基于田西高速公路的滑坡预警模型研究

黎盟 司家琛 艾露

摘要 根据滑坡地质灾害监测数据的实际情况，并结合田西高速公路全线范围高边坡与自然地质的自然衔接关系，结合依托边坡工程的勘察、设计资料和岩土体的室内试验参数研究成果，基于依托工程特征及现场结构面信息的调查分析和边坡裂隙岩体力学特征研究，分为3种类型制定了滑坡地质灾害监测预警模型，分别为区域降雨滑坡（提示性）预警、单体变形监测预警、长期监测综合预警。

关键词 滑坡;预警模型;地质灾害

中图分类号 P642.22 文獻标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0072-03

0 引言

田林至西林高速公路项目位于广西自治区百色市田林县、西林县境内，路线总体呈东西走向，该项目全线路堑高边坡工程共计290处。田西高速公路建设区出露地层主要为第四系冲洪积层和残坡积层及三叠系中统板纳组中段T2b2砂岩、泥岩、泥质砂岩。路线范围内发育的不良地质类型主要为崩塌、滑坡及陡倾岩层破坏，特殊性岩土主要为软土、崩解性泥岩。根据沿线岩土组成、物理力学性质和工程地质特征，将岩土划分为较坚硬碎屑岩、较软碎屑岩、松散结构岩土等3个工程地质岩组。工程区广泛分布的泥岩具有反复胀缩性、多裂隙性、强度衰减性，使得泥岩滑坡具有许多与一般硬岩不同的特点。田西高速工程区泥岩中存在大量的微裂隙，遇水后产生较大的孔隙力，特别是多雨炎热的夏季，经过反复干湿循环，极易使岩石发生崩解破坏，崩解性泥岩的存在使得边坡的岩土体强度较低，容易产生变形破坏。另一方面，当碎屑岩边坡中存在崩解性泥岩夹层或出现硬岩砂岩与软弱泥岩的互层形式时，边坡开挖后风化作用，崩解性泥岩与非崩解性岩石产生差异风化，形成软弱夹层，易使边坡产生变形破坏，不利于碎屑岩边坡的稳定。

公路工程斜坡作为人类工程在一定地质环境中的行为结果，必然受到工程地质和地质工程的相互作用，其病害是由斜坡的内在因素和外在因素共同作用的结果[1]。其中内在因素是公路工程斜坡病害的基础，外在因素是公路工程斜坡病害的重要诱发因素。大量的工程实践现象表明，含碎屑岩的边坡稳定性差的原因是含软弱夹层，切坡后的安全性与稳定性更差，一方面是因为含碎屑岩的软弱夹层的水敏性强，一旦吸水容易饱和软化，强度因此会大幅度降低，导致边坡沿此软弱夹层发生滑动破坏，另一方面是随着雨水的渗入而使坡体含水量升高使坡体自重增加，边坡由此产生蠕动变形[2]。根据多年气象资料统计表明，广西西部中低山地区的年平均降雨量大概在1 110～1 710 mm之间，这为含泥岩的边坡孕育滑坡灾害提供了充分的条件。根据2005—2013年期间的统计数据，广西碎屑岩分布区共发生地质灾害1 260起，其中滑坡占684起，而其中与降雨有关的滑坡和崩塌占灾害总数的92%，共造成34人受伤，66人死亡，造成潜在经济损失共84 748.4万元。根据导致灾害因素的统计结果表明，碎屑岩分布地区引发地质灾害的最主要的因素是降雨和人类工程活动。

该文结合依托边坡工程的勘察、设计资料和岩土体的室内试验参数研究成果，针对边坡（群）工程风险“识别难、预警难、控制难”的问题，结合依托工程田西高速公路高边坡（群）的特征，通过实控的大数据挖掘技术，建立重大风险灾变规则知识库，基于依托工程特征及现场结构面信息的调查分析和边坡裂隙岩体力学特征研究，通过理论分析和典型高边坡稳定性数值模拟分析，进行田西高速公路典型高边坡稳定性及破坏模式研究。

