土地復墾誘發邊坡淺層巖體劣化全過程監測試驗研究

陶志剛 王振雨 張海江 任番泉 張秀蓮

(1.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083;2.自然資源部地質環境監測工程技術創新中心，河北 保定 071051;3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;4.浙江省巖石力學與地質災害重點實驗室，浙江 紹興 312000;5.紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000;6.浙江省有色金屬地質勘查局，浙江 紹興 312000)

土地是人類賴以生存最根本的物質基礎，我國地域遼闊，山區面積約664×104km2，約占國土總面積的69.1%。山區和丘陵地區土地資源稀缺，土地復墾已經成為土地資源再生的一種重要方式。邊坡系統作為一種天然的力學系統，其變形、開裂、失穩是一個復雜且難以測量的天然力學過程，常因淺層滑坡災害而造成嚴重的人員傷亡和土地資源損失。因此，針對高山和丘陵地區的滑坡開展有效的監測預警，對保障人民生命財產安全和防災減災有著重大意義。

影響滑坡穩定性的因素眾多，例如地形地貌、地質構造、巖性、降雨等，但這些因素對滑坡穩定性的影響程度尚無法定量確定。如降雨是滑坡穩定性的重要影響因素，但降雨量與滑坡發生概率的關系以及降雨后多長時間會發生滑坡等依然充滿不確定性[1-2]。近年來，隨著計算機技術的發展，智能化、網絡化、信息化的滑坡監測預警系統也隨之誕生，滑坡監測逐漸由地面監測發展到天、空、地多空間監測，監測因素也由單一向多元化發展[3]。我國針對滑坡災害防治積累了大量實踐經驗和理論成果[4-7]，例如，桂維振等[6]利用無線傳感器網絡實現了滑坡的遠程智能化監測;PUGLISI等[8]基于GPS系統研發的監測系統具有連續測量地表變形及無線傳輸監測數據的功能;LI等[9]提出了離散小波變換(DWT)方法來評估GPS監測位移的準確性;鄔凱等[10]針對山區公路邊坡的特點，采用觸發式位移計和容柵式雨量計為主要監測單元，對滑坡、崩塌進行了監測預警;CHEN等[11-12]提出了一種利用彈性波在土壤中的傳播來關聯坡面土壤水分變化和變形的新技術，確立臨界變形波速，建立波速閾值用于滑坡的早期預警;2006年，何滿潮院士[13-14]提出了“滑坡發生的充要條件是滑動力變化，并將其作為滑坡監測預警主要參數”的觀點，并研發出基于傳統錨索的邊坡滑動力NPR監測預警系統;2010年，何滿潮院士團隊[15]研發出一種具有能量吸收特性的恒阻大變形錨索，并成功應用于礦山巖質滑坡大變形的全過程監測和臨滑預警[16-19]。然而，目前針對滑坡災害所采取的地表位移、裂縫等物理監測方法獲得的參數只是滑坡發生的必要非充分條件[7]，很難實現臨滑預警的準確預報，并且采用GPS系統時點位選擇自由度較低，導致其應用的局限性較明顯。針對常規小變形錨索無法適應巖土體大變形而常被拉斷破壞造成錨索計等監測系統失效的問題，何滿潮院士團隊研發了具有大變形、可吸能的NPR錨索結構，有助于實現邊坡破壞預警，以及解決監測突然中斷等難題，但在松散堆積層發育的邊坡淺層巖體穩定性監測方面的應用成果較少。

因此，本研究采用自主研發的邊坡滑動力NPR錨索監測預警系統，在浙江新昌縣陳家山村開展土地復墾誘發淺層巖體劣化全過程監測現場試驗，探索利用該系統對松散堆積層發育的邊坡淺層巖體進行穩定性監測的有效距離靈敏度，為類似邊坡穩定性監測提供參考。

1 NPR錨索結構組成及其安裝工藝

1.1 NPR錨索結構組成

2010年，針對常規小變形錨索無法承受露天礦山邊坡巖體大變形破壞而發生拉斷失效的問題，本研究課題組研發出了一種具有能量吸收特性的NPR錨索[18]，其結構如圖1所示。

圖1 恒阻大變形錨索結構Fig.1 Structure of NPR cable

NPR錨索[20-23]在普通錨索的基礎上增加了恒阻器，利用5組錐形夾片將恒阻器和普通錨索束體進行連接。恒阻器使得普通錨索具有了一定的恒阻大變形功能，峰值恒阻力達850 kN，可抵抗巖土體最大變形量約2 m，恒阻器的恒阻值按照錨索束體屈服強度的90%～92%進行設計。

