基于田西高速公路的滑坡預警模型研究

黎盟 司家琛 艾露

摘要 根據滑坡地質災害監測數據的實際情況，并結合田西高速公路全線范圍高邊坡與自然地質的自然銜接關系，結合依托邊坡工程的勘察、設計資料和巖土體的室內試驗參數研究成果，基于依托工程特征及現場結構面信息的調查分析和邊坡裂隙巖體力學特征研究，分為3種類型制定了滑坡地質災害監測預警模型，分別為區域降雨滑坡（提示性）預警、單體變形監測預警、長期監測綜合預警。

關鍵詞 滑坡;預警模型;地質災害

中圖分類號 P642.22 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0072-03

0 引言

田林至西林高速公路項目位于廣西自治區百色市田林縣、西林縣境內，路線總體呈東西走向，該項目全線路塹高邊坡工程共計290處。田西高速公路建設區出露地層主要為第四系沖洪積層和殘坡積層及三疊系中統板納組中段T2b2砂巖、泥巖、泥質砂巖。路線范圍內發育的不良地質類型主要為崩塌、滑坡及陡傾巖層破壞，特殊性巖土主要為軟土、崩解性泥巖。根據沿線巖土組成、物理力學性質和工程地質特征，將巖土劃分為較堅硬碎屑巖、較軟碎屑巖、松散結構巖土等3個工程地質巖組。工程區廣泛分布的泥巖具有反復脹縮性、多裂隙性、強度衰減性，使得泥巖滑坡具有許多與一般硬巖不同的特點。田西高速工程區泥巖中存在大量的微裂隙，遇水后產生較大的孔隙力，特別是多雨炎熱的夏季，經過反復干濕循環，極易使巖石發生崩解破壞，崩解性泥巖的存在使得邊坡的巖土體強度較低，容易產生變形破壞。另一方面，當碎屑巖邊坡中存在崩解性泥巖夾層或出現硬巖砂巖與軟弱泥巖的互層形式時，邊坡開挖后風化作用，崩解性泥巖與非崩解性巖石產生差異風化，形成軟弱夾層，易使邊坡產生變形破壞，不利于碎屑巖邊坡的穩定。

公路工程斜坡作為人類工程在一定地質環境中的行為結果，必然受到工程地質和地質工程的相互作用，其病害是由斜坡的內在因素和外在因素共同作用的結果[1]。其中內在因素是公路工程斜坡病害的基礎，外在因素是公路工程斜坡病害的重要誘發因素。大量的工程實踐現象表明，含碎屑巖的邊坡穩定性差的原因是含軟弱夾層，切坡后的安全性與穩定性更差，一方面是因為含碎屑巖的軟弱夾層的水敏性強，一旦吸水容易飽和軟化，強度因此會大幅度降低，導致邊坡沿此軟弱夾層發生滑動破壞，另一方面是隨著雨水的滲入而使坡體含水量升高使坡體自重增加，邊坡由此產生蠕動變形[2]。根據多年氣象資料統計表明，廣西西部中低山地區的年平均降雨量大概在1 110～1 710 mm之間，這為含泥巖的邊坡孕育滑坡災害提供了充分的條件。根據2005—2013年期間的統計數據，廣西碎屑巖分布區共發生地質災害1 260起，其中滑坡占684起，而其中與降雨有關的滑坡和崩塌占災害總數的92%，共造成34人受傷，66人死亡，造成潛在經濟損失共84 748.4萬元。根據導致災害因素的統計結果表明，碎屑巖分布地區引發地質災害的最主要的因素是降雨和人類工程活動。

該文結合依托邊坡工程的勘察、設計資料和巖土體的室內試驗參數研究成果，針對邊坡（群）工程風險“識別難、預警難、控制難”的問題，結合依托工程田西高速公路高邊坡（群）的特征，通過實控的大數據挖掘技術，建立重大風險災變規則知識庫，基于依托工程特征及現場結構面信息的調查分析和邊坡裂隙巖體力學特征研究，通過理論分析和典型高邊坡穩定性數值模擬分析，進行田西高速公路典型高邊坡穩定性及破壞模式研究。

