滑坡失稳阈值预报方法研究

孟庆森，尚彦军，3，邵鹏，孟和，3，伊学涛

（1.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049；3.新疆工程学院新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023)

滑坡是斜坡岩土体沿着贯通剪切破坏面发生滑移的现象，为地表地质灾害主要形式之一。近年来，随滑坡监测实例不断增加，变形监测资料越来越丰富。众多学者围绕斜坡岩土体变形破坏行为与预测预报进行探索和研究，取得丰硕成果。滑坡预报研究历史和发展过程中，国内外学者逐渐意识到滑坡预报判据的重要性，将建立滑坡预报模型和预报判据作为滑坡预报核心，建立了多种不同参数类型的滑坡预报判据。主要有稳定性系数、声发射参数、降雨量因子、变形速率、变形加速度等[1-5]。不同角度切入研究，提升了滑坡破坏临界时间的预测预报方法。Satio等借助蠕变实验对斜坡岩土体变形破坏行为进行研究[6]，将斜坡变形破坏划分为初始、等速、加速3 个阶段，为后续研究奠定理论基础。大量滑坡实例表明，斜坡进入加速变形阶段是滑坡发生的前提条件。许强等基于斋藤曲线做出了精细的滑坡预报研究[7]，将加速变形阶段进一步划分为初加速、中加速、临滑3个亚阶段（图1）[7]，给出以改进切线角为代表的一系列预测预报判据[8]。

图1 斜坡变形的三阶段演化图示Fig.1 Three stages of deformation and failure in landslide

变形是斜坡稳定性降低、趋向失稳破坏最直接的外在表现。随着滑坡监测实例的不断增多，监测数据资料越来越丰富，多种样式的变形监测曲线陆续出现，同时面临诸多需对比分析的问题。如，不同类型斜坡破坏时具怎样特征？针对这些特征应选取何种预测预报方法？本文结合前人研究，对滑坡监测预测预报参量和阈值进行对比分析，以期为滑坡监测预报和应急管理提供一定参考。

1 不同类型滑坡演化特征

大量蠕变实验和斜坡变形监测资料表明，斜坡变形-时间曲线与岩石蠕变实验曲线具很好的可比性或对应性，即斜坡岩土体变形过程实质上是斜坡岩土体在重力作用下的蠕变过程。随滑坡监测资料的进一步丰富，对比分析变形-时间曲线，发现不同类型滑坡变形曲线可统一到一组渐变的变形曲线簇中（图2）[9]。据变形破坏发展变化过程，将滑坡划分为缓变型、突发型、趋稳型。

图2 岩土体蠕变曲线簇及其形成条件Fig.2 Slope displacement-time curve types and formation condition

缓变型滑坡主要发生于松散土质斜坡或滑动条件不好，具时效变形特征的岩质斜坡中。这类滑坡孕育和演化一般经较长时间，且变形-时间曲线一般呈完整的3阶段。

突发型滑坡主要发生于临空条件和滑移条件较好的岩质边坡或强降雨诱发的浅表层边坡，及饱水的松散粒状介质（如黄土、花岗岩风化砂、尾矿库等）中[10]。失稳破坏经历时间一般比缓变型滑坡短，临界变形速率往往大于缓变型滑坡。

趋稳型滑坡主要发生在稳定性相对较好的斜坡中。成因包括两种：一是自然作用或人类活动的强度和持续时间未达到岩土体发生整体形变的程度；二是斜坡虽产生变形但未进入加速变形阶段，在及时采取工程加固治理措施的情况下趋于稳定。趋稳型滑坡的研究对何时布设防滑措施、工程防治效果评价及防止滑坡复活等具重要意义。

2 不同类型滑坡预测预报方法

众多滑坡实例研究表明，斜坡进入加速变形阶段是发生滑坡的必要条件。准确识别斜坡进入加速变形阶段（尤其是临滑阶段）特征，建立临滑判据，对滑坡预测预报具重要意义。对单体滑坡，国际上最常用的方法是阈值预报法，即结合已发生滑坡的实际情况，经统计分析，给出一个阈值，若监测数据达到这个阈值，即可发出警示信息。