1.2 NPR錨索大變形能量吸收原理

NPR錨索是一種可伸縮的復合型結構錨索，其工作阻力來源于恒阻體與恒阻套管間相對滑動產生的摩擦力[24]。在邊坡巖體變形過程中，錨索自由段產生拉力并作用在恒阻套管上，使得恒阻套管與恒阻體之間產生相對滑動，當拉力超過NPR錨索的設計恒阻力P0(等于恒阻體在套管內滑動的極限靜摩擦力)時，恒阻體在恒阻套管內發生滑動。與傳統的屈服概念不同，NPR錨索的屈服是由負泊松比結構元件間的滑移來完成，如圖2所示，上圖為巖體未變形時錨桿安裝時的狀態，下圖為支護巖體充分變形后錨桿狀態，即為“結構屈服”。邊坡巖體大變形產生的載荷形成的變形能消耗在負泊松比元件間的摩擦滑移過程中，進而實現能量吸收。

圖2 能量吸收原理Fig.2 Principle of energy absorption

1.3 NPR錨索現場施工工藝

NPR錨索通過以下施工工藝實現對潛在滑動面上滑動力的傳導監測:①在被監測部位按照一定角度施工鉆孔，當鉆孔穿過潛在滑動面后繼續鉆進6～10 m，確保鉆孔末端周圍巖體穩定;②插入常規錨索束體，確?？卓谕忾L度L≥2 m，對錨索錨固段進行注漿錨固;③在孔口處制作錨墩，確保錨墩外表面與鉆孔軸線垂直;④安裝恒阻器和高精度力學傳感器，確保力學傳感器牢牢固定在錨墩表面，恒阻器與傳感器同軸，并壓在傳感器應變環上;⑤在恒阻器外端施加預應力，確保預應力值P≈0.4P0。

在邊坡失穩破壞過程中，滑體推力對恒阻大變形錨索產生作用力，由于NPR錨索上具有預應力，安裝在錨索末端的高精度力學傳感器可以快速感知并測量出NPR錨索軸力，然后通過相關計算力學模型[8]，并結合邊坡破壞模式，計算潛在滑動面上的滑動力。

NPR錨索現場監測點設備安裝如圖3所示。

圖3 現場監測設備安裝Fig.3 On-site installation of monitoring equipment

2 研究區區域地質條件

研究區位于新昌縣澄潭鎮陳家山村東北側，于1984年首次發現滑動變形跡象。自從在坡腳進行工業園區開發以來，陸續在坡體出現裂縫、臺階錯落、地面隆起、地面塌陷等變形跡象(圖4)，主要表現為坡體上民房開裂、水庫堤壩位移下陷、部分田塊塌陷和廠區局部道路開裂、隆起等特征。該滑坡未發生過大規模速滑運動，但長期以來一直有蠕滑現象，直接威脅著陳家山村居民222人的生命財產安全，以及滑坡前緣處4家園區企業及其員工的生命財產安全。

圖4 坡體變形特征Fig.4 Slope deformation characteristics

2.1 地形地貌

根據地形地勢變化特征，研究區玄武巖臺地區地貌可以細分為玄武巖臺地區、玄武巖臺地邊緣區和玄武巖臺地前緣區。根據地形地貌特征，研究區所處的地貌單元屬玄武巖臺地前緣地帶(圖5)。區內玄武巖臺地次級平臺最高處位于小坑嶺水庫周邊，高程約210 m，最低處位于下陳家山村，高程約140 m，原始地形較平緩，坡度為6°～12°，村落以下轉折過渡帶坡度較陡，坡度為20°～23°;下部玄武巖臺地前緣斜坡地帶坡度約12°，總體呈上緩—中陡—下緩的地形特征，地勢最低處位于蛟澄線，高程約45 m，地形總體起伏轉折大。

圖5 研究區滑坡地理位置Fig.5 Geographical location of landslide area in the study area

2.2 地層巖性

研究區域地層巖性由老至新依次包含白堊系下統館頭組砂巖砂礫巖、第三系上新統嵊縣組玄武巖夾河湖相沉積層、第四系含碎(塊)石粉質黏土松散堆積層。白堊系下統館頭組分布于整個玄武巖臺地前緣地帶，組成了研究區穩定的原始基底(圖6(a))。第三系上新統嵊縣組主要分布于勘查區西部、西南部及陳家山村區域，不整合覆蓋于館頭組之上，主要巖性為橄欖玄武巖(圖6(b))，該層下臥間夾黏性土沉積層。第四系松散堆積層巖性為軟塑—硬可塑狀淺黃、黃褐色含碎(塊)石粉質黏土，碎石成分主要為玄武巖、酸性熔巖、砂礫巖，與粉質黏土混合，結構松散。

