潘成瑜

(廣西寧鐵測繪科技有限公司，南寧 530001)

1 概述

斜坡巖土體沿著剪切破壞面在重力作用下發(fā)生地質(zhì)滑移運(yùn)動的現(xiàn)象，稱為滑坡[1]。我國幅員遼闊且地形地貌特征較為復(fù)雜，部分地區(qū)滑坡體災(zāi)害運(yùn)動劇烈。大規(guī)模資源開發(fā)、工程興建和氣候氣象變化等因素，已逐漸成為滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生的主要誘因。如圖1所示，貴州水城受連續(xù)強(qiáng)降雨影響，發(fā)生特大山體滑坡災(zāi)害，滑坡面積約40萬m2，區(qū)域內(nèi)78%的房屋被埋。

圖1 貴州六盤水水城縣滑坡災(zāi)害

據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局公布的《全國地質(zhì)災(zāi)害通報(2019年)》，僅在2019年，全國滑坡災(zāi)害就發(fā)生4 220起，共造成299人傷亡或失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失27.7億元。盡管投入大量的人力和資金進(jìn)行滑坡災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)后治理，但由于隱患點(diǎn)普查難度大、監(jiān)測資源有限、監(jiān)測方案不完善等因素，成功預(yù)報的地質(zhì)災(zāi)害僅占15.3%。尤其在鐵路建設(shè)工程中，受路塹、隧道開挖等施工影響，線路周邊滑坡災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量和危險性都在不斷增長。

針對滑坡災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)測，許多相關(guān)解決方案被相繼提出[2]。王慶國將三維激光點(diǎn)云與航空影像相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)融合去噪、重建地表模型、剖面采樣分析等手段，對滑坡變形規(guī)律進(jìn)行了研究[3]；趙寶強(qiáng)將兩種時序InSAR技術(shù)綜合應(yīng)用于青海省高家灣滑坡變形監(jiān)測中，獲得了地表緩慢的相對變形數(shù)據(jù)[4]；由于InSAR衛(wèi)星運(yùn)行路徑固定、滑坡體結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜多樣，導(dǎo)致檢測結(jié)果與真實(shí)形變之間存在較大誤差；白正偉將自研的千元級北斗/GNSS滑坡監(jiān)測傳感器以及監(jiān)測云平臺應(yīng)用于黑方臺滑坡監(jiān)測，獲得了較好的應(yīng)用效果[5]；YU BING等提出蠕變破壞理論概念，認(rèn)為各因素之間的關(guān)系和實(shí)際值預(yù)測值擬合度可用于推斷地質(zhì)災(zāi)害滑坡體概率，但其預(yù)測預(yù)報精度不高，且存在不確定性[6]。

滑坡監(jiān)測的目的是實(shí)時掌握災(zāi)害體形變信息，超前做出預(yù)測預(yù)警，為災(zāi)害的防控和治理提供可靠的基礎(chǔ)信息資料[7]。工作開展的基礎(chǔ)是對滑坡災(zāi)害隱患區(qū)域開展全面的隱患點(diǎn)普查。然而，勘察區(qū)域地形復(fù)雜、面積過大且辨識難度高，通過人工及傳統(tǒng)監(jiān)測手段進(jìn)行全方面的隱患點(diǎn)普查難度非常大，需要耗費(fèi)大量的人力物力。此外，現(xiàn)有的滑坡監(jiān)測方案大多僅采用單種監(jiān)測設(shè)備，不僅對于滑坡體影響因子參數(shù)采集較為單一，無法為其狀態(tài)分析和預(yù)警判斷提供可靠的數(shù)據(jù)支持，還存在著監(jiān)測資源利用率低下、高危區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)不足等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致滑坡體發(fā)育變形預(yù)測誤差較大，無法做到精準(zhǔn)有效的監(jiān)測和預(yù)報。

