摘要：為解決同一土質(zhì)邊坡在不同變形階段的形變規(guī)律不同，單一預(yù)警指標(biāo)無法表達(dá)土質(zhì)邊坡在整個變形過程中的動態(tài)變形特征問題，以角位移場、邊坡宏觀變形跡象、安全系數(shù)為預(yù)警指標(biāo)，提出土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害分級預(yù)警方法，基于室外模型試驗建立各邊坡剖面在不同變形階段內(nèi)的角位移場，采用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法擬合同一場內(nèi)的角位移，構(gòu)造動態(tài)分級預(yù)警閾值表達(dá)式；結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和相關(guān)規(guī)范，分別提煉以邊坡宏觀變形跡象、安全系數(shù)為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)閾值；建立以角位移場、邊坡宏觀變形跡象、安全系數(shù)為預(yù)警指標(biāo)，以藍(lán)色（注意級預(yù)警）、黃色（警示級預(yù)警）、橙色（警戒級預(yù)警）、紅色（警報級預(yù)警）的土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害四級預(yù)警機制，充分利用多源信息，實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的及時有效預(yù)警，實現(xiàn)土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性變化發(fā)展的動態(tài)管控。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)邊坡；滑坡；角位移場；數(shù)據(jù)擬合；分級預(yù)警；預(yù)警體系

中圖分類號：U416.1⁺4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）03-0046-10

引用格式：李夢晨，趙之仲，薛軍，等.土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害的分級預(yù)警判據(jù)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（3）：46-55.

LI Mengchen， ZHAO Zhizhong， XUE Jun， et al. Grading early warning criteria for landslide on earth slope［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：46-55.

0 引言

滑坡事故對耕地、建（構(gòu)）筑物、植被、交通和水體等均造成極大損害，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。邊坡變形破壞成因復(fù)雜，具有隨機性和不確定性等特征^[1]，迫切需要提出有一定適用性的滑坡預(yù)警判據(jù)，建立邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的綜合預(yù)警模型，對判斷邊坡形變演化行為和實施預(yù)警干預(yù)措施具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實意義。

邊坡失穩(wěn)滑塌預(yù)警涵蓋預(yù)警指標(biāo)選取、預(yù)警閾值提取及預(yù)警等級劃分等內(nèi)容，失穩(wěn)前預(yù)警是最有效的非工程減災(zāi)措施之一^[2]。王一帆等^[3]結(jié)合國內(nèi)重大滑坡監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急搶險經(jīng)驗，提出基于切線角的臨滑預(yù)警指標(biāo)；楊宗佶等^[4]采用陣列式位移測量技術(shù)，提出依據(jù)位移指標(biāo)的臨滑預(yù)警方法；馮鞏等^[5]、郭飛等^[6]收集大量案例，以位移速率作為預(yù)警指標(biāo)，采用工程類比法提取預(yù)警閾值；左雙英等^[7]采用軟件PFC^3D分析貴州省羅甸縣納縫堆積的滑坡情況，根據(jù)監(jiān)測點的位移突變確定預(yù)警閾值；耿海深等^[8]選擇安全系數(shù)作為預(yù)警指標(biāo)，研究不同降雨情況下的滑坡穩(wěn)定性，確定分級預(yù)警閾值。

滑坡預(yù)警判據(jù)種類豐富，以位移研究較突出^[9-10]。根據(jù)邊坡變形機理^[11]可知，裂縫出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，延伸至邊坡表面。當(dāng)前基于位移的預(yù)警指標(biāo)研究多集中于表面位移，選取的分析指標(biāo)較單一，不能充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，在一定程度上降低預(yù)警的及時性和可靠性。借鑒工程經(jīng)驗或采用臨滑狀態(tài)的臨界值確定預(yù)警過程中的指標(biāo)閾值，對邊坡穩(wěn)定性的分級預(yù)警研究較少，滑坡預(yù)警的精度較低。各類邊坡的內(nèi)部構(gòu)造及所處地理環(huán)境存在差異，目前建立的邊坡穩(wěn)定性預(yù)警模型大多針對某一特定具體的工程類型，現(xiàn)有預(yù)警體系的普適性、可靠性及適用性不高^[12]。

本文以滑坡自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生的失穩(wěn)破壞為研究對象，結(jié)合模型試驗的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索研究角位移、邊坡宏觀變形跡象、安全系數(shù)與土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系，得到各類滑坡預(yù)警指標(biāo)的閾值劃分依據(jù)，建立土質(zhì)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)綜合預(yù)警模型，為科學(xué)制訂滑坡災(zāi)害預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和制定減災(zāi)預(yù)案提供參考。

