞿生軍等， 2016)?；滦纬蛇^程簡(jiǎn)明圖示如圖13所示。

圖13 滑坡形成過程三維圖示Fig.13 Three-dimensional diagram of formation process of landslide

5 滑坡成功預(yù)警過程

興義滑坡的成功預(yù)警是滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)展的一個(gè)典型事例。2018年6月27日，興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村九組山體斜坡上發(fā)現(xiàn)裂縫，隨即將該點(diǎn)新增為地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，制定監(jiān)測(cè)方案，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)滑坡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5.1 監(jiān)測(cè)方案

對(duì)于緩慢變形(蠕變)滑坡的早期預(yù)警，變形量是全世界廣泛使用的主要監(jiān)測(cè)參數(shù)(Pecoraro et al.， 2018； Intrieri et al.， 2019)。對(duì)于巖質(zhì)滑坡的監(jiān)測(cè)預(yù)警，Pecoraro et al.(2018)回顧了6個(gè)滑坡預(yù)警系統(tǒng)，這些系統(tǒng)均使用位移及其導(dǎo)數(shù)(速度和加速度)作為巖土體的主要預(yù)警參數(shù)。盡管并不是所有的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都能直接用于定義預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，但它們提供了滑坡活動(dòng)的信息。因此，在興義滑坡的監(jiān)測(cè)過程中，采用了巖土體變形監(jiān)測(cè)(裂縫計(jì))和大地測(cè)量(GNSS)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方案。巖土體變形監(jiān)測(cè)是通過直接測(cè)量地面位移的裂縫計(jì)進(jìn)行的，裂縫計(jì)是由SKLGP自主研發(fā)的SIT-1800C智能裂縫監(jiān)測(cè)儀(簡(jiǎn)稱自適應(yīng)裂縫計(jì))，這是一款適用于山體滑坡、崩塌落石、工程結(jié)構(gòu)等大量程相對(duì)位移高精度監(jiān)測(cè)的智能化設(shè)備，其特點(diǎn)是通過智能計(jì)算模型自動(dòng)跟蹤變形快慢，并根據(jù)變形幅度自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率(朱星等， 2016)。同時(shí)GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的大地測(cè)量方法通過測(cè)量GPS(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星信號(hào)跟蹤的距離來識(shí)別位移。多種監(jiān)測(cè)傳感器的安裝提供了有關(guān)滑坡活動(dòng)的信息，并有助于監(jiān)測(cè)滑坡的時(shí)空演化過程，以便進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)，盡管并非所有這些傳感器的數(shù)據(jù)都被用于預(yù)警。

值得指出的是，興義滑坡的監(jiān)測(cè)方案采用了一種以上的地面位移監(jiān)測(cè)方法，以便在設(shè)備因天氣或其他相關(guān)因素干擾而出現(xiàn)故障的情況下提供替代方案，并在緊急情況下保持預(yù)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在滑坡發(fā)生前后，根據(jù)坡體變形情況在滑坡區(qū)域及其影響區(qū)域，共布設(shè)了21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括有6臺(tái)GNSS和15個(gè)裂縫計(jì)。其中3臺(tái)GNSS(GP01～GP03)和9個(gè)裂縫計(jì)(LF01-LF09)于滑坡發(fā)生前開始監(jiān)測(cè)(圖14a)，在滑坡發(fā)生后根據(jù)坡體變形情況及坡體受擾動(dòng)情況又安裝了3臺(tái)GNSS(GP04～GP06)和7個(gè)裂縫計(jì)(LF10～LF16)對(duì)滑坡危險(xiǎn)部位進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)(圖14b)。

圖14 滑坡前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.14 Layout of monitoring points before landslide

5.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.2.1 滑坡變形整體分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析滑坡的整體變形情況。滑坡發(fā)生前， 3臺(tái)GNSS設(shè)備監(jiān)測(cè)了從2月12號(hào)到滑坡發(fā)生前的位移情況，監(jiān)測(cè)曲線如圖15所示。分析可知，3條曲線變化趨勢(shì)一致，均呈加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中GP01位移最大，滑坡北西側(cè)后緣在滑坡發(fā)生前產(chǎn)生了較大的變形，該處最大位移0.8m，在滑坡后緣同樣產(chǎn)生了較大的位移，約0.7m，而位于搶險(xiǎn)工程2#沙垛前緣的GP02儀器所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)曲線顯示，該處相較其他兩點(diǎn)位移最小，且曲線斜率最小，說明砂垛對(duì)于阻止滑坡的變形發(fā)揮了作用。

