北京山区公路边坡地质灾害隐患监测预警技术研究

赵忠海，李 敏

（1.北京市地质矿产勘查开发局，北京 100195；2.北京市地勘局信息中心，北京 100195）

0 前言

北京山区地处华北平原北部，分属太行山山脉和燕山山脉，总面积约10417.5 km2。由于在大地构造上处于祁、吕、贺山字形构造反射弧与阴山东西向构造带的交汇部位，北京山区在漫长的地质历史中经历了印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动，地质构造较为复杂，岩层风化破碎严重，新构造活动比较频繁，加之经济、社会的发展迅速，人类活动对资源的过度开采以及对自然环境的影响破坏日趋严重，故地质灾害较为发育，地质灾害隐患较多，尤以山区公路边坡的地质灾害隐患最为严重。

北京山区的公路交通比较发达，县级以上的山区公路长达2000余公里。公路修建时留下的大量人工边坡，由于被破坏了其原始稳定状态，在降雨、冻融、根劈、振动等自然和人类活动因素影响下，极易发生滑坡、崩塌、坍塌、剥落、落石等边坡地质灾害，对行人、车辆以及公路交通设施等构成严重威胁。由于公路边坡分布散，点数多，成灾触发因素复杂，给工程治理和群测群防工作造成诸多困难。因此，有必要对那些规模较大、危害较重的边坡地质灾害隐患实施专业监测和预警，从而有效预防和减少灾害损失。

1 北京山区公路沿线边坡地质灾害的主要特征

1.1 边坡的主要类型

边坡是指地表一切具有侧向临空面的地质体，通常由坡顶、坡面、坡脚以及地下一定深度内的岩土体组成。关于其类型划分，国内至今尚无公认的统一方法。目前比较常见的分类方法主要有以下几种：

①根据坡体成分，将边坡划分为土质边坡、岩质边坡和土石边坡；

②根据地形成因，将边坡划分为人工边坡和自然边坡；

③根据坡体高度，将边坡划分为超高边坡（＞100m）、高边坡（50～100m）、中边坡（20～50m）和低边坡（＜20m）；

④根据边坡坡度，将边坡划分为微斜边坡（＜5°）、平缓边坡（5°～15°）、陡坡（15°～35°）、急坡（35°～55°）、悬坡（55°～90°）和倒坡（＞90°）。

此外，还有根据人类工程活动的特点，将边坡划分为道路边坡、采矿边坡和建筑边坡以及根据人类工程的使用年限，将边坡划分为临时边坡（＜2a）和永久边坡（＞2a）等等。

北京山区公路边坡主要为岩质边坡和土石边坡，以中、高边坡为主，坡度较陡，坡体的稳定性总体较差。

1.2 边坡的变形模式

边坡变形指的是坡体表面或深部发生局部或整体位移的现象。根据变形深度，可将其变形模式分为坡面变性、边坡变形和坡体变形（表1）。

北京山区公路边坡的变形模式主要为剥落、落石、崩塌以及滑坡等。其中剥落是指边坡表层岩土物质在自身重力及风化、冲刷、振动等外力的作用下顺坡滑落，呈岩（土）屑或颗粒状堆积在坡脚的一种现象，具有普遍性、易发性和季节性的特点，是山区边坡工程较为常见的一种破坏形式；落石是岩质边坡坡面上的危岩或孤石个体失稳后在重力作用下向下滚动的一种现象，是山区边坡岩体失稳的一种常见形式，具有广泛性、突发性、随机性的特点；崩塌是陡坡上的巨大岩体或土体，在重力和其他外力作用下突然向下崩落的现象，一般其垂直运动距离远大于水平运动距离， 运动轨迹规律性差，总体具有分带性、突发性、随机性、危害性大的特点；滑坡是斜坡上的岩体或土体，在重力和其他外力作用下沿坡体内一定的软弱面（或带)整体向下滑移（以水平滑移为主）的现象，是北京山区边坡地质灾害的一种常见形式，根据形成机制的不同，可分为人为滑坡和自然滑坡（吴言军等，2011）。

