北京山區(qū)公路邊坡地質災害隱患監(jiān)測預警技術研究

趙忠海，李 敏

（1.北京市地質礦產勘查開發(fā)局，北京 100195；2.北京市地勘局信息中心，北京 100195）

0 前言

北京山區(qū)地處華北平原北部，分屬太行山山脈和燕山山脈，總面積約10417.5 km2。由于在大地構造上處于祁、呂、賀山字形構造反射弧與陰山東西向構造帶的交匯部位，北京山區(qū)在漫長的地質歷史中經歷了印支、燕山及喜馬拉雅等多期構造運動，地質構造較為復雜，巖層風化破碎嚴重，新構造活動比較頻繁，加之經濟、社會的發(fā)展迅速，人類活動對資源的過度開采以及對自然環(huán)境的影響破壞日趨嚴重，故地質災害較為發(fā)育，地質災害隱患較多，尤以山區(qū)公路邊坡的地質災害隱患最為嚴重。

北京山區(qū)的公路交通比較發(fā)達，縣級以上的山區(qū)公路長達2000余公里。公路修建時留下的大量人工邊坡，由于被破壞了其原始穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨、凍融、根劈、振動等自然和人類活動因素影響下，極易發(fā)生滑坡、崩塌、坍塌、剝落、落石等邊坡地質災害，對行人、車輛以及公路交通設施等構成嚴重威脅。由于公路邊坡分布散，點數多，成災觸發(fā)因素復雜，給工程治理和群測群防工作造成諸多困難。因此，有必要對那些規(guī)模較大、危害較重的邊坡地質災害隱患實施專業(yè)監(jiān)測和預警，從而有效預防和減少災害損失。

1 北京山區(qū)公路沿線邊坡地質災害的主要特征

1.1 邊坡的主要類型

邊坡是指地表一切具有側向臨空面的地質體，通常由坡頂、坡面、坡腳以及地下一定深度內的巖土體組成。關于其類型劃分，國內至今尚無公認的統(tǒng)一方法。目前比較常見的分類方法主要有以下幾種：

①根據坡體成分，將邊坡劃分為土質邊坡、巖質邊坡和土石邊坡；

②根據地形成因，將邊坡劃分為人工邊坡和自然邊坡；

③根據坡體高度，將邊坡劃分為超高邊坡（＞100m）、高邊坡（50～100m）、中邊坡（20～50m）和低邊坡（＜20m）；

④根據邊坡坡度，將邊坡劃分為微斜邊坡（＜5°）、平緩邊坡（5°～15°）、陡坡（15°～35°）、急坡（35°～55°）、懸坡（55°～90°）和倒坡（＞90°）。

此外，還有根據人類工程活動的特點，將邊坡劃分為道路邊坡、采礦邊坡和建筑邊坡以及根據人類工程的使用年限，將邊坡劃分為臨時邊坡（＜2a）和永久邊坡（＞2a）等等。

北京山區(qū)公路邊坡主要為巖質邊坡和土石邊坡，以中、高邊坡為主，坡度較陡，坡體的穩(wěn)定性總體較差。

1.2 邊坡的變形模式

邊坡變形指的是坡體表面或深部發(fā)生局部或整體位移的現象。根據變形深度，可將其變形模式分為坡面變性、邊坡變形和坡體變形（表1）。

北京山區(qū)公路邊坡的變形模式主要為剝落、落石、崩塌以及滑坡等。其中剝落是指邊坡表層巖土物質在自身重力及風化、沖刷、振動等外力的作用下順坡滑落，呈巖（土）屑或顆粒狀堆積在坡腳的一種現象，具有普遍性、易發(fā)性和季節(jié)性的特點，是山區(qū)邊坡工程較為常見的一種破壞形式；落石是巖質邊坡坡面上的危巖或孤石個體失穩(wěn)后在重力作用下向下滾動的一種現象，是山區(qū)邊坡巖體失穩(wěn)的一種常見形式，具有廣泛性、突發(fā)性、隨機性的特點；崩塌是陡坡上的巨大巖體或土體，在重力和其他外力作用下突然向下崩落的現象，一般其垂直運動距離遠大于水平運動距離， 運動軌跡規(guī)律性差，總體具有分帶性、突發(fā)性、隨機性、危害性大的特點；滑坡是斜坡上的巖體或土體，在重力和其他外力作用下沿坡體內一定的軟弱面（或帶)整體向下滑移（以水平滑移為主）的現象，是北京山區(qū)邊坡地質災害的一種常見形式，根據形成機制的不同，可分為人為滑坡和自然滑坡（吳言軍等，2011）。

