喻 小，趙 其 華，張 埕 豪，劉 俊 鵬

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

我國山地眾多，城鎮(zhèn)化發(fā)展向山區(qū)擴展已經成為一種必然趨勢，勢必帶來一些山區(qū)頻發(fā)的地質災害如滑坡、泥石流、崩塌等。其中以滑坡最為典型，每年給我國造成巨大經濟損失，尤以西南山地區(qū)域損失最為嚴重[1]。對滑坡進行監(jiān)測并且及時發(fā)布預警信息是減少損失的一種最直接有效的方式。

20世紀60年代，基于巖土體蠕變理論，日本學者齋藤對日本飯山高場山隧道滑坡成功地進行了預報，并提出了著名的齋藤曲線，齋藤曲線將滑坡的變形過程分為初始變形階段[2]、等速變形階段和加速變形階段。其他學者在此基礎上進行了更進一步的研究，許強[3]在王家鼎[4]提出的位移切線角基礎上對其進行改進，采用勻速變形階段的速率統(tǒng)一了橫縱坐標的量綱，在一定程度上消除了橫縱坐標單位不統(tǒng)一所造成滑坡臨滑判斷的不準確性。王珣以西原模型為基礎，將滑坡S-t轉化為ε-t曲線并確定等速變形速率，結合最大切線角下限值作為滑坡臨滑判據，并建立了基于無線組網技術的滑坡智能監(jiān)測預警系統(tǒng)[5-6]。王延平為研究滑坡突變點的變形特征，進行了不同工況下的流變試驗，依據鎖固段理論提出了速度倒數法的滑坡預警模型[7]。賀可強基于損傷力學基本原理，確定了位移、坡體損傷變量、穩(wěn)定性三者之間的關系，提出了用于預測邊坡預警時間的邊坡穩(wěn)定性位移監(jiān)測預警判據[8]。

近年來，北斗衛(wèi)星的成功發(fā)射對我國定位設備的發(fā)展有著巨大幫助。其中基于北斗衛(wèi)星的GNSS位移監(jiān)測設備具有可持續(xù)工作的特點，在工程中已有諸多應用。熊尋安利用GNSS自動化、連續(xù)監(jiān)測的特點對茜坑水庫表面變形進行監(jiān)控并驗證了監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測毫米級精度變形的能力[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時監(jiān)測系統(tǒng)，在滑坡同一點位用人為手段使其位移發(fā)生變化，并用全站儀精密測量進行對比監(jiān)測，效果具有較好的一致性[10]。趙信文使用自動監(jiān)測系統(tǒng)對清江隔河巖庫區(qū)偏山滑坡進行連續(xù)監(jiān)測，系統(tǒng)連續(xù)運行19個月未出現異常[11]。在未來，GNSS自動監(jiān)測在滑坡乃至地質災害領域會得到越來越廣泛的應用。

本文采取的GNSS監(jiān)測儀器為深圳北斗云信息技術科技有限公司自行研發(fā)的監(jiān)測儀，精度可靠。結合王立偉[12]提出的位移速率比定性分析滑坡所處階段，在定性評價滑坡所處階段的基礎上，采取不同的預警模式進行預測。在臨滑階段，利用GNSS具有實時監(jiān)控的特點(即每隔一小段時間監(jiān)測一次位移)，計算出此時間間隔的瞬時日位移，解決了以往臨滑預報時只有一個監(jiān)測數據的問題，放大了時序，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，松散土質斜坡或者一些巖質斜坡在發(fā)育的過程中主要分為3個階段：初始變形、等速變形和加速變形，但各點的變形速率受地質條件和空間位置影響。為了減小以往監(jiān)測期間統(tǒng)一速度閾值而造成對滑坡階段判斷的片面性，將任意時刻的監(jiān)測速率除以等速變形階段平均速率得到一個無量綱值，這樣使得整個滑坡監(jiān)測區(qū)域的定性判據得到統(tǒng)一，更能清楚地判定滑坡所處的各個階段，為利用實時監(jiān)測數據定量評價提供了基礎。

(1)

式中，Vt為監(jiān)測期間任意時刻的位移速率，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?；略诔跏甲冃纹茐臅r由于坡體結構、坡體裂隙發(fā)育程度、坡體性質等的不同，初始變形速率與平均速率之間沒有明確的關系。此外，當滑坡處于初始變形階段時，可以認為此時邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，這里討論速率比的規(guī)律意義不大。重點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確定的值，而是在一定范圍內波動，為了獲得準確的平均速度V0，將等速變形階段每個時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)測次數，Vt為某個監(jiān)測期間滑坡的位移速率。

以黃茨滑坡為例，根據累計位移曲線判斷出滑坡的勻速變形階段，獲得其勻速變形速率，并根據所在階段計算出對應階段的速率比。黃茨滑坡累計位移如圖1所示。

圖1 黃茨滑坡累計位移曲線Fig.1 Cumulative displacement of Huangci landslide

等速變形的位移曲線由公式(2)確定平均速率，公式(1)確定每一個階段的速率比αt。由速率比曲線可以看出：出現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象，但增大后迅速降低，可能為滑體突破鎖固+段后恢復勻速階段時的速率(見圖2)。而加速變形階段根據速率比大小持續(xù)增加，可再次分為初始加速、勻速加速和臨滑變形3個階段，速率比大致分布在2～4，4～8，>8三個區(qū)間。