表1 边坡的变形模式Tab.1 The deformation mode of the slope

1.3 公路边坡地质灾害的主要特征

同其它工程建设边坡的地质灾害不同，山区公路边坡的地质灾害具有如下主要特征：

（1）点多面广

由于山区公路工程路线长，工点多，途经环境多变，对自然地貌改造强烈，故其边坡地质灾害较为发育，且数量多、分布散，具有点多面广的特点。以G109国道（门头沟区段）为例，该路段全长约96km，沿途分布边坡地质灾害隐患共计191处，其中危害性较大的有70余处，主要分布于军庄—雁翅、斋堂—清水以及灵山风景区等路段。

（2）成因复杂

同其它地质灾害不同，山区公路边坡地质灾害的成因比较复杂，致灾因素很多，总体可分为内在因素和外在因素两个方面。其中，内在因素主要包括岩土体性质、岩土体结构以及区域地质构造等，它对边坡的稳定性起控制作用；外在因素主要包括降水、风化、地震以及人类工程活动等，它可以使岩土体的强度降低，抗滑力削弱，从而对边坡变形和破坏的发生与发展起促进作用（赵忠海，2017）。

（3）危害巨大

公路边坡地质灾害具有时间与空间尺度上的不确定性。由于其影响和诱发因素较多，故易发性较高，随机性较大；加之其威胁对象的流动性和不确定性，故不易防范，危害巨大。北京山区公路由于建设早、运营久，其边坡地质灾害问题一直比较突出，且渐呈增强趋势，近年来已发生多起灾害事件：2005 年7月, G110国道延庆段53 km处发生山体滑坡, 拥堵近3个小时；2005年8月，琉辛路密云段31km处发生山体滑坡,土石方坍塌总量约1.5万m3，冲毁6.7hm2土地，毁坏路基100m，造成2户房屋开裂；2006年7月，G111国道怀柔段92km处发生塌方，坍塌总量约1500m3，阻断道路3日；2006年8月，G108国道房山段56.3km处发生坍塌，坍塌总量约450m3，堵塞道路达数天之久；2008年8月，门头沟灵山景区公路发生山体滑坡，导致道路中断3个多小时；2011年5月，G109国道门头沟段87km处发生崩塌，崩塌总量约400m3，巨石重达50t；2015年10月，滦赤路延庆段133km处发生崩塌，崩塌总量约150m3，堵塞道路达5个小时（图1）。除此之外，G101国道、新泗路等其它山区公路也多次发生过不同程度的边坡地质灾害。这些灾害的发生，给国家和人民的经济财产造成了巨大的损失，给人们的生命安全和正常出行造成了极大的威胁和影响（孙艳林，2015）。

图1 延庆区滦赤路崩塌灾害Fig.1 The collapse along the road from Luanping to Chicheng in Yanqing district

（4）防治不易

北京山区公路边坡地质灾害具有沿公路呈点状分布、分布散、数量多、规模小、缺乏详细勘查资料等特点，故进行工程治理成本较高；加之隐蔽性大、突发性强、历史数据积累少且易受人类工程活动和环境变化的影响，故开展监测和预警工作的工程成本和技术难度较大。

2 边坡地质灾害监测预警的主要技术方法

2.1 边坡地质灾害监测的主要技术

边坡地质灾害是岩、土体在诸多内、外动力作用下发生的失稳、破坏过程，是一个高度复杂的非线性动力过程。其发生、发展及演化的过程，伴随着大量宏观可测信息的改变，如地表的形变、物理化学场的变化以及地下水的变化等。若能通过实时捕捉这些信息，研究边坡表面和深部的变形规律，了解坡体变形的模式、范围及规模，从而对其发展趋势做出预警和预报，这对提前采取有效措施以预防边坡地质灾害的发生或减少边坡地质灾害的损失具有重要的现实意义（霍东平等，2015）。