為此，提出了“普查分級+重點(diǎn)監(jiān)測”的滑坡監(jiān)測方案，使監(jiān)測工作做到“不重不漏、重點(diǎn)監(jiān)測”，可有效提升監(jiān)測的準(zhǔn)確性和預(yù)警響應(yīng)效率，降低監(jiān)測成本投入。

2 災(zāi)害隱患區(qū)域普查與分級

2.1 “InSAR+無人機(jī)”遙感技術(shù)大范圍災(zāi)害普查

InSAR技術(shù)是近年來新興的區(qū)域地表變形監(jiān)測技術(shù)，利用覆蓋同一區(qū)域的兩幅SAR影像數(shù)據(jù)，通過微波干涉原理和激光測距原理可探測地表mm級的微小形變和高程差異。其獲取的數(shù)據(jù)具有高精度、高分辨率、覆蓋范圍廣[8]、快速便捷和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)遙感技術(shù)系統(tǒng)集成了遙感觀測技術(shù)、無人飛行器技術(shù)、GNSS定位技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)，可快速獲取檢測區(qū)域內(nèi)的各種專題信息[9]，自動化和智能化程度較高。相較于航天衛(wèi)星遙感技術(shù)，無人機(jī)遙感技術(shù)可以避免氣象條件和時空條件的制約，靈活性和適應(yīng)性較強(qiáng)。

大多數(shù)滑坡災(zāi)害隱患區(qū)域位于地層結(jié)構(gòu)松散的山體斜坡，這些區(qū)域地形陡峭險峻且多被茂密的植被覆蓋，人類難以涉足。通過人工進(jìn)行隱患區(qū)域普查不僅面臨著巨大的工作難度和風(fēng)險，還容易造成漏查，埋下安全隱患。因此，采用INSAR技術(shù)定期獲取滑坡災(zāi)害隱患區(qū)域的SAR衛(wèi)星影像，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、主影像選擇、干涉相位計算、地形相位去除等步驟[10]，分析得到目標(biāo)區(qū)域mm級精度的地表形變速度場，結(jié)合無人機(jī)影像解譯，經(jīng)過分析評估探測得到地質(zhì)災(zāi)害隱患周邊區(qū)域不均勻沉降及沉降漏斗，識別潛在滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域(滑坡、危巖落石區(qū)等)。如圖2所示，對某公路邊坡區(qū)域的InSAR衛(wèi)星影像進(jìn)行處理得到地表三維形變速度場(左1)，根據(jù)形變量大小采用“綠-黃-紅”色階進(jìn)行分層渲染，再利用無人機(jī)對高風(fēng)險區(qū)域(左2紅色區(qū)域)航飛拍攝遙感影像，綜合譯判滑坡的范圍(右1)。如唐堯等利用InSAR和國產(chǎn)高分影像在茂縣滑坡災(zāi)情后成功判譯了災(zāi)區(qū)周邊隱患區(qū)域，為當(dāng)?shù)卣臑?zāi)后應(yīng)急監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)支持[10]。

圖2 InSAR+無人機(jī)遙感技術(shù)判譯滑坡隱患區(qū)域

2.2 災(zāi)害分級

滑坡災(zāi)害分級是指將滑坡隱患區(qū)域按照其發(fā)生概率和危險性進(jìn)行綜合評估和等級劃分。對整個災(zāi)害隱患區(qū)域內(nèi)的滑坡體進(jìn)行分級后，可以得知目前危險性較高的潛在滑坡區(qū)域，有針對性地將有限的監(jiān)測資源配置向高風(fēng)險滑坡體傾斜，以最大程度提高滑坡預(yù)測效率。

滑坡分級需要選取合適的評價指標(biāo)，其中包括地形地貌、巖層特性、水文氣候、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動、坡體結(jié)構(gòu)特征等諸多條件，這些評價指標(biāo)在滑坡危險性分級評價中已得到廣泛的應(yīng)用[11-13]。其中，地形地貌、巖層特性、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣候等因素在一般大范圍區(qū)域內(nèi)具有一致性，無法反映該區(qū)域范圍內(nèi)不同滑坡體的個性差異，而往往滑坡多發(fā)區(qū)中人類工程活動、坡體結(jié)構(gòu)特征等因素才是控制滑坡體發(fā)育的關(guān)鍵因素。因此，分別選取滑坡坡度、高差和滑坡長寬比作為滑坡分級評價的指標(biāo)。