1 地質災害滑坡預警模型

建立滑坡預報模型以“概念模型”（地質模型）為基本，而地質模型的建立則是以研究滑坡實體的工程地質為基礎。在對工程實體正確認識的基礎上，才能建立正確合理的工程地質模型，由此抓住斜坡發生變形破壞起控制作用的決定性因素，提出正確的“概念模型”[3]。對工程實體的研究一般包括兩方面的基本內容：一方面是對原型工程實體地質環境的研究;另一方面是對斜坡發生變形破壞現象的研究。在“概念模型”基礎上，為了從數學力學上進行驗證并完善對變形破壞機制及該過程的認識了解，須采取對巖體力學形態的描述，即為巖體力學應力應變本構模型。巖體本構模型的建立來源于巖石力學室內各種試驗研究，試驗研究的對象則是與“概念模型”緊密相關的關鍵因素[4]。

根據滑坡地質災害監測數據的實際情況，結合研究區范圍與單體之間的自然銜接關系，分為3種類型制定了滑坡地質災害監測預警模型，分別為：

區域降雨滑坡（提示性）預警：主要是利用研究區范圍內的雨量監測數據進行分析，給出預警等級，提醒管理人員或現場監測負責人等進行必要的檢查與關注[5]。

單體變形監測預警：主要是針對單個滑坡災害的變形監測數據展開分析，通過一定的現場室外調查、室內試驗及有限元數值模擬等手段，獲得單體滑坡的判據條件，包括累積變形量與變形速率兩類指標。以此為基礎，給出研究區所有滑坡單體的基于變形監測數據的預警等級。

長期監測綜合預警：主要是針對具備了長期監測數據的單體滑坡地質災害，通過利用目前比較成熟的滑坡災害監測預警模型展開分析，如改進切線角模型[6]。

2 預警模型系統研究

計算數值分析模型，可由此獲得邊坡穩定性分析結果，并加深對深層次變形破壞機理的認識理解，并可對數值模型中的關鍵點位置進行位移、應力應變跟蹤，再根據邊坡工程實體的穩定性情況和實際監測資料去不斷調整和校正這個數值分析模型，直到數值分析模型計算出的邊坡穩定性、位移時程曲線與工程實際情況大體一致[7]。然后根據校正調好的數值分析模型去做出安全可靠的邊坡穩定性評價，也可以據此再進一步加深對工程實體地質分析時得到的邊坡變形破壞機理理論認識，還可以參考滑坡點位移、應力監測等相關資料，據此應用關鍵點位移應力跟蹤的方法對整個滑坡位移進行較全面的預報。在此分析的基礎上，根據實際建立的預報模型，運用數值與物理模擬等推理手段根據對時間的進一步延拓，由此來達到預報滑坡變形的目的[8]。

2.1 區域降雨滑坡（提示性）預警

降雨，特別是大型暴雨是引起滑坡的重要產生因素。由降雨誘發的滑坡大量存在，這種現象既造成了人民的傷亡與財產損失，又不利于國家經濟建設和社會穩定。降雨誘發滑坡有以下4種不同的作用機理：一是針對邊坡巖土體，降雨使巖土體增大容重，并由此產生動靜水壓力;二是侵蝕邊坡坡腳，破壞坡體完整性，改變邊坡穩定結構;三是雨水滲入，會由此弱化巖體，造成泥化軟化滑帶，導致土體粘著力降低甚至消失，由此降雨會改變邊坡巖土體力學性能;四是引起滑動體的漸進性破壞，并增大滲透力。降雨的相關力學作用極其復雜，不過從誘發滑坡機制上可以概括為導致滑移面剪應力增大及促使巖土體抗剪強度降低[9]。

