滑坡失穩閾值預報方法研究

孟慶森，尚彥軍，3，邵鵬，孟和，3，伊學濤

（1.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；3.新疆工程學院新疆地質災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830023)

滑坡是斜坡巖土體沿著貫通剪切破壞面發生滑移的現象，為地表地質災害主要形式之一。近年來，隨滑坡監測實例不斷增加，變形監測資料越來越豐富。眾多學者圍繞斜坡巖土體變形破壞行為與預測預報進行探索和研究，取得豐碩成果。滑坡預報研究歷史和發展過程中，國內外學者逐漸意識到滑坡預報判據的重要性，將建立滑坡預報模型和預報判據作為滑坡預報核心，建立了多種不同參數類型的滑坡預報判據。主要有穩定性系數、聲發射參數、降雨量因子、變形速率、變形加速度等[1-5]。不同角度切入研究，提升了滑坡破壞臨界時間的預測預報方法。Satio等借助蠕變實驗對斜坡巖土體變形破壞行為進行研究[6]，將斜坡變形破壞劃分為初始、等速、加速3 個階段，為后續研究奠定理論基礎。大量滑坡實例表明，斜坡進入加速變形階段是滑坡發生的前提條件。許強等基于齋藤曲線做出了精細的滑坡預報研究[7]，將加速變形階段進一步劃分為初加速、中加速、臨滑3個亞階段（圖1）[7]，給出以改進切線角為代表的一系列預測預報判據[8]。

圖1 斜坡變形的三階段演化圖示Fig.1 Three stages of deformation and failure in landslide

變形是斜坡穩定性降低、趨向失穩破壞最直接的外在表現。隨著滑坡監測實例的不斷增多，監測數據資料越來越豐富，多種樣式的變形監測曲線陸續出現，同時面臨諸多需對比分析的問題。如，不同類型斜坡破壞時具怎樣特征？針對這些特征應選取何種預測預報方法？本文結合前人研究，對滑坡監測預測預報參量和閾值進行對比分析，以期為滑坡監測預報和應急管理提供一定參考。

1 不同類型滑坡演化特征

大量蠕變實驗和斜坡變形監測資料表明，斜坡變形-時間曲線與巖石蠕變實驗曲線具很好的可比性或對應性，即斜坡巖土體變形過程實質上是斜坡巖土體在重力作用下的蠕變過程。隨滑坡監測資料的進一步豐富，對比分析變形-時間曲線，發現不同類型滑坡變形曲線可統一到一組漸變的變形曲線簇中（圖2）[9]。據變形破壞發展變化過程，將滑坡劃分為緩變型、突發型、趨穩型。

圖2 巖土體蠕變曲線簇及其形成條件Fig.2 Slope displacement-time curve types and formation condition

緩變型滑坡主要發生于松散土質斜坡或滑動條件不好，具時效變形特征的巖質斜坡中。這類滑坡孕育和演化一般經較長時間，且變形-時間曲線一般呈完整的3階段。

突發型滑坡主要發生于臨空條件和滑移條件較好的巖質邊坡或強降雨誘發的淺表層邊坡，及飽水的松散粒狀介質（如黃土、花崗巖風化砂、尾礦庫等）中[10]。失穩破壞經歷時間一般比緩變型滑坡短，臨界變形速率往往大于緩變型滑坡。

趨穩型滑坡主要發生在穩定性相對較好的斜坡中。成因包括兩種：一是自然作用或人類活動的強度和持續時間未達到巖土體發生整體形變的程度；二是斜坡雖產生變形但未進入加速變形階段，在及時采取工程加固治理措施的情況下趨于穩定。趨穩型滑坡的研究對何時布設防滑措施、工程防治效果評價及防止滑坡復活等具重要意義。

2 不同類型滑坡預測預報方法

眾多滑坡實例研究表明，斜坡進入加速變形階段是發生滑坡的必要條件。準確識別斜坡進入加速變形階段（尤其是臨滑階段）特征，建立臨滑判據，對滑坡預測預報具重要意義。對單體滑坡，國際上最常用的方法是閾值預報法，即結合已發生滑坡的實際情況，經統計分析，給出一個閾值，若監測數據達到這個閾值，即可發出警示信息。

