地質災害的監(jiān)測和預報(王恭先)

地質災害的監(jiān)測和預報王恭先中鐵西北科學研究院有限公司2008年12月主要內(nèi)容一、地質災害監(jiān)測的目的和意義二、監(jiān)測的內(nèi)容和方法三、滑坡預報的理論和方法四、實例一、地質災害監(jiān)測的目的和意義

1.災害勘察的手段之一，幫助判定變形性質和范圍，為防治提供定量資料；

2.研究坡體位移與各種作用因素（降雨、沖刷、切割、震動等）的關系，為防治設計提供依據(jù)；

3.防治工程施工期間作安全監(jiān)測，保證施工安全；

4.施工完成后，驗證評價防治效果；

5.對不宜治理或十分危險的滑坡等，監(jiān)控其動態(tài)，及時預報報警，以使疏散人員，中止交通，防止造成災害。其中包括劇滑發(fā)生時間和危害范圍預報。

山西長晉高速公路K29高邊坡變形防治山西長晉高速公路K31滑坡山西長晉高速公路K31邊坡防治工程南昆鐵路八渡滑坡監(jiān)測動態(tài)、施工監(jiān)測及效果評價重慶萬梁高速公路張家坪滑坡張家坪滑坡斷面圖監(jiān)測深層未動，只按中、淺層治理，節(jié)約大量投資

二、監(jiān)測的內(nèi)容和方法（一）監(jiān)測內(nèi)容序號監(jiān)測項目監(jiān)測內(nèi)容1裂縫監(jiān)測地表裂縫和建筑物裂縫的寬度、長度及發(fā)展速度2位移監(jiān)測地表位移和地下位移矢量和速率3滑動面監(jiān)測滑面位置、層數(shù)、變形速率4地表水監(jiān)測自然溝水量，河、湖、水庫水位、濕地變化5地下水監(jiān)測鉆孔、井水位、泉水流量、孔隙水壓力6降雨量監(jiān)測年、月、日降雨、雪量7應力監(jiān)測滑帶應力變化、建筑物受力監(jiān)測8宏觀變形跡象監(jiān)測裂縫發(fā)展、地物變形等（二）監(jiān)測方法1.裂縫監(jiān)測（1）裂縫兩側打樁監(jiān)測（2）自動記錄儀監(jiān)測（3）建筑物裂縫貼水泥砂漿監(jiān)測簡易監(jiān)測樁示意圖自動記錄儀監(jiān)測貼片監(jiān)測自動記錄儀監(jiān)測2.地面位移監(jiān)測（1）地面傾斜監(jiān)測水準管傾斜儀（2）地面位移監(jiān)測地面位移監(jiān)測樁網(wǎng)、全站儀、水平儀監(jiān)測控制滑坡主軸斷面。觀測網(wǎng)形式地面位移監(jiān)測的作用：（1）確定滑坡周界；（2）確定變形發(fā)展擴大的范圍；（3）確定滑坡各條塊界限；（4）確定滑坡主滑方向；（5）確定變形速度和劇滑時間——報警。GPS（全球定位系統(tǒng)）監(jiān)測

近20年來，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，即GPS技術監(jiān)測滑坡位移有了很大發(fā)展，國外監(jiān)測精度可達到毫米級，國內(nèi)中科院成都山地所在雅安市和國土資源部在三峽庫區(qū)一些滑坡上開始應用。GPS技術具有覆蓋面廣、全天候、速度快、可連續(xù)、同步、全自動監(jiān)測的優(yōu)點，在滑坡移動速度快、人員不宜進入時也能監(jiān)測，因此是有發(fā)展前景的一種方法。用衛(wèi)星確定監(jiān)測點坐標，一般要求不少于4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星越多，精度越高，費用也高。只有多個滑坡、多點監(jiān)測時才比較經(jīng)濟。