关于边坡地质灾害监测的技术方法有很多，按照监测对象的不同，主要分为4类：即位移监测、物理场监测、地下水监测以及外部诱发因素监测，有关技术方法及其主要设备和优缺点见表2（李亚玲等，2015；周航等，2016；朱正伟等，2009）。

2.2 边坡地质灾害预警的主要方法

公路边坡地质灾害是一种全球性泛生型山地灾害，其存在部位具有隐蔽性，失稳破坏具有突发性，致灾后果具有灾难性，是公路交通生命线建设及运营中普遍存在的突发性重大地质安全隐患。根据边坡的变形和破坏模式，公路边坡地质灾害可主要分为剥落、落石、坍塌、崩塌、错落、倾倒以及滑坡等灾害类型。由于边坡地质灾害具有隐蔽性强、突发性高、危害性大等特点，且灾害发生之前往往会出现局部变形和零星落石等宏观征兆，故开展专业监测预警是预防和减少边坡地质灾害损失的有效措施之一。

现阶段对于边坡地质灾害的预警工作按内容可主要分为空间预警和时间预警。其中，空间预警是指对边坡地质灾害发生的地点、规模及强度等的预警；时间预警是指对边坡地质灾害发生时间的预警。预警所采用的主要技术方法总体可分为统计方法、理论模型方法以及统计学与理论模型耦合的方法。目前对于边坡地质灾害预警技术研究比较深入的是对滑坡的预警，而对剥落、落石、坍塌、崩塌等地质灾害预警技术的研究则相对比较薄弱，大多还处于稳定性分析和失稳机理研究阶段（曹阳威等，2016）。

在滑坡预警方面，国内外学者目前已经提出40多种预测、预警模型和方法，大致可以分为确定性预警模型、统计预警模型、非线性预警模型以及宏观预警模型4类。（表3）其中尤以对滑坡降雨临界值方面的研究最为深入，也取得了很多成果。如Caine(1980)对全球不同地区降雨与滑坡的关系进行了研究；Cannon和Ellen(1985)、Mark和Newman(1988) 、Wieczorek(1990)根据 1982年旧 金山海湾滑坡和降雨数据建立了滑坡与降雨强度和持续时间的临界关系曲线；Grozier和Eyles(1980)对滑坡的前期土体含水量状态和雨量过剩指数进行了研究；Glade(1998)根据对新西兰惠林顿地区滑坡和降雨资料的研究，建立了确定降雨临界值的3个模型—日降雨量模型、前期降雨量模型和前期土体含水状态模型；谢剑明等(2003)对浙江省台风区和非台风区的滑坡降雨临界值做了研究；吴树仁等(2004)以三峡库区为例对滑坡预警判据做了研究；李铁峰等(2006)结合前期有效雨量和Logistic模型对滑坡降雨临界值做了研究，并以三峡地区做了方法验证；李媛(2006) 、李昂(2007)采用不用的统计方法对四川雅安雨城区降雨临界值做了研究；此外，浙江、云南、陕西、山东、宁夏等省，陇南、兰州、青岛等地也都先后建立了各自的降雨诱发滑坡临界值，并进行了实际的预警预报（唐亚明等，2012）。

在崩塌预警方面，目前大多是利用数学模型如斋滕迪孝模型、HOCK法、苏爱军模型、灰色模型、生物生长模型以及基于非线性理论的协同预报模型、突变理论模型和动态分维跟踪预报模型等,对崩塌的时间、位移及其发展趋势进行预测（张勇慧等，2010）；也有很多专家学者从研究岩石破坏机理入手，对崩塌预警技术进行了深入探索。如田卿燕等（2009）将灰色理论和突变理论相结合，建立了灰色-突变预测模型，并据此采用声发射信号预测块裂岩质边坡的崩塌时间；张永兴等（2010）研究了边坡中张性地应力和岩腔发育深度对差异风化型危