1 土質(zhì)邊坡分級預(yù)警機制

在分級預(yù)警機制中，采用臨界值法進(jìn)行預(yù)警判別。某評價指標(biāo)I不小于最大臨界值I_max時，可認(rèn)為邊坡狀態(tài)達(dá)到預(yù)警條件。根據(jù)滑坡風(fēng)險的嚴(yán)重程度，相關(guān)部門用藍(lán)、黃、橙、紅4色發(fā)出不同級別的警報，向群眾示警。

藍(lán)色為注意級預(yù)警，預(yù)警級別最低，滑坡風(fēng)險最小。藍(lán)色預(yù)警條件下的坡體可能剛出現(xiàn)細(xì)微裂縫或裂縫稀疏，數(shù)量較少，邊坡處于一般穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑坡的可能性較小，需加強邊坡的監(jiān)測及日常巡檢次數(shù)。

黃色為警示級預(yù)警，黃色的預(yù)警級別略高，表明坡體開裂程度增大，邊坡處于較不穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡發(fā)生的可能性增大，應(yīng)進(jìn)行坡體加固等防御措施。

橙色為警戒級預(yù)警，橙色的預(yù)警級別較高，坡體的開裂程度較大，滑坡的可能性較大，是滑坡災(zāi)害發(fā)生的嚴(yán)重階段，應(yīng)做好應(yīng)急準(zhǔn)備及人員疏散準(zhǔn)備，根據(jù)情況及時調(diào)整預(yù)警等級。

紅色為警報級預(yù)警，預(yù)警級別最高，滑坡的可能性最大^[13-14]。坡體開裂深度較大，坡腳處可能已出現(xiàn)土顆?；?，是滑坡災(zāi)害發(fā)生的危險階段，應(yīng)及時進(jìn)行人員疏散，關(guān)閉鄰近道路，按照搶險救災(zāi)預(yù)案組織人員準(zhǔn)備搶險。

2 基于角位移場的土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害分級預(yù)警

2.1 邊坡試驗?zāi)Ｐ?/p>

滑坡是土質(zhì)、土體結(jié)構(gòu)及外界環(huán)境綜合作用的結(jié)果，較難采用統(tǒng)一的理論模型和規(guī)律進(jìn)行分析，模型試驗是研究邊坡穩(wěn)定性的有效方法。

本研究以濟南繞城高速公路二環(huán)線東環(huán)段K0+000—K0+100填方路段土質(zhì)邊坡的設(shè)計圖紙為縮尺模型設(shè)計的參考，在山東省肥城市工業(yè)四路道路改造工程項目桃源街段的施工現(xiàn)場進(jìn)行室外模型試驗。以角位移為監(jiān)測指標(biāo)，JY901型9軸姿態(tài)角度傳感器為監(jiān)測設(shè)備，搭建邊坡變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，采集土體內(nèi)部形變數(shù)據(jù)，探究邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

縮尺模型試驗用土為施工現(xiàn)場的路基土，屬于低液限黏土。9軸姿態(tài)角度傳感器是基于微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）技術(shù)的高性能三維運動姿態(tài)測量系統(tǒng)，以陀螺儀為核心元件，配備高性能微處理器，采用卡爾曼濾波算法，能高效采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)^[15]，快速求解模塊當(dāng)前的實時運動姿態(tài)^[16]，精準(zhǔn)反映邊坡形變在時空域的分布。

圖1 邊坡形變在線監(jiān)測系統(tǒng)

搭建的邊坡形變在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)以傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，采用瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server）架構(gòu)設(shè)計，利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)加密上云的同時進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理，實時反饋土體內(nèi)部角度傳感器的監(jiān)測信息及角位移的變化趨勢。

難以做到模型試驗與實際工程邊坡完全相同，可考慮相似比的推導(dǎo)。相似比通常是在考慮幾何尺寸相似、運動學(xué)相似、邊界條件相似等條件下采用量綱分析法。量綱分析是以試驗參數(shù)定性分析后建立的物理模型為基礎(chǔ)，將相關(guān)物理參數(shù)組合為無量綱函數(shù)。將含水率、黏聚力、內(nèi)摩擦角、模型的幾何尺寸等參數(shù)按齊次定理組合在1個方程中，借助質(zhì)量-長度-時間（mass-length-time，MLT）量綱轉(zhuǎn)化的質(zhì)量系統(tǒng)求得各參數(shù)的相似比^[17]。長度與應(yīng)力的相似比為n，黏聚力、內(nèi)摩擦角、含水率等指標(biāo)的相似比均為1。

