基于综合监测的滑坡变形特征的分析*

张 帅 贺 拿 钟 卫 杨 波

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454003；3.重庆市地矿建设(集团)有限公司，重庆 401121)

中国作为山地大国，山地面积约666万km2，占国土总面积的69.4%，而山地特有的能量梯度使之成为滑坡等地质灾害的发育区[1]。重庆市玉台村三社滑坡在2018年11月10日险情发生后，裂缝仍在加速变形，并伴有新裂缝发育。严重威胁区域居民35户143人、集镇安置区高层建筑、金佛山复建公路、新头渡大桥、金佛山水利工程水库等安全。

试验研究发现缓倾滑坡在整体失稳过程中，会有一定的变形破坏特征[2-3]。因此，可通过对滑坡滑动前期空间变形的综合监测，分析滑动变形规律，从而实现滑坡发育阶段及其稳定性较为准确的判识，以助于及时提出相应的滑坡治理措施，也利于进一步分析滑坡的滑动机制。目前通过变形监测手段进行滑坡变形特征和稳定性的研究取得了丰富的成果[4-6]，地表变形与裂缝变形监测技术包括：全球定位系统(GPS)监测技术[7]、干涉合成孔径雷达(InSAR)监测技术[8]、全站仪法[9]、三维激光扫描(LiDAR)监测技术[10]、自动拉线式裂缝变形监测技术[11]等。InSAR监测技术精度较高(厘米到毫米级)，可连续面式监测，误报率和综合成本较低；但受几何畸变、时空相干等技术制约，地形、大气扰动和植被覆盖等影响图像相干性、精度不可调且低于GPS。GPS监测技术精度高(毫米级)，可全自动远距离三维变形测定、不受地形通视条件和气候条件限制、可靠性高，但需建设一定数量的地面基站。深部位移监测包括：光纤传感技术[12-14]，测斜法[6]等。测斜法可测取滑面位置及滑体位移大小及其方向，受外界因素干扰少、应用较广泛，但深部变形较大时测斜管易被剪断导致无法测量，且测程有限、精度低于光纤传感技术。适于滑体初始变形、等速变形阶段滑体不同深度的变形特征及滑带位置的监测。此外，黄润秋认为，滑坡是一个复杂的地质力学过程，又是一个高度复杂的非线性系统[14]，目前针对坡体的变形分析和预测预报常采用单一的监测手段或内容，监测结果难以准确反映滑坡的真实空间变形状态、不利于全面研究坡体变形特征与分析变形破坏机制。

通过GPS地表绝对位移监测、光纤光栅深部变形监测和自动拉线式裂缝变形监测结合的综合监测研究，结合重庆市玉台村滑坡裂缝变形特点，综合分析玉台村滑坡空间变形规律；结合滑带土抗剪强度参数试验结果讨论滑坡失稳破坏机制。研究对于重庆三社滑坡后期防治及类似地质条件下区域滑坡动态稳定性的综合判识和综合监测方法的应用具有参考意义。

1 滑坡基本特征

重庆市玉台村滑坡位于重庆市南川区金佛山南麓，滑坡开口向南，平面形状呈“簸箕”状，前缘高程为921 m，后缘高程为1 024 m，滑坡高差103 m，主变形方向175°，水平投影长度约为480 m，平均宽约为280 m，平均厚度为25 m，规模约3 360 000 m3。坡度介于10°～17°，滑坡从后至前的地形总体上呈陡崖—缓坡平台—陡坡—缓坡—陡崖(柏枝溪右岸陡崖)之势(图1)。

a—平面；b—1—1′剖面。剖面线及编号；滑坡边界；剖面方位角；粉质黏土；块石土；页岩；滑动面及滑动方向。图1 滑坡平面及剖面Fig.1 The plan and profile of the landslide

钻探揭示：滑坡堆积体覆盖层厚19.5～35.0 m，主要由粉质黏土、块石、碎石组成，局部含淤泥质块石，前、后缘薄，中间厚。滑体存在多层堆积面，崩坡积形成厚0.4～5.8 m的含碎石粉质黏土层，该层呈灰黑色碎石土，土质相对潮湿、密实度随埋深增高，局部富含有机质，存在泥化现象，碎石含量相对较少，力学性质较低，部分含5%～25%灰岩、页岩碎石，为软弱层。下伏基岩主要为志留系中统韩家店组(S2h)页岩，产状280°～300°∠5～7°；区域未见断层及次级褶皱，主要发有3组构造裂隙：1)105°∠86°；2)203°∠89°；3)155°∠83°。