岩形成与破坏的影响；王志强等（2009）基于弹性力学提出了一种滑坡失稳的突变模型 ；Frayssine等（2009）分析了灰岩陡高边坡的破坏机制；陈洪凯等（2010）探讨了石质山区崩塌灾害的形成机制，运用损伤力学方法和Paris疲劳方程建立了临界状态下危岩主控结构面的疲劳断裂寿命计算方法，探讨了缓倾角层状岩体边坡危岩后退演化的力学机制；唐红梅等（2010）对危岩聚集体的崩落序列问题进行了初步研究（陈洪凯等，2012）。

表2 边坡地质灾害监测主要技术方法Tab.2 Main monitoring method of the slope geology disaster

无论是滑坡，还是崩塌，上述这些模型大多依赖于多种历史数据进行统计和分析，而很少考虑边坡的地质结构、力学特性及其自身的演变过程，用这些模型来预报历史数据比较缺乏的公路边坡地质灾害的效果并不是很好。

表3 滑坡预警模型和预测方法Tab.3 Warning model and prediction method of the landslide

3 北京边坡地质灾害监测预警的现状和问题

3.1 北京边坡地质灾害监测预警工作现状

北京山区公路沿线的不稳定边坡共有2000余处，根据边坡变形和破坏模式分析，其地质灾害隐患类型主要为剥落、落石、坍塌、崩塌以及滑坡等。其中滑坡灾害隐患约30余处，剥落、落石、坍塌及崩塌等灾害隐患为1970余处。在上述各类地质灾害隐患中，滑坡和坍塌的发生频次较低，落石、剥落和崩塌的发生频次较高。

在滑坡监测预警方面，北京地区目前只对G108国道边上的戒台寺滑坡进行了监测，并提出了预警模型。戒台寺滑坡位于北京市门头沟区的马鞍山北麓，距京城约35km，其南起寺院内，北至石门沟底，东西两侧边界均为自然沟。由于软弱的岩层、复杂的构造、较强的降雨以及剧烈的人类活动等多种因素，该边坡的稳定性遭到了较为严重的破坏，坡体出现了裂缝、断坎、沉陷等变形，特别是2004年雨季以来，坡体变形明显加剧，变形速率显著增高。2005年，受有关部门委托，中铁西北科学研究院对该滑坡进行了工程治理，使其下滑趋势得到了一定程度的遏制。有关单位也对该滑坡进行了专业监测，并对滑坡预警技术进行了研究和探索。孙光林等（2014）通过对地表变形情况的调查和分析，分别在戒台寺第三停车场加固挡墙的底部、画家院子大门两侧的挡墙上以及戒台寺大门G108 国道旁边布设了3个下滑力监测站点（3005#、3002#和3004#），每个站点各布设1套恒阻大变形锚索和1套智能传感发射系统。2014年11月—2015年12月的监测结果表明，上述3处边坡下滑力监测数据总体平稳，没有出现滑动力增量ΔP持续增大或减小且滑动力相对变化值PV大于10%的情况（图2），说明所监测区域目前处于相对稳定状态（孙光林等，2017）。北京市地质研究所（2015）在戒台寺滑坡体上布设了35个监测点，共计安装了39台（套）专业监测设备，其中包括一体化自动雨量监测站1台、一体化地表裂缝位移监测站4套、一体化深部位移监测站4套、一体化压力式水位监测站4套、一体化孔隙水渗压监测站4套、一体化土壤含水率监测站4台、GPS监测站12台以及远程应力实时监测站6台（图3）。2016年的监测结果表明，该边坡的应变和应力监测数据均比较平稳，说明所监测区域目前处于相对稳定状态（北京市地质研究所，2016）。陈国浒等（2011）通过调查分析戒台寺滑坡的基础资料，选取降水、地貌、植被等作为评价因子，提出了滑坡危险度评价模型，并据此提出了滑坡蓝、黄、橙、红4个预警级别的阈值（陈国浒等，2011）。

图2 边坡下滑力监测数据Fig.2 Slope sliding force monitoring date

图3 戒台寺滑坡监测设备分布图Fig.3 Monitoring equipment distribution of the Jietai temple landslide

