陶志剛 羅森林 朱 淳 何滿潮

(①深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083， 中國) (②中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083， 中國) (③同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092， 中國) (④河海大學(xué)， 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098， 中國)

0 引 言

我國滑坡災(zāi)害占所有地質(zhì)災(zāi)害的68%以上，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅(許強(qiáng)等， 2004； 中國地質(zhì)調(diào)查局， 2020)?；聠栴}一直是防災(zāi)減災(zāi)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)問題，隨著學(xué)科交叉與學(xué)科融合，新型的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與設(shè)備逐漸被開發(fā)和應(yīng)用(Huang et al.，2016； 許強(qiáng)等， 2020)， 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的類型，精度和時(shí)效性均大大提升，使邊坡的監(jiān)測(cè)和臨滑預(yù)警研究工作向前推進(jìn)了一步。邊坡位移監(jiān)測(cè)由經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀等發(fā)展為紅外測(cè)距儀，高精度GPS，InSAR等(唐亞明等， 2012)，監(jiān)測(cè)手段更加先進(jìn)，精度也越來越高，深部位移監(jiān)測(cè)也逐漸受到了重視(王志旺等， 2004)。除位移監(jiān)測(cè)外，物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)，降雨監(jiān)測(cè)，震動(dòng)監(jiān)測(cè)等都開始成為研究對(duì)象，本文主要是根據(jù)通過牛頓力監(jiān)測(cè)臨滑預(yù)警成功案例對(duì)滑坡力學(xué)過程進(jìn)行分析。

目前許多滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模式是基于齋藤迪孝提出的土體蠕滑三階段的理論對(duì)滑坡位移進(jìn)行定性分析(賀可強(qiáng)等， 2016； 王珣等， 2017； 韋忠跟， 2017； 許強(qiáng)等， 2019； 許強(qiáng)， 2020)，該方法適用于大范圍巖土體邊坡穩(wěn)定性分析，并通過InSAR等技術(shù)能有效識(shí)別邊坡蠕滑土體的范圍(白潔等， 2020)。許強(qiáng)等(2004， 2019)， 許強(qiáng)(2020)通過對(duì)滑坡三階段變形曲線進(jìn)行細(xì)化研究，提出了基于天-空-地一體的地災(zāi)早期識(shí)別與監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，采用多源高精監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)大面積地表蠕滑位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效識(shí)別存在滑坡隱患的地質(zhì)區(qū)域?；诒砻嫱馏w位移識(shí)別監(jiān)測(cè)模式，能在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生蠕滑的邊坡，若要實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的臨滑預(yù)警，需要大量不同類型的滑坡案例進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律。在不完全了解滑坡規(guī)律與機(jī)制的情況下，機(jī)器學(xué)習(xí)(劉艷輝等， 2021)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過機(jī)器對(duì)大量滑坡樣本的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，或者多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析及樣本訓(xùn)練等(張寧等， 2019)，也能達(dá)到判定邊坡穩(wěn)定性的目的。進(jìn)而， 一部分學(xué)者提出了力學(xué)監(jiān)測(cè)的預(yù)警方法(杜巖等， 2017， 2019)，但是該方法多應(yīng)用于位移變形監(jiān)測(cè)方法失效的崩塌災(zāi)害研究。針對(duì)這個(gè)問題，何滿潮(2016)提出了牛頓力雙體災(zāi)變模型，解釋了邊坡由變形到災(zāi)變的力學(xué)模式，認(rèn)為通過對(duì)滑體和滑床之間力的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)臨滑預(yù)警，通過多次成功實(shí)踐(陶志剛等， 2015， 2017a， 2017b； 楊曉杰等， 2017)證明理論的合理性和實(shí)踐的可操作性。本文將基于牛頓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)雅安寶興縣滑坡過程與力學(xué)演化進(jìn)行分析。

1 工程地質(zhì)概況

寶興縣位于四川盆地西部邊緣，雅安市的北部，勘查區(qū)位于寶興縣中部(圖 1)，地處金湯弧形構(gòu)造帶中部與龍門山北東向構(gòu)造帶結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育。