圖15 GP01-03累計(jì)位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.15 Cumulative displacement curves of GP01-03

圖16為滑坡發(fā)生前在坡體裂縫處布設(shè)的裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)曲線。圖16a為滑坡后緣裂縫從1月27號(hào)至滑坡發(fā)生前的變形情況，根據(jù)曲線可知滑坡后緣裂縫變形具有一致性，變形呈勻速增長(zhǎng)， 2月12號(hào)開始曲線變陡，變形加速，至臨滑前曲線斜率基本垂直。圖16b為坡體中部處裂縫從2月14號(hào)至滑坡發(fā)生的變形情況，該處裂縫變形整體變形較后緣裂縫小，且在前期變形基本維持穩(wěn)定，沒有持續(xù)增長(zhǎng)的跡象，一直到滑坡臨滑前才發(fā)生較大變形。

圖16 裂縫位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.16 Displacement curves of cracka.LF01-LF06號(hào)裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)； b.LF07-LF09號(hào)裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

雖然自開發(fā)的儀器適用于監(jiān)測(cè)，但并不意味著其結(jié)果將完全符合斜坡蠕變破壞的3個(gè)變形階段(初始、等速和加速)的理想曲線(Saito 1969； Loew et al.， 2016； Intrieri et al.， 2019)。從監(jiān)測(cè)裝置獲得的變形曲線不可避免地會(huì)受到各種外部因素的影響，因此在預(yù)警系統(tǒng)中的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，通常采用最小二乘法和移動(dòng)平均法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和平滑。最小二乘法在數(shù)據(jù)擬合中有很重要的應(yīng)用，它可使觀測(cè)值和擬合值的平方差之和最小化。當(dāng)巖體處于長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定或等速變形階段時(shí)，可采用最小二乘法進(jìn)行回歸擬合。然而，根據(jù)蠕變理論，斜坡變形在進(jìn)入加速變形階段時(shí)通常會(huì)突然加速(Loew et al.， 2016)。在此階段，用最小二乘法可能會(huì)誤報(bào)預(yù)警信息，因此引入移動(dòng)平均法來克服這一問題。當(dāng)位移顯著增加時(shí)，移動(dòng)平均法可對(duì)噪聲進(jìn)行濾波，突出位移時(shí)間曲線的趨勢(shì)，保持監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)不受突變的影響。根據(jù)位移曲線的特點(diǎn)，自動(dòng)選擇合適的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法是非常重要的。預(yù)警系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算變形速率增量，識(shí)別滑坡變形狀態(tài)，然后選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法。

除了自行開發(fā)的監(jiān)測(cè)儀器和改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法外，預(yù)警的最終成功還依賴于精確的預(yù)警模型來確定預(yù)警閾值。預(yù)警模型定義了發(fā)布預(yù)警所需的決策程序，包括確定預(yù)警參數(shù)、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)警級(jí)別和發(fā)布預(yù)警信息(Pecoraro et al.， 2018)。許多針對(duì)巖質(zhì)滑坡的預(yù)警系統(tǒng)采用了從相似地質(zhì)背景下的歷史滑坡觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析中得出相關(guān)規(guī)律(Pecoraro et al.， 2018)來預(yù)測(cè)滑坡的變形?；谌渥兝碚摰募僭O(shè)(Tavenas et al.， 1981)，也有研究人員采用經(jīng)驗(yàn)方法通過幾何參數(shù)推斷失穩(wěn)時(shí)間(Intrieri et al.， 2019)。