2 监测方法及监测点布置

玉台村滑坡监测主要内容包括：裂缝变形、地表位移及深部位移等。裂缝变形监测采用自动拉线式裂缝变形监测仪，地表位移(水平位移和竖向位移)监测采用GPS地表绝对位移监测系统，深部位移采用光纤光栅深部位移监测系统。

2.1 光纤光栅变形监测特点

光纤光栅传感监测是利用光纤中的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，相当于窄带的滤波器或反射镜，当一束宽光谱光入射，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余波长将透过光纤光栅继续传输[14]，如图2所示。当光纤光栅所处环境的温度、应变等物理量变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，导致反射光的波长发生改变，通过测量这一物理量变化前、后反射光波长的改变量，实现对应变和温度的监测。光纤应变与波长存在一一对应的关系，从而可实时稳定地监测应变等物理量，且灵敏度和精度很高(1.0×10-6/0.1 ℃)、反应快，同时避免电磁干扰，但存在成本及运维费用高、工艺复杂、裸传感器易受损坏等限制[16]。

图2 光纤光栅结构示意Fig.2 The schematic diagram of Fiber Bragg Grating

2.2 自动拉线式裂缝监测特点

自动拉线式裂缝变形监测(图3)特点是将传统的拉线式测量原理与现代通讯技术有机结合，由数据采集系统，数据处理中心和客户端三大部分组成[11]。当测点发生位移时，所连接的钢丝线将随之移动发生变化，通过角位移传感器将此信息转化为相应电信号，数据采集系统将电信号转换成数字信号，并利用现有的移动通信网络将信号传输到数据处理中心。最后进行数据分析被测点的位移随时间变化的规律。该系统不受地理环境、气候等因素的限制，且可实时监测，但仅能反映坡体二维运动规律，且监测误差具有积累性。

图3 自动拉线式裂缝变形监测原理[11]Fig.3 The principle of crack-deformation monitoring byautomatic pull-lines

2.3 GPS地表变形监测特点

GPS变形监测采用静态相对定位方法对滑坡变形进行全天候自动实时监测，GPS网点的布设由基准网点和监测网点组成，基准点需选在变形体附近适于GPS观测的稳定岩体上，监测网根据边坡变形特征、形态特征、监测分析等具体因素确定，基准网点和监测网点需建观测墩，测站间无需通视，要求测站上空开阔[7]。观测频率可根据边坡变形需要调整，可同时测定三维位移，精度高达毫米级，空间分辨率较低，信号不受气候条件限制但易受地形的影响。

2.4 监测点布设

基于玉台村滑坡地形与坡体结构特征，对裂缝变形布设了ZJ1～ZJ7共7组监测点(图4)，地表位移监测布设了JC1～JC29共29个监测点(图4)，深部位移监测布设了ZK2、ZK21、ZK27、ZK29共4个监测点(图4)。

a—地表监测点；b—深部监测点。自动裂缝位移监测点；地表绝对位移监测点；深部位移监测点;箭头方向为位移方向。图4 监测点布设Fig.4 Arrangements for monitoring points

3 监测数据对比分析

2018年11月完成监测仪器的安装与校准后，于11月15日开始第一次数据读取。由于滑动过程中存在不确定因素，JC13、JC17、JC24、JC25、JC29等五个地表位移监测点或落在滑体边界外或受构筑物影响，监测数据不参与结果分析。统计的监测时段为2018年11月15日—12月27日。

3.1 地表绝对位移监测数据分析

地表绝对位移监测包含水平位移和垂直位移监测，均采用同点布设。其中JC9～JC15、JC28～JC29位于滑坡前部，JC16～JC21位于滑坡中部，JC22～JC27位于滑坡后部，有效监测点16个。监测基准点设置5个，分别位于滑坡外围稳定岩体处。每天取值一次，共测取43期观测数据如图5、图6所示。

JC09;JC10;JC11;JC12;JC13;JC14;JC15;JC16;JC17;JC18;JC19;JC20;JC21;JC22;JC23;JC24;JC25;JC26;JC27;JC28;JC29。图5 地表水平位移-时间曲线Fig.5 The time-history curves of horizontal displacement in the earth’s surface