在滑坡發(fā)育的過程中，坡度具有顯著的影響作用，直接決定滑移面剪應(yīng)力的分布及滑坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，坡度越陡越容易誘發(fā)滑坡和崩塌等災(zāi)害。滑坡高差是指滑坡前緣與后緣的相對高差，不僅決定了滑坡發(fā)育的坡度，還制約著滑坡的運(yùn)動特征?；麻L寬比決定了滑坡的形狀特征，滑坡的形狀特征是影響坡體應(yīng)力分布的主要因素。當(dāng)長寬比較小，坡體呈橫向發(fā)育時，坡腳剪應(yīng)力較小，滑坡體穩(wěn)定性較高；長寬比較大，坡體呈長條形發(fā)育時，抗滑段長度顯著增加，可有效維持滑坡體的穩(wěn)定。樊曉一根據(jù)三峽庫區(qū)萬州滑坡監(jiān)測預(yù)警資料，選擇符合滑坡地質(zhì)特點(diǎn)并且容易獲取的坡度、高差和長寬比作為評價因子，并認(rèn)為Lognormal模型可以較好擬合全部評價因子的分布特征，將各評價因子不同區(qū)段對應(yīng)的擬合曲線值作為評價值，建立區(qū)域滑坡地質(zhì)調(diào)查危險性分級評價指標(biāo)(見表1)[14]。

表1 滑坡分段評價值

利用InSAR影像和無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可得到每個滑坡體的坡度、高差、長寬比；再分別按照表1統(tǒng)計其累計綜合評分，對照表2中的5級標(biāo)準(zhǔn)等級進(jìn)行分級。

3 重點(diǎn)區(qū)域的自動化監(jiān)測

利用“InSAR+無人機(jī)”遙感技術(shù)進(jìn)行普查分級后的滑坡體被賦予相應(yīng)的危險性等級屬性，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料和無人機(jī)拍攝的現(xiàn)場高清影像，對滑坡體基本特征、成因模式、當(dāng)前變形階段、關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析歸納。對不同類型滑坡體采用不同的監(jiān)測手段，重點(diǎn)監(jiān)測可反映滑坡穩(wěn)定性和變形階段關(guān)鍵指標(biāo)以及導(dǎo)致滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。通過布設(shè)北斗/GNSS系統(tǒng)、鉆孔測斜儀、雨量計等多種自動化監(jiān)測設(shè)備，連續(xù)獲取地表及滑坡體內(nèi)部的相對和絕對位移變化量以及降雨量等觀測值，來實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)區(qū)域具有針對性的強(qiáng)化監(jiān)測(見圖3)。再通過計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)將自動化監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、通訊傳輸、管理存儲到分析預(yù)報的全自動化[15]。

圖3 重點(diǎn)區(qū)域自動化監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 北斗/GNSS技術(shù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)作為滑坡監(jiān)測預(yù)警的重要手段之一，不僅具有連續(xù)高精度、全天候的監(jiān)測能力，還可以直接獲取滑坡體表面形變的三維矢量數(shù)據(jù)。其中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在亞太區(qū)域具有衛(wèi)星數(shù)量多、可視衛(wèi)星高度角大等特點(diǎn)，是復(fù)雜區(qū)域滑坡高精度監(jiān)測的首選系統(tǒng)[16-19]。使用北斗/GNSS位移監(jiān)測儀(見圖4)，結(jié)合無線/有線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及高精度GNSS靜態(tài)解算系統(tǒng)，可使定位精度達(dá)到mm級(水平：2.5 mm，垂直：5 mm)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害滑坡體的全天候、實(shí)時監(jiān)測，準(zhǔn)確計算滑坡體的滑動變化曲線，實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害隱患點(diǎn)發(fā)生滑坡前的預(yù)警預(yù)報。