表1 邊坡的變形模式Tab.1 The deformation mode of the slope

1.3 公路邊坡地質災害的主要特征

同其它工程建設邊坡的地質災害不同，山區(qū)公路邊坡的地質災害具有如下主要特征：

（1）點多面廣

由于山區(qū)公路工程路線長，工點多，途經環(huán)境多變，對自然地貌改造強烈，故其邊坡地質災害較為發(fā)育，且數量多、分布散，具有點多面廣的特點。以G109國道（門頭溝區(qū)段）為例，該路段全長約96km，沿途分布邊坡地質災害隱患共計191處，其中危害性較大的有70余處，主要分布于軍莊—雁翅、齋堂—清水以及靈山風景區(qū)等路段。

（2）成因復雜

同其它地質災害不同，山區(qū)公路邊坡地質災害的成因比較復雜，致災因素很多，總體可分為內在因素和外在因素兩個方面。其中，內在因素主要包括巖土體性質、巖土體結構以及區(qū)域地質構造等，它對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用；外在因素主要包括降水、風化、地震以及人類工程活動等，它可以使巖土體的強度降低，抗滑力削弱，從而對邊坡變形和破壞的發(fā)生與發(fā)展起促進作用（趙忠海，2017）。

（3）危害巨大

公路邊坡地質災害具有時間與空間尺度上的不確定性。由于其影響和誘發(fā)因素較多，故易發(fā)性較高，隨機性較大；加之其威脅對象的流動性和不確定性，故不易防范，危害巨大。北京山區(qū)公路由于建設早、運營久，其邊坡地質災害問題一直比較突出，且漸呈增強趨勢，近年來已發(fā)生多起災害事件：2005 年7月, G110國道延慶段53 km處發(fā)生山體滑坡, 擁堵近3個小時；2005年8月，琉辛路密云段31km處發(fā)生山體滑坡,土石方坍塌總量約1.5萬m3，沖毀6.7hm2土地，毀壞路基100m，造成2戶房屋開裂；2006年7月，G111國道懷柔段92km處發(fā)生塌方，坍塌總量約1500m3，阻斷道路3日；2006年8月，G108國道房山段56.3km處發(fā)生坍塌，坍塌總量約450m3，堵塞道路達數天之久；2008年8月，門頭溝靈山景區(qū)公路發(fā)生山體滑坡，導致道路中斷3個多小時；2011年5月，G109國道門頭溝段87km處發(fā)生崩塌，崩塌總量約400m3，巨石重達50t；2015年10月，灤赤路延慶段133km處發(fā)生崩塌，崩塌總量約150m3，堵塞道路達5個小時（圖1）。除此之外，G101國道、新泗路等其它山區(qū)公路也多次發(fā)生過不同程度的邊坡地質災害。這些災害的發(fā)生，給國家和人民的經濟財產造成了巨大的損失，給人們的生命安全和正常出行造成了極大的威脅和影響（孫艷林，2015）。

圖1 延慶區(qū)灤赤路崩塌災害Fig.1 The collapse along the road from Luanping to Chicheng in Yanqing district

（4）防治不易

北京山區(qū)公路邊坡地質災害具有沿公路呈點狀分布、分布散、數量多、規(guī)模小、缺乏詳細勘查資料等特點，故進行工程治理成本較高；加之隱蔽性大、突發(fā)性強、歷史數據積累少且易受人類工程活動和環(huán)境變化的影響，故開展監(jiān)測和預警工作的工程成本和技術難度較大。

2 邊坡地質災害監(jiān)測預警的主要技術方法

2.1 邊坡地質災害監(jiān)測的主要技術

邊坡地質災害是巖、土體在諸多內、外動力作用下發(fā)生的失穩(wěn)、破壞過程，是一個高度復雜的非線性動力過程。其發(fā)生、發(fā)展及演化的過程，伴隨著大量宏觀可測信息的改變，如地表的形變、物理化學場的變化以及地下水的變化等。若能通過實時捕捉這些信息，研究邊坡表面和深部的變形規(guī)律，了解坡體變形的模式、范圍及規(guī)模，從而對其發(fā)展趨勢做出預警和預報，這對提前采取有效措施以預防邊坡地質災害的發(fā)生或減少邊坡地質災害的損失具有重要的現實意義（霍東平等，2015）。

關于邊坡地質災害監(jiān)測的技術方法有很多，按照監(jiān)測對象的不同，主要分為4類：即位移監(jiān)測、物理場監(jiān)測、地下水監(jiān)測以及外部誘發(fā)因素監(jiān)測，有關技術方法及其主要設備和優(yōu)缺點見表2（李亞玲等，2015；周航等，2016；朱正偉等，2009）。