圖 1 勘查區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location map of exploration area

寶興縣氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，夏季降雨集中，主要集中在6～9月。受山地海拔影響，地質(zhì)勘查區(qū)晝夜溫差較大，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，并使土體在旱季龜裂，促使雨水下滲量較大，雨水下滲后，使巖土體水分飽和、軟化，降低了巖土體的抗剪強(qiáng)度并增加了巖土體的容重。同時(shí)，地下水的增加，增大了地下水的動(dòng)水壓力和靜水壓力，使斜坡發(fā)生變形(章亮等， 2018)。因此，降雨是勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的主要誘發(fā)因素之一。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)區(qū)位于Ⅰ號(hào)老滑坡體的前緣邊界處，大致位置如圖 2所示。唐包滑坡Ⅰ號(hào)滑坡體前后緣相對(duì)高差373～376m，呈長舌狀，前緣寬約450m，表面松散層平均厚約20.5m，滑體體積約478.59×104m3，屬于大型土質(zhì)牽引式滑坡。其平面形態(tài)呈長舌狀，剖面形態(tài)呈階梯狀，前緣坡面呈鼓丘階梯狀，地形坡度30°～40°，中部地形坡度25°～40°，后緣地形坡度40°～50°?；w物質(zhì)大多堆積于滑坡體的前部，呈鼓丘狀微地貌形態(tài)，中、后部滑體物質(zhì)主要由呈松散狀的第四系殘坡積塊碎石土和含碎石粉質(zhì)黏土組成，前緣滑體物質(zhì)主要由呈松散-密實(shí)狀的塊碎石土組成。

圖 2 Ⅰ號(hào)滑坡體與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)區(qū)位置關(guān)系圖Fig. 2 Location relationship between landslide Ⅰ and monitoring point layout area

圖 3 牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)組成及NPR錨索組成Fig. 3 (a) Newton force monitoring and early warning system; (b) NPR anchor cablea. 牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng); b. NPR錨索工作原理

2 牛頓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備組成

牛頓力是反映的基巖與滑床之間由彈塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的不平衡力變化的情況。牛頓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖 3a所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以NPR錨索(He et al.，2014)為核心， 4G網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)，監(jiān)控中心為樞紐，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸數(shù)據(jù)?；聦儆趲r體大變形災(zāi)害，若要監(jiān)測(cè)整個(gè)滑坡過程中滑體與基巖之間力的變化情況，需要一種能適應(yīng)這個(gè)大變形的裝置。NPR錨索組成及工作原理如圖 3b所示，主要由套管、恒阻體以及錨索組成，邊坡深部通過錨固段將錨索錨固在基巖上，表層通過錨墩對(duì)錨索施加預(yù)緊力，并在錨墩處安裝力學(xué)傳感器，進(jìn)而對(duì)錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。NPR錨索具有高恒阻、大變形、強(qiáng)吸能、抗沖擊等超常力學(xué)性能，能在滑體相對(duì)滑床發(fā)生大變形后，通過套管與恒阻體發(fā)生摩擦滑移，依然保持高恒阻力，適用于全過程滑坡牛頓力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳輸至客戶端，以便用戶能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)和查看邊坡穩(wěn)定性情況。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為有針對(duì)性地布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)概況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)傍山公路路肩存在少量裂縫，整個(gè)路基建立在兩個(gè)大的不穩(wěn)定坡體上。地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，該邊坡地質(zhì)情況復(fù)雜存在多種破壞的模式，尤其當(dāng)雨水下滲，泥巖接觸面的黏結(jié)力降低，抗滑力下降，較易發(fā)生滑坡災(zāi)害，對(duì)公路及行車安全造成極大威脅。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)選點(diǎn)考察以及分析結(jié)果，按照每40～60m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)在滑坡風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域均勻設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖 4)，連續(xù)對(duì)邊坡的牛頓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3 預(yù)警準(zhǔn)則