邊坡試驗整體模型如圖2所示。基于相似比搭建寬1 100 mm、長1 875 mm、高700 mm、坡率為1∶1的滑坡縮尺試驗?zāi)Ｐ?，如圖2a）所示。采用鋼板制作試驗裝置，如圖2b）所示，底板b的底部焊接2個相同規(guī)格的千斤頂，通過調(diào)整千斤頂?shù)母叨瓤刂频装錬的高度，以底板b距地面20 cm的位置作為坡底高程，分別在距底板b 50、70、90 cm的位置布設(shè)3層24組9軸姿態(tài)角度傳感器。為防止產(chǎn)生邊界效應(yīng)，在側(cè)板a的內(nèi)壁涂抹凡士林^[18]，減少側(cè)板與土質(zhì)間的摩擦，還原滑坡運動過程中的原始作用力。室外實際邊坡模型如圖2c）所示。

監(jiān)測系統(tǒng)界面的數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定且無明顯起伏后，開始記錄試驗持續(xù)時間與對應(yīng)現(xiàn)象。緩慢降低千斤頂?shù)母叨?，底板b下降速度為2 mm/min，根據(jù)三角函數(shù)公式推導(dǎo)底板b隨時間的角度變化，計算公式為：

α=arcsin（H/R），

式中：α為底板b下降過程中與水平面的夾角，H為底板b距地面的垂直距離，R為底板b的長度。

隨底部b不斷下降，坡腳處開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，沿坡面向坡腰處縱向延伸，裂縫數(shù)量逐漸增多，開裂寬度增大；底板b繼續(xù)下降，延伸至坡頂?shù)牧芽p發(fā)生橫向開裂，坡腳處裂縫增多，開裂寬度持續(xù)增大。當(dāng)坡體表面大范圍開裂、坡頂裂縫寬度劇增、大量土顆粒滑落時，邊坡滑塌，試驗停止，整個過程共持續(xù)136 min，各時刻的角位移監(jiān)測數(shù)據(jù)被實時傳輸至傳感器的接收云端，為后續(xù)設(shè)置預(yù)警閾值提供足量數(shù)據(jù)支撐。結(jié)合模型試驗的現(xiàn)象及現(xiàn)有邊坡滑塌的理論研究，可將整個滑坡過程分為初始變形、勻速變形和加速變形3個階段^[19]，各階段的試驗現(xiàn)象和持續(xù)時間不同，應(yīng)分階段建立角位移場，探索不同階段的邊坡形變規(guī)律。

2.2 角位移場

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為彌補現(xiàn)場監(jiān)測過程中外界因素對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，采用牛頓插值法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)已知監(jiān)測點的角位移構(gòu)造插值函數(shù)f（x），根據(jù)插值函數(shù)計算監(jiān)測點外任意點x_i的角位移f（x_i）。將傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，隨機抽取2個傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如圖3、4所示，x軸垂直于道路行車方向，即平行于邊坡模型長度方向；y軸平行于道路行車方向，即平行于邊坡模型寬度方向；z軸為垂直于水平面向上的方向，如圖2a）所示。邊坡內(nèi)傳感器編號布設(shè)如圖5所示。

處理監(jiān)測數(shù)據(jù)前比較傳感器各方向角位移的變化趨勢，判斷坐標(biāo)軸的有效性^[20]。由圖3、4可知：試驗開始后，x軸方向的角位移持續(xù)減小，直至邊坡發(fā)生破壞，表明x軸方向受邊坡變形影響較大；最初，y軸方向的角位移基本保持不變，當(dāng)裂縫沿坡腳產(chǎn)生，并沿坡面不斷向坡頂延伸時，y軸角位移隨時間的增加而線性遞減；在整個變形過程中，z軸方向角位移的波動劇烈且無規(guī)律可循，因此在本研究中忽略z軸方向角位移的變化。結(jié)合邊坡滑塌理論^[11]可知，在車輛荷載及路面結(jié)構(gòu)自重的作用下，垂直于行車方向的土體內(nèi)部變形程度顯著，土顆粒間作用劇烈。建立角位移場時，應(yīng)分析x軸方向的角度。