2.1 緩變型滑坡

大量滑坡監測曲線表明，斜坡進入加速階段后，累計變形、變形速率、加速度及切線角會出現明顯變化，可將這些前兆信息作為滑坡預測預報的重要依據。本節選取4 個典型緩變型滑坡實例（表1）[11-14]，分析對比變形破壞過程中變形速率、加速度、改進切線角等參數演化特點。

表1 緩變型滑坡實例及其特征對比Table 1 Some examples of gradual type landslides and their characteristic comparison

2.1.1 基于變形速率的滑坡臨滑預報方法

國內外學者建議將變形速率作為斜坡發展到不同階段的判據，建議的速率閾值不同，有10.0 mm/d、14.4 mm/d、24 mm/d 等。這些判據均基于特定的工程地質、水文和氣象條件提出，不可能存在統一的閾值或判據。以白什鄉滑坡、新灘滑坡、黃茨滑坡和大冶鐵礦滑坡為例，各滑坡的累計變形-時間曲線和變形速率-時間曲線見圖3。

圖3 滑坡變形速率-時間變化曲線Fig.3 Deformation rate-Time curves of four landslides

斜坡變形破壞過程中，累計變形一直呈增長趨勢，各階段增長速率有差別，進入加速變形階段后變形速率驟然劇增，預示滑坡即將發生。因此，將變形速率閾值作為滑坡預報判據完全可行。但滑坡區工程地質條件、滑坡體積、高差等因素可對臨界速率產生影響，這是白什鄉滑坡的臨滑閾值v=500mm·d-1與黃茨滑坡的臨滑閾值v=2mm·d-1相差巨大的重要原因之一。新灘滑坡的變形-時間曲線呈明顯階躍性。對這類斜坡，如具有治理的必要性和可行性，可抓住主滑面強度恢復和外界因素作用減弱的窗口期，人為實施干預措施阻止滑坡的發生。

2.1.2 基于加速度的滑坡臨滑預報方法

以上述4 個滑坡為例，發現斜坡失穩破壞過程中，加速度a呈與累計變形、變形速率完全不同的特點（圖4）。在進入加速變形階段之前，加速度a始終在0附近上下振蕩，進入加速變形階段，加速度明顯增大，并持續大于0。這往往是斜坡失穩破壞的前兆，是發出警示信息的關鍵時刻。

扭轉沖擊工具順時針沖擊時沖擊錘啟動狀態如圖3a所示。此時工具內部液流分為3部分：第1部分直接通過節流噴嘴到達鉆頭；第2部分從導流蓋分流至下啟動腔；第3部分通過分流器到達上沖擊腔，將要促使上沖擊腔打開。在沖擊錘向下沖擊面運動過程中，錘推動啟動器順時針轉動，當下啟動腔與卸荷通道聯通時，下啟動腔內中相對較高的壓力得到卸載，利于接下來逆時針沖擊動作的快速換向。

圖4 滑坡變形加速度-時間變化曲線Fig.4 Acceleration-Time curves of four landslides

2.1.3 基于改進切線角的滑坡臨滑預報方法

許強等在傳統切線角的基礎上[8]，提出求取切線角的新方法。該方法通過坐標變換統一橫縱坐標量綱，得到改進切線角模型，使不同斜坡變形曲線在相同切線角特征下進行比較，避免了不同曲線因坐標軸被單向拉伸或壓縮帶來的差異。計算公式如下：

式中：Si-1、Si——i-1、i時刻滑坡的累計變形/mm；

Ti-1、Ti——變換后與時間i-1、i相同量綱的縱坐標值；

V0——滑坡等速變形階段的速率/mm·d-1；

αi——改進切線角/°；

ti-1、ti——監測時刻，兩者相差一個監測周期；

據式（1）、（2），當αi＜45°時，斜坡處于初始變形階段；當αi≈45°時，斜坡處于等速變形階段；當αi＞45°時，斜坡處于加速變形階段，αi越接近90°，滑坡瀕臨發生。