2.2 邊坡地質災害預警的主要方法

公路邊坡地質災害是一種全球性泛生型山地災害，其存在部位具有隱蔽性，失穩(wěn)破壞具有突發(fā)性，致災后果具有災難性，是公路交通生命線建設及運營中普遍存在的突發(fā)性重大地質安全隱患。根據邊坡的變形和破壞模式，公路邊坡地質災害可主要分為剝落、落石、坍塌、崩塌、錯落、傾倒以及滑坡等災害類型。由于邊坡地質災害具有隱蔽性強、突發(fā)性高、危害性大等特點，且災害發(fā)生之前往往會出現局部變形和零星落石等宏觀征兆，故開展專業(yè)監(jiān)測預警是預防和減少邊坡地質災害損失的有效措施之一。

現階段對于邊坡地質災害的預警工作按內容可主要分為空間預警和時間預警。其中，空間預警是指對邊坡地質災害發(fā)生的地點、規(guī)模及強度等的預警；時間預警是指對邊坡地質災害發(fā)生時間的預警。預警所采用的主要技術方法總體可分為統(tǒng)計方法、理論模型方法以及統(tǒng)計學與理論模型耦合的方法。目前對于邊坡地質災害預警技術研究比較深入的是對滑坡的預警，而對剝落、落石、坍塌、崩塌等地質災害預警技術的研究則相對比較薄弱，大多還處于穩(wěn)定性分析和失穩(wěn)機理研究階段（曹陽威等，2016）。

在滑坡預警方面，國內外學者目前已經提出40多種預測、預警模型和方法，大致可以分為確定性預警模型、統(tǒng)計預警模型、非線性預警模型以及宏觀預警模型4類。（表3）其中尤以對滑坡降雨臨界值方面的研究最為深入，也取得了很多成果。如Caine(1980)對全球不同地區(qū)降雨與滑坡的關系進行了研究；Cannon和Ellen(1985)、Mark和Newman(1988) 、Wieczorek(1990)根據 1982年舊 金山海灣滑坡和降雨數據建立了滑坡與降雨強度和持續(xù)時間的臨界關系曲線；Grozier和Eyles(1980)對滑坡的前期土體含水量狀態(tài)和雨量過剩指數進行了研究；Glade(1998)根據對新西蘭惠林頓地區(qū)滑坡和降雨資料的研究，建立了確定降雨臨界值的3個模型—日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土體含水狀態(tài)模型；謝劍明等(2003)對浙江省臺風區(qū)和非臺風區(qū)的滑坡降雨臨界值做了研究；吳樹仁等(2004)以三峽庫區(qū)為例對滑坡預警判據做了研究；李鐵峰等(2006)結合前期有效雨量和Logistic模型對滑坡降雨臨界值做了研究，并以三峽地區(qū)做了方法驗證；李媛(2006) 、李昂(2007)采用不用的統(tǒng)計方法對四川雅安雨城區(qū)降雨臨界值做了研究；此外，浙江、云南、陜西、山東、寧夏等省，隴南、蘭州、青島等地也都先后建立了各自的降雨誘發(fā)滑坡臨界值，并進行了實際的預警預報（唐亞明等，2012）。

在崩塌預警方面，目前大多是利用數學模型如齋滕迪孝模型、HOCK法、蘇愛軍模型、灰色模型、生物生長模型以及基于非線性理論的協同預報模型、突變理論模型和動態(tài)分維跟蹤預報模型等,對崩塌的時間、位移及其發(fā)展趨勢進行預測（張勇慧等，2010）；也有很多專家學者從研究巖石破壞機理入手，對崩塌預警技術進行了深入探索。如田卿燕等（2009）將灰色理論和突變理論相結合，建立了灰色-突變預測模型，并據此采用聲發(fā)射信號預測塊裂巖質邊坡的崩塌時間；張永興等（2010）研究了邊坡中張性地應力和巖腔發(fā)育深度對差異風化型危

巖形成與破壞的影響；王志強等（2009）基于彈性力學提出了一種滑坡失穩(wěn)的突變模型 ；Frayssine等（2009）分析了灰?guī)r陡高邊坡的破壞機制；陳洪凱等（2010）探討了石質山區(qū)崩塌災害的形成機制，運用損傷力學方法和Paris疲勞方程建立了臨界狀態(tài)下危巖主控結構面的疲勞斷裂壽命計算方法，探討了緩傾角層狀巖體邊坡危巖后退演化的力學機制；唐紅梅等（2010）對危巖聚集體的崩落序列問題進行了初步研究（陳洪凱等，2012）。

