山区滑坡多场监测与动态预警

第1章　绪论 1.1研究背景 我国是世界上地质灾害发生*多、受威胁人口*多的国家之一，地质条件复杂，构造活动频繁，崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等灾害隐患多、分布广，且隐蔽性、突发性和破坏性强，防范难度大。特别是近年来受极端天气、地震、工程建设等因素影响，地质灾害多发，给人民群众生命财产造成严重损失。自然资源部在2018年对地质灾害防治工作的总体部署中，依据全国地质灾害易发区分布，考虑不同区域社会经济重要性因素，如土地利用、工程建设、经济发展和社会防灾减灾能力，结合国家“一带一路”建设、京津冀协同发展和长江经济带发展，把地质灾害易发、人口密集、社会经济财富集中、重要基础设施和国民经济发展的重要规划区作为地质灾害重点防治区，共划分地质灾害重点防治区17个。 重庆地处四川盆地东部盆周山地及盆缘斜坡区，地跨扬子准地台和秦岭褶皱系两大构造单元，属典型高山峡谷地貌，山地、丘陵面积占全市总面积的90.9%，地表水系发育、地形切割强烈，地层岩性及地质构造复杂，具有形成滑坡地质灾害的典型不良地质条件，是全国滑坡地质灾害高易发省市之一。2004年9月5日，重庆万州特大滑坡（图1.1），长约1237m，均宽394m，民国村1100户房屋全部倒塌；滑坡前缘万开高速大桥桥墩倾斜、折断。2014年9月1日，云阳县咸池水库发生滑坡，造成20户居民房屋全部掩埋，直接经济损失近1000万元，滑坡发生前紧急撤离了29户148人，未造成人员伤亡。2015年6月24日，重庆巫山大宁河江东寺北岸突发大面积滑坡引发巨大涌浪，事故造成一名8岁男孩死亡，5人受伤，对岸靠泊的21艘小型船舶翻沉，另有21艘靠泊船舶断缆漂航。2017年3月25日，重庆北碚区水土镇一山体发生滑坡，2人被掩埋。2018年11月13日，奉节县竹园镇一村道突然出现山体滑坡，未造成人员伤亡。2019年4月19日，重庆市万盛经开区关坝镇突降暴雨，累计降水量达169.8mm，引发新生突发土层滑坡1.2万m3，导致凉风村芝麻土社小河扁2户农房垮塌，4人失踪。 受极端异常气候和人为活动影响，重庆市地质灾害发生频率和危害性日益加大，2013～2017年，全市共发生地质灾害4884起（灾情2136起、险情2748起），造成104人死亡、22人失踪、43人受伤，直接经济损失达42.9亿元，间接经济损失超100亿元（图1.2）。 特别是2014年8月30日～9月15日，渝东北地区遭遇百年不遇特大暴雨（其中云阳24h*大雨量达到403mm），云阳县、巫山县、巫溪县、开县（2016年改开州区）、奉节县共发生2340起地质灾害（灾情1014起、险情1326起），经济损失达24.8亿元。2017年9月1日～10月5日，渝东北持续性降雨，造成地质灾害灾情、险情326起。 因此，亟须开展滑坡地质灾害科学高效监测、预警工作。本书结合复杂山区滑坡成灾机理和多场监测数据，以滑坡稳定性变化规律研究为基础，结合多场监测数据多源融合的思路解决滑坡智能化动态监测预警问题，开展基于多场数据融合的山区滑坡地质灾害监测、预警研究，提高监测预警的准确性和实时性，这对于滑坡地质灾害科学防控，保护人民群众生命财产安全具有重要的科学意义和工程应用价值。 1.2研究目的和意义 滑坡是雨季中频繁发生的一种地质灾害，对人类的生命财产安全、自然环境和社会经济发展造成重大损失。根据灾难流行病学研究中心（比利时布鲁塞尔）统计得到，滑坡造成的损失至少占到所有地质灾害中的17%。在我国，山体滑坡这一地质灾害的发生频率在所有地质灾害中也占到了较大比例（图1.3）。 国内外研究人员对滑坡监测预警、减灾防灾进行了大量的研究和实践。然而，滑坡的监测预警在与滑坡灾变机理有机结合、多场数据的融合分析、有效监测数据的选取和智能预警的动态性方面存在较为明显的局限性。