2.2.2 角位移場的分布特征

由圖2可知，試驗?zāi)Ｐ偷慕孛娉叽纭⑿螤?，傳感器的布設(shè)數(shù)量、埋置位置等參數(shù)關(guān)于xOz平面對稱。以xOz面為對稱軸，將邊坡均勻剖分為A、B兩部分，二者變形規(guī)律基本一致。受篇幅限制，本文僅分析A部分的角位移場。

結(jié)合模型試驗現(xiàn)象，繪制各變形階段內(nèi)角位移隨時間變化的關(guān)系曲線，篩選角位移變化幅度相對較大的時刻作為該變形階段的代表時刻，以表征此時刻土體內(nèi)部的變形程度相對較大。建立的角位移場如圖6～8所示。

由圖6～8可知：紅色區(qū)域的角位移較大，該區(qū)域的坡體變形顯著，變形程度明顯。由圖6、7可知：紅色區(qū)域從坡腳開始向上蔓延，且隨時間的增加，紅色區(qū)域逐漸擴大，表明初始階段的變形先從坡腳處產(chǎn)生，且變形范圍沿坡面向上、向土體內(nèi)部延伸；勻速變形階段內(nèi)的變形區(qū)域明顯增大，且多集中于坡腰處，從坡腰開始向坡頂延伸。由圖8可知：加速變形階段場內(nèi)紅色區(qū)域的范圍持續(xù)增大，此階段的土體內(nèi)部變形程度加劇，開裂范圍擴展，邊坡變形區(qū)域有貫通的趨勢。

室外邊坡模型試驗的宏觀變形過程如圖9所示。由圖9可知：室外邊坡模型各變形階段角位移的分布特征及變化規(guī)律與仿真模型較吻合，表明室外模型試驗的邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)合理可靠，適用性強，可用于驗證基于角位移場進(jìn)行分級預(yù)警的可行性與正確性。

2.3 基于角位移場的分級預(yù)警

邊坡滑塌是逐漸演變的過程，不同階段的形變特征不同。研究基于角位移場的滑坡風(fēng)險分級預(yù)警體系時，建立不同變形階段的角位移場有助于提高預(yù)警的及時性和預(yù)警閾值提取的準(zhǔn)確性。以坡體內(nèi)部大變形區(qū)域內(nèi)的角位移作為預(yù)警閾值參數(shù)，采用Levenberg-Marquardt（LM）優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，推導(dǎo)不同預(yù)警級別對應(yīng)的閾值表達(dá)式，實現(xiàn)滑坡分級預(yù)警。

2.3.1 LM優(yōu)化算法

LM優(yōu)化算法是結(jié)合高斯-牛頓法和梯度下降法的非線性最小二乘問題的優(yōu)化算法，具有收斂快速的特點^[21]。關(guān)鍵步驟是用非線性數(shù)學(xué)函數(shù)f對待估參數(shù)向量p做線性近似，表述從參數(shù)空間（參數(shù)向量p的集合）到數(shù)據(jù)空間（觀測數(shù)據(jù)y_data的集合）的映射，忽略二階以上的導(dǎo)數(shù)項，將原問題轉(zhuǎn)化為非線性最小二乘問題。LM優(yōu)化算法屬于信賴域法，即從初始點開始，假設(shè)可信賴的最大位移為s，以當(dāng)前點為中心，以s為半徑的區(qū)域內(nèi)，通過尋找目標(biāo)函數(shù)的二次近似函數(shù)求解真正位移^[22]。得到位移后，計算目標(biāo)函數(shù)在迭代過程中的變化量，如果變化量滿足一定條件，說明位移可靠，可繼續(xù)迭代下去，否則應(yīng)減小信賴域的范圍后重新求解。

邊坡處于變形初期時，裂縫尚未出現(xiàn)或開裂程度較淺，坡體內(nèi)部基本保持力學(xué)平衡狀態(tài)，隨著變形程度增大，坡體內(nèi)部局部失衡，應(yīng)力重分布，但整體仍維持平衡狀態(tài)。邊坡與外界環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換^[23]，坡體內(nèi)部一旦開裂，滑裂面附近的土體逐漸發(fā)生累積破壞，組成邊坡體系的各子系統(tǒng)發(fā)生非線性相互作用，土體沿滑面有序滑動。LM優(yōu)化算法是邊坡變形失穩(wěn)過程中進(jìn)行角位移擬合的最佳方法，且能快速得到擬合結(jié)果。