在崩塌监测预警方面，北京地区目前共对房山、密云及门头沟区内4处公路边坡崩塌隐患进行了专业监测。北京市地质研究所（2015）分别于上述3个区内G108国道、G109国道、S219省道以及S310省道等公路边坡崩塌隐患中选取了23个监测点，共计安装了33台（套）专业监测设备，其中包括雨量站3套、崩塌裂缝伸缩仪23台以及崩塌预警警示装置7台。除了这些固定的专业监测设备外，北京市地质研究所（2016）还利用三维激光扫描设备（徕卡ScanStation C10高精度扫描仪）定期以单站无接触扫描的方式对上述4处边坡的地表变形进行监测，依据所获取的点云数据，构建监测目标的三维模型，从而掌握其地表变形情况。2016年的监测结果表明，上述23个监测点中除个别站点的地表变形监测数据有微小变化（0.1～1.6mm）外，其它站点的地表变形监测数据总体平稳，说明所监测区域目前处于相对稳定状态。由于崩塌监测实际样本缺乏,北京地区目前在崩塌预警模型建设方面尚处空白，北京市地质研究所（2016）采用类比法，从临界雨量、裂缝变形速率以及倾斜度变化量3个方面初步提出了崩塌预警阈值（表4），但其合理性和有效性，均有待实践检验。

表4 崩塌预警阀值Tab.4 Warning threshold of the collapse

除了对上述5处边坡地质灾害隐患进行专业监测外，北京地区目前尚未对其它的山区公路边坡的地质灾害隐患进行专业监测。

3.2 北京边坡地质灾害监测预警存在问题

北京地区公路边坡地质灾害监测预警工作起步较晚，工作程度较低，无论在成灾机理分析、监测技术研究还是在预警方法探索等方面均存在一定不足，主要体现在以下几个方面。

（1）专业监测密度不够。北京山区公路沿线的边坡地质灾害隐患共有2000余处，目前开展专业监测的只有5处，监测比例仅为0.25%，专业监测密度明显偏低。2016年北京地区共发生60余起公路边坡地质灾害，均在专业监测范围之外。

（2）成灾机理分析不透。北京山区公路边坡的破坏模式比较复杂，不同破坏模式的影响因素不同，所导致的灾害类型也不同，需采取的专业监测技术也应不同。只有将不同边坡地质灾害隐患的影响因素分析准了，成灾机理分析透了，才能有针对性地选取专业监测设备，确定专业监测方法。

（3）监测技术研究不深。对于某种边坡地质灾害隐患究竟应采用哪种专业监测技术，选用哪些专业监测设备，首先应考虑预警模型建立及短临预警的需要；其次要考虑地质灾害自身的主要特征，如影响因素及破坏模式等；此外还要考虑专业设备的精度及适用性等。众所周知，监测设备的作用就是获取数据，其所获数据要么用于预警模型的建设（如降雨量用于滑坡预警模型），要么用于灾害的短临预警（如裂缝变形数据用于崩塌短临预警），如果所获取的某种数据对模型建设和短临预警均没有发挥作用，那么该数据就无需监测，相关监测设备也就无需安装。以戒台寺滑坡监测为例，目前所安装的监测设备包括雨量监测站、地表裂缝位移监测站、深部位移监测站、压力式水位监测站、孔隙水渗压监测站、土壤含水率监测站、GPS监测站以及应力监测站等。在这些监测设备所获取的数据中，雨量监测数据可用于中短期预警模型建设，地表裂缝位移监测数据、深部位移监测数据、GPS监测数据以及应力监测数据等可用于滑坡短临预警，故上述数据均属于有必要监测的数据；地下水位监测数据、孔隙水压力监测数据以及土壤含水率监测数据等虽然有可能对研究滑坡机理有用，但目前并没有用于预警模型建设，也没有用于滑坡的短临预警，故应视实际需要决定是否监测。