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

為了進一步研究加速變形階段平均速率與監(jiān)測速率之間的關系，收集了6個歷史上著名滑坡的位移曲線，劃分了滑坡的所處階段，計算平均速率V0得到每個滑坡在各個階段的速率比，如表1所示。

由表1可以看到：受滑坡本身裂隙數量、大小以及巖性的影響，初始變形階段的速率比無明顯規(guī)律。在等速變形階段，速率比集中在0～2之間；對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，速率比則有明顯突增的趨勢，且大多都大于9。因此，將速率比為8設置為滑坡處于臨滑階段的定性條件。

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

2 工程應用

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，與黑河水面相對高差約127 m，坡體為一巖質邊坡，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，該類巖石為可軟化、易風化的軟質巖，厚度較大。區(qū)內地質構造強烈，油坊溝-皇臺斷裂帶從該邊坡南部通過，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。以國道為分界線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風化基巖，在重力作用下發(fā)育有一條較長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風化基巖順坡向滑塌。下邊坡路肩擋土墻下沉持續(xù)變形致使路面出現弧形裂縫，導致左半幅路基垮塌，右半幅路基出現斜向裂縫。2017年10月受降雨影響，此區(qū)域已經發(fā)生局部滑塌，說明此處已經處于不穩(wěn)定狀態(tài)，為了防止滑坡威脅路過車輛，在2017年12月15日對滑坡進行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測點布置

根據坡體變形特征在上邊坡布置有JC01與JC02監(jiān)測點，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)測點(見圖3)。

GNSS設備從2017年12月15日開始對滑坡位移進行監(jiān)測，次年2月19日左側發(fā)生滑塌，2號與3號設備停止運行。

2.3 監(jiān)測成果分析

監(jiān)測設備獲得各點監(jiān)測詳細數據見表2及圖4～5。在監(jiān)測期間，1月24日山體發(fā)生落石造成JC01與JC04監(jiān)測設備離線。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，通過計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，通過計算得到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)榧铀僭黾樱?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)測點示意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：變形速率為當日變形速率。

從監(jiān)測曲線可以看出，2月15日之后變形速率持續(xù)增長且增長幅度迅速變大(見圖5)，由于變形速率過大使得前面的數據接近坐標軸。為了更好地對滑坡所處階段進行定性評價，選取2月15日之前的數據作出JC02與JC03的速率比曲線圖(見圖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日速率比達到4，此時滑坡處于初始加速變形階段；2月15日達到8，此階段存在速率比突降的現象，是因為在下滑過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，2月15日之后速率比大于8，可以認為滑坡進入臨滑階段?；贕NSS實時監(jiān)測的特點，可利用瞬時變形速率對滑坡進行實時預報。

圖4 JC02、JC03累計位移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，具體數值見表3。在2月19日增至最大，由于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)具有無間斷工作的特點，提出某時刻瞬時日位移的概念，目的是在臨滑監(jiān)測期間，更好地觀測滑坡動態(tài)情況。

(3)

式中,Vdi為d日第i時刻的瞬時日變形速率；Sdi為d日第i時刻的累計位移；Sd0為d日0時刻的累計位移；di為i時刻之前的監(jiān)測采集次數。

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制的瞬時日變形速率進行分析。在15日和16日期間，監(jiān)測點瞬時日變形速率變化平穩(wěn)，表明雖然滑坡處于臨滑階段，但滑動趨勢平穩(wěn)。17日之后，滑坡瞬時日位移逐漸增大，18日瞬時日位移加速增大且不收斂，由此判斷JC02與JC03監(jiān)測的區(qū)域即將發(fā)生失穩(wěn)。19日零點位移出現陡增的現象，最終此區(qū)域于19日04:30左右發(fā)生滑塌。由于預警發(fā)布及時，提前封閉道路，沒有造成人員傷亡。

3 結 論

(1) 在監(jiān)測期間，根據監(jiān)測成果分析，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日之后進入臨滑階段，且臨滑階段歷時短，發(fā)展迅速。

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

(3) 通過定性判斷、定量評價對滑坡進行預警，提出瞬時日變形速率，利用GNSS監(jiān)測間隔時間短的特點可以在臨滑階段全過程跟蹤滑坡狀態(tài)。在實際預報過程中，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日采用瞬時日位移全過程跟蹤預報，發(fā)現變形速率持續(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。驗證了該方法的可行性與科學性，對滑坡的臨滑預報具有一定的借鑒意義。

本文主要側重于利用GNSS監(jiān)測的特點對滑坡在臨滑期間的實時位移監(jiān)測數據進行分析，對滑坡本身的地質結構以及地層巖性尚未深入研究。此外，未來GNSS的監(jiān)測間隔可達秒級別，意味著瞬時速率每隔幾秒更新一次，即可以時刻反映滑坡的狀態(tài)。在此基礎上結合滑坡地質結構、地層巖性以及內在變形破壞模式，對于一些突發(fā)性滑坡的預警預報可能會有重大突破。