2.3.2 初始變形階段基于角位移場的分級預(yù)警

初始變形階段是邊坡變形的最初狀態(tài)，裂縫稀疏且開裂程度較小，危險系數(shù)不大，滑坡風(fēng)險較低，財產(chǎn)損失及人員傷亡的事故發(fā)生率也較低^[24]。應(yīng)設(shè)此階段的預(yù)警等級為注意級預(yù)警，預(yù)警顏色為藍(lán)色。

由圖6可知，第33 分鐘角位移場內(nèi)紅色區(qū)域相對較大，表明此刻坡體開裂程度相對明顯，裂縫多遍布于紅色區(qū)域。以該時刻場內(nèi)紅色區(qū)域的角位移作為預(yù)警閾值，采用LM優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，提取預(yù)警閾值公式。開裂區(qū)域的傳感器布設(shè)點位與角位移間的擬合曲線如圖10所示。

本文僅計算邊坡模型A部分的預(yù)警閾值，可直接對模型A部分的角位移數(shù)據(jù)擬合，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。對模型整體進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時，A、B具有相似的物理特征和變形規(guī)律，但地理位置不同，應(yīng)先對A、B場內(nèi)深紅色區(qū)域的角位移進(jìn)行歸一化處理，消除不同點位監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀測誤差。

初始變形階段以（°）為單位的角位移預(yù)警閾值θ_max，1的數(shù)值

{θ_max，1}=1.583 12-0.002 17{l}-0.001 25{h}+1.155 76×10^-6{l}²+1.964 35×10^-7{h}²+2.704 91×10^-6{l}{h}，

式中：{l}為以m為單位的邊坡寬度l的數(shù)值，{h}為以m為單位的邊坡高度h的數(shù)值。調(diào)整后的擬合系數(shù)為0.489 35。

設(shè)各代表時刻下傳感器x軸方向的角位移為θ。預(yù)警閾值公式的數(shù)據(jù)源為坡體大變形區(qū)域內(nèi)的角位移，為避免任意點位的角位移不小于相應(yīng)預(yù)警閾值θ_max時出現(xiàn)無需示警的情況，應(yīng)限定l、h的取值范圍。通過對比圖6可得，l∈[500，1 100] mm，h∈[0，350] mm，θ≥θ_max，1時，應(yīng)進(jìn)行藍(lán)色-注意級預(yù)警。

2.3.3 勻速變形階段基于角位移場的分級預(yù)警

勻速變形階段是邊坡變形的第2階段，裂縫數(shù)量、已有裂縫的開裂程度、危險系數(shù)、邊坡滑塌的風(fēng)險明顯增大。根據(jù)坡體的開裂程度，應(yīng)將此階段的預(yù)警等級分為黃色預(yù)警（警示級預(yù)警）和橙色預(yù)警（警戒級預(yù)警）2種。

根據(jù)模型試驗現(xiàn)象和圖7所示的角位移場可知，以第27分鐘時場內(nèi)深紅色區(qū)域的角位移作為黃色預(yù)警，第45分鐘時場內(nèi)深紅色區(qū)域的角位移作為橙色預(yù)警的對象進(jìn)行分析，提取預(yù)警閾值。開裂區(qū)域的傳感器布設(shè)點位與角位移間的擬合曲線如圖11所示。

勻速變形階段警示級預(yù)警從（°）為單位的角位移預(yù)警閾值θ_max，2的數(shù)值

{θ_max，2}=1.707 9-0.001 77{l}-0.004 48{h}+8.077 79×10^-7{l}²+6.011 99×10^-6{h}²+2.663 64×10^-6{l}{h}，

調(diào)整后的擬合系數(shù)為0.821 08。

勻速變形階段警戒級預(yù)警從（°）為單位的角位移預(yù)警閾值θ_max，3的數(shù)值

{θ_max，3}=0.652 33+4.566 62×10^-4{l}-9.571 02×10^-4{h}-3.428 86×10^-7{l}²+2.712 45×10^-6{h}²- 1.805 43×10^-7{l}{h}，

調(diào)整后的擬合系數(shù)為0.519 50。

分析圖7得到勻速變形階段，l∈[500，1 100] mm，h∈[0，500] mm，θ≥θ_max時，應(yīng)進(jìn)行黃色預(yù)警；l∈[460，1 100] mm，h∈[0，500] mm，θ≥θ_max，3時，應(yīng)進(jìn)行橙色預(yù)警。