（4）预警方法探索不够。北京地区目前虽然有人提出和建立了基于降水、地貌、植被等影响因素的滑坡危险度评价和预警模型，但其并没有经过实际应用的检验；而坍塌、崩塌及剥落等边坡地质灾害，目前则尚未有人提出和建立预警模型。在灾害短临预警方面，也因缺乏历史数据而无法提出令人信服的预报阈值。

（5）除上述问题外，北京山区公路边坡地质灾害隐患是以剥落、落石、坍塌以及崩塌为主。但目前所监测的5处公路边坡地质灾害隐患中，1处为滑坡，其它4处均是针对高陡岩质边坡上那些被节理和裂隙等构造结构面所切割成的较大的岩石块体（图4），采用崩塌裂缝伸缩仪，监测岩石块体之间裂缝的变形情况。从北京地区以往发生的公路边坡地质灾害情况看，这种块石崩落的情况并不多见，倒是剥落、落石和坍塌等类型的地质灾害较为常见。而北京地区目前却并没有对上述这些较为常见的边坡地质灾害隐患进行专业监测。

图4 琉辛路崩塌隐患监测设备分布图Fig.4 Monitoring equipment distribution of the collapse along the road from Liul imiao to Xinzhuang

4 对北京边坡地质灾害监测预警技术的分析和研究

4.1 对北京边坡地质灾害监测技术的分析与研究

针对北京地区目前在公路边坡地质灾害隐患监测方面存在的问题，本文认为专业监测工作应以详细查明地质背景为基础，以研究清楚成灾机理为前提，突出重点，注重实效，针对主要灾害类型及其关键数据的获取，采取有针对性的专业监测技术。

在滑坡监测方面，应在加强野外地质调查、工程勘察以及室内稳定性分析评价的基础上，在滑坡体的中、后缘部署地表裂缝位移监测站；在滑坡体的中、前缘部署应力监测站；在坡体上适当位置部署GNSS监测站；沿主勘探线方向在坡体上适当部署一个或几个深部位移监测站；在坡体上的适当位置部署雨量监测站（图5）。

图5 滑坡监测系统示意图Fig.5 Schematic diagram of the landslide monitoring system

在剥落、落石、坍塌以及崩塌等其它类型公路边坡地质灾害隐患监测方面，要在详细调查的基础上，加强边坡稳定性及其破坏模式分析，研究其成灾机理和影响因素，然后再针对不同的地质灾害类型，采取相应的监测技术方法。

（1）对于如琉辛路那种高陡岩质边坡岩石块体的崩塌隐患，可采用崩塌裂缝伸缩仪，对石块体之间裂缝的变形情况进行实时监测。

（2）对于坍塌、滑塌等边坡地质灾害隐患，可采用BOTDR分布式光纤传感技术，对坡体表面变形及其发展情况进行监测。

（3）对于剥落和落石等边坡地质灾害隐患，可视情况采取“主动防护网+应力传感器”或“被动防护网+振动传感器”的组合监测技术，对坡体表面的变形情况及其先兆（如零星落石）进行监测（图6）。

图6 “被动网+振动传感器”落石监测系统示意图Fig.6 Schematic diagram of the falling stone monitoring System by “passive net and vibration

4.2 对北京边坡地质灾害预警工作的思考与建议

监测预警是有效减少地质灾害损失的主要措施之一。现阶段我国在地质灾害监测预警方面的工作主要体现在两个方面：一方面是开展区域性宏观预测预警；另一方面是对一些规模较大或危害严重的地质灾害隐患单体进行全方位监测，根据监测结果对该灾害隐患的发展趋势进行预测预警。在区域性宏观预测预警方面，北京地区从2003年起，在全市山区范围内开展了地质灾害气象风险预警；在灾害单体监测预警方面，北京地区自2016年开始，正式对区内119条泥石流沟、1处滑坡、4处采空塌陷区以及6处崩塌隐患开展专业监测。但由于缺乏历史数据的多年积累以及成灾机理的深入研究，北京地区在地质灾害气象风险预警方面至今尚未建立起科学的预警模型，在灾害单体预警方面也一直没有对所监测到的数据进行深入的分析和有效的利用。