JC09;JC10;JC11;JC12;JC13;JC14;JC15;JC16;JC17;JC18;JC19;JC20;JC21;JC22;JC23;JC24;JC25;JC26;JC27;JC28;JC29。图6 地表竖向位移-时间曲线Fig.6 The time-history curves of vertical displacement in the earth’s surface

结合图4a、图5可知：地表变形整体向南滑动，与主变形方向较为一致，监测期间滑体水平位移在后部变形58～92 mm、中部变形43～106 mm、前部变形23～117 mm，滑坡不同区位均出现了缓慢的不均匀蠕滑现象，水平位移的增长速率随时间整体有减小的趋势，在11月15日—11月19日阶段与11月26日—11月28日阶段均出现了骤增的波动，结合历史气象信息发现两阶段均出现连续降雨，这表明降雨对滑坡稳定性影响较大。由图6可知：监测初期，滑体竖向位移呈现出数值上增长加速、方向上差异变形的现象。随滑动的持续，增长速率整体有减小的趋势，后部滑体基本处于稳定状态，前部滑体竖向位移仍呈缓慢增长。

监测结果表明：玉台村滑坡平均水平位移量约1～5 mm/d，在水平位移与竖向位移方面均仍处于缓慢持续变形阶段，后部滑体较前部滑体稳定性好，连续降雨对滑坡稳定性影响较大。

3.2 深部位移监测数据分析

玉台村滑坡上共布设4组深部位移光纤监测点，分别位于滑体后部(ZK2)、中部(ZK21和ZK29)和前部(ZK27)。首先布设的是位于滑体后部与中部的ZK2和ZK21监测点，在12月2日开始数据采集后取得了较好的监测效果，然后布设的ZK27和ZK29监测点，以期揭露滑体前缘深部滑体变形特征。图7显示的是光纤光栅监测得到的沿钻孔深度光纤应变监测曲线。可见：ZK2、ZK21和ZK27监测点分别在地面以下27.7，28.6，24.0 m深度的测值出现了明显的应变异常，对应的滑坡后部、中部和前部的土层总厚度分别为29.1，30.7，27.4 m。结合以往研究[13]表明：玉台村滑坡为土层堆积体的整体深层滑动；同时，ZK29监测点由于钻孔垮孔，仅埋设至22.0 m深，而5期监测数据均未发生应变异常，此处土层总深为28.2 m。可推断此处滑面在22.0～28.2 m处位置。综上所述，滑坡后、中及前部滑面均在土层堆积体的深层位置，故玉台村滑坡为堆积型深层土质滑坡。

3.3 裂缝变形监测数据分析

在玉台村滑坡后缘边界的裂缝进行了变形监测，采用的实时自动拉线式位移计的监测特点是将传统拉线式测量原理与现代同寻技术有机结合[11]。监测系统每天取值一次，测得裂缝变形-时间曲线如图8，累计位移量如表1所示。

表1 自动拉线式位移计监测的裂缝累积位移Table 1 Cumulative displacement of crack measured by automatic pull-wire displacement meters

从裂缝变形过程来看，如图8所示，滑坡后缘裂缝累积变形量呈现出阶段性变化特征，在11月15日—11月26日阶段，累积变形量增长速率明显较高，整体近似呈线型增长；11月20日—12月1日阶段，累积变形增长速率开始逐渐减小，呈非线性增长；12月1日之后，整体累积位移量较为稳定，尤其在ZJ03、ZJ04、ZJ05和ZJ07监测点处累积变形几乎处于稳定状态，退出变形增长阶段。而ZJ06和ZJ01监测点仍处于变形活跃阶段。结合布设点位置可知ZJ03、ZJ04、ZJ05和ZJ07监测点位于滑体最后缘；ZJ01和ZJ06监测点位于接近中部滑体的两侧边缘位置。从表1可见：滑坡后缘不同监测点测取的裂缝累计位移量在13～63 mm范围内，差异性明显，结合地形图发现累积位移量较大的监测点ZJ01、ZJ02和ZJ06多分布于较陡区域，表明玉台村滑坡的裂缝变形过程具有阶段性特征。在失稳前期，滑体后部整体滑动速率较快，变形量随时间近似线性增长；随着滑动的持续，后缘裂缝变形逐渐退出增长阶段，靠近中部滑体的裂缝变形仍较为活跃，变形差异与地形陡缓有紧密关系，这也表明玉台村滑坡仍处于持续变形阶段。