1 地质灾害滑坡预警模型

建立滑坡预报模型以“概念模型”（地质模型）为基本，而地质模型的建立则是以研究滑坡实体的工程地质为基础。在对工程实体正确认识的基础上，才能建立正确合理的工程地质模型，由此抓住斜坡发生变形破坏起控制作用的决定性因素，提出正确的“概念模型”[3]。对工程实体的研究一般包括两方面的基本内容：一方面是对原型工程实体地质环境的研究;另一方面是对斜坡发生变形破坏现象的研究。在“概念模型”基础上，为了从数学力学上进行验证并完善对变形破坏机制及该过程的认识了解，须采取对岩体力学形态的描述，即为岩体力学应力应变本构模型。岩体本构模型的建立来源于岩石力学室内各种试验研究，试验研究的对象则是与“概念模型”紧密相关的关键因素[4]。

根据滑坡地质灾害监测数据的实际情况，结合研究区范围与单体之间的自然衔接关系，分为3种类型制定了滑坡地质灾害监测预警模型，分别为：

区域降雨滑坡（提示性）预警：主要是利用研究区范围内的雨量监测数据进行分析，给出预警等级，提醒管理人员或现场监测负责人等进行必要的检查与关注[5]。

单体变形监测预警：主要是针对单个滑坡灾害的变形监测数据展开分析，通过一定的现场室外调查、室内试验及有限元数值模拟等手段，获得单体滑坡的判据条件，包括累积变形量与变形速率两类指标。以此为基础，给出研究区所有滑坡单体的基于变形监测数据的预警等级。

长期监测综合预警：主要是针对具备了长期监测数据的单体滑坡地质灾害，通过利用目前比较成熟的滑坡灾害监测预警模型展开分析，如改进切线角模型[6]。

2 预警模型系统研究

计算数值分析模型，可由此获得边坡稳定性分析结果，并加深对深层次变形破坏机理的认识理解，并可对数值模型中的关键点位置进行位移、应力应变跟踪，再根据边坡工程实体的稳定性情况和实际监测资料去不断调整和校正这个数值分析模型，直到数值分析模型计算出的边坡稳定性、位移时程曲线与工程实际情况大体一致[7]。然后根据校正调好的数值分析模型去做出安全可靠的边坡稳定性评价，也可以据此再进一步加深对工程实体地质分析时得到的边坡变形破坏机理理论认识，还可以参考滑坡点位移、应力监测等相关资料，据此应用关键点位移应力跟踪的方法对整个滑坡位移进行较全面的预报。在此分析的基础上，根据实际建立的预报模型，运用数值与物理模拟等推理手段根据对时间的进一步延拓，由此来达到预报滑坡变形的目的[8]。

2.1 区域降雨滑坡（提示性）预警

降雨，特别是大型暴雨是引起滑坡的重要产生因素。由降雨诱发的滑坡大量存在，这种现象既造成了人民的伤亡与财产损失，又不利于国家经济建设和社会稳定。降雨诱发滑坡有以下4种不同的作用机理：一是针对边坡岩土体，降雨使岩土体增大容重，并由此产生动静水压力;二是侵蚀边坡坡脚，破坏坡体完整性，改变边坡稳定结构;三是雨水渗入，会由此弱化岩体，造成泥化软化滑带，导致土体粘着力降低甚至消失，由此降雨会改变边坡岩土体力学性能;四是引起滑动体的渐进性破坏，并增大渗透力。降雨的相关力学作用极其复杂，不过从诱发滑坡机制上可以概括为导致滑移面剪应力增大及促使岩土体抗剪强度降低[9]。