由于公路边坡的稳定性受内在因素和外在因素等众多因素的影响，且其影响程度不易界定；专业监测所得到的信息未必能完全代表边坡状态的实际情况，同样存在着很多不确定性和未确知性。故如何有效开展公路边坡地质灾害的预警工作是广大地质工作者和气象工作者所面临的难题之一。本文在北京市突发地质灾害详细调查和北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程建设和运行工作的基础上，就目前北京地区在公路边坡地质灾害预警工作方面存在的主要问题进行了深入分析和思考，就如何开展山区公路边坡地质灾害预警工作提出如下建议。

（1）在开展地质灾害区域性宏观预测预报方面，应在详细调查、勘查、分析和评价的基础上，加强成灾机理研究，确定边坡地质灾害隐患的成因类型和影响因素；针对边坡地质灾害隐患的成因类型，建立综合考虑各种主要影响因素的预警模型；根据边坡地质灾害的发生情况，不断修正预警阈值。

对于滑坡隐患，首先应在详细调查和勘查工作基础上，圈定滑坡边界，确定地下水位及潜在滑动面；其次要结合野外现场试验和室内测试分析的结果，查清降雨对潜在滑坡体的影响深度及其对边坡岩土体重度的影响情况，建立边坡岩土体重度与降雨量（当日雨量及前期雨量）之间的关系曲线；然后再采用极限平衡法，分别计算不同降雨工况下的边坡稳定系数，评价边坡的稳定性；最后根据评价结果及关系曲线，确定坡体发生滑动时的临界雨量和预警阈值。

对于剥落、落石、坍塌和崩塌等其它公路边坡地质灾害隐患，因其突发性较强、影响因素众多、致灾机理复杂，不宜像滑坡预警那样确定一个临界雨量作为其预警阈值，而应加强其地质环境背景调查，对其主要影响因素进行分析，对其稳定性进行评价，并在此基础上探讨其在某种主要触发条件（如降雨）下发生地质灾害的可能性大小，进而预测在某种主要触发条件的不同强度状态下（如不同的降雨量和降雨强度）下，不同稳定状态的边坡发生地质灾害的概率，并将其作为该边坡地质灾害预警依据。

参照岩石边坡工程及有关规范，一般把边坡稳定性分成5个等级，即极稳定、稳定、基本稳定、不稳定和极不稳定；在评价边坡稳定性的时候，一般要考虑地形、岩性、岩石完整性、粘聚力和内摩擦角等岩土参数、地应力、地震烈度、降雨以及人类活动等作为主要评价因子（金海元，2011）；考虑到北京地区边坡地质灾害多发生在雨季（图7），降雨是边坡地质灾害的主要触发因素，且不同降雨量和降雨强度对不同地质条件边坡的影响程度不同，故在预测边坡地质灾害发生概率的时候应予以考虑，建议以调整系数的形式纳入到概率预警模型之中。

图7 北京山区公路边坡地质灾害发生时间分布图Fig.7 Time distribution of the road slope geologic disaster in Beijing mountain area

（2）在利用专业监测数据开展灾害单体短临预警方面，应加强边坡变形阶段、规律及特征等方面的研究，通过分析监测数据在时间和空间上的变化规律，判断边坡变形情况及其发展趋势，预测边坡“变形—破坏—致灾”的时间节点，以此作为该边坡地质灾害短临预警预报的重要依据。

对于滑坡隐患，一般可根据地表位移和深部位移的变形绝对值和变形速率来进行预警（表5）；也可根据地表及深部位移监测结果，做出“位移-深度”、“位移-时间”及“变形速率-时间”等特征曲线，再根据这些曲线，比较直观地判断边坡变形在空间和时间上的主要规律和特征（陈继东，2011）；还可通过对“位移-安全系数”曲线进行一阶求导，根据所得到的导数曲线，掌握边坡变形阶段，预测边坡变形趋势，据此决定是否发布滑坡预警。