ZJ01;ZJ02;ZJ03;ZJ04;ZJ05;ZJ06;ZJ07。图8 自动拉线式位移计监测的裂缝累计位移曲线Fig.8 Cumulative displacement curves of crack monitored by automatic pull-wire displacement meters

a—ZK2监测点；b—ZK21监测点；c—ZK27监测点；d—ZK29监测点。图7 滑坡光纤光栅应变监测曲线Fig.7 Strain curves of the landsilde monitored by Fiber Bragg Gratings

4 滑坡变形特征分析

a—初始状态；b—失稳前；c—失稳时。图9 滑坡失稳过程中坡体变形特征Fig.9 Deformation characteristics of the landslide in the process of instability

综合监测数据分发现，玉台村滑坡地表与深部均出现了较为明显的阶段性变形特征，且滑移方向与主变形方向总体一致。在失稳前期，后部滑体(图9b中Ⅰ区)的裂缝与地表变形速率较快，地表最大水平变形速率超过10 mm/d，而前部滑体(图9b中Ⅱ区)的变形速率也呈增长趋势，但增长率和变形总量均小于后部滑体；随着失稳变形的持续，后部滑体裂缝与地表变形逐渐稳定，前部滑体竖向位移仍呈缓慢增长，由于地形较陡，靠近中部滑体的裂缝变形也较为活跃，最大累积变形量为ZJ01监测点的63 mm，如图9c所示。结合坡体水平变形曲线骤变波动特征和气象信息发现连续降雨对滑坡稳定性影响较大。深部光纤光栅监测结果表明：玉台村滑坡为堆积型土质滑坡，滑面埋深22.0～28.6 m，属于滑面接近土岩接触面的深层滑动。

此外，玉台村滑坡地表平均水平位移量约1～5 mm/d，在水平位移与竖向位移方面均仍处于缓慢持续变形阶段，需进行工程防治。

玉台村滑坡从后至前的地形总体上呈陡崖—缓坡平台—陡坡—缓坡—陡崖(柏枝溪右岸陡崖)的复杂缓倾地形，为滑坡等重力地质灾害的形成提供了充足的崩滑堆积体、汇水条件和蓄力条件。下伏志留系韩家店组页岩，隔水性能较好，易导致地下水渗透至基岩面时竖向径流方向发生改变，主要沿岩土界面向低洼处径流。此外，后部滑体上管道扩建工程的土石方堆载，中部滑体上复建金佛山公路对回填土的压实处理。这些不利因素，易导致中后部坡体在连续降雨条件下，易处于持续饱水状态，增加坡体下滑力的同时，也弱化了滑体土的抗剪强度参数(表2)，易形成软弱夹层[17-18]。而滑坡前缘坡脚因工程建设开挖形成的临空面更削弱了滑坡的稳定性。

表2 不同饱水状态下滑带土抗剪强度参数Table 2 Shear strength indexes of soil in the slip zone in different saturated cases

5 结束语

1)综合GPS监测、光纤监测和自动拉线式裂缝监测的方法从地表变形、深部变形和裂缝变形方面对滑坡三维变形特征进行监测分析，为全面地研究滑坡空间变形特征提供了一种可行且优势互补的技术手段。

2)重庆市玉台村滑坡表现出深层滑体的阶段性变形特征：在失稳前期，滑体后部整体滑动速率较快，变形量随时间近似线性增长，且地表变形监测数据的波动对降雨有较强的响应。随着滑动的持续，后缘裂缝变形逐渐退出增长阶段，靠近中部滑体的裂缝变形仍较为活跃，变形差异与地形陡缓有关。此外，地表平均水平位移量约1～5 mm/d，坡体仍处于持续变形阶段，需要进行工程防治。

3)结合滑带土抗剪强度参数试验、孕灾环境与诱灾因子分析表明，玉台村滑坡的形成是多种因素综合作用的结果：不利的地形与汇水条件、集中降雨、基岩隔水性以及坡前切脚与坡后堆载构成了滑坡变形的主控因素。