GPS監(jiān)測的技術要求：

（1）所設的覘標必須能反映周圍一定地區(qū)特征；（2）應避開樹冠、建筑物等影響接收信號的障礙物；（3）覘標應設在相對穩(wěn)固的地點，如巖石上、房屋上等；（4）在滑坡外穩(wěn)定體上應設基線點，以便與滑體內(nèi)移動點監(jiān)測作對比；（5）為使監(jiān)測結果更可靠，可用不同方法、不同時、日及不同衛(wèi)星監(jiān)測，以便相互核對。3.地下位移和滑動面監(jiān)測滑動面監(jiān)測一直受到人們的重視。（1）塑料管—鋼棒簡易監(jiān)測（2）應變管監(jiān)測（3）鉆孔測斜儀監(jiān)測———固定式和活動式原理：l—兩側點間距離（m）,

θ—傾斜角度變化值（°）

累積位移:測斜位移曲線及滑面位置

（4）多點位移計

美國新克公司的鉆孔測斜儀多點位移計京珠高速公路K108滑坡鉆孔監(jiān)測資料京珠高速公路K108滑坡監(jiān)測斷面圖地下水動態(tài)監(jiān)測鉆孔和水井中水位變化監(jiān)測泉、溝、洞中水流量變化監(jiān)測水溫變化監(jiān)測水質變化試驗和分析降雨量監(jiān)測孔隙水壓力監(jiān)測在軟土地基和水利工程應用較多，在滑坡應用尚少。

滑帶巖土聲發(fā)射監(jiān)測

原理：巖土破壞時能發(fā)出一種不同于周圍環(huán)境噪聲的音響，從其頻率和振幅的分析中推定巖土的破壞程度，從而評價破壞帶（滑動帶）的位置、擴展范圍和破壞程度。儀器：探頭、信號調節(jié)設備（檢波、濾波、放大等）、記錄和數(shù)據(jù)處理設備。巖石噪聲頻率范圍50～10000Hz

它是一種有前景的手段，目前還在試用。建筑物受力監(jiān)測包括：建筑物（樁、墻、框架）所受土壓力和滑坡推力監(jiān)測——土壓盒建筑物內(nèi)力監(jiān)測——鋼筋計建筑物應力損失監(jiān)測——錨索壓力傳感器錨索樁受力監(jiān)測示意圖TDR技術探測滑坡滑動面

TDR（TimeDomainReflectometry）稱為時間域反射測試技術，是一種電子測量技術。上世紀20～30年代美國人用其檢測通訊電纜的斷通情況，80年代用于工程地質勘察和監(jiān)測，90年代中期用于滑坡等變形監(jiān)測?；驹怼袄走_”技術。把一個脈沖波發(fā)射入同軸電纜中，脈沖信號在電纜中傳播，能反映同軸電纜的阻抗特性。當電纜發(fā)生扭絞、拉長、中斷等變形時，特性阻抗發(fā)生變化，從而產(chǎn)生反射波，對入射波和反射波進行比較，即可判斷同軸電纜的狀態(tài)（斷路、短路及變形等）。若入射波的傳播速度為Vp，入射波與反射波的時間間隔為Td，則電纜起點至變形處的距離：d=Vp×Td/2，據(jù)此判定電纜發(fā)生變形的位置。

若測試脈沖信號為V1，反射信號為V2

，則反射系數(shù)為：ρ=V2/V1，根據(jù)線性傳播理論有：ρ=(R2-R0)/(R1+R0)，R1

為變形后的電纜阻抗；R0為變形前的電纜阻抗，R1=(1+ρ)R0/(1-ρ)。當-1<ρ<+1(ρ≠0)時，表示電纜發(fā)生變形，發(fā)生反射信號，據(jù)此測量反射系數(shù)ρ，即反射信號的振幅，即可判斷電纜的變形量大小。

使用：鉆孔穿過滑面，埋入同軸電纜，周圍充填密實。滑坡變形引起電纜阻抗變化，監(jiān)測并分析處理數(shù)據(jù)，即可判定變形位置，即滑面位置。這一新的監(jiān)測技術，國內(nèi)才開始試用。監(jiān)測周期：1.變形速度大時，3～7天一次；2.一般變形，一月一次；3.緩慢變形，3個月一次；4.施工安全監(jiān)測，10～15天一次；5.工程效果監(jiān)測，三個月一次，連續(xù)1～2年至穩(wěn)定。三、滑坡預報的理論和方法1.滑坡預報的重要性2.滑坡預報的困難性3.滑坡預報成功實例（國內(nèi)外）4.滑坡預報的階段劃分和預報參數(shù)5.滑坡預報理論和方法滑坡預報的階段劃分:長期預報（預測）：1～3年中期預報：3～12個月短期預報：1～3個月臨滑預報：1～10天滑坡預報參數(shù):長期預報、周期預報——特大降雨量，模糊數(shù)學評判；中、短期預報——位移速度、變形量；臨滑預報——位移速度和加速度。人們最關心的是短期預報和臨滑預報?；骂A報理論和方法1.日本齋藤迪孝方法（1970年）