目前急需加强对基于滑坡机理的监测数据处理、监测数据进行甄别选取和准确关联分析、有效动态预警方法的研究，以提高滑坡体形变早期识别和预警准确性，尤其是以下三个方面的科学与工程问题： 1.基于演化过程的滑坡地质灾害监测预警技术 现有滑坡监测大多依据某一时段监测数据（多为位移）的发展趋势、变化速率进行预警，而没有把滑坡变形机理、稳定性系数变化作为基本依据，在理论和实践上均存在较大缺陷，这样的后果就是监测数据尽管实时、量大，但仍无法对滑坡灾害发生做出准确的研判和预警。因此，通过滑坡演化机理的系统研究，在滑坡灾变破坏力学分析的基础上进行监测预警，是实现滑坡动态监测预警的重要基础。 2.复杂海量多源监测大数据融合处理技术 滑坡体本身及其演化过程在时间和空间上错综复杂，需要使用不同的技术手段对其进行全方位的监测，使得滑坡的监测数据成为集宏观与微观、连续与离散、时间与空间、动态与静态、数值与文本多种形态共存的多源、多维、异构于一体的超复杂数据集，且数据量巨大。如此不同时间尺度-空间尺度-属性域的复杂、海量的数据形态，该采用何种方法对其进行融合分析，是滑坡监测预警技术发展需要解决的问题之一。 3.滑坡灾变预警动态模型研究 滑坡的内、外部影响因素多且具有关联性，这些影响因素的变化会产生不同的演化结果，现有的预测模型多是单纯根据历史监测数据推演得出的，这些模型既没有考虑这些数据是否与滑坡演化规律相结合，也没有反映出多场数据间的关联影响，造成现有预测模型缺乏对滑坡灾变预警的动态适应性，导致预测的长期有效性欠佳，是滑坡监测预警技术发展需要解决的另一个问题。 综上所述，滑坡体的监测数据存在海量、多结构、变化速率的不确定性、数据类型多样的特点。然而，目前对滑坡监测大数据的优化采集和选取、监测数据的处理技术、关联关系分析技术的滞后导致滑坡的预警准确性不高。因此，急需加强对监测数据进行甄别选取、准确关联分析、有效动态预警方法的研究以提高滑坡体形变早期识别和预警准确性，达到减灾防灾实效。 因此，本书紧紧围绕以上三个方面的问题展开研究，结合复杂山体成灾机理和多场监测数据，从定性和定量、多源融合的思路解决滑坡智能化动态监测预警问题，若这种新的思想能在我国西部山区乃至全国推广，将会从根本上提高监测预警的准确性和动态可预测性。因此，开展基于多场数据融合的山区滑坡地质灾害智能监测、预警研究，对于科学防灾减灾和智能化监测预警具有重要的科学意义和实用价值。 1.3国内外研究现状 1.3.1滑坡演化机理研究 很早以前就有人提及渐进破坏这个观点。边坡工程界是在20世纪60年代末认识到了这个事实，当时意大利瓦依昂（Vajoni）坝上游出现了滑坡现象，人们对此都认为是因为峰值强度饱水下降到了极值，但是瞬时的破坏机理无法解释发生滑坡的根本原因。后来经过多年的观察研究，人们认为边坡破坏不是瞬间发生的，而是一个带有间歇性的渐进过程。 1.滑坡的破坏模式 开挖顺层岩石高边坡，往往需要进行预加固，因而合理确定坡体开挖松动区范围就成为核心问题。在高切坡的开挖松动区的研究方面，孙书伟等（2008a，2008b）结合实际破坏变形的顺层高边坡工点对顺层高边坡开挖松动区进行了研究，总结了松动区的特点及影响因素，同时也对顺层高边坡松动区的长度进行了统计分析，可供今后类似工程参考借鉴。 在滑坡动力机理及模型的研究方面，曹卫文等（2008a）以重庆武隆的滑坡为例进行了研究，运用能量守恒定律及动力学有关理论得出了滑体的启程速度、滑动速度和滑行距离方程，为确定滑体的致灾能力及致灾范围提供了依据。苏天明等（2011）运用工程地质分析方法研究了边坡地质特点和崩塌的影响因素，为边坡失稳的工程治理防护提供了地质基础；从崩塌发生的力学本质出发，按崩塌形成力学机制对崩塌提出了不同于前人的新的崩塌分类方法；将崩塌发育过程划分为3个阶段，深化了对崩塌灾害发育演化过程的认识，为崩塌的监测、预警提供了理论基础。