表2 邊坡地質災害監(jiān)測主要技術方法Tab.2 Main monitoring method of the slope geology disaster

無論是滑坡，還是崩塌，上述這些模型大多依賴于多種歷史數據進行統(tǒng)計和分析，而很少考慮邊坡的地質結構、力學特性及其自身的演變過程，用這些模型來預報歷史數據比較缺乏的公路邊坡地質災害的效果并不是很好。

表3 滑坡預警模型和預測方法Tab.3 Warning model and prediction method of the landslide

3 北京邊坡地質災害監(jiān)測預警的現狀和問題

3.1 北京邊坡地質災害監(jiān)測預警工作現狀

北京山區(qū)公路沿線的不穩(wěn)定邊坡共有2000余處，根據邊坡變形和破壞模式分析，其地質災害隱患類型主要為剝落、落石、坍塌、崩塌以及滑坡等。其中滑坡災害隱患約30余處，剝落、落石、坍塌及崩塌等災害隱患為1970余處。在上述各類地質災害隱患中，滑坡和坍塌的發(fā)生頻次較低，落石、剝落和崩塌的發(fā)生頻次較高。

在滑坡監(jiān)測預警方面，北京地區(qū)目前只對G108國道邊上的戒臺寺滑坡進行了監(jiān)測，并提出了預警模型。戒臺寺滑坡位于北京市門頭溝區(qū)的馬鞍山北麓，距京城約35km，其南起寺院內，北至石門溝底，東西兩側邊界均為自然溝。由于軟弱的巖層、復雜的構造、較強的降雨以及劇烈的人類活動等多種因素，該邊坡的穩(wěn)定性遭到了較為嚴重的破壞，坡體出現了裂縫、斷坎、沉陷等變形，特別是2004年雨季以來，坡體變形明顯加劇，變形速率顯著增高。2005年，受有關部門委托，中鐵西北科學研究院對該滑坡進行了工程治理，使其下滑趨勢得到了一定程度的遏制。有關單位也對該滑坡進行了專業(yè)監(jiān)測，并對滑坡預警技術進行了研究和探索。孫光林等（2014）通過對地表變形情況的調查和分析，分別在戒臺寺第三停車場加固擋墻的底部、畫家院子大門兩側的擋墻上以及戒臺寺大門G108 國道旁邊布設了3個下滑力監(jiān)測站點（3005#、3002#和3004#），每個站點各布設1套恒阻大變形錨索和1套智能傳感發(fā)射系統(tǒng)。2014年11月—2015年12月的監(jiān)測結果表明，上述3處邊坡下滑力監(jiān)測數據總體平穩(wěn)，沒有出現滑動力增量ΔP持續(xù)增大或減小且滑動力相對變化值PV大于10%的情況（圖2），說明所監(jiān)測區(qū)域目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)（孫光林等，2017）。北京市地質研究所（2015）在戒臺寺滑坡體上布設了35個監(jiān)測點，共計安裝了39臺（套）專業(yè)監(jiān)測設備，其中包括一體化自動雨量監(jiān)測站1臺、一體化地表裂縫位移監(jiān)測站4套、一體化深部位移監(jiān)測站4套、一體化壓力式水位監(jiān)測站4套、一體化孔隙水滲壓監(jiān)測站4套、一體化土壤含水率監(jiān)測站4臺、GPS監(jiān)測站12臺以及遠程應力實時監(jiān)測站6臺（圖3）。2016年的監(jiān)測結果表明，該邊坡的應變和應力監(jiān)測數據均比較平穩(wěn)，說明所監(jiān)測區(qū)域目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)（北京市地質研究所，2016）。陳國滸等（2011）通過調查分析戒臺寺滑坡的基礎資料，選取降水、地貌、植被等作為評價因子，提出了滑坡危險度評價模型，并據此提出了滑坡藍、黃、橙、紅4個預警級別的閾值（陳國滸等，2011）。

圖2 邊坡下滑力監(jiān)測數據Fig.2 Slope sliding force monitoring date

圖3 戒臺寺滑坡監(jiān)測設備分布圖Fig.3 Monitoring equipment distribution of the Jietai temple landslide