2.1 缓变型滑坡

大量滑坡监测曲线表明，斜坡进入加速阶段后，累计变形、变形速率、加速度及切线角会出现明显变化，可将这些前兆信息作为滑坡预测预报的重要依据。本节选取4 个典型缓变型滑坡实例（表1）[11-14]，分析对比变形破坏过程中变形速率、加速度、改进切线角等参数演化特点。

表1 缓变型滑坡实例及其特征对比Table 1 Some examples of gradual type landslides and their characteristic comparison

2.1.1 基于变形速率的滑坡临滑预报方法

国内外学者建议将变形速率作为斜坡发展到不同阶段的判据，建议的速率阈值不同，有10.0 mm/d、14.4 mm/d、24 mm/d 等。这些判据均基于特定的工程地质、水文和气象条件提出，不可能存在统一的阈值或判据。以白什乡滑坡、新滩滑坡、黄茨滑坡和大冶铁矿滑坡为例，各滑坡的累计变形-时间曲线和变形速率-时间曲线见图3。

图3 滑坡变形速率-时间变化曲线Fig.3 Deformation rate-Time curves of four landslides

斜坡变形破坏过程中，累计变形一直呈增长趋势，各阶段增长速率有差别，进入加速变形阶段后变形速率骤然剧增，预示滑坡即将发生。因此，将变形速率阈值作为滑坡预报判据完全可行。但滑坡区工程地质条件、滑坡体积、高差等因素可对临界速率产生影响，这是白什乡滑坡的临滑阈值v=500mm·d-1与黄茨滑坡的临滑阈值v=2mm·d-1相差巨大的重要原因之一。新滩滑坡的变形-时间曲线呈明显阶跃性。对这类斜坡，如具有治理的必要性和可行性，可抓住主滑面强度恢复和外界因素作用减弱的窗口期，人为实施干预措施阻止滑坡的发生。

2.1.2 基于加速度的滑坡临滑预报方法

以上述4 个滑坡为例，发现斜坡失稳破坏过程中，加速度a呈与累计变形、变形速率完全不同的特点（图4）。在进入加速变形阶段之前，加速度a始终在0附近上下振荡，进入加速变形阶段，加速度明显增大，并持续大于0。这往往是斜坡失稳破坏的前兆，是发出警示信息的关键时刻。

扭转冲击工具顺时针冲击时冲击锤启动状态如图3a所示。此时工具内部液流分为3部分：第1部分直接通过节流喷嘴到达钻头；第2部分从导流盖分流至下启动腔；第3部分通过分流器到达上冲击腔，将要促使上冲击腔打开。在冲击锤向下冲击面运动过程中，锤推动启动器顺时针转动，当下启动腔与卸荷通道联通时，下启动腔内中相对较高的压力得到卸载，利于接下来逆时针冲击动作的快速换向。

图4 滑坡变形加速度-时间变化曲线Fig.4 Acceleration-Time curves of four landslides

2.1.3 基于改进切线角的滑坡临滑预报方法

许强等在传统切线角的基础上[8]，提出求取切线角的新方法。该方法通过坐标变换统一横纵坐标量纲，得到改进切线角模型，使不同斜坡变形曲线在相同切线角特征下进行比较，避免了不同曲线因坐标轴被单向拉伸或压缩带来的差异。计算公式如下：

式中：Si-1、Si——i-1、i时刻滑坡的累计变形/mm；

Ti-1、Ti——变换后与时间i-1、i相同量纲的纵坐标值；

V0——滑坡等速变形阶段的速率/mm·d-1；

αi——改进切线角/°；

ti-1、ti——监测时刻，两者相差一个监测周期；

据式（1）、（2），当αi＜45°时，斜坡处于初始变形阶段；当αi≈45°时，斜坡处于等速变形阶段；当αi＞45°时，斜坡处于加速变形阶段，αi越接近90°，滑坡濒临发生。

