中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”崩塌體監測預警研究

伍先福 馮凱旋

摘要：中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處于典型的“三高”地區，以印支燕山期花崗巖發育為主的高陡反向斜坡，風化卸荷嚴重，巖體被多組結構面切割，極易形成傾倒式崩塌。本文選取該段一處典型崩塌體，結合基本的“地質模型”和“北斗衛星信號接發射系統”及“位移計等多種傳感器”對其進行監測研究，結合相關力學分析，以角位移、角加速度和時間的關系建立預警預報模型。通過現場實際的角位移量監測數據，驗證其預警模型的可靠性。

關鍵詞：“三高”地區，傾倒式崩塌，角位移，角加速度，預警模型

中巴公路奧依塔克—布倫口段主要穿行于新疆三大山脈之一的昆侖山脈之中，沿線公路地質災害發育較多，而崩塌災害十分發育，頻頻造成交通堵塞以及人員傷亡^[1]，若要對公路沿線所有的災害進行治理，顯然是不可能的。因此，對災害點進行監測預警、預報就顯得十分必要，并且是目前減少經濟損失和人員傷亡比較好的手段。

對于崩塌災害的監測預警研究，一些學者做了相關工作，包括速度倒數法預警模型，Voight^[2]通過對在靜荷載作用下一個純剪切過程和指數蠕變過程進行了理論分析^[3]4]，對Satio，Uezawa的時間與變形速率的對數經驗公式進行了驗證，建立了位移加速度與速度的關系^[5][6]，日本學者齋藤迪孝^[7]是在時間位移曲線上選定三個點，兩個時間段的位移相同，根據幾何方法確定崩塌失穩時間^[8]。王玉^[9]等提出次生山地災害監測預警無線傳感器網絡體系構想，針對滑坡崩塌及泥石流監測預警，而具體實施難度較大。許強^[10]等提出利用合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）和地面觀測手段（如全球導航衛星系統、裂縫計等），在掌握滑坡崩塌的變形規律和階段以及時間-空間變形特征的基礎上，建立分級綜合預警體系，卻較適用于滑坡變形的監測及早期預報。

綜上，目前對于崩塌的預測預警研究相對較少，比較側重于理論研究，而且這些預測預警模型的適用性和可靠性還需要進一步驗證。然而隨著電子技術、網絡數字化新技術、人工智能等新技術的不斷發展，創新發展的監測儀器設備的產出，對崩塌監測預警提供了有利條件。本文主要結合基本的“地質模型”和“北斗衛星信號接發射系統”及“位移計等多種傳感器”對崩塌體進行監測預警研究。監測數據可遠距離傳輸和分析處理，在災害發生時的第一時間通知相關部門啟動應急預案趕赴現場進行處理。

一、崩塌災害點概況

中巴公路“K1568”處崩塌災害點基本概況如下：此處為花崗巖高邊坡，該邊坡位于河流左岸，地處斷層破碎帶，巖體破碎，呈碎塊狀。巖體風化嚴重，下部巖體處于中風化，上部巖體處于強風化狀態。整個崩塌體呈肉紅色、風化較嚴重的部分偏灰色，塊狀構造，該段長約200m，高約100m。

巖體結構面發育，主要發育有3組結構面：其中第①、②組結構面較發育，間距較小，約10～20cm，第組③結構面欠發育。裂隙面張開0.5cm～2cm不等，并被風化形成的砂土所充填。多組結構面組合，將巖體切割成碎塊狀，易出現失穩破壞。

坡腳發育有因崩落形成的倒石錐，塊石粒徑變化較大，小者約3～10cm，大者可達80cm。在反復的凍融作用下，結構面一步步張開，使其與母巖脫離，因此在坡表仍在較多的孤立巖塊，成為潛在崩落體，對坡腳公路運營存在較大的威脅。

由于中巴公路為連通巴基斯坦的一條交通要道，來往的車輛尤其是大貨車特別多，崩塌體受寒凍風化作用特別嚴重。極易在外營力作用下失穩，根據該崩塌災害體的特點，該處以傾倒式崩塌失穩為主，因此從中選擇一塊典型的傾倒式崩塌體作為監測的對象，并進行相關研究。

二、崩塌體臨界失穩判據及預報模型的建立

傾倒式崩塌是由于外界擾動或者風化作用，使得崩塌體向坡外傾倒變形。其失穩前的宏觀特征是變形破壞，所以選擇位移變形量作為預警判據指標。王延平^[7]把后緣裂縫臨界寬度作為失穩判據，認為崩塌體基座為硬質巖，崩塌體的臨界變形值只與崩塌體自身形態有關，可以建立崩塌體的尺寸和旋轉點的關系，由于傾倒式崩塌體的失穩是整體變形，其失穩的臨界狀態為其形心與旋轉點在同一條豎直垂向上。但由于實際工程中的崩塌體為不規則的多面體，計算形心的誤差較大，所得到的后緣裂縫寬度臨界值誤差也較大。

考慮到角加速度、角位移和時間的關系，以積分的形式得到角加速度與角位移的函數關系，建立預警模型，最后設置一定的角加速度預警閥值就可以對崩塌體進行預警預報。

把角加速度β對時間t進行一次積分可得到角速度ω與時間t的關系如下：

為了監測的方便和可視性將加速度轉化為運動速率的的切線角，這是由于運動速率曲線切線角的正切值即為加速度大小，而這里定義切線角Φ∈[-π/2，π/2 ]在這個取值范圍內，函數為單調遞增函數。

對于傾倒式崩塌體監測預警閥值，這里定義“不同預警級別的閥值”為：當速率曲線切線角值小于30°（π/6）時為藍色預警，當監測值大于或等于30°值且小于45°（π/4）時為黃色預警，當監測值大于或等于45°值且小于60°（π/3）時為橙色預警，當監測值大于或等于60°值時為紅色預警。

三、結語

我國的地質災害多且面廣，尤其是西部地區，其災害源位置偏高遠且地形復雜，單從傳統的人工調查已經很難提早發現和預警。本文引入現代衛星觀測技術和監測儀器設備，對崩塌體進行監測預警，擬解決公路沿線崩塌災害的早期預警預報問題，減少人員傷亡及經濟損失。得到以下成果：

（1）通過對中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處典型崩塌地質災害的調查，該處的變形破壞機制屬于傾倒式崩塌，并提出和確定該類崩塌的針對性監測內容、方法、儀器設備。根據實際的崩塌監測數據，對主要監測曲線的類型和特征進行了分析和處理，

（2）將崩塌體的運動過程中的“角位移、角加速度、時間”作為預警預報的關鍵參數指標，利用剛體轉動定律及相關力學分析，建立了傾倒式崩塌體的監測預警預報模型：

該模型適用于短期預報。

（3）通過模型預警預報判別分析可以得出，中巴公路奧依塔克-布倫口段“K1568”處崩塌體監測預警最高級別為“黃色預警”，表明在短時間內不會有大型崩塌現象出現。與現場實際觀測情況基本符合。

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作者簡介：伍先福（1995-），男，碩士研究生，主要從事地質災害評價與防治。