Zou等（2009）通过离散单元法研究了边坡开挖过程中应力-应变趋势，定量分析了可能的失效模型和安全系数。研究认为伴随裂缝发育的斜坡，发育在背斜岩的中心，其稳定性受岩石外倾程度的影响较大；开挖过程中边坡原始平衡被打破，导致边坡内部发生大范围剪切破坏带，出现与土坡类似的整体圆形断裂。苏天明（2012）提出泥质岩的风化崩解从岩石表层开始，结构的改变不受原有岩石的结构面控制；岩石风化崩解能力的控制性因素是岩石的黏粒含量、黏土矿物成分、比表面积和胶结物成分，并具有很好的相关性，岩石内部微结构的破坏是崩解的前提。 在破坏模式研究方面，孙玉科等（1999）提出了5种地质模型及其相应的破坏模式：完整岩体边坡的圆弧破坏模式；层状结构边坡的顺层滑动、倾倒变形破坏、溃屈破坏；块状结构边坡的平面滑动、阶梯状滑动、折线形滑动；碎裂结构边坡的圆弧滑动、追踪结构面滑动；散体结构边坡的圆弧形滑动。罗国煜等（1992）以优势面组合破坏形式为基础，提出火成岩的15种破坏模式和层状岩体的4种破坏模式。黄润秋（2004）从变形破坏的力学机理角度出发，指出岩石高边坡的破坏模式的力学机理有滑移-拉裂-剪断3段式机理，“挡墙溃屈”机理，阶梯状、蠕滑-拉裂机理，压缩-倾倒变形机理，高应力-强卸荷深部破裂机理。陈洪凯等（2007）依据岩性及其组合、岩体结构、岩体强度、结构面间距、走向与边坡走向的关系、结构面倾角与坡角的关系等各种组合情况具体分析了公路边坡可能破坏的具体模式：表层冲蚀、表层剥落、蠕滑-坐落式高切坡、圆弧形滑动、平面滑动、楔形体破坏、崩塌、折线滑动等，提出了楔形体-平面滑动破坏模式、崩塌-滑动破坏模式、滑动-拉裂型破坏模式及滑动-压裂型破坏模式4种复合破坏模式。阮高和李本云（2017）结合岩土复合型边坡的特征，将破坏形式划分为上部土体内部破坏、上部土体沿土岩界面破坏、下部岩层平面滑动、下部岩层倾倒破坏4种类型。 2.滑坡机理研究 王宇等（2011）以岩土体空间的变异性为基础，考虑了极限状态函数以及随机变量的模糊性，认为基本变量为模糊随机变量，并建立了边坡渐进破坏的模糊极限状态方程，从而得到了渐进破坏的模糊概率。以模糊随机理论为基础的分析方法，能将边坡的实际状态反映得更加清楚。韩流等（2014）对边坡渐进性破坏过程中的稳定性变化规律和力学机理进行了研究，基于滑动面抗剪强度退化机理，提出了推移式以及牵引式的力学模型，并且建立了有关平面边坡稳定性的计算公式。又根据单一条块力学的平衡原理和不平衡推力法，推导出曲面边坡稳定性的计算公式。陈冲和张军（2016）通过底面摩擦模型实验，研究了基底在天然状态和饱水状态下的排土场边坡的变形破坏特征，并对排土场边坡潜在破坏的演化过程和诱因进行了探讨。基底天然状态下排土场边坡整体稳定，仅在下部边坡发生局部破坏。 Skempton（1964）把渐进性的概念应用到边坡稳定性的分析中，他在对黏土边坡长期的稳定性分析研究中提到，边坡中的滑裂面是从局部开始出现的，并且*先发生破裂的位置，它的抗剪强度将由峰值转成残余值。国内学者刘爱华和王思敬（1994）将渐进破坏的观点引入边坡稳定性分析中，考虑材料的残余强度和峰值强度的不同作用，从而很好地解释了破坏是随着时间发展的这一问题。胡志杰（2017）以陈家岭公路边坡治理为实例，研究了边坡渐进破坏稳定性分析法中的主推力法、综合位移法和富余位移法在治理中的应用，结果表明：主推力法、综合位移法和富余位移法能够应用于工程实践，并且它们能对边坡力和变形行为分别进行描述。其中，综合位移法是对边坡特征进行描述，而主推力法与富余位移法是对边坡富余程度进行描述，三种稳定系数均随边坡变形的演化而变化，可以描述边坡的渐进演化破坏特征。