在崩塌監(jiān)測預警方面，北京地區(qū)目前共對房山、密云及門頭溝區(qū)內4處公路邊坡崩塌隱患進行了專業(yè)監(jiān)測。北京市地質研究所（2015）分別于上述3個區(qū)內G108國道、G109國道、S219省道以及S310省道等公路邊坡崩塌隱患中選取了23個監(jiān)測點，共計安裝了33臺（套）專業(yè)監(jiān)測設備，其中包括雨量站3套、崩塌裂縫伸縮儀23臺以及崩塌預警警示裝置7臺。除了這些固定的專業(yè)監(jiān)測設備外，北京市地質研究所（2016）還利用三維激光掃描設備（徠卡ScanStation C10高精度掃描儀）定期以單站無接觸掃描的方式對上述4處邊坡的地表變形進行監(jiān)測，依據所獲取的點云數據，構建監(jiān)測目標的三維模型，從而掌握其地表變形情況。2016年的監(jiān)測結果表明，上述23個監(jiān)測點中除個別站點的地表變形監(jiān)測數據有微小變化（0.1～1.6mm）外，其它站點的地表變形監(jiān)測數據總體平穩(wěn)，說明所監(jiān)測區(qū)域目前處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于崩塌監(jiān)測實際樣本缺乏,北京地區(qū)目前在崩塌預警模型建設方面尚處空白，北京市地質研究所（2016）采用類比法，從臨界雨量、裂縫變形速率以及傾斜度變化量3個方面初步提出了崩塌預警閾值（表4），但其合理性和有效性，均有待實踐檢驗。

表4 崩塌預警閥值Tab.4 Warning threshold of the collapse

除了對上述5處邊坡地質災害隱患進行專業(yè)監(jiān)測外，北京地區(qū)目前尚未對其它的山區(qū)公路邊坡的地質災害隱患進行專業(yè)監(jiān)測。

3.2 北京邊坡地質災害監(jiān)測預警存在問題

北京地區(qū)公路邊坡地質災害監(jiān)測預警工作起步較晚，工作程度較低，無論在成災機理分析、監(jiān)測技術研究還是在預警方法探索等方面均存在一定不足，主要體現在以下幾個方面。

（1）專業(yè)監(jiān)測密度不夠。北京山區(qū)公路沿線的邊坡地質災害隱患共有2000余處，目前開展專業(yè)監(jiān)測的只有5處，監(jiān)測比例僅為0.25%，專業(yè)監(jiān)測密度明顯偏低。2016年北京地區(qū)共發(fā)生60余起公路邊坡地質災害，均在專業(yè)監(jiān)測范圍之外。

（2）成災機理分析不透。北京山區(qū)公路邊坡的破壞模式比較復雜，不同破壞模式的影響因素不同，所導致的災害類型也不同，需采取的專業(yè)監(jiān)測技術也應不同。只有將不同邊坡地質災害隱患的影響因素分析準了，成災機理分析透了，才能有針對性地選取專業(yè)監(jiān)測設備，確定專業(yè)監(jiān)測方法。

（3）監(jiān)測技術研究不深。對于某種邊坡地質災害隱患究竟應采用哪種專業(yè)監(jiān)測技術，選用哪些專業(yè)監(jiān)測設備，首先應考慮預警模型建立及短臨預警的需要；其次要考慮地質災害自身的主要特征，如影響因素及破壞模式等；此外還要考慮專業(yè)設備的精度及適用性等。眾所周知，監(jiān)測設備的作用就是獲取數據，其所獲數據要么用于預警模型的建設（如降雨量用于滑坡預警模型），要么用于災害的短臨預警（如裂縫變形數據用于崩塌短臨預警），如果所獲取的某種數據對模型建設和短臨預警均沒有發(fā)揮作用，那么該數據就無需監(jiān)測，相關監(jiān)測設備也就無需安裝。以戒臺寺滑坡監(jiān)測為例，目前所安裝的監(jiān)測設備包括雨量監(jiān)測站、地表裂縫位移監(jiān)測站、深部位移監(jiān)測站、壓力式水位監(jiān)測站、孔隙水滲壓監(jiān)測站、土壤含水率監(jiān)測站、GPS監(jiān)測站以及應力監(jiān)測站等。在這些監(jiān)測設備所獲取的數據中，雨量監(jiān)測數據可用于中短期預警模型建設，地表裂縫位移監(jiān)測數據、深部位移監(jiān)測數據、GPS監(jiān)測數據以及應力監(jiān)測數據等可用于滑坡短臨預警，故上述數據均屬于有必要監(jiān)測的數據；地下水位監(jiān)測數據、孔隙水壓力監(jiān)測數據以及土壤含水率監(jiān)測數據等雖然有可能對研究滑坡機理有用，但目前并沒有用于預警模型建設，也沒有用于滑坡的短臨預警，故應視實際需要決定是否監(jiān)測。