為進一步檢驗和驗證上述規律并劃分閾值，本節選取上述4 個滑坡案例進行分析（圖5）。當改進切線角達到80°時，斜坡穩定性急劇降低，斜坡即將失穩破壞，表明基于改進切線角的滑坡臨滑預報判據具較強的普適性。

圖5 滑坡改進切線角-時間變化曲線Fig.5 Improved tangent angle-Time curves of four landslides

表2 滑坡臨滑階段閾值Table 2 The threshold of landslides before sliding

2.2 突發型滑坡

突發型滑坡往往無明顯緩變過程，前期變形緩慢持續時間長，進入加速變形階段，快速失穩破壞。基于單一變量預測預報模型往往需采取一段時間的持續值，這對突發型滑坡不合適，可能導致漏判誤判或提前預報時間太短，不具防災實際意義。

許強等對突發型滑坡特征[15]，自主研發了一套自適應調整采樣頻率的監測技術方法。該方法建立基于變形速率閾值和變形過程的綜合預報判據，即通過設置多級變形速率閾值判斷斜坡所處階段，通過改進切線角實時跟蹤變形發展趨勢，實現突發型滑坡全過程預報。以甘肅黑方臺突發型黃土滑坡-黨川四號滑坡為例，滑坡變形破壞過程和閾值指標對比情況見圖6、表3[15]。基于變形速率閾值和變形過程的綜合預報判據，對黑方臺突發型黃土滑坡效果顯著，成功預報了6 次滑坡發生[16]，對其它地區黃土滑坡監測預報具很好的借鑒意義。

表3 基于變形速率閾值和變形過程的綜合預報判據Table 3 Comprehensive warning model based on deformation rate threshold and deformation process

圖6 黨川4#滑坡累計位移-時間、變形速率、變形速率增量和切線角曲線及預報過程Fig.6 Cumulative displacement-time,deformation rate,increment of deformation rate and tangent angle curve and early warning process of DC4#Landslide

由于滑坡本身的地質條件、周邊環境及時空變化特征不同，滑坡各階段歷時存在較大差異（表4）。以改進切線角α 為劃分各階段依據，發現緩變型滑坡的初加速階段歷時較長，突發型滑坡的初加速階段歷時較短。進入中加速和臨滑階段后，緩變型滑坡仍持續一段才失穩破壞。突發型滑坡從進入中加速和臨滑階段到最終破壞，歷時僅20 h甚至8 min，可見，突發型滑坡失穩破壞極其迅速。

表4 不同類型滑坡加速變形階段歷時比較Table 4 Comparison of different types of landslides in accelerated deformation stage

2.3 趨穩型滑坡

趨穩型滑坡成因一般分兩種：一是自然作用或人類活動強度和持續時間未達到巖土體發生整體形變的程度（圖7）[9]；二是斜坡雖產生變形但未進入加速變形階段，在及時采取工程治理措施的情況下趨于穩定（圖8）[17]。因此，趨穩型滑坡的研究，對天然滑坡預測預報及滑坡工程防治效果評價具重要意義。

圖7 三峽庫區某斜坡變形曲線Fig.7 Deformation-Time curves of a slope in the Three Gorges

圖8 鏈子崖T9～T11縫間危巖體位移變化曲線（1994—2004 年間）Fig.8 Cumulative displacement curves in T9～T11 rockmass in Lianziya from 1994 to 2004

對比趨穩型滑坡變形曲線與隧道圍巖變形曲線（圖7，9[18]），發現二者都是巖土體在自然條件或工程干預情況下變形逐漸趨于穩定的過程，具一定相似性。因此，可類比隧道圍巖變形研究方法，開展趨穩型滑坡預測預報及防治效果評價。

上世紀九十年代，李世煇等首先提出變形速率比值判據DRRC[19]。該判據將隧道初期支護全部施工完成后24 h 內圍巖變形速率與該斷面實測圍巖變形速率最大值V0的比值為監測對象，據可能失穩但已轉為穩定狀態的若干斷面的典型監測資料統計得出該比值閾值=5%。經大量工程應用驗證，該判據已納入國家軍用使用標準，有效解決了軟巖隧道支護初期的圍巖穩定性難題。