何滿潮(2009)， 陶志剛等(2015)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基于牛頓力滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建立了“藍(lán)黃橙紅”的預(yù)警準(zhǔn)則(表 1)。預(yù)警準(zhǔn)則分為二級(jí)，一級(jí)準(zhǔn)則是以預(yù)緊力T0為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)牛頓力增長3T0以上時(shí)發(fā)布紅色預(yù)警； 二級(jí)準(zhǔn)則是按照牛頓力增長的絕對(duì)值以及牛頓力曲線趨勢(shì)判定，當(dāng)牛頓力突降時(shí)，發(fā)布紅色預(yù)警，達(dá)到任意預(yù)警條件均發(fā)布相應(yīng)級(jí)別的預(yù)警報(bào)告。

表 1 滑坡牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)及預(yù)警準(zhǔn)則Table 1 Newton force monitoring early warning levels and early warning criteria

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

通過鉆孔、下錨索、澆筑錨墩、施加預(yù)應(yīng)力、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝等一系列流程， 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分批次在5月安裝完畢并投入使用。通過太陽能電源的持續(xù)供電，無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間獲取了大量數(shù)據(jù)，期間成功預(yù)測(cè)了滑坡和路基沉降共2次。

3.1 BX3測(cè)點(diǎn)分析

BX3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，從5月開始對(duì)邊坡進(jìn)行實(shí)時(shí)牛頓力監(jiān)測(cè)并反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖 5所示。地表淺表層第四系雜填土表征為欠固結(jié)性，在NPR錨索預(yù)緊力的擠壓下，監(jiān)測(cè)曲線表征為軟化壓入模式(何滿潮， 2009)，監(jiān)測(cè)曲線在初期表現(xiàn)為軸力穩(wěn)定，無明顯波動(dòng)，然后出現(xiàn)小幅度臺(tái)階式下沉。經(jīng)軟化壓入后錨索軸力值為139kN。7月份降雨量顯著增加，地下水賦存主要受東側(cè)河流與大氣降水影響。邊坡排水系統(tǒng)不完善，遭遇強(qiáng)降雨后，地表水下滲導(dǎo)致土體容重增加，土體吸水軟化，抗剪強(qiáng)度降低，邊坡穩(wěn)定性變低。抗滑力的下降和下滑力的上升導(dǎo)致地表錨索軸力以小斜率緩慢增加。

圖 5 牛頓力監(jiān)測(cè)曲線與降雨量對(duì)比圖Fig. 5 Comparison between Newton force monitoring curve and rainfall

經(jīng)過1個(gè)月時(shí)間演化，雨水下滲，表層土體吸水軟化，強(qiáng)度降低，黏結(jié)力也隨之下降。于8月20號(hào)錨索軸力顯著增加，增速較快，于8月26日牛頓力已達(dá) 239kN，增幅量已超過100kN，符合二級(jí)準(zhǔn)則的中期預(yù)警條件，向當(dāng)?shù)匕l(fā)出中期預(yù)警，并派出調(diào)查人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，公路地面出現(xiàn)裂縫，裂縫均沿公路干線方向發(fā)育(圖 6)，說明所受力為朝向公路外沿的張拉力，且公路外沿側(cè)有下沉趨勢(shì)。

圖 7 滑坡總覽圖Fig. 7 Landslide map

圖6 路面裂縫圖(邊坡后沿)Fig. 6 Pavement crack diagram(Back edge of slope)

8月28日10：50，牛頓力曲線突降，經(jīng)研究后隨即向當(dāng)?shù)匕l(fā)出臨滑預(yù)警，當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門立刻封鎖了該段公路，于當(dāng)日14：23，公路路基發(fā)生沉降，最大沉降量達(dá)40cm。公路外沿破壞，發(fā)生滑坡，坡體長約78m，寬約 65m，滑坡體潛在滑動(dòng)面埋深約 5m，總體積約2.5m×104m3?；轮芙缭谄矫嫔铣省皫住弊中握共迹瑑蓚?cè)以羽狀拉裂縫為界，沿滑動(dòng)面無明顯地下水出漏點(diǎn)，裂縫寬約5～15cm，滑坡體走向10°。公路一側(cè)欄桿已沖刷至坡底，巖體破碎，多數(shù)為卵石，最大塊體直徑約 60cm，磨圓度差，擦痕顯著，滑坡形成溝槽深度約1m，如圖 7所示。在發(fā)出預(yù)警信號(hào)后3.5h， BX3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處發(fā)生滑坡，因提前控制車輛通行，本次滑坡與路基下沉未造成人員傷亡。

