GNSS实时监测在滑坡预警中的应用——以陕西省周至G108路段滑坡为例

喻 小，赵 其 华，张 埕 豪，刘 俊 鹏

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

我国山地众多，城镇化发展向山区扩展已经成为一种必然趋势，势必带来一些山区频发的地质灾害如滑坡、泥石流、崩塌等。其中以滑坡最为典型，每年给我国造成巨大经济损失，尤以西南山地区域损失最为严重[1]。对滑坡进行监测并且及时发布预警信息是减少损失的一种最直接有效的方式。

20世纪60年代，基于岩土体蠕变理论，日本学者斋藤对日本饭山高场山隧道滑坡成功地进行了预报，并提出了著名的斋藤曲线，斋藤曲线将滑坡的变形过程分为初始变形阶段[2]、等速变形阶段和加速变形阶段。其他学者在此基础上进行了更进一步的研究，许强[3]在王家鼎[4]提出的位移切线角基础上对其进行改进，采用匀速变形阶段的速率统一了横纵坐标的量纲，在一定程度上消除了横纵坐标单位不统一所造成滑坡临滑判断的不准确性。王珣以西原模型为基础，将滑坡S-t转化为ε-t曲线并确定等速变形速率，结合最大切线角下限值作为滑坡临滑判据，并建立了基于无线组网技术的滑坡智能监测预警系统[5-6]。王延平为研究滑坡突变点的变形特征，进行了不同工况下的流变试验，依据锁固段理论提出了速度倒数法的滑坡预警模型[7]。贺可强基于损伤力学基本原理，确定了位移、坡体损伤变量、稳定性三者之间的关系，提出了用于预测边坡预警时间的边坡稳定性位移监测预警判据[8]。

近年来，北斗卫星的成功发射对我国定位设备的发展有着巨大帮助。其中基于北斗卫星的GNSS位移监测设备具有可持续工作的特点，在工程中已有诸多应用。熊寻安利用GNSS自动化、连续监测的特点对茜坑水库表面变形进行监控并验证了监测系统具有监测毫米级精度变形的能力[9]。黄观文基于北斗卫星自行研制出一套低成本高精度实时监测系统，在滑坡同一点位用人为手段使其位移发生变化，并用全站仪精密测量进行对比监测，效果具有较好的一致性[10]。赵信文使用自动监测系统对清江隔河岩库区偏山滑坡进行连续监测，系统连续运行19个月未出现异常[11]。在未来，GNSS自动监测在滑坡乃至地质灾害领域会得到越来越广泛的应用。

本文采取的GNSS监测仪器为深圳北斗云信息技术科技有限公司自行研发的监测仪，精度可靠。结合王立伟[12]提出的位移速率比定性分析滑坡所处阶段，在定性评价滑坡所处阶段的基础上，采取不同的预警模式进行预测。在临滑阶段，利用GNSS具有实时监控的特点(即每隔一小段时间监测一次位移)，计算出此时间间隔的瞬时日位移，解决了以往临滑预报时只有一个监测数据的问题，放大了时序，能更加清楚地反映滑坡在临滑期间的状态。

1 滑坡阶段的定性分析原理

岩体蠕变理论表明，松散土质斜坡或者一些岩质斜坡在发育的过程中主要分为3个阶段：初始变形、等速变形和加速变形，但各点的变形速率受地质条件和空间位置影响。为了减小以往监测期间统一速度阈值而造成对滑坡阶段判断的片面性，将任意时刻的监测速率除以等速变形阶段平均速率得到一个无量纲值，这样使得整个滑坡监测区域的定性判据得到统一，更能清楚地判定滑坡所处的各个阶段，为利用实时监测数据定量评价提供了基础。

(1)

式中，Vt为监测期间任意时刻的位移速率，V0为滑坡匀变速阶段的平均速率，αt为速率比。

由公式(1)的意义可以得到滑坡所处阶段。滑坡在初始变形破坏时由于坡体结构、坡体裂隙发育程度、坡体性质等的不同，初始变形速率与平均速率之间没有明确的关系。此外，当滑坡处于初始变形阶段时，可以认为此时边坡处于相对稳定状态，这里讨论速率比的规律意义不大。重点考虑滑坡处于加速阶段的速率比αt，滑坡在加速变形阶段，变形速率往往大于匀速变形速率，由于滑坡在匀速变形阶段的位移速率往往不是一个确定的值，而是在一定范围内波动，为了获得准确的平均速度V0，将等速变形阶段每个时间段的变形速率求平均值，从而获得平均速率：

(2)