圖4 北斗/GNSS監(jiān)測設(shè)備

3.2 土體深層水平位移監(jiān)測

鉆孔測斜儀是測量巖土體內(nèi)部滑動面位置及其滑移量、準(zhǔn)確判定滑動面分布和變化趨勢的關(guān)鍵測量設(shè)備(見圖5、圖6)[20]。第一次觀測獲取巖土體深層水平位移初始值后，通過定期觀測可計算得到滑動面的深度、偏移方向、偏移值和偏移速率等參數(shù)。根據(jù)定期獲取的觀測數(shù)據(jù)可以構(gòu)建出巖土體滑動預(yù)測模型，反映滑坡的變形機(jī)理和趨勢，為滑坡險情預(yù)警提供參考資料。

圖5 鉆孔式固定式測斜儀

圖6 鉆孔測斜儀工作原理

3.3 雨量計

在促使邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生滑動的眾多誘發(fā)因素中，降雨量是最活躍、變動性和不確定性最大和影響最為廣泛的主導(dǎo)因素[21]。我國絕大多數(shù)的滑坡都是受到強(qiáng)降雨影響，引發(fā)地下水分布變化、造成滑坡體和滑帶介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變而造成的。林和信統(tǒng)計了福建建甌地區(qū)在1998年“6.22”洪災(zāi)中降雨量與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)情況，僅在6月8日～24日期間，受強(qiáng)降雨而發(fā)生的滑坡地質(zhì)災(zāi)害就高達(dá)113起，占總災(zāi)害比70.63%。因此，對滑坡災(zāi)害隱患重點(diǎn)區(qū)域安裝雨量計(如圖7、圖8)，實(shí)時獲取降雨量，有助于對滑坡發(fā)生環(huán)境條件的認(rèn)識，估計滑坡發(fā)生的降雨量閾值，預(yù)測滑坡發(fā)生的可能性和危險性。

圖7 翻斗式雨量計

圖8 滑坡監(jiān)測雨量計監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

4 滑坡預(yù)警

預(yù)警是指在滑坡體即將發(fā)生突發(fā)性災(zāi)害前一定時間通過各種通訊方式和途徑(警報、廣播、電話等)，及時向可能受災(zāi)害威脅的民眾以及負(fù)責(zé)應(yīng)急搶險的相關(guān)人員發(fā)送警告信息，以便于及時啟動相關(guān)的疏散搶險預(yù)案。其主要分為區(qū)域性氣象預(yù)警和單體預(yù)警兩大類。區(qū)域性氣象預(yù)警作為范圍性和提示性預(yù)警，是基于降雨量建立的經(jīng)驗(yàn)預(yù)警模型。其主要作用是指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害群防群策工作，并不具備準(zhǔn)確的疏散應(yīng)急預(yù)警指令。單體預(yù)警是通過專業(yè)監(jiān)測設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理分析后，在滑坡災(zāi)害發(fā)生前一定時間發(fā)出的具有明確疏散撤離指令的警示信息。對于單體滑坡，國際上常用的是“閾值預(yù)警法”(見表3)，通過統(tǒng)計分析滑坡現(xiàn)場實(shí)際情況確定一個閾值(臨界值)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值時，立即通過各種通訊渠道發(fā)出警示信息。

表3 三級警戒狀態(tài)判定

5 結(jié)論

監(jiān)測預(yù)警作為降低滑坡地質(zhì)災(zāi)害損失的重要舉措之一，愈來愈受到人們的重視。提出“普查分級+重點(diǎn)監(jiān)測”的滑坡監(jiān)測方案，針對鐵路工程等大范圍滑坡隱患區(qū)域開展普查分級、確定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)，并對重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)滑坡體進(jìn)行全方位、立體化的監(jiān)測預(yù)警，在監(jiān)測資源的合理分配和提高預(yù)警準(zhǔn)確性方面具有一定指導(dǎo)意義。