3.2 BX4測(cè)點(diǎn)分析

BX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)同樣因長時(shí)間降雨的影響，土體滲水軟化，在同期也出現(xiàn)了滑坡趨勢(shì)，但曲線前期牛頓力的發(fā)展模式和BX3有較為明顯的差別。8月中上旬，寶興縣降雨量集中，在雨水下滲后，滑動(dòng)面黏結(jié)力降低，滑體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，滑體受擾動(dòng)后，裂縫發(fā)育，導(dǎo)致牛頓力突升，并達(dá)到了中期預(yù)警的閾值。裂縫產(chǎn)生后5天牛頓力處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于當(dāng)?shù)爻掷m(xù)的強(qiáng)降雨，導(dǎo)致土體含水率維持在一個(gè)較高的水平，土體強(qiáng)度進(jìn)一步下降，在8月26日、27日連續(xù)出現(xiàn)牛頓力突降，并于27日18：30發(fā)出臨滑預(yù)警后，于當(dāng)日23：23，BX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)路基裂縫大范圍擴(kuò)展，出現(xiàn)不均勻沉降。在預(yù)警信號(hào)發(fā)出5h后，BX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近公路路面裂紋迅速擴(kuò)展并發(fā)生沉降，邊坡位移變形較小，以路基表面出現(xiàn)擴(kuò)展性裂紋和沿公路沿線錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象為主。

圖 9 滑坡區(qū)等高線圖Fig. 9 Contour map of landslide area

4 滑坡過程分析

從圖 5和圖 8的牛頓力曲線來看，牛頓力曲線的升高均滯后當(dāng)?shù)亟涤炅壳€，對(duì)于該類第四系土質(zhì)邊坡降水影響較大，且在短期內(nèi)因邊坡蠕滑變形，而這個(gè)典型的塑形變形過程導(dǎo)致牛頓力以較大的斜率突增。土質(zhì)邊坡相對(duì)于巖質(zhì)邊坡剛度更小，而具有更明顯的塑形特征，體現(xiàn)在牛頓力曲線上，即牛頓力上升幅值較小，基本上達(dá)到中期預(yù)警閾值后，短期內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)臨滑特征，即牛頓力突降(突降幅值亦較小)。就目前監(jiān)測(cè)情況來看，第1次滑坡體量與規(guī)模都較小，僅公路外沿邊坡發(fā)生破壞，亦或路基出現(xiàn)不均勻沉降和擴(kuò)展裂縫，在此之后，牛頓力曲線繼續(xù)上升，且具有穩(wěn)定的趨勢(shì)。但是滑坡體并不處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，因?yàn)榕ｎD力一直處于一個(gè)較高的水平，屬于次穩(wěn)定狀態(tài)，在該狀態(tài)下，若邊坡受到一定擾動(dòng)，極有可能打破暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，牛頓力再次上升，出現(xiàn)滑坡災(zāi)害。

圖 8 牛頓力監(jiān)測(cè)曲線與降雨量對(duì)比圖Fig. 8 Comparison between Newton force monitoring curve and rainfall