理論依據(jù)——巖土蠕變?nèi)齻€階段理論：

減速蠕變——等速蠕變——加速蠕變——破壞

蠕變曲線

巖土性質不同，其蠕變曲線也不同?；碌奈灰啤獣r間曲線與蠕變曲線類同。短期預報用等速蠕變資料，臨滑預報用加速蠕變資料?；缕茐臅r間

tr：——滑坡破壞時間（min），——恒定應變速度（10-4/min）簡化為:

在滑坡加速位移階段，可用圖解法快速求出劇滑時間。即破壞（劇滑）時間與滑動速率成反比。我國學者曾用此法反演過寶雞臥龍寺新滑坡和灑勒山滑坡，結果較滿意。

灰色系統(tǒng)理論方法理論依據(jù)—將監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，使生成的數(shù)列呈現(xiàn)一定規(guī)律，其相應的曲線（折線）可以用典型曲線逼近，以逼近的曲線模型，對系列進行預測，指出預測值未來的發(fā)展范圍。梅榮生曾用此預報了湖北省雞鳴寺滑坡?；貧w分析法滑坡接近破壞時，其位移—時間曲線接近拋物線形S=at2+bt+c

若將坐標轉換為時間—位移曲線，即：t=as2+bs+c

則可按△t→0,s→∞，用求導方法求出破壞時間。位移—時間曲線和時間—位移曲線滑體變形功率法

理論依據(jù)：滑坡劇滑破壞是滑帶塑性區(qū)的發(fā)育和發(fā)展過程，即滑帶巖土的漸近破壞，滑帶塑性區(qū)逐漸擴展、貫通并達到極限破壞。建立斜坡平面剛塑性模型，假定體積不變，材料不可壓縮。

圖

斜坡平面應變剛塑性模型根據(jù)塑性力學下限定理有：≥

——第i條塊在斜坡破壞時的體積力；——第i條塊在斜坡變形過程中某時刻的體積力。根據(jù)塑性力學理論的上限定理有：≤

K——剪切屈服極限強度?！嫔纤俣乳g斷。根據(jù)虛功原理有：滑體變形過程中所做的功：

變形功滿足漸近破壞準則，達到某一峰值時滑坡整體下滑，因此變形功可作預報參數(shù)。優(yōu)點：多個監(jiān)測點資料積分處理，最后能預報劇滑時刻。四、實例——黃茨大滑坡預報滑坡位置：甘肅省永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村滑坡體積：600×104m3滑坡性質：砂泥巖順層滑坡滑坡監(jiān)測時間：1994年7月～1995年1月30日滑坡預報時間：1995年1月27日預報1月31～2月7日滑坡劇滑時間：1995年1月30日2時30分，相差21小時30分鐘預報方法：變形功率法預報結果：人員疏散，未造成人員傷亡，受到省政府嘉獎黃茨滑坡

黃茨滑坡工程地質及監(jiān)視測點布置圖黃茨滑坡Ⅰ-Ⅰ地質斷面圖

10個地面監(jiān)測樁的S-t曲線黃茨滑坡變形功率頻譜曲線回歸分析成果表樁號C1C2C3C4C5C6C7C8C9C1-11994.12.2901.01//01.0312.3101.1301.0501.0512.3001.011995.01.2502.0102.0302.0101.3101.3001.3001.2602.0402.0902.011995.01.2702.0302.0201.3001.3101.2901.3101.2802.0602.0901.30圖解分析成果表樁號C1C2C3C4C5C6C7C8C9C1-11994.12.29//01.02/01.2201.0701.1501.0201.1601.231995.01.2501.3101.2301.2902.0301.2601.2701.3002.0502.0302.291995.01.2701.0101.2901.2802.0501.3001.2901.3101.3102.0501.27