因此，基于降雨的预警通过设定雨量及场次降雨的阈值，实现对滑坡风险的提示性预警。

2.2 单体变形监测预警

早期的位移监测预警也主要是基于位移速度和累积位移量，如通过对多个边坡失稳破坏的工程分析，统计出了国内几个已破坏边坡的临界位移速率（见表1），由表可见，边坡破坏时加速蠕变阶段的位移速率几乎是匀速蠕变阶段的10～20倍，這对判定斜坡当前所处的变形阶段具有一定的意义。

但是随着人们认识的深入，发现不同类型的斜坡临界变形速率差异较大，如岩质滑坡10～60 mm/d，土质滑坡有大有小，黄蜡石滑坡的临界速率为2 mm/d，但是新滩滑坡却是116 mm/d，因此很难给定一个统一的临界值。

故在长期监测数据的基础上，还需要对其进行有效位移速度和累计位移量的临界值分析，基于该临界值实现对单体滑坡的监测预警。

2.3 长期监测综合预警

对于采取相关手段获取了长期监测数据的滑坡，可以根据变形与时间关系曲线进行预警。斜坡的加速变形阶段是发出安全预警的关键时段，并结合地质灾害的四级预警机制，可以将加速变形阶段具体划分为初加速、中加速、加加速（临滑）等三个亚阶段（图1），并建立滑坡预警级别与斜坡变形所处阶段的一一对应关系表。可以看出，滑坡变形与时间关系曲线的切线角在不同的变形阶段具有不同的特点，在滑坡初始变形阶段切线角先增大随后逐渐减小并逐步趋于稳定;在滑坡等速变形阶段时切线角基本保持不变，保持在45°左右;然而在滑坡加速变形阶段，切线角会从45°开始并逐渐向90°靠拢发展。

3 结语

确定边坡破坏模式是进行边坡安全风险评价的关键，工程实践表明如果边坡破坏模式选取不得当，即使利用先进的手段进行边坡安全风险评价，其得出结果也会与实际情况相差甚远。因此正确认识泥岩的病害特征及其破坏模式是对边坡进行安全风险评价与监测防护的前提条件。该文结合依托工程的勘察设计资料，对田西高速公路沿线边坡特征、工程地质条件、自然环境的调查、统计和分析，进行沿线滑坡地质灾害资料的收集、调查、统计和分析;开展沿线典型高边坡岩土体的物理力学特性试验研究;研究高边坡的岩土性状、岩体结构面特征及边界条件和影响边坡稳定性的因素，建立田西高速公路高边坡地质模型;进行田西高速公路典型高边坡破坏模式研究，通过对调查统计资料进行分析和典型高边坡稳定性数值模拟分析，确定田西高速公路典型高边坡滑坡预警模型。

参考文献

[1]郑孝玉.滑坡预报研究方法综述[J].世界地质，2000（4）：370-374.

[2]吴树仁，金逸民，石菊松，等.滑坡预警判据初步研究—以三峡库区为例[J].吉林大学学报（地球科学版），2004（4）：596-600.

[3]马平，冯永，钱海涛，等.滑坡预报研究综述[J].人民黄河，2011（9）：86-88.

[4]唐亚明，张茂省，薛强.滑坡监测预警国内外研究现状及评述[J].地质论评，2012（3）：533-541.

[5]乔建平.降雨型滑坡泥石流监测预警研究[M].北京：科学出版社，2018.

[6]贺可强，郭栋，张朋，等.降雨型滑坡垂直位移方向率及其位移监测预警判据研究[J].岩土力学，2017（12）：3649-3659+3669.

[7]王念秦，王永锋，罗东海，等.中国滑坡预测预报研宄综述[J].地质论评，2008（3）：355-361.

[8]秦四清，张倬元，王士天，等.滑坡时间预报的突变理论及灰色突变理论方法[J].大自然探索，1993（4）：62-68.

[9]黄润秋，许强，戚国庆.降雨及水库诱发滑坡的评价与预测[M].北京：科学出版社，2007.