（4）預警方法探索不夠。北京地區(qū)目前雖然有人提出和建立了基于降水、地貌、植被等影響因素的滑坡危險度評價和預警模型，但其并沒有經過實際應用的檢驗；而坍塌、崩塌及剝落等邊坡地質災害，目前則尚未有人提出和建立預警模型。在災害短臨預警方面，也因缺乏歷史數據而無法提出令人信服的預報閾值。

（5）除上述問題外，北京山區(qū)公路邊坡地質災害隱患是以剝落、落石、坍塌以及崩塌為主。但目前所監(jiān)測的5處公路邊坡地質災害隱患中，1處為滑坡，其它4處均是針對高陡巖質邊坡上那些被節(jié)理和裂隙等構造結構面所切割成的較大的巖石塊體（圖4），采用崩塌裂縫伸縮儀，監(jiān)測巖石塊體之間裂縫的變形情況。從北京地區(qū)以往發(fā)生的公路邊坡地質災害情況看，這種塊石崩落的情況并不多見，倒是剝落、落石和坍塌等類型的地質災害較為常見。而北京地區(qū)目前卻并沒有對上述這些較為常見的邊坡地質災害隱患進行專業(yè)監(jiān)測。

圖4 琉辛路崩塌隱患監(jiān)測設備分布圖Fig.4 Monitoring equipment distribution of the collapse along the road from Liul imiao to Xinzhuang

4 對北京邊坡地質災害監(jiān)測預警技術的分析和研究

4.1 對北京邊坡地質災害監(jiān)測技術的分析與研究

針對北京地區(qū)目前在公路邊坡地質災害隱患監(jiān)測方面存在的問題，本文認為專業(yè)監(jiān)測工作應以詳細查明地質背景為基礎，以研究清楚成災機理為前提，突出重點，注重實效，針對主要災害類型及其關鍵數據的獲取，采取有針對性的專業(yè)監(jiān)測技術。

在滑坡監(jiān)測方面，應在加強野外地質調查、工程勘察以及室內穩(wěn)定性分析評價的基礎上，在滑坡體的中、后緣部署地表裂縫位移監(jiān)測站；在滑坡體的中、前緣部署應力監(jiān)測站；在坡體上適當位置部署GNSS監(jiān)測站；沿主勘探線方向在坡體上適當部署一個或幾個深部位移監(jiān)測站；在坡體上的適當位置部署雨量監(jiān)測站（圖5）。

圖5 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the landslide monitoring system

在剝落、落石、坍塌以及崩塌等其它類型公路邊坡地質災害隱患監(jiān)測方面，要在詳細調查的基礎上，加強邊坡穩(wěn)定性及其破壞模式分析，研究其成災機理和影響因素，然后再針對不同的地質災害類型，采取相應的監(jiān)測技術方法。

（1）對于如琉辛路那種高陡巖質邊坡巖石塊體的崩塌隱患，可采用崩塌裂縫伸縮儀，對石塊體之間裂縫的變形情況進行實時監(jiān)測。

（2）對于坍塌、滑塌等邊坡地質災害隱患，可采用BOTDR分布式光纖傳感技術，對坡體表面變形及其發(fā)展情況進行監(jiān)測。

（3）對于剝落和落石等邊坡地質災害隱患，可視情況采取“主動防護網+應力傳感器”或“被動防護網+振動傳感器”的組合監(jiān)測技術，對坡體表面的變形情況及其先兆（如零星落石）進行監(jiān)測（圖6）。

圖6 “被動網+振動傳感器”落石監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the falling stone monitoring System by “passive net and vibration

4.2 對北京邊坡地質災害預警工作的思考與建議

監(jiān)測預警是有效減少地質災害損失的主要措施之一。現階段我國在地質災害監(jiān)測預警方面的工作主要體現在兩個方面：一方面是開展區(qū)域性宏觀預測預警；另一方面是對一些規(guī)模較大或危害嚴重的地質災害隱患單體進行全方位監(jiān)測，根據監(jiān)測結果對該災害隱患的發(fā)展趨勢進行預測預警。在區(qū)域性宏觀預測預警方面，北京地區(qū)從2003年起，在全市山區(qū)范圍內開展了地質災害氣象風險預警；在災害單體監(jiān)測預警方面，北京地區(qū)自2016年開始，正式對區(qū)內119條泥石流溝、1處滑坡、4處采空塌陷區(qū)以及6處崩塌隱患開展專業(yè)監(jiān)測。但由于缺乏歷史數據的多年積累以及成災機理的深入研究，北京地區(qū)在地質災害氣象風險預警方面至今尚未建立起科學的預警模型，在災害單體預警方面也一直沒有對所監(jiān)測到的數據進行深入的分析和有效的利用。