本系統(tǒng)中采用了切線角方法進(jìn)行預(yù)警，該方法描述了給定時(shí)刻位移-時(shí)間曲線變形率的切線角(α)，并將其用于指定不同的警報(bào)級(jí)別。通過對(duì)大量滑坡的反分析得出，臨滑前α值一般為89°～89.5°，證明了不同滑坡之間切線角的相似性。這種切線角法通過不同破壞機(jī)制的滑坡進(jìn)行了驗(yàn)證(許強(qiáng)等，2009a； Qi et al.， 2018)，他們共分析了100多個(gè)滑坡的變形趨勢(shì)，對(duì)100多個(gè)滑坡的反分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)可將加速階段劃分為3個(gè)子階段(圖17)，這也突出了本預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警模型的細(xì)節(jié)，與傳統(tǒng)的位移和速度閾值相比，切線角閾值可用于各種類型的滑坡。

圖17 預(yù)警模型示意圖Fig.17 Schematic diagram of early warning model

盡管切線角法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但基于切線角法為所有滑坡確定單一的閾值，不足以準(zhǔn)確判斷滑坡變形整個(gè)演化過程的趨勢(shì)。因此，預(yù)警系統(tǒng)中建立了多個(gè)警報(bào)閾值，如圖17所示，在切線角法的基礎(chǔ)上，用以mm/時(shí)間步長(zhǎng)為單位的增量變形速率(即速率增量Δv)來識(shí)別變形的加速階段。在等速變形階段，速率增量(Δv)相差不大，基本為0左右。在進(jìn)入加速變形階段后，速率增量大部分為正值，但仍有波動(dòng)，其幅度大于等速變形階段。此外，使用切線角法仍有可能遺漏或誤判警報(bào)，在這種情況下，基于過去滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得出的速度閾值(v)對(duì)于進(jìn)一步區(qū)分滑坡的真實(shí)變形和設(shè)備誤差起著至關(guān)重要的作用，多閾值方法使本預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警正確率大大提高。

5.2.3 預(yù)警成功過程分析

經(jīng)由裂縫計(jì)和GNSS現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸至“地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”(Ju et al.， 2015)進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算，并在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)繪制變形-時(shí)間曲線，通過對(duì)曲線的特征分析，自動(dòng)劃分變形階段和預(yù)警級(jí)別，一旦達(dá)到某個(gè)危險(xiǎn)級(jí)別，系統(tǒng)將通過手機(jī)短信等方式發(fā)送提示性預(yù)警信息到指定的手機(jī)(圖18a)(許強(qiáng)等， 2020)。

圖18 地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)Fig.18 Real-time monitoring and warning system of geohazardsa.地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息; b.GNSS GP01監(jiān)測(cè)曲線; c.裂縫計(jì)LF01監(jiān)測(cè)曲線

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器傳回的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由“地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”的實(shí)時(shí)分析與計(jì)算，繪制變形速率(v)、速率增量(Δv)曲線，同時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)判定滑坡勻速變形階段的速率，繪制改進(jìn)切線角(α)曲線，由此對(duì)滑坡的變形階段進(jìn)行綜合判斷(許強(qiáng)等， 2009b； 王延平等， 2015； 鄧建輝等， 2019)。

圖18c為裂縫計(jì)LF01從1月28號(hào)至滑坡發(fā)生期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，分析可知，在1月31號(hào)之前，變形曲線表現(xiàn)出幅度較小的波動(dòng)，此階段坡體裂縫開始產(chǎn)生，為斜坡初始變形階段； 從1月31號(hào)至2月9號(hào)期間，變形曲線趨于穩(wěn)定，速率增長(zhǎng)緩慢，累計(jì)位移曲線總體呈一斜直線，此階段斜坡初始變形產(chǎn)生后在重力等因素作用下產(chǎn)生蠕動(dòng)變形，裂縫不斷發(fā)展，為斜坡等速變形階段； 從2月9號(hào)開始，變形速率開始快速增加，速率倒數(shù)曲線突變向下，呈階梯式下降，而切線角則呈現(xiàn)階梯式上升，斜坡變形明顯加快， 2月15號(hào)后，速率增量全為正，且成倍增大，累計(jì)位移及變形速率曲線快速增長(zhǎng)，隨后斜坡進(jìn)入加速變形階段，裂縫逐漸貫通。

裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)曲線更好地反映了滑坡變形的漸進(jìn)性，宏觀上速度倒數(shù)曲線能夠直觀體現(xiàn)變形突變，而根據(jù)變形速率能夠定量劃分變形階段，滑坡發(fā)展過程更加清晰。