2.3.4 加速變形階段基于角位移場的分級預(yù)警

圖12 加速變形階段開裂位置的傳感器布設(shè)點位與

角位移間的擬合曲線

加速變形階段是邊坡變形過程的最終階段，整個階段的裂縫急劇增多，已有裂縫的開裂程度明顯加深，坡腳處發(fā)生小范圍滑塌，危險系數(shù)明顯增大，滑坡風(fēng)險激增，邊坡穩(wěn)定性呈突然破壞的趨勢，此階段的預(yù)警等級應(yīng)為紅色預(yù)警。

為減小此階段邊坡突然滑塌的可能性，應(yīng)將裂縫激增前對應(yīng)時刻的角位移作為預(yù)警對象。對比圖8所示加速變形階段各代表時刻的角位移場，選擇第15分鐘時場內(nèi)深紅色區(qū)域的角位移作為預(yù)警閾值數(shù)據(jù)源。傳感器布設(shè)點位與角位移間的擬合曲線如圖12所示。

在加速變形階段，以（°）為單位的角位移閾值θ_max，4的數(shù)值為：

{θ_max，4}=-1.181 47+0.002 74{l}+0.004 64{h}-1.467 11×10^-6{l}²-3.446 52×10^-6{h}²-3.094 25×10^-6{l}{h}，

調(diào)整后的擬合系數(shù)為0.361 76。

分析圖8可知，加速變形階段l∈[350，1 100] mm，h∈[0，550] mm，邊坡內(nèi)紅色區(qū)域持續(xù)擴大，θ≥θ_max，4時，應(yīng)進(jìn)行紅色預(yù)警。

3 基于宏觀變形跡象及安全系數(shù)的土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害分級預(yù)警

3.1 基于邊坡宏觀變形跡象的分級預(yù)警

邊坡滑塌前，尤其是大規(guī)模滑坡發(fā)生前，邊坡宏觀變形跡象較明顯，出現(xiàn)較多直觀的、易被監(jiān)測的異常前兆，例如地形變動異常、地下水異常等，采用人工現(xiàn)場巡查的方式實現(xiàn)邊坡宏觀跡象預(yù)警監(jiān)測^[25]。根據(jù)文獻(xiàn)資料及室外模型試驗現(xiàn)象確定邊坡宏觀跡象預(yù)警指標(biāo)，如表1所示。

3.2 基于邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的分級預(yù)警

安全系數(shù)是指沿滑裂面的抗滑力與下滑力之比^[26]，是邊坡穩(wěn)定性預(yù)警的常用判據(jù)。坡體一旦開裂，安全系數(shù)F≤1.00。隨開裂程度的增大，安全系數(shù)不斷減小。參照文獻(xiàn)[27]確定自重作用下滑坡防治工程的等級及相應(yīng)安全系數(shù)的取值范圍，自重作用下的滑坡防治工程大部分屬于Ⅲ級防治工程^[28-29]，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)的取值及相應(yīng)狀態(tài)如表2所示。

由表2可知：Fgt;1.15時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，不必進(jìn)行預(yù)警；1.02lt;F≤1.15 時，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，坡體開裂的可能性較小，應(yīng)進(jìn)行藍(lán)色預(yù)警；1.00lt;F≤1.02時，邊坡處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)^[29]，坡體可能出現(xiàn)細(xì)微裂縫，且裂縫有擴張的可能性，滑坡風(fēng)險增大，應(yīng)進(jìn)行黃色預(yù)警；F≤1.00時，坡體開裂程度加深，滑塌風(fēng)險劇增，應(yīng)進(jìn)行紅色預(yù)警。

4 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分級預(yù)警判據(jù)

以角位移場、宏觀變形跡象、安全系數(shù)為指標(biāo)的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分級預(yù)警判據(jù)，將各指標(biāo)的預(yù)警閾值和預(yù)警級別結(jié)合，搭建適用于土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分級預(yù)警體系。某判斷指標(biāo)的監(jiān)測值超過相應(yīng)預(yù)警閾值時，認(rèn)為該指標(biāo)滿足預(yù)警條件。建立分級預(yù)警體系可為后續(xù)邊坡風(fēng)險控制的實現(xiàn)提供理論依據(jù)。