由于公路邊坡的穩(wěn)定性受內在因素和外在因素等眾多因素的影響，且其影響程度不易界定；專業(yè)監(jiān)測所得到的信息未必能完全代表邊坡狀態(tài)的實際情況，同樣存在著很多不確定性和未確知性。故如何有效開展公路邊坡地質災害的預警工作是廣大地質工作者和氣象工作者所面臨的難題之一。本文在北京市突發(fā)地質災害詳細調查和北京市突發(fā)地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)（一期）工程建設和運行工作的基礎上，就目前北京地區(qū)在公路邊坡地質災害預警工作方面存在的主要問題進行了深入分析和思考，就如何開展山區(qū)公路邊坡地質災害預警工作提出如下建議。

（1）在開展地質災害區(qū)域性宏觀預測預報方面，應在詳細調查、勘查、分析和評價的基礎上，加強成災機理研究，確定邊坡地質災害隱患的成因類型和影響因素；針對邊坡地質災害隱患的成因類型，建立綜合考慮各種主要影響因素的預警模型；根據邊坡地質災害的發(fā)生情況，不斷修正預警閾值。

對于滑坡隱患，首先應在詳細調查和勘查工作基礎上，圈定滑坡邊界，確定地下水位及潛在滑動面；其次要結合野外現場試驗和室內測試分析的結果，查清降雨對潛在滑坡體的影響深度及其對邊坡巖土體重度的影響情況，建立邊坡巖土體重度與降雨量（當日雨量及前期雨量）之間的關系曲線；然后再采用極限平衡法，分別計算不同降雨工況下的邊坡穩(wěn)定系數，評價邊坡的穩(wěn)定性；最后根據評價結果及關系曲線，確定坡體發(fā)生滑動時的臨界雨量和預警閾值。

對于剝落、落石、坍塌和崩塌等其它公路邊坡地質災害隱患，因其突發(fā)性較強、影響因素眾多、致災機理復雜，不宜像滑坡預警那樣確定一個臨界雨量作為其預警閾值，而應加強其地質環(huán)境背景調查，對其主要影響因素進行分析，對其穩(wěn)定性進行評價，并在此基礎上探討其在某種主要觸發(fā)條件（如降雨）下發(fā)生地質災害的可能性大小，進而預測在某種主要觸發(fā)條件的不同強度狀態(tài)下（如不同的降雨量和降雨強度）下，不同穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡發(fā)生地質災害的概率，并將其作為該邊坡地質災害預警依據。

參照巖石邊坡工程及有關規(guī)范，一般把邊坡穩(wěn)定性分成5個等級，即極穩(wěn)定、穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定；在評價邊坡穩(wěn)定性的時候，一般要考慮地形、巖性、巖石完整性、粘聚力和內摩擦角等巖土參數、地應力、地震烈度、降雨以及人類活動等作為主要評價因子（金海元，2011）；考慮到北京地區(qū)邊坡地質災害多發(fā)生在雨季（圖7），降雨是邊坡地質災害的主要觸發(fā)因素，且不同降雨量和降雨強度對不同地質條件邊坡的影響程度不同，故在預測邊坡地質災害發(fā)生概率的時候應予以考慮，建議以調整系數的形式納入到概率預警模型之中。

圖7 北京山區(qū)公路邊坡地質災害發(fā)生時間分布圖Fig.7 Time distribution of the road slope geologic disaster in Beijing mountain area

（2）在利用專業(yè)監(jiān)測數據開展災害單體短臨預警方面，應加強邊坡變形階段、規(guī)律及特征等方面的研究，通過分析監(jiān)測數據在時間和空間上的變化規(guī)律，判斷邊坡變形情況及其發(fā)展趨勢，預測邊坡“變形—破壞—致災”的時間節(jié)點，以此作為該邊坡地質災害短臨預警預報的重要依據。

對于滑坡隱患，一般可根據地表位移和深部位移的變形絕對值和變形速率來進行預警（表5）；也可根據地表及深部位移監(jiān)測結果，做出“位移-深度”、“位移-時間”及“變形速率-時間”等特征曲線，再根據這些曲線，比較直觀地判斷邊坡變形在空間和時間上的主要規(guī)律和特征（陳繼東，2011）；還可通過對“位移-安全系數”曲線進行一階求導，根據所得到的導數曲線，掌握邊坡變形階段，預測邊坡變形趨勢，據此決定是否發(fā)布滑坡預警。