表5 滑坡预警阈值Tab.5 Warning threshold of the landslide

图8是某公路边坡深部位移监测结果，监测孔位于该边坡的前缘部位。从图中可以看出，该边坡在深部20m以上位移明显，呈现出整体运动趋势，且存在多个滑动带（董湘龙等，2012）。

图8 深度和累计位移量的关系曲线Fig.8 Relation curve of depth andcumulative displacement

图9 是某边坡“位移-安全系数”关系曲线的导数曲线，从中可以看出，该导数曲线中变化较大的4个点A、B、C、D所对应的位移分别为24mm、29mm、42mm和60mm，所对应的安全系数分别为1.217、1.087、1.044和1.018，这表明该边坡在表面位移达到24mm 后（A点），边坡变形进入初始发展阶段；达到29mm后（B点），边坡变形进入快速发展阶段；达到42mm后（C点），边坡变形进入高速发展阶段；达到60mm后（D点），边坡变形进入破坏垮塌阶段。据此可以认为，A—B是低风险阶段，此时边坡滑动进入初始发展阶段；B—C是中风险阶段，此时边坡进入加速滑动期，应会同有关部门制定相应保护措施；C—D是高风险阶段，此时边坡进入快速滑动期，应保持高度关注，并加强监测和巡视，现场竖立警示牌，提醒过往车量注意；D点之后是风险极大阶段，应发布预警，并制定相应的交通管制措施。

图9 位移和安全系数关系曲线的导数曲线Fig.9 Derivative curve of surface displacements and safety factor

对于崩塌隐患，一般可通过监测地表位移，特别是裂缝形变的量值和速率来动态反映崩塌发生前的边坡形变规律，及时掌握坡体内部的变化，并据此对崩塌灾害可能发生的时间及规模等进行预测和预警。

图10是某公路边坡崩塌隐患的地表位移及其变形速率的监测结果。从中可以看出，在9月19日之前，该边坡监测点处的地表水平位移及其变形速率的变化均不甚大；但在19日之后，地表水平位移及其变形速率的变化幅度快速增大，出现了崩塌征兆；到了24日，地表水平位移及其变形速率的变化幅度明显增大，最大地表水平位移为22.3mm，最大地表水平变形速率为4.4mm/d，坡体达到了崩塌临界状态，此时可及时发布该边坡可能发生崩塌灾害的预警和预报（张乐，2015）。

图10 水平位移及其变形速率图Fig.10 Diagram of the horizontal displacement and its deformation rate

坍塌隐患的预警预报原理同崩塌隐患类似，只不过它是通过分布式光纤传感技术实现坡体表面位移数据的采集和传输而已；边坡在发生剥落前通常会发生局部的零星落石现象，故可通过监测落石情况来预测剥落发生的时间可规模；而落石则通常可通过安装在被动防护网上的振动传感器进行时时监测。

5 结语

北京山区公路沿线存在着大量不稳定边坡，在降雨、冻融、根劈、振动等自然因素和修路、开矿等人类活动因素影响下，很容易发生滑坡、崩塌、坍塌、剥落及落石等地质灾害，因其隐蔽性高，突发性强，危害性大，故有必要对其开展专业监测和预警工作。但由于其分布散，点数多，致灾因素复杂，故给专业监测及预警工作带来很大困难。

北京地区目前在公路边坡地质灾害监测预警方面的工作尚处于起步阶段，存在着专业监测密度较低，成灾机理研究不深，监测技术及预警方法的针对性和实用性不强等诸多问题。

本文依据监测对象的不同，对当前国内外在公路边坡地质灾害监测及预警方面的技术方法进行了系统地总结和梳理；对北京山区公路边坡的变形破坏模式及灾害隐患类型进行了深入的分析和研究；对北京地区目前在公路边坡地质灾害监测和预警方面的工作现状及存在问题进行了评价和探讨，并在此基础上，就如何开展公路边坡地质灾害隐患的监测和预警进行了思考和研究，提出了合理建议。这对北京地区今后开展相关工作具有重要的参考意义，对预防和减少山区公路边坡地质灾害损失将起到一定的作用。