式中,n为监测次数，Vt为某个监测期间滑坡的位移速率。

以黄茨滑坡为例，根据累计位移曲线判断出滑坡的匀速变形阶段，获得其匀速变形速率，并根据所在阶段计算出对应阶段的速率比。黄茨滑坡累计位移如图1所示。

图1 黄茨滑坡累计位移曲线Fig.1 Cumulative displacement of Huangci landslide

等速变形的位移曲线由公式(2)确定平均速率，公式(1)确定每一个阶段的速率比αt。由速率比曲线可以看出：出现明显增大的阶段主要是滑坡的加速变形阶段，在等速变形阶段速率比也有增大的现象，但增大后迅速降低，可能为滑体突破锁固+段后恢复匀速阶段时的速率(见图2)。而加速变形阶段根据速率比大小持续增加，可再次分为初始加速、匀速加速和临滑变形3个阶段，速率比大致分布在2～4，4～8，>8三个区间。

图2 黄茨滑坡速率比曲线Fig.2 Graph of velocity ratio of Huangci landslide

为了进一步研究加速变形阶段平均速率与监测速率之间的关系，收集了6个历史上著名滑坡的位移曲线，划分了滑坡的所处阶段，计算平均速率V0得到每个滑坡在各个阶段的速率比，如表1所示。

由表1可以看到：受滑坡本身裂隙数量、大小以及岩性的影响，初始变形阶段的速率比无明显规律。在等速变形阶段，速率比集中在0～2之间；对于加速变形阶段中的初始加速变形阶段，速率比普遍在2～4之间；匀加速变形阶段速率比在4～9之间；处于临滑阶段时，速率比则有明显突增的趋势，且大多都大于9。因此，将速率比为8设置为滑坡处于临滑阶段的定性条件。

表1 历史著名滑坡各个阶段的速率比Tab.1 Velocity ratio of historical landslides in different periods

2 工程应用

2.1 滑坡基本情况

陕西省周至县G108K1393+310～K1393+600路段位于该县南部山区，属于中低山区。边坡所在位置高程约750 m，与黑河水面相对高差约127 m，坡体为一岩质边坡，上陡下缓。出露地层为下元古界宽坪群干岔沟组的含炭绢云母石英片岩，该类岩石为可软化、易风化的软质岩，厚度较大。区内地质构造强烈，油坊沟-皇台断裂带从该边坡南部通过，断层倾向北西，倾角50°～60°。坡面岩层倾向225°～230°，倾角45°～50°。坡面倾角145°～150°，上边坡倾角65°～70°，下边坡倾角80°～85°，坡面倾向与岩层倾向接近垂直，属于横向坡。横向坡在天然状态下表现为较稳定的坡型，但此处坡面倾角较陡，且发育有多条张拉裂缝。以国道为分界线将滑坡分为上边坡和下边坡，上边坡主要为第四系覆盖层和强风化基岩，在重力作用下发育有一条较长的裂缝与坡向近乎垂直，主要变形特征为第四系松散体与强风化基岩顺坡向滑塌。下边坡路肩挡土墙下沉持续变形致使路面出现弧形裂缝，导致左半幅路基垮塌，右半幅路基出现斜向裂缝。2017年10月受降雨影响，此区域已经发生局部滑塌，说明此处已经处于不稳定状态，为了防止滑坡威胁路过车辆，在2017年12月15日对滑坡进行监测。

2.2 监测点布置

根据坡体变形特征在上边坡布置有JC01与JC02监测点，位于上边坡裂缝下方，在下边坡路基位置布置有JC03与JC04监测点(见图3)。

GNSS设备从2017年12月15日开始对滑坡位移进行监测，次年2月19日左侧发生滑塌，2号与3号设备停止运行。

2.3 监测成果分析

监测设备获得各点监测详细数据见表2及图4～5。在监测期间，1月24日山体发生落石造成JC01与JC04监测设备离线。在1月15日之前，JC02变形速率较为稳定，变形速率在6～10 mm/d之间，将1月15日之前确定为匀速变形阶段，通过计算得到匀速变形阶段的速率为6.81 mm/d。在1月15日之后，变形速率开始增加，在2月15日加速增加；JC03的变形速率在1月10日之前较为稳定，保持在2～3 mm/d，通过计算得到JC03匀速变形阶段的变形速率为2.44 mm/d。在1月10日到2月25日期间，变形速率从匀速增加逐渐变为加速增加，在2月15日之后迅速增加，上边坡变形速率大于下边坡。

图3 周至G108路段滑坡监测点示意Fig.3 Diagram of Zhouzhi landslide and monitoring pionts in G108 section