因此，基于降雨的預警通過設定雨量及場次降雨的閾值，實現對滑坡風險的提示性預警。

2.2 單體變形監測預警

早期的位移監測預警也主要是基于位移速度和累積位移量，如通過對多個邊坡失穩破壞的工程分析，統計出了國內幾個已破壞邊坡的臨界位移速率（見表1），由表可見，邊坡破壞時加速蠕變階段的位移速率幾乎是勻速蠕變階段的10～20倍，這對判定斜坡當前所處的變形階段具有一定的意義。

但是隨著人們認識的深入，發現不同類型的斜坡臨界變形速率差異較大，如巖質滑坡10～60 mm/d，土質滑坡有大有小，黃蠟石滑坡的臨界速率為2 mm/d，但是新灘滑坡卻是116 mm/d，因此很難給定一個統一的臨界值。

故在長期監測數據的基礎上，還需要對其進行有效位移速度和累計位移量的臨界值分析，基于該臨界值實現對單體滑坡的監測預警。

2.3 長期監測綜合預警

對于采取相關手段獲取了長期監測數據的滑坡，可以根據變形與時間關系曲線進行預警。斜坡的加速變形階段是發出安全預警的關鍵時段，并結合地質災害的四級預警機制，可以將加速變形階段具體劃分為初加速、中加速、加加速（臨滑）等三個亞階段（圖1），并建立滑坡預警級別與斜坡變形所處階段的一一對應關系表。可以看出，滑坡變形與時間關系曲線的切線角在不同的變形階段具有不同的特點，在滑坡初始變形階段切線角先增大隨后逐漸減小并逐步趨于穩定;在滑坡等速變形階段時切線角基本保持不變，保持在45°左右;然而在滑坡加速變形階段，切線角會從45°開始并逐漸向90°靠攏發展。

3 結語

確定邊坡破壞模式是進行邊坡安全風險評價的關鍵，工程實踐表明如果邊坡破壞模式選取不得當，即使利用先進的手段進行邊坡安全風險評價，其得出結果也會與實際情況相差甚遠。因此正確認識泥巖的病害特征及其破壞模式是對邊坡進行安全風險評價與監測防護的前提條件。該文結合依托工程的勘察設計資料，對田西高速公路沿線邊坡特征、工程地質條件、自然環境的調查、統計和分析，進行沿線滑坡地質災害資料的收集、調查、統計和分析;開展沿線典型高邊坡巖土體的物理力學特性試驗研究;研究高邊坡的巖土性狀、巖體結構面特征及邊界條件和影響邊坡穩定性的因素，建立田西高速公路高邊坡地質模型;進行田西高速公路典型高邊坡破壞模式研究，通過對調查統計資料進行分析和典型高邊坡穩定性數值模擬分析，確定田西高速公路典型高邊坡滑坡預警模型。

參考文獻

[1]鄭孝玉.滑坡預報研究方法綜述[J].世界地質，2000（4）：370-374.

[2]吳樹仁，金逸民，石菊松，等.滑坡預警判據初步研究—以三峽庫區為例[J].吉林大學學報（地球科學版），2004（4）：596-600.

[3]馬平，馮永，錢海濤，等.滑坡預報研究綜述[J].人民黃河，2011（9）：86-88.

[4]唐亞明，張茂省，薛強.滑坡監測預警國內外研究現狀及評述[J].地質論評，2012（3）：533-541.

[5]喬建平.降雨型滑坡泥石流監測預警研究[M].北京：科學出版社，2018.

[6]賀可強，郭棟，張朋，等.降雨型滑坡垂直位移方向率及其位移監測預警判據研究[J].巖土力學，2017（12）：3649-3659+3669.

[7]王念秦，王永鋒，羅東海，等.中國滑坡預測預報研宄綜述[J].地質論評，2008（3）：355-361.

[8]秦四清，張倬元，王士天，等.滑坡時間預報的突變理論及灰色突變理論方法[J].大自然探索，1993（4）：62-68.

[9]黃潤秋，許強，戚國慶.降雨及水庫誘發滑坡的評價與預測[M].北京：科學出版社，2007.