對(duì)于BX3監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的滑坡，由地質(zhì)勘察報(bào)告的等高線圖可知(圖 9)，該滑坡的左沿與老滑坡體邊界相契合，老滑坡體邊界沉積的時(shí)間也較小于其他位置，其強(qiáng)度也更低，且滑坡處等高線較密，邊坡較陡，屬于容易發(fā)生滑坡的位置。而BX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置位于老滑坡體邊界的外側(cè)，但因其滑坡現(xiàn)象不顯著，只在邊坡上沿出現(xiàn)了路基沉降和張拉裂縫(圖10)，無法詳細(xì)估計(jì)最終滑坡范圍和體量。通過牛頓力曲線的趨勢(shì)，可以認(rèn)為這兩處的滑坡均未達(dá)到最終穩(wěn)定的狀態(tài)，僅發(fā)生了部分滑移與沉降，處于次穩(wěn)定狀態(tài)，在受擾動(dòng)后依然存在發(fā)生二次滑坡的危險(xiǎn)。

圖 10 路面不均勻沉降圖Fig. 10 Photos of uneven settlement of pavement

BX3監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡面截面示意如圖 11所示，該處坡體位于老滑坡體上且位于老滑坡體邊界，處于欠穩(wěn)定的位置。邊坡的潛在滑動(dòng)面延伸至公路內(nèi)側(cè)，使得該段公路存在不均勻沉降的危險(xiǎn)。坡體表面以塊碎石土，雜填土等透水性較強(qiáng)的覆土層居多。一般情況下，邊坡位于山區(qū)，受擾動(dòng)較少，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，牛頓力曲線處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，如圖 5、圖 8牛頓力監(jiān)測(cè)曲線前段。2020年7～8月南方多地強(qiáng)降雨，寶興縣降雨量也明顯增加，并出現(xiàn)了連續(xù)降雨，大量雨水下滲，河水上漲，導(dǎo)致坡體地下水位上升至潛在滑動(dòng)面。潛在滑動(dòng)面土體吸水軟化，抗滑力下降，再加上坡腳支擋部分因軟化強(qiáng)度降低，坡體出現(xiàn)下滑趨勢(shì)，滑體與滑床黏結(jié)力下降，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)牛頓力上升，邊坡后壁往往會(huì)出現(xiàn)裂縫。

圖 11 BX3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坡面截面示意圖Fig. 11 Schematic diagram of slope section of BX3 monitoring point

監(jiān)測(cè)過程的簡(jiǎn)化力學(xué)模型可以表述為：

ΔF=-k(T2-T1)

(1)

式中：ΔF為監(jiān)測(cè)變量；T2為滑體與滑床黏結(jié)力弱化后的抗滑力(kN)；T1為初始抗滑力(kN)；k為常系數(shù)。

假設(shè)前提：此刻的滑體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)?；w在不發(fā)生明顯位移的條件下，可以認(rèn)為支持滑體穩(wěn)定的抗滑力為定值，當(dāng)滑體和滑床之間的黏結(jié)力因外在因素減小時(shí)，滑體有下滑的趨勢(shì)，滑坡后壁往往會(huì)出現(xiàn)裂縫，即：牛頓力上升的過程中，公路受拉出現(xiàn)了擴(kuò)展性裂縫，裂縫均沿公路干線發(fā)展。但短時(shí)間內(nèi)滑坡并不會(huì)發(fā)生，一方面滑坡在蠕滑的過程中，邊坡內(nèi)力重分布， 剪切口會(huì)形成支擋結(jié)構(gòu)承受部分下滑力； 另一方面滑體發(fā)生蠕滑后，因擾動(dòng)損失的力一部分會(huì)轉(zhuǎn)移到錨索上，錨索軸力增加。該過程需要指出的是，監(jiān)測(cè)滑坡前期蠕滑的整個(gè)過程，錨索需要與滑體變形協(xié)調(diào)，而滑體的變形量屬于大變形范疇，錨索需在大變形時(shí)不發(fā)生破斷，并且錨索的錨固段須延伸至深層基巖(圖 11)。

滑體在經(jīng)過一段時(shí)間蠕滑變形后，剪切口支擋結(jié)構(gòu)達(dá)到受力極限，滑體出現(xiàn)臨滑特征，滑坡后壁裂縫再次發(fā)育，甚至出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)?；w局部出現(xiàn)卸力，牛頓力曲線突降，這便是臨滑現(xiàn)象，此時(shí)滑體已經(jīng)出現(xiàn)了滑動(dòng)趨勢(shì)，且滑體的加速度不為0。該過程為滑坡的臨滑發(fā)育時(shí)間，這個(gè)過程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，質(zhì)量越大發(fā)育的時(shí)間也相對(duì)越長，即滑體從加速到災(zāi)變的時(shí)間越長，可供監(jiān)測(cè)時(shí)間也越長。