为进一步检验和验证上述规律并划分阈值，本节选取上述4 个滑坡案例进行分析（图5）。当改进切线角达到80°时，斜坡稳定性急剧降低，斜坡即将失稳破坏，表明基于改进切线角的滑坡临滑预报判据具较强的普适性。

图5 滑坡改进切线角-时间变化曲线Fig.5 Improved tangent angle-Time curves of four landslides

表2 滑坡临滑阶段阈值Table 2 The threshold of landslides before sliding

2.2 突发型滑坡

突发型滑坡往往无明显缓变过程，前期变形缓慢持续时间长，进入加速变形阶段，快速失稳破坏。基于单一变量预测预报模型往往需采取一段时间的持续值，这对突发型滑坡不合适，可能导致漏判误判或提前预报时间太短，不具防灾实际意义。

许强等对突发型滑坡特征[15]，自主研发了一套自适应调整采样频率的监测技术方法。该方法建立基于变形速率阈值和变形过程的综合预报判据，即通过设置多级变形速率阈值判断斜坡所处阶段，通过改进切线角实时跟踪变形发展趋势，实现突发型滑坡全过程预报。以甘肃黑方台突发型黄土滑坡-党川四号滑坡为例，滑坡变形破坏过程和阈值指标对比情况见图6、表3[15]。基于变形速率阈值和变形过程的综合预报判据，对黑方台突发型黄土滑坡效果显著，成功预报了6 次滑坡发生[16]，对其它地区黄土滑坡监测预报具很好的借鉴意义。

表3 基于变形速率阈值和变形过程的综合预报判据Table 3 Comprehensive warning model based on deformation rate threshold and deformation process

图6 党川4#滑坡累计位移-时间、变形速率、变形速率增量和切线角曲线及预报过程Fig.6 Cumulative displacement-time,deformation rate,increment of deformation rate and tangent angle curve and early warning process of DC4#Landslide

由于滑坡本身的地质条件、周边环境及时空变化特征不同，滑坡各阶段历时存在较大差异（表4）。以改进切线角α 为划分各阶段依据，发现缓变型滑坡的初加速阶段历时较长，突发型滑坡的初加速阶段历时较短。进入中加速和临滑阶段后，缓变型滑坡仍持续一段才失稳破坏。突发型滑坡从进入中加速和临滑阶段到最终破坏，历时仅20 h甚至8 min，可见，突发型滑坡失稳破坏极其迅速。

表4 不同类型滑坡加速变形阶段历时比较Table 4 Comparison of different types of landslides in accelerated deformation stage

2.3 趋稳型滑坡

趋稳型滑坡成因一般分两种：一是自然作用或人类活动强度和持续时间未达到岩土体发生整体形变的程度（图7）[9]；二是斜坡虽产生变形但未进入加速变形阶段，在及时采取工程治理措施的情况下趋于稳定（图8）[17]。因此，趋稳型滑坡的研究，对天然滑坡预测预报及滑坡工程防治效果评价具重要意义。

图7 三峡库区某斜坡变形曲线Fig.7 Deformation-Time curves of a slope in the Three Gorges

图8 链子崖T9～T11缝间危岩体位移变化曲线（1994—2004 年间）Fig.8 Cumulative displacement curves in T9～T11 rockmass in Lianziya from 1994 to 2004

对比趋稳型滑坡变形曲线与隧道围岩变形曲线（图7，9[18]），发现二者都是岩土体在自然条件或工程干预情况下变形逐渐趋于稳定的过程，具一定相似性。因此，可类比隧道围岩变形研究方法，开展趋稳型滑坡预测预报及防治效果评价。

上世纪九十年代，李世煇等首先提出变形速率比值判据DRRC[19]。该判据将隧道初期支护全部施工完成后24 h 内围岩变形速率与该断面实测围岩变形速率最大值V0的比值为监测对象，据可能失稳但已转为稳定状态的若干断面的典型监测资料统计得出该比值阈值=5%。经大量工程应用验证，该判据已纳入国家军用使用标准，有效解决了软岩隧道支护初期的围岩稳定性难题。