具體應(yīng)用預(yù)警指標(biāo)體系時，可根據(jù)實際工程類型選擇合適的評價指標(biāo)預(yù)警：安置監(jiān)測儀器困難的邊坡可采用數(shù)值模擬的方法，以安全系數(shù)為判據(jù)，對比實際測量結(jié)果與預(yù)警閾值，判斷邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，確定預(yù)警等級；對于新建、在建公路工程，或易埋置監(jiān)測設(shè)備的既有公路邊坡，應(yīng)以角位移作為預(yù)警判據(jù)，通過對比開裂區(qū)域的角位移與對應(yīng)點位的預(yù)警閾值確定預(yù)警等級；對于任意類型的公路邊坡，應(yīng)以宏觀變形跡象作為預(yù)警指標(biāo)，采用人工現(xiàn)場巡視的方法對比實際工程中邊坡的變形現(xiàn)象和相應(yīng)臨界狀態(tài)，判斷邊坡的穩(wěn)定性，確定預(yù)警等級。通過對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)警閾值，將對比結(jié)果報送相關(guān)部門，由專家進(jìn)行評判、商討，決定是否需要發(fā)布預(yù)警。邊坡穩(wěn)定性預(yù)警方案示意圖如圖13所示，發(fā)布的預(yù)警信息應(yīng)兼具真實、可靠、及時、有效的特性，且預(yù)警警報應(yīng)覆蓋從風(fēng)險預(yù)測、預(yù)警發(fā)布到應(yīng)急響應(yīng)的全部環(huán)節(jié)^{[25，30]}。

5 結(jié)論

1）根據(jù)我國公路兩側(cè)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，構(gòu)建邊坡穩(wěn)定性預(yù)警體系，確定預(yù)警指標(biāo)閾值，建立藍(lán)色（注意級預(yù)警）、黃色（警示級預(yù)警）、橙色（警戒級預(yù)警）、紅色（警報級預(yù)警）的土質(zhì)邊坡滑坡災(zāi)害4級預(yù)警機制。

2）以9軸姿態(tài)角度傳感器作為監(jiān)測工具，以角位移作為監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行室外模型試驗，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出基于角位移場的分級預(yù)警方法。以角位移、宏觀變形跡象、安全系數(shù)為預(yù)警判據(jù)，分別提取相應(yīng)預(yù)警閾值與預(yù)警等級。某指標(biāo)的實際測量結(jié)果不小于預(yù)警閾值時，認(rèn)為該指標(biāo)達(dá)到預(yù)警條件，能夠發(fā)布相應(yīng)等級的警示信息。

3）綜合各類預(yù)警指標(biāo)，搭建邊坡穩(wěn)定性分級預(yù)警體系，形成角度監(jiān)測-狀態(tài)分析-變形預(yù)警的三維一體化邊坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，有助于相關(guān)單位提前管控公路邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)，提高我國防災(zāi)減災(zāi)能力，為建立滑坡災(zāi)害的預(yù)防和控制方法提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張亦海，尹永明，于正興，等.基于S-SAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的高海拔露天礦邊坡變形特征及影響因素研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2022，18（增刊1）：55-60.

[2] 楊宏偉，胡江，槐先鋒，等.基于多變量時間序列局部異常系數(shù)的滑坡預(yù)警方法[J].南水北調(diào)與水利科技（中英文），2021，19（6）：1227-1237.

[3] 王一帆，亓星，程倩，等.基于切線角預(yù)警的滑坡勻速變形速率數(shù)據(jù)處理方法[J].水利水電技術(shù)（中英文），2021，52（12）：185-190.

[4] 楊宗佶，王禮勇，石莉莉，等.降雨滑坡多指標(biāo)監(jiān)測預(yù)警方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2020，39（2）：272-285.

[5] 馮鞏，夏元友，王智德，等.基于位移信息融合的露天礦邊坡動態(tài)預(yù)警方法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2022，32（3）：116-122.

[6] 郭飛，黃曉虎，鄧茂林，等.三峽庫區(qū)“階躍”型滑坡變形機理與預(yù)警模型[J].測繪學(xué)報，2022，51（10）：2205-2215.

[7] 左雙英，蒲泉，史文兵，等.基于PFC^3D位移判據(jù)的低滲堆積層滑坡臨界降雨閾值反演[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2021，30（3）：160-170.

[8] 耿海深，呂文斌，栗燊，等.滑坡失穩(wěn)機理分析及預(yù)警預(yù)測研究[J].西北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，57（6）：103-109.

[9] 袁友翠，胡少華，吳浩，等.基于CM-GCT的尾礦壩在線監(jiān)測位移分級預(yù)警閾值研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2022，44（5）：758-765.