將目前牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成功預(yù)警的滑坡其體量與臨滑預(yù)警時(shí)間進(jìn)行回歸， 二者趨勢(shì)大致符合式(2)， 二者呈正相關(guān)。通過該關(guān)系曲線能大致推斷滑坡后滑體的體量大小。

y=aebln x

(2)

式中：y為預(yù)警時(shí)間到滑坡發(fā)生的預(yù)警時(shí)長(h)；x為滑坡體量(m3)；a，b為系數(shù)，且a≈0.17，b≈0.39。

圖 12 牛頓力監(jiān)測(cè)曲線與齋藤模型對(duì)比Fig. 12 Comparison between Newton force monitoring curve and Saito modela. 牛頓力檢測(cè)曲線； b. 齋藤模型

5 牛頓力演化過程與齋藤模型對(duì)比

牛頓力監(jiān)測(cè)模型主要根據(jù)牛頓力演化過程對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析(圖 12a)，監(jiān)測(cè)曲線主要分為3個(gè)部分，當(dāng)牛頓力曲線處于水平時(shí)，邊坡處于穩(wěn)定階段，無滑坡風(fēng)險(xiǎn)(圖中軟化壓入為該類邊坡特征，土體表層以雜填土、塊碎石居多，施加預(yù)應(yīng)力后出現(xiàn)軟化壓入的情況)； 牛頓力處于上升段時(shí)，根據(jù)力變化的大小可分為多種預(yù)警級(jí)別，在此統(tǒng)稱為牛頓力演化階段； 而后以牛頓力突降為時(shí)間起點(diǎn)為滑體災(zāi)變階段，以目前工程經(jīng)驗(yàn)，從牛頓力突降至滑坡災(zāi)害發(fā)生，時(shí)長間隔約為4～20h，其與滑體體量相關(guān)。

齋藤模型主要利用地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變形趨勢(shì)(圖 12b)與齋藤模型進(jìn)行比對(duì)來反映滑坡變形所處的階段。齋藤模型一共分為3個(gè)階段，初始變形、等速變形和加速變形，滑體災(zāi)變一般發(fā)生在加速變形的某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。目前完全通過位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量化，成功預(yù)測(cè)滑坡的案例極為少見，多為滑坡后用數(shù)據(jù)對(duì)理論檢驗(yàn)，如亓星等(2020)通過改進(jìn)齋藤模型對(duì)甘肅黑方臺(tái)滑坡前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出的預(yù)測(cè)滑坡時(shí)間與實(shí)際滑坡時(shí)間相差較小。該方法在反映滑坡發(fā)育所處的各個(gè)階段具有極大的優(yōu)勢(shì)，從理論上講可根據(jù)大量滑坡經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)滑坡各種演變模式進(jìn)行總結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)臨滑預(yù)警，但因?yàn)樵撃Ｐ偷慕?jīng)驗(yàn)性和統(tǒng)計(jì)性的特點(diǎn)，目前依據(jù)齋藤模型真正意義上成功預(yù)測(cè)滑坡的案例較少，基于變形監(jiān)測(cè)的短期臨滑預(yù)警方面還需要進(jìn)一步研究。

對(duì)比牛頓力監(jiān)測(cè)曲線和齋藤模型，若假定滑體穩(wěn)定階段無變形，則齋藤模型的初始變形和等速變形的蠕滑過程均對(duì)應(yīng)牛頓力演化階段。加速變形階段就是滑體出現(xiàn)加速度，當(dāng)速度累積到一定程度時(shí)，滑體就會(huì)災(zāi)變。牛頓力出現(xiàn)突降出現(xiàn)在加速變形階段的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩者在這一階段對(duì)應(yīng)性較為模糊。