受变形速率比值判据启发（图10），可将趋稳型滑坡实测变形速率V与最大变形速率V0的比值作为预报判据，即

图10 三峡库区某斜坡变形速率比值变化曲线Fig.10 Deformation rate ratio curve of a slope in the Three Gorges

三峡库区部分斜坡在强降雨结束后变形逐渐减缓，其本质是自然作用强度和持续时间未达到岩土体发生整体形变的程度；链子崖T9～T11缝段危岩体在进行工程治理后变形逐渐减缓，表明工程防治效果较好（图11）。二者均是变形速率逐渐降低至最大变形速率的10%以下。此类斜坡或危岩体虽趋于稳定，仍需注意监测，防止在某些极端情况下进一步变形破坏。

图11 链子崖T9～T11缝间危岩体变形速率比值变化曲线Fig.11 Deformation rate ratio curve in T9～T11 rockmass in Lianziya

图9 巷道围岩位移监测曲线Fig.9 Monitoring curves of displacement of the surrounding rock

三峡库区部分斜坡地质条件再差一些或外部作用强烈一些，结果可能如突发型滑坡或缓变型滑坡那样，最终失稳破坏。链子崖危岩体如不及时治理，结果最终会崩塌破坏。缓变型、突发型、趋稳型3 类滑坡在一定条件下可相互转化。一般情况下，滑坡由突发型向缓变型或趋稳型转变较困难，人工干预成本较高。由缓变型向趋稳型转变则相对容易，如链子崖危岩体在采取工程治理后逐渐趋于稳定；趋稳型滑坡在遭遇强烈外力影响时，可转为缓变型或突发型滑坡。因此，滑坡灾害预测预报防治重点应是阻止趋稳型滑坡向突发型或缓变型滑坡转变，尽可能将缓变型滑坡向趋稳型滑坡转变。对突发型滑坡这类变形迅速、治理代价高的滑坡，应及时撤离减少损失。

3 结论与认识

滑坡是处于复杂开放系统中的一类特殊地质体，其孕育和发展与地质条件、周边环境及时空变化特征密切相关。本文基于滑坡地质特征、变形-时间曲线变化特点，将其划分为缓变型滑坡、突发型滑坡、趋稳型滑坡。据其类型对比分析不同的临界预测预报参数和阈值。

（1）单一变形速率或加速度预报模型不适用于所有滑坡，改进切线角模型统一了横纵坐标量纲。经检验和验证发现，以α=80°为缓变型滑坡进入临滑阶段的阈值具较强普适性。

（2）基于变形速率阈值和变形过程综合预报判据，一定程度上提高了滑坡预报精度，并成功预报了6次黄土滑坡，对其它黄土地区滑坡监测预报具很好的参考借鉴意义。

（3）对自然作用或人类活动强度和持续时间未使岩土体发生整体形变，或在工程治理情况下渐趋稳定的趋稳型滑坡，采取速率比值法对斜坡变形进行密切监测，对天然滑坡预测预报及边坡工程防治效果评价具重要意义。

（4）由于滑坡内外条件不断变化，一定条件下缓变型、突发型、趋稳型滑坡之间可相互转化。只是由突发型向趋稳型转变较困难，且代价昂贵，缓变型向趋稳型转变则相对容易。因此，滑坡灾害预测预报应着力于阻止趋稳型滑坡向突发型或缓变型滑坡转变，尽可能将缓变型滑坡向趋稳型滑坡转变。对突发型滑坡这类变形迅速、治理代价高的滑坡，采取及时疏散撤离是减少损失的良策。

本文仅从滑坡地质特征、变形-时间曲线变化特点进行研究，未涉及滑坡变形本质。下一步有必要将变形破坏机理、斜坡地质结构、斜坡变形特点相结合，建立更合理的分阶段判据指标体系。