斜坡進(jìn)入加速變形階段往往預(yù)示著滑坡即將發(fā)生，又可將加速階段細(xì)分為3個(gè)亞階段(圖19)，以更清楚地揭示滑坡發(fā)生前的變形特征(許強(qiáng)等， 2009a)。2月16號(hào)12時(shí)左右，變形速率達(dá)到注意級(jí)80mm·d-1，變形首先進(jìn)入到初加速階段，速率增量在0～10mm·d-1范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，變形速率和累計(jì)位移不斷增長(zhǎng)，至2月16日21時(shí)，變形速率達(dá)到警示級(jí)100mm·d-1，斜坡變形進(jìn)入中加速階段，速率增量增大到10～15mm·d-1，累計(jì)位移和變形速率快速增長(zhǎng)，在2月17號(hào)凌晨3點(diǎn)過后變形速率達(dá)到警戒級(jí)160mm·d-1，變形進(jìn)入臨滑階段，系統(tǒng)發(fā)布橙色預(yù)警，此時(shí)切線角超過80°，速率增量開始呈臺(tái)階式上升，累計(jì)位移和變形速率高速增長(zhǎng)，在2月17日凌晨5點(diǎn)36分切線角超過85°，從宏觀上來看，累計(jì)位移，變形速率曲線近直立，斜坡變形急劇增長(zhǎng)，速率增量持續(xù)增大，達(dá)到40mm·d-1，凌晨5點(diǎn)52分，變形速率達(dá)500mm·d-1，隨后滑坡發(fā)生。

圖19 滑坡變形加速階段Fig.19 Accelerating stage of landslide deformation

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，自適應(yīng)裂縫計(jì)相較于GNSS能夠更加及時(shí)地反應(yīng)斜坡變形特征和變形階段，其在斜坡的變形發(fā)展中根據(jù)變形速率，自動(dòng)調(diào)整采集頻率，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果清晰地反映了加速變形的過程，對(duì)準(zhǔn)確判定斜坡的變形演化階段具有重要意義，并為滑坡自動(dòng)預(yù)警提供了支撐。

6 結(jié) 論

由于巖質(zhì)滑坡的復(fù)雜性，成功預(yù)測(cè)的案例在世界范圍內(nèi)是非常罕見的。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是降低風(fēng)險(xiǎn)的重要工具，通過提前幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí)的及時(shí)警報(bào)，可拯救寶貴的生命。在本研究中，作者提供了一個(gè)成功的案例，對(duì)中國(guó)西南地區(qū)的山體滑坡進(jìn)行預(yù)警。介紹了改進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法和基于多閾值綜合預(yù)警模型，這將有助于預(yù)測(cè)未來類似的滑坡。作者從成功案例中吸取的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

(1)本文通過綜合分析認(rèn)為，興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村滑坡2014年首次滑動(dòng)后形成了不穩(wěn)定斜坡，其陡崖后方巖體在重力的長(zhǎng)期作用下，產(chǎn)生拉裂縫，加之坡體的軟弱夾層因降雨等原因發(fā)生時(shí)效變形，并逐漸演變?yōu)闈撛诨瑒?dòng)面，且硬質(zhì)巖與軟弱夾層的組合，在不利的地形地貌、坡體結(jié)構(gòu)以及人為擾動(dòng)等因素的綜合作用下，斜坡發(fā)生壓縮、剪切復(fù)合作用，最后沿滑面切出，滑坡產(chǎn)生。

(2)滑坡的形成過程是變形不斷加速的過程，結(jié)合GNSS和裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過“地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)”分析處理后繪制的變形-時(shí)間曲線可以綜合判斷滑坡的變形階段，結(jié)果顯示斜坡經(jīng)過初始變形，等速變形和加速變形階段直至滑坡發(fā)生。自主研發(fā)的自適應(yīng)裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果能更好地體現(xiàn)斜坡變形發(fā)展階段。

(3)滑坡的成功預(yù)警證明了綜合預(yù)警模型在預(yù)警系統(tǒng)中的重要性。建議在監(jiān)測(cè)過程中使用多源傳感器測(cè)量多個(gè)閾值，以在緊急情況下保持系統(tǒng)工作的持續(xù)性和預(yù)警結(jié)果的可靠性。