[10] 欒婷婷，呂則愷，謝振華，等.排土場災(zāi)害四色預(yù)警判據(jù)研究[J].金屬礦山，2018（9）：154-160.

[11] 李廣信.高等土力學(xué)[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[12] 陳國慶，唐輝明，胡凱云，等.基于非均質(zhì)流變特性的滑坡時效演化及預(yù)警研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2022，41（9）：1795-1809.

[13] 陳磊，李斌，彭程，等.巖溶山區(qū)滑坡監(jiān)測預(yù)警云平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].長江科學(xué)院院報，2022，39（6）：138-144.

[14] 何玉鳳.雅西高速瓦廠坪邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測分析與安全預(yù)警研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2020.

[15] 曹麗琴，王琪，黃堃，等.基于微機電系統(tǒng)傳感器的桿塔傾斜度無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（2）：616-622.

[16] 鐘岳，方虎生，張國玉，等.基于9軸姿態(tài)傳感器的CNN旗語動作識別方法[J].計算機科學(xué)，2021，48（6）：153-158.

[17] 郭超翊.酸雨作用下黃土邊坡淺層滑塌試驗研究及數(shù)值分析[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2020.

[18] 徐俊兵.高速鐵路路基填料凍脹特性及路基凍脹防治措施研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2020.

[19] 王壯，李馳，丁選明.基于透明土技術(shù)土巖邊坡滑移機理的模型試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2019，41（增刊2）：185-188.

[20] 申靖琳.基于實時角度監(jiān)測的公路邊坡變形規(guī)律及工程應(yīng)用研究[D].濟南：山東交通學(xué)院，2021.

[21] 馬昌鳳，謝亞君.求解張量絕對值方程的兩步非精確Levenberg-Marquardt算法[J].山西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，46（3）：585-591.

[22] 馬子龍.閃電低頻輻射源三維定位及云內(nèi)放電過程的觀測研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2020.

[23] 黃潤秋，許強.開挖過程的非線性理論分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，1999（1）：9-14.

[24] 廖小平，朱本珍，王建松.路塹邊坡工程理論與實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[25] 王周兵，張瑋鵬，胡義，等.孤山庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測與信息化防治研究[J].人民長江，2022，53（增刊2）：202-206.

[26] 閆超，王紅雨.含挖填界面邊坡三維穩(wěn)定性上限分析[J].巖土工程學(xué)報，2024，46（1）：174-181.

[27] 國土資源部國際合作與科技司.滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范： DZ/T 0219—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[28] 施雄斌，楊澤.某石灰?guī)r露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性評價[J].有色金屬設(shè)計，2023，50（1）：1-4.

[29] 藍(lán)宇.基于數(shù)值模擬的露天礦排土場高陡邊坡穩(wěn)定性分析與治理[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2023，43（3）：77-82.

[30] 陶宜權(quán)，范文，曹琰波，等.秦巴山區(qū)淺表層滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].災(zāi)害學(xué)，2023，38（2）：219-225.

Grading early warning criteria for landslide on earth slope

LI Mengchen¹， ZHAO Zhizhong^2*， XUE Jun³， JIANG Yishun³

1.School of Civil Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168， China;

2.School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China;

3.Shandong Luqiao Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， China

Abstract：To address the issue that the deformation patterns of the same soil slope in different deformation stages are different， and a single warning indicator cannot express the dynamic deformation characteristics of the soil slope throughout the entire deformation process， a classification warning method for landslides in soil slopes is proposed. The angle displacement field， macroscopic deformation signs of the slope， and safety factor are selected as warning indicators. The method is based on outdoor model experiments to establish the angle displacement field of each slope profile in different deformation stages， fitting the angle displacements within the same field using the Levenberg-Marquardt optimization algorithm. Dynamic classification warning threshold expressions is constructed. Field investigations and relevant regulations are combined to extract standard thresholds based on macroscopic deformation signs of the slope and safety factors separately. A four-level warning mechanism for landslides in soil slopes is established with angle displacement， macroscopic deformation signs of the slope， and safety factor as warning indicators， using blue for attention level warning， yellow for caution level warning， orange for alert level warning， and red for alarm level warning. Multiple sources of information are fully utilized to achieve timely and effective warning of slope instability to realize dynamic control of the development of soil slope stability changes.

Keywords：soil slope; landslide; angle displacement field; data fitting; graded early warning; early warning system

（責(zé)任編輯：王惠）