圖6 研究區地層巖性Fig.6 Stratigraphic lithology of the study area

2.3 地質構造

研究區位于麗水—余姚深斷裂帶西側、嵊州—新昌白堊系火山構造洼地的中南部。區內褶皺構造不發育，斷裂構造以NE向為主，次為NW向及近EW向，并集中分布于火山洼地的邊緣及外側，洼地內部斷裂構造極少見。區內未見斷裂分布，地層產狀平緩，微向北傾，傾角為10°～15°。巖石中節理裂隙不太發育，僅在第三系嵊縣組的橄欖玄武巖中柱狀節理較發育。區內新構造運動的主要表現形式為地殼的升降運動，活動斷裂在本區不明顯。一般地震的震級小于4.75級，地震基本烈度小于Ⅵ度。

2.4 水文地質特征

根據含水層性質、埋藏條件和徑流排泄方式，研究區地下水類型可分為松散巖層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類。松散巖類孔隙潛水的含水層為崩坡積層和殘坡積層，為弱含水層，連通性差，主要接受大氣降雨補給，受季節影響，水位變化較大，沿地勢低洼或溝谷處排泄，在低洼處形成多處水塘?；鶐r裂隙水主要分為粉砂巖基巖裂隙水和玄武巖孔隙裂隙水，其中粉砂巖基巖裂隙水含水層組由白堊系下統沉積巖為主的沉積碎屑巖組成，富水性貧乏，為相對隔水層。玄武巖孔隙裂隙水主要為嵊縣組玄武巖夾沉積層孔隙潛水—弱承壓水，地下水位總體變化不大但水位變化隨降水量變化明顯。

2.5 工程地質條件

根據地層時代、巖性和巖土體特征，在勘探深度內主要劃分為含碎(塊)石粉質黏土、含塊(碎)石粉質黏土、含碎(塊)石粉質黏土、含礫粉質黏土、強風化砂巖、中風化砂巖(圖7)。

圖7 邊坡斷面特征Fig.7 Characteristics of slope profile

3 土地復墾誘發邊坡淺層巖體劣化監測現場試驗

3.1 監測點設計及監測設備安裝與調試

3.1.1 邊坡滑動力NPR錨索監測預警現場裝備

邊坡滑動力NPR錨索監測預警系統主要包括力學傳感器、數據采集模板、數據發射模板(基于物聯網傳輸)、NPR錨索、北斗衛星發射系統、太陽能供電系統、點—面狀災害信息集中采集和傳輸系統，現場設備組成如圖8所示。

圖8 邊坡滑動力NPR錨索監測預警系統現場設備組成Fig.8 Field equipment composition of NPR anchor cable monitoring and early warning system for slope sliding force

3.1.2 研究區監測點位設計

研究區滑坡體呈橢圓形，長約300 m，高差約30 m。根據區內地層巖性特征和智能監測儀器監測的靈敏度，在研究區共設計2個監測點，其中XC-1點位于陳家山下方水田旱地區域，高程約140 m，監測點間距約80 m。2019年7月21日—8月22日，XC-1點現場安裝和調試。監測點鉆孔深度約52 m，其中錨固段16m，自由段36m，鉆孔與水平面的夾角為25°。XC-2點鉆孔深度約 44 m，其中錨固段15 m，自由段29 m，鉆孔與水平面的夾角為25°?，F場監測點縱斷面如圖9所示。

圖9 現場監測點外觀及其斷面Fig.9 Appearance and profile of site monitoring point

3.2 土地復墾方案

為提高工作效率，節省人力、物力，并確保試驗過程的安全性，試驗采用挖掘機開挖方式進行，這也是土地復墾中最常用的方式，開挖方案如圖10(a)所示。為保證開挖過程中的安全性，采取區域I、區域Ⅱ、區域Ⅲ的開挖順序，且每個區域由西向東逐次開挖，開挖過程中連續對深部滑動力和監測點處的表層破壞特征進行監測與記錄。開挖前坡體表層被植被覆蓋，無明顯滑坡現象，根據監測點數據可知，深部滑動力變化幅度不大，故滑坡體處于相對穩定狀態。開挖后坡體表層裸露，如圖10(b)所示，開挖區域呈階梯狀，根據監測數據可推測在整個土地復墾過程中，由于開挖導致的邊坡變形引起了深部滑動力變化。

圖10 土地復墾方案Fig.10 Land reclamation plan

3.3 土地復墾誘發淺層巖體劣化全過程監測預警分析

3.3.1 滑動力智能監測數據分析系統

滑動力監測數據分析系統集數據采集、數據分析、實時監測、有效預警于一體。系統主要包括數據接收設備、數據處理軟件系統和數據顯示系統?；瑒恿ΡO測數據分析系統將接收設備傳來的數據存入數據庫，進行分類匯總和計算處理，可隨時進行查詢和檢索。監測區邊坡穩定性演變特征也可以通過Internet網及時發布，任何經過授權的用戶終端都可以利用授權賬號和密碼實時查詢、檢索、下載監測信息，及時掌握滑坡體穩定狀態及演變特征，從而便于進行科學決策，及時制定防治對策和發出預警信號，也可通過多源系統云服務平臺[25]進行及時監控。

