基于表面倾角变化的滑坡临灾预警方法研究

王妙茜　谢谟文　胡　嫚

（北京科技大学土木与环境工程学院，中国 北京 100083）

【摘　要】监测预警是滑坡灾害预防的最有效手段之一。目前的滑坡灾害监测多采用以位移监测为主的方法成本高，专业性强，难以大面积推广使用。本文提出了基于滑体倾角变化的滑坡预警监测方法，通过滑体上倾角传感器变化规律与滑坡位移及速度等参数的对比研究发现，基于倾角变化的预警方法更加实用有效。

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关键词 滑坡；倾角；临灾；预警

0　引言

滑坡的变形破坏是一个长期过程，按其破坏速度，可分为蠕滑型滑坡和突发型滑坡[1]，如金坪子滑坡属于蠕滑型滑坡，即滑坡持续缓慢滑动长达数十年之久。滑坡的发生发展都是从内部变形破坏开始的，随着内部变形的发展，导致下滑力逐渐大于抗滑力，边坡便会失稳，局部或整体垮塌，以达到新的平衡。

滑坡的灾害识别、监测预报是我国经济社会的重要课题。国内外学者在滑坡安全监测领域做了大量的研究，滑坡的预测预报常用的有斋藤迪孝模型[2]、灰色系统模型[3]、神经网络方法[4]等。对滑坡灾害进行有效的监测预警是减轻其危害的主要手段，监测过程即是通过捕捉滑坡体动态变化信息，建立其与滑坡成灾演化阶段的对应关系，通过专业分析预测地质灾害

滑坡监测一般采用位移监测技术，有gps监测[6-9]，经纬仪监测[10]，钻孔倾斜仪监测[11-13]、遥感信息技术[14-16]等监测手段，这些监测手段大都成本高昂，对监测环境和安装条件要求严格，且需要专业的分析判断。

本文提出捕捉滑坡突变信息的简易方法，大幅降低预警监测成本。受滑坡征兆识别现象醉汉林的启发，在待测边坡布设监测杆体，如果发生滑坡土体位移突变，杆体会发生一定角度的倾斜，这间接实现了滑坡的位移监测，捕捉滑坡临灾突变信息。

1　滑坡临灾预警方法研究

假定一边坡体如图1所示，将滑体自右向左划分为等距土条，分别编号为：1,2,3,4,5…i…n…，土条等间距为bi，右边长度为li，当岩体向左移动一个土条距离，即bi长度，计算各土条单元地表位移。

将土坡分为两个部分，即坡顶和斜披，记土坡向左移动bi长度时，坡顶地表位移为S1，而斜坡的位移为S2，在坡顶位移角度计算如式（1），位移值计算如式（2），斜坡的位移角和位移值计算如式（3）和式（4）所示。相应地可以通过滑坡体上倾角传感器的变化测定滑坡的位移状况，进而预警滑坡位移的突变，达到临灾预警目的。

本文选取一个实例：大光包—红洞子沟滑坡进行滑坡模拟数值分析。大光包—红洞子沟滑坡是汶川大地震引发的大规模滑坡，其体积达7.5×108 立方米，堰塞坝高690m。数值模拟了滑坡的全过程，采用的主要参数如下：ρ=2.5（g/cm3），E=1.86GPa，摩擦角φ=10.8(°)，粘聚力c=1.276(MPa)。在土体上标记M点，滑坡破坏结束，土体趋于稳定后，M点位置在滑坡前后的位置对比如图2所示。在滑坡破坏过程中 ，M点的速度—时间以及位移—时间关系曲线如图3所示。

若将滑坡预警传感器插于山体之上，诸如M点位置，实时监测其位移、速度、加速度及振动情况，做到及时发现滑坡征兆，为科研和工程监测提供数据。下面对大光包滑坡监测点M进行分析，其速度位移随时间变化曲线如图3所示。

分析M点在整个滑坡过程中，随时间推移的速度和位移变化曲线。分析曲线可以看出，在滑坡初始阶段，位移和速度都有不同程度的变化，其中速度比位移对于土体的变化更加敏感，此时时间是在t= 1.5s时O点的速度v=0.71m/s，位移S=5.43m。随后，土体失稳进入加速下滑阶段，即O S1段，此阶段加速度为正值，故速度逐渐加大到峰值v2点（t=22.5s，v=41.7，S=456.92m）。从S1点开始，滑体进入减速下滑阶段，直到S4点（t=51.5s，S=1010.83m），滑体达到新的平衡，位移稳定，位移的变化率为零，此时速度v3=2.29m/s。

监测点M的垂直监测桩角度分析如图4所示。作对比线L1，L2可以看出，在滑坡的始滑阶段，当位移还不十分明显的时候，此时监测桩已有很大的倾角。如对比线L1划在时间t=0.5s时，此时的角度值θ=32.90°，S=4.77m，可见在滑坡开始的瞬间，监测桩倾倒，根据现在的技术手段，可识别角度改变的最小误差是0.01°，因此在角度超过安全范围，报警器可立即感知，实现报警。再将对比线L2划在时间t=8.5s，此时的角度θ=89.07°，S=16.75m，由图4可以看出，在对比线L2以后的时间段内，角度值是趋于稳定的，而位移值还有一个很大的变化幅度，在监测预报工作中，我们希望早发现早采取措施，因此基于土体的表面倾角变化的滑坡临灾预警方法简单实用。

为了能更清楚分析在滑坡初始阶段土体的倾角变化，我们选取前20s的数据进行分析，如图5所示。角度监测对土体的变化十分敏感，角度由初始阶段的θ=32.90°变化到J点（t=1.0s，θ=76.59°），突变明显，易于侦测。到拐点K（t=2.0s，θ=79.75°），若在滑坡开始之初就发出预警信号，为监测预防工作争取宝贵时间。最后土体达到新的平衡，角度稳定，如L点（t=6.0s，θ=88.39°）以后基本稳定在θ=89°，在KL阶段，时间跨度仅为4s，角度增加幅度为10°，远远超过位移或速度的变化率，具有监测预报的现实意义。

因此，基于倾角突变的滑坡预警方法比位移或者速度监测更加敏感，易于达到监测目的，角度误差小，监测手段成熟，成本低，利于大面积推广。

2　结论

本文通过基于表面倾角棉花的滑坡临灾预警方法研究，比较分析滑坡滑动过程中地表监测点的位移，速度及倾角变化，得到如下结论

（1）通过地表监测点位移变化与速度变化的关系可知，监测点速度在滑坡滑动开始有一个突变点O点，此时滑坡还基本没有产生位移，难以作为滑坡预警指标，同时滑坡本身可能还有一个较长的滑动位移时间段。另一个速度突变点V2点发生在滑坡产生较大加速位移之后，此时的预警时机较晚，不利于及时避险。

（2）结合监测点位移与倾角变化的关系曲线可知，监测点角度在位移拐点S1之前早已产生幅度较大的倾角突变并趋于稳定，可以很好地用于滑坡灾害的避灾预警。

总之，采用基于倾角突变的滑坡预警方法可以达到滑坡临灾预警的目的。其系统简单实用，成本大幅度降低，利于大面积推广。

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［责任编辑：薛俊歌］