日期/(月-日)位移/mmJC02JC03变形速率/(mm·d-1)JC02JC0312-150012-2134.4611.446.362.1012-2771.5924.376.712.4101-05137.8046.939.152.1201-10181.5062.3310.713.3101-15206.1078.614.583.6601-20263.5099.6414.134.5701-25328.10124.5013.995.7701-30401.90153.4022.569.4202-05519.30201.3025.1110.7302-10652.90261.4041.5918.1102-15867.60363.4057.0629.6702-191386.00671.93329.9363.00

注：变形速率为当日变形速率。

从监测曲线可以看出，2月15日之后变形速率持续增长且增长幅度迅速变大(见图5)，由于变形速率过大使得前面的数据接近坐标轴。为了更好地对滑坡所处阶段进行定性评价，选取2月15日之前的数据作出JC02与JC03的速率比曲线图(见图6)，可以看出在1月15日之前，滑坡一直处于匀速变形状态，在1月15日到1月31日之间，变形速率稳定上涨，在2月5日速率比达到4，此时滑坡处于初始加速变形阶段；2月15日达到8，此阶段存在速率比突降的现象，是因为在下滑过程中遭遇锁固段并且快速突破锁固段造成的速率比剧烈波动，2月15日之后速率比大于8，可以认为滑坡进入临滑阶段。基于GNSS实时监测的特点，可利用瞬时变形速率对滑坡进行实时预报。

图4 JC02、JC03累计位移Fig.4 Accumulative displacement of JC02 and JC03

图5 JC02、JC03变形速率Fig.5 Deformation rate of JC02 and JC03

滑坡在临滑前5 d变形速率持续增大，具体数值见表3。在2月19日增至最大，由于GNSS监测系统具有无间断工作的特点，提出某时刻瞬时日位移的概念，目的是在临滑监测期间，更好地观测滑坡动态情况。

(3)

式中,Vdi为d日第i时刻的瞬时日变形速率；Sdi为d日第i时刻的累计位移；Sd0为d日0时刻的累计位移；di为i时刻之前的监测采集次数。

图6 JC02、JC03速率比(12月19日-2月15日)Fig.6 Deforration rate ratio of JC02 and JC03(12.19-2.15)

日期/(月-日)JC02JC03日期/(月-日)JC02JC0302-1557.05529.66702-18253.798143.16702-1677.81539.59202-19(4:30)671.990363.08502-17117.14060.874

本次GNSS最短监测间隔为1 h，2月15日变形速率突增，15日后采用具有淘汰机制的瞬时日变形速率进行分析。在15日和16日期间，监测点瞬时日变形速率变化平稳，表明虽然滑坡处于临滑阶段，但滑动趋势平稳。17日之后，滑坡瞬时日位移逐渐增大，18日瞬时日位移加速增大且不收敛，由此判断JC02与JC03监测的区域即将发生失稳。19日零点位移出现陡增的现象，最终此区域于19日04:30左右发生滑塌。由于预警发布及时，提前封闭道路，没有造成人员伤亡。

3 结 论

(1) 在监测期间，根据监测成果分析，周至滑坡在2017年12月15到2018年1月15日期间处于匀速变形阶段，上边坡变形速率为6.81 mm/d，下边坡变形速率为2.44 mm/d。1月15日到2月15日为加速变形阶段中的初加速变形阶段和匀加速变形阶段，2月15日之后进入临滑阶段，且临滑阶段历时短，发展迅速。

(2) 将速率比作为滑坡阶段定性判断的依据，能减小滑坡在不同地点由于变形速率的不同造成对滑坡位移阶段划分的差异，更好地定性评价和判断滑坡所处的阶段。

(3) 通过定性判断、定量评价对滑坡进行预警，提出瞬时日变形速率，利用GNSS监测间隔时间短的特点可以在临滑阶段全过程跟踪滑坡状态。在实际预报过程中，2月14日地表位移发生突变(定性阶段)，综合速率比定性分析，判断滑坡处于临滑阶段，15日采用瞬时日位移全过程跟踪预报，发现变形速率持续增加，18日加速增加，于18日上午判断滑坡即将失稳，最终19日04：30发生滑塌。验证了该方法的可行性与科学性，对滑坡的临滑预报具有一定的借鉴意义。

本文主要侧重于利用GNSS监测的特点对滑坡在临滑期间的实时位移监测数据进行分析，对滑坡本身的地质结构以及地层岩性尚未深入研究。此外，未来GNSS的监测间隔可达秒级别，意味着瞬时速率每隔几秒更新一次，即可以时刻反映滑坡的状态。在此基础上结合滑坡地质结构、地层岩性以及内在变形破坏模式，对于一些突发性滑坡的预警预报可能会有重大突破。