表5 滑坡預警閾值Tab.5 Warning threshold of the landslide

圖8是某公路邊坡深部位移監(jiān)測結果，監(jiān)測孔位于該邊坡的前緣部位。從圖中可以看出，該邊坡在深部20m以上位移明顯，呈現出整體運動趨勢，且存在多個滑動帶（董湘龍等，2012）。

圖8 深度和累計位移量的關系曲線Fig.8 Relation curve of depth andcumulative displacement

圖9 是某邊坡“位移-安全系數”關系曲線的導數曲線，從中可以看出，該導數曲線中變化較大的4個點A、B、C、D所對應的位移分別為24mm、29mm、42mm和60mm，所對應的安全系數分別為1.217、1.087、1.044和1.018，這表明該邊坡在表面位移達到24mm 后（A點），邊坡變形進入初始發(fā)展階段；達到29mm后（B點），邊坡變形進入快速發(fā)展階段；達到42mm后（C點），邊坡變形進入高速發(fā)展階段；達到60mm后（D點），邊坡變形進入破壞垮塌階段。據此可以認為，A—B是低風險階段，此時邊坡滑動進入初始發(fā)展階段；B—C是中風險階段，此時邊坡進入加速滑動期，應會同有關部門制定相應保護措施；C—D是高風險階段，此時邊坡進入快速滑動期，應保持高度關注，并加強監(jiān)測和巡視，現場豎立警示牌，提醒過往車量注意；D點之后是風險極大階段，應發(fā)布預警，并制定相應的交通管制措施。

圖9 位移和安全系數關系曲線的導數曲線Fig.9 Derivative curve of surface displacements and safety factor

對于崩塌隱患，一般可通過監(jiān)測地表位移，特別是裂縫形變的量值和速率來動態(tài)反映崩塌發(fā)生前的邊坡形變規(guī)律，及時掌握坡體內部的變化，并據此對崩塌災害可能發(fā)生的時間及規(guī)模等進行預測和預警。

圖10是某公路邊坡崩塌隱患的地表位移及其變形速率的監(jiān)測結果。從中可以看出，在9月19日之前，該邊坡監(jiān)測點處的地表水平位移及其變形速率的變化均不甚大；但在19日之后，地表水平位移及其變形速率的變化幅度快速增大，出現了崩塌征兆；到了24日，地表水平位移及其變形速率的變化幅度明顯增大，最大地表水平位移為22.3mm，最大地表水平變形速率為4.4mm/d，坡體達到了崩塌臨界狀態(tài)，此時可及時發(fā)布該邊坡可能發(fā)生崩塌災害的預警和預報（張樂，2015）。

圖10 水平位移及其變形速率圖Fig.10 Diagram of the horizontal displacement and its deformation rate

坍塌隱患的預警預報原理同崩塌隱患類似，只不過它是通過分布式光纖傳感技術實現坡體表面位移數據的采集和傳輸而已；邊坡在發(fā)生剝落前通常會發(fā)生局部的零星落石現象，故可通過監(jiān)測落石情況來預測剝落發(fā)生的時間可規(guī)模；而落石則通常可通過安裝在被動防護網上的振動傳感器進行時時監(jiān)測。

5 結語

北京山區(qū)公路沿線存在著大量不穩(wěn)定邊坡，在降雨、凍融、根劈、振動等自然因素和修路、開礦等人類活動因素影響下，很容易發(fā)生滑坡、崩塌、坍塌、剝落及落石等地質災害，因其隱蔽性高，突發(fā)性強，危害性大，故有必要對其開展專業(yè)監(jiān)測和預警工作。但由于其分布散，點數多，致災因素復雜，故給專業(yè)監(jiān)測及預警工作帶來很大困難。

北京地區(qū)目前在公路邊坡地質災害監(jiān)測預警方面的工作尚處于起步階段，存在著專業(yè)監(jiān)測密度較低，成災機理研究不深，監(jiān)測技術及預警方法的針對性和實用性不強等諸多問題。

本文依據監(jiān)測對象的不同，對當前國內外在公路邊坡地質災害監(jiān)測及預警方面的技術方法進行了系統(tǒng)地總結和梳理；對北京山區(qū)公路邊坡的變形破壞模式及災害隱患類型進行了深入的分析和研究；對北京地區(qū)目前在公路邊坡地質災害監(jiān)測和預警方面的工作現狀及存在問題進行了評價和探討，并在此基礎上，就如何開展公路邊坡地質災害隱患的監(jiān)測和預警進行了思考和研究，提出了合理建議。這對北京地區(qū)今后開展相關工作具有重要的參考意義，對預防和減少山區(qū)公路邊坡地質災害損失將起到一定的作用。