基于物理力学参数的滑坡灾害监测预警系统研究★

王林凤 杨继清 李 凤

(1.云南农业大学建筑工程学院，云南 昆明 650201； 2.云南农业大学国际学院，云南 昆明 650201)

0 引言

滑坡灾害在世界上广泛分布且发生频率高，这对人类的生命财产安全构成了极大威胁，也严重破坏了自然环境和生态资源，每年因滑坡造成的资源损失极大，限制着人类的可持续发展。我国是受滑坡地质灾害影响最大的国家之一，2017年全国共发生地质灾害7 521起，直接经济损失高达35.9亿元[1,2]。

云南省有94%的区域属于高原山地，地形条件复杂，极易形成滑坡灾害。近10年云南省平均每年发生地质自然灾害1 000多起，2014年的云南省怒江“5·10”泥石流灾害和“6·30”山体滑坡严重自然灾害，这两个案例仅仅是云南省近10年来数以万计的自然灾害中的一个缩影，这些滑坡灾害都没有预警。

现行常用的监测手段(如表1所示)，目前是已经开展了大量的监测预警工作，并取得了丰硕的成果。但根据统计数据，成功预警实例中专业预警所占比例过低，成功预警率却并不理想，也存在一些缺点。

表1 国内外较为成功的地质灾害预报预警方法

由表1可见，单纯的位移监测存在一定的时间滞后性和现象不确定性，比较难实现滑坡灾害的超前预警预报，为了做到超前预警，本文将采用直接导致滑坡的“抗滑力—下滑力”因子，通过演化模型分析边坡从稳态到失稳的力学本质和规律，找出临界值，实现超前预警。

1 研究区概况

1.1 研究区的基本概况

以云南省昭通市东北约30 km的盘河乡头寨沟村大型滑坡为例(如图1所示)。1991年9月23日18时10分金沙江支流—横江(关河)二级支流盘河左岸一条季节性溪流(冲沟—头寨沟)的沟头部位发生1 800×104m3的特大山体滑坡，此次头寨滑坡掩埋牲畜252头，毁坏耕地300亩，直接经济损失1 200万元，灾害十分严峻。

1.2 降雨滑坡机理

1)大强度降雨，一部分雨水沿坡体表面移动，在较短的时间里难以从坡体排除，形成一定厚度水层，使土壤的含水量增加，土体位移增大，坡体自重加大边坡自重推动力增大[3]。

2)雨水除产生坡面径流外，仍有较大部分渗入坡体中，使土体压力增大，产生的下滑力增大；另一方面，雨水多黏土体内粘聚力增加，但内摩擦角会减少，抗剪强度就迅速降低，内部力学性质发生突变引起变形破坏。

3)降雨渗透到隔水层表面时，将在此处聚集，并使这里的物质软化甚至泥化，岩土体摩擦角迅速减小，甚至接近于0，从而形成滑面和滑带。

4)边坡内的地下水形成较大的静水压力产生一个上浮的浮托力，消弱了软弱面上所受滑体重量产生的法向应力，从而降低了抗滑力[3]。

5)降雨入渗时，雨水不断冲填裂缝及软弱结构面，产生一种顺坡向的动态扩张力，裂缝张大，同时潜在滑动面上充水而引起孔隙水压力升高，也起到降低有效应力，削弱抗滑力的作用[3]。

1.3 该地区灾害的成因

1991年9月23日18时10分云南省昭通市东北约30 km的盘河乡头寨沟村大型滑坡灾害，原因分析是该地区的玄武岩体自身的构造裂隙就很发育，加之长期的卸荷演化和化学风化，使得岩体转变为不同成因、不同规模宏观缺陷极为发育、水稳定性很差的松散介质，加上当年8月25日降雨量达41.31 mm，以后8 d又阴雨连绵，至滑坡发生之日共降雨209 mm，较长时间的降雨和中间的大降雨，使坡体含水量增大，自重增大，边坡自重产生的下滑力增大，孔隙水压力升高，又降低了岩土体的抗滑力；黏土体内的粘聚力迅速减小，岩土体摩擦角迅速减小，抗剪强度迅速降低，甚至接近于0，从而形成滑面和滑带，各类因素综合下岩土体内抗滑力小于下滑力，最终使得头寨沟的岩体以巨型滑坡的形势失稳并迅速转变为滑坡灾害。

2 监测预警系统的应用

1)滑坡地质灾害诱因数据监测采集。

通过现有的滑坡计算机软件专利和技术路线，利用互联网技术、大数据、云计算等技术手段，建立一套科学的高原山地滑坡灾害防治智能预警云服务平台。对头寨沟滑坡体特征、水文地质结构、滑坡体现状等因素的研究，确定出头寨沟村滑坡灾害发生机制，用传感器采集正常情况和降雨时的土体粘聚力、土层位移、土壤含水量、孔隙水压力、土层压力、内摩擦角引起滑坡地质灾害的因素数据，并对降雨时产生的微小变化实施远程实时监测，获取监测实时数据信息，并将监测数据及时更新到服务器做成大数据库云平台，为后期模拟分析提供数据支持。

2)系统数据分析建模新方向。

通过传感器采集正常情况和降雨时的土体粘聚力、土层位移、土壤含水量、孔隙水压力、土层压力、内摩擦角的实时数据，依照坡体变形表现的内部力学作用机理τ=σtanφ+c，建立降雨—渗流—变形滑动的深度演化模型通过计算机软件模拟分析(如图2所示)，克服现有系统所存在的这些弊端和缺点,做到在地质内部变形滑动发生之前及时发现并进行预警防治，建立对滑坡灾害的内部量变演化至外部质变的长期监控这一超前预警研究方向。

3)监测仪器预警警报功能。

一旦监测到某地区的重要控制因素将要接近极限值时，系统发出预警警报，人工立即对该监测地区进行复核和分析，若情况属实立即报告有关部门，同时可通过控制MCU(微控制单元)通讯向周围的人发出预警警报，以及在夜间照明情况不良配合有闪烁射灯发出警报信息，让周围人远离该区域。

4)监测仪器节能环保性。

监测仪器初始监测一次，之后根据当地实际降雨及地质变化情况定期进行监测分析，平时处在重点因子监测状态，在降雨季灾害多发期全面监测，设备可回收再利用，减少能源消耗与浪费；采用云平台处理数据，系统易于部署，占用资源少，建设和维护成本低，能在滑坡灾害易发地区和偏远山区里大面积范围安装，设置多节点进行分布式监测，对滑坡灾害实现从点及面实时监测预警时效性好，有利于推进云南省高原山地滑坡灾害监测预警全方位推广，建立健全完善的滑坡灾害监测防治网。

5)采用该研究方法对云南省昭通市东北约30 km的盘河乡头寨沟村内滑坡体特征、地形地貌特征、地质结构和雨季雨量综合分析，将山体滑坡灾害监测预警系统应用到与云南省昭通市东北约30 km的盘河乡头寨沟村地质情况一样的地方，进行监测预警，以来保障人民安全。

3 结语

云南94%的区域属于高原山地地形，地形环境脆弱，易发生各种山体灾害，也是全国地质灾害最严重的地区之一，新的对滑坡灾害的内部量变演化至外部质变的长期监控这一超前预警方向监测研究方向，预警系统能够广泛遍及在山体里，通过辅助地方政府在危险区域山体的灾患点应用滑坡灾害监测预警系统布置地质灾害监测预警网，打破了传统的只能监测预报地质变形发生后，解决重大地质灾害隐患的“重、难、险”问题点监测不到位问题，及时对存在滑坡隐患区域进行维护治理，做到提前预警保障生命财产安全。