齋藤模型的優(yōu)勢(shì)在于，利用現(xiàn)有先進(jìn)的地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，能定性分析大范圍地質(zhì)區(qū)域內(nèi)坡體穩(wěn)定性。若結(jié)合齋藤模型和牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，從面到點(diǎn)的監(jiān)測(cè)思路，能有效規(guī)避與減少滑坡災(zāi)害帶來的損失?！懊姹O(jiān)測(cè)”：利用InSAR、GNSS等技術(shù)可以對(duì)大范圍地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的坡體進(jìn)行連續(xù)變形監(jiān)測(cè)，并根據(jù)齋藤模型可分析滑體蠕滑所處階段。需要指出的是，齋藤模型的蠕滑速度對(duì)比是對(duì)自身各時(shí)期的蠕滑速度對(duì)比，并沒有絕對(duì)值參考，所以需要對(duì)邊坡長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)才能有效分析坡體變形所處階段?！包c(diǎn)監(jiān)測(cè)”：對(duì)有滑坡風(fēng)險(xiǎn)的坡體根據(jù)其危害性大小進(jìn)行分類，若滑坡后對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全及生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生較大威脅，便需采用牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。兩種監(jiān)測(cè)思路的融合與技術(shù)的合成，以及適用的范圍需進(jìn)一步研究。

6 結(jié) 論

(1)通過對(duì)滑坡的充分必要性的分析，基于高精度力學(xué)傳感器和無線傳輸技術(shù)，建立了NPR牛頓力監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并且將系統(tǒng)應(yīng)用于寶興縣建于老滑坡體上公路的邊坡監(jiān)測(cè)與預(yù)警，通過對(duì)監(jiān)測(cè)牛頓力曲線的分析，BX3監(jiān)測(cè)點(diǎn)在發(fā)出臨滑預(yù)警3.5h， BX4監(jiān)測(cè)點(diǎn)在發(fā)出臨滑預(yù)警4h后，兩處均發(fā)生了不同程度的滑坡與沉降。

(2)邊坡巖土體組分構(gòu)成主要是雜填土與多孔隙巖體為主，根據(jù)地勘結(jié)果，可知該邊坡位于老滑坡體滑體邊界，該處邊坡以松散塊石與第四系雜填土為主，強(qiáng)度和穩(wěn)定性也相對(duì)較低。通過對(duì)滑坡敏感性因素分析，對(duì)比牛頓力曲線和降雨量，牛頓力曲線上升略滯后于降雨量增加，認(rèn)為外在因素以降雨為主。

(3)通過分析滑坡發(fā)生前后牛頓力監(jiān)測(cè)曲線和現(xiàn)場(chǎng)表觀現(xiàn)象，根據(jù)滑坡牛頓力監(jiān)測(cè)曲線可將滑坡力學(xué)演化過程分為3個(gè)階段：①牛頓力上升階段，邊坡后壁出現(xiàn)裂縫； ②牛頓力突降階段，邊坡出現(xiàn)臨滑現(xiàn)象，邊坡后壁裂縫擴(kuò)展，甚至?xí)霈F(xiàn)部分錯(cuò)臺(tái)； ③滑坡階段，在牛頓力突降后一段時(shí)間后(一般4～20h)，滑坡發(fā)生。

(4)最后對(duì)比牛頓力監(jiān)測(cè)曲線和齋藤模型，得出兩條曲線各階段的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系，但因?yàn)閮烧咔€所依據(jù)的數(shù)據(jù)類型不同，牛頓力曲線的臨滑段與齋藤模型的加速蠕變段對(duì)應(yīng)關(guān)系較模糊。最后根據(jù)牛頓力監(jiān)測(cè)與齋藤模型在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出從“面”的角度對(duì)大范圍內(nèi)的邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再對(duì)識(shí)別出可能發(fā)生滑坡的“點(diǎn)”進(jìn)行牛頓力監(jiān)測(cè)，點(diǎn)面結(jié)合，從而提高滑坡監(jiān)測(cè)的效率和精確度。