受變形速率比值判據啟發（圖10），可將趨穩型滑坡實測變形速率V與最大變形速率V0的比值作為預報判據，即

圖10 三峽庫區某斜坡變形速率比值變化曲線Fig.10 Deformation rate ratio curve of a slope in the Three Gorges

三峽庫區部分斜坡在強降雨結束后變形逐漸減緩，其本質是自然作用強度和持續時間未達到巖土體發生整體形變的程度；鏈子崖T9～T11縫段危巖體在進行工程治理后變形逐漸減緩，表明工程防治效果較好（圖11）。二者均是變形速率逐漸降低至最大變形速率的10%以下。此類斜坡或危巖體雖趨于穩定，仍需注意監測，防止在某些極端情況下進一步變形破壞。

圖11 鏈子崖T9～T11縫間危巖體變形速率比值變化曲線Fig.11 Deformation rate ratio curve in T9～T11 rockmass in Lianziya

圖9 巷道圍巖位移監測曲線Fig.9 Monitoring curves of displacement of the surrounding rock

三峽庫區部分斜坡地質條件再差一些或外部作用強烈一些，結果可能如突發型滑坡或緩變型滑坡那樣，最終失穩破壞。鏈子崖危巖體如不及時治理，結果最終會崩塌破壞。緩變型、突發型、趨穩型3 類滑坡在一定條件下可相互轉化。一般情況下，滑坡由突發型向緩變型或趨穩型轉變較困難，人工干預成本較高。由緩變型向趨穩型轉變則相對容易，如鏈子崖危巖體在采取工程治理后逐漸趨于穩定；趨穩型滑坡在遭遇強烈外力影響時，可轉為緩變型或突發型滑坡。因此，滑坡災害預測預報防治重點應是阻止趨穩型滑坡向突發型或緩變型滑坡轉變，盡可能將緩變型滑坡向趨穩型滑坡轉變。對突發型滑坡這類變形迅速、治理代價高的滑坡，應及時撤離減少損失。

3 結論與認識

滑坡是處于復雜開放系統中的一類特殊地質體，其孕育和發展與地質條件、周邊環境及時空變化特征密切相關。本文基于滑坡地質特征、變形-時間曲線變化特點，將其劃分為緩變型滑坡、突發型滑坡、趨穩型滑坡。據其類型對比分析不同的臨界預測預報參數和閾值。

（1）單一變形速率或加速度預報模型不適用于所有滑坡，改進切線角模型統一了橫縱坐標量綱。經檢驗和驗證發現，以α=80°為緩變型滑坡進入臨滑階段的閾值具較強普適性。

（2）基于變形速率閾值和變形過程綜合預報判據，一定程度上提高了滑坡預報精度，并成功預報了6次黃土滑坡，對其它黃土地區滑坡監測預報具很好的參考借鑒意義。

（3）對自然作用或人類活動強度和持續時間未使巖土體發生整體形變，或在工程治理情況下漸趨穩定的趨穩型滑坡，采取速率比值法對斜坡變形進行密切監測，對天然滑坡預測預報及邊坡工程防治效果評價具重要意義。

（4）由于滑坡內外條件不斷變化，一定條件下緩變型、突發型、趨穩型滑坡之間可相互轉化。只是由突發型向趨穩型轉變較困難，且代價昂貴，緩變型向趨穩型轉變則相對容易。因此，滑坡災害預測預報應著力于阻止趨穩型滑坡向突發型或緩變型滑坡轉變，盡可能將緩變型滑坡向趨穩型滑坡轉變。對突發型滑坡這類變形迅速、治理代價高的滑坡，采取及時疏散撤離是減少損失的良策。

本文僅從滑坡地質特征、變形-時間曲線變化特點進行研究，未涉及滑坡變形本質。下一步有必要將變形破壞機理、斜坡地質結構、斜坡變形特點相結合，建立更合理的分階段判據指標體系。