3.3.2 淺層巖體劣化全過程監測曲線

本次試驗采用北斗衛星通信系統搭建了數據無線傳輸網絡，不受空間距離限制，實現了數據的無盲區傳輸。2019年8月22日—10月15日，XC-1監測點以1次/h的采集頻率持續記錄滑動力大小，并將采集的數據實時傳輸給遠程數據處理系統，實時繪制的下滑力—時間監測預警曲線如圖11所示。2019年9月21—25日，采取了沿研究區自然坡度角由西向東、分區域集中開挖方案，方案實施過程中通過人工清除已開挖臺階上殘留的樹根并及時撒石灰粉進行消毒，開挖后的梯田臺階寬度為4～5 m。

圖11 下滑力—時間監測預警曲線Fig.11 Slip force-time monitoring and warning curve

3.3.3 監測結果與分析

滑坡的發生需經歷能量積累、能量釋放、二次平衡等復雜的力學過程，在不同階段滑坡體的變形也會不斷變化。本研究土地復墾過程中采用現場標記法，記錄土地復墾機械開挖點與監測點的時空特征，分析邊坡淺層巖體劣化變形特征與滑動力監測曲線演變特征的相關關系，揭示該系統對陳家山村特定地質條件邊坡穩定性的監測靈敏度。

試驗主要分為以下幾個階段:

(1)A點之前(2019年6月25日—8月23日)。通過邊坡地質調查，確定關鍵監測點位，采用精細化鉆孔和高壓注漿方式，安裝NPR錨索及滑動力監測預警系統并進行調試，確保NPR錨索穿過多級滑動面，錨固在相對穩定的滑床基巖內。

(2)A～B段(2019年8月23日11∶23—2019年9月26日16∶11)，試驗前監測階段?；瑒恿η€數值波動范圍為0～50 kN，由于8月份降雨量大幅度增加，可推測對滑坡區產生一定影響，進而導致滑動力曲線有一定的波動，滑坡體處于相對穩定狀態。

(3)B～C段(2019年9月26日16∶11—2019年9月26日17∶06)，突發變形階段?；瑒恿η€出現首次突降，突降量約28 kN，此時開挖點距離監測點約35 m，經現場勘查，地表無明顯裂縫。

(4)C～D段(2019年9月26日17∶06—2019年9月27日7∶15)，擾動誘發邊坡變形的積累階段。隨著開挖的進行，滑動力曲線有上升的趨勢，根據“滑動力上升，裂縫產生，滑動力突降，滑坡產生”的一般規律，經現場勘查，發現多條細微裂縫，裂縫長約150 cm，裂縫走向345°，裂縫平均寬度為5 mm，如圖12(a)所示。

圖12 現場變形特征Fig.12 Deformation characteristics on site

(5)D～E段(2019年9月27日7∶15—8∶15)，邊坡淺層巖體破壞階段?；瑒恿η€再次突降，突降量約為94 kN，此時開挖點距離監測點約10 m，淺層巖體出現略微滑動。

(6)E～F段(2019年9月27日8∶15—8∶50)，二次平衡階段?；瑒恿ΡO測曲線較為平穩，此時開挖點遠離監測點，監測范圍內無明顯變形等破壞特征產生。

(7)F～G段(2019年9月29日8∶50—9∶45)，第3次變形破裂階段。滑動力監測曲線第3次突降，滑動力突降量約20 kN，開挖點距監測點最近，監測點周圍留有一定較為松散土體，如圖12(b)所示，且伴隨著小型滑坡產生。

(8)G～H段(2019年9月29日9∶45—10月14日19∶44)，整體平衡階段?；瑒恿ΡO測曲線之后趨于平穩，土地復墾工作基本完成，監測點保留。

4 結 論

(1)通過現場人工開挖試驗，結合現場破壞現象以及滑動力曲線形式，驗證了邊坡滑動力NPR錨索結構可通過自身特點實現負泊松比效應從而忍受大變形，并具有能量吸收特性。

(2)針對陳家山村松散堆積層發育的邊坡類型，在土地復墾開挖擾動作用下，滑動力監測曲線并未出現類似巖質邊坡失穩破壞所呈現的緩升型“不穩定模式”和突升型“裂縫模式”，而是隨著機械開挖點距離監測點越來越近，滑動力監測曲線呈階梯式突降型“多次滑移模式”，揭示了該系統針對松散堆積層發育的邊坡類型，其設備的有效距離監測靈敏度約為35 m。

(3)通過分析邊坡淺層巖體劣化變形特征與滑動力監測曲線演變特征的相關關系，分析了該系統對陳家山村特定地質條件邊坡穩定性的監測靈敏度和臨滑預警時間，為類似邊坡的安全監測和臨滑預警奠定了理論基礎。