土地复垦诱发边坡浅层岩体劣化全过程监测试验研究

陶志刚 王振雨 张海江 任番泉 张秀莲

(1.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083;2.自然资源部地质环境监测工程技术创新中心，河北 保定 071051;3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;4.浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江 绍兴 312000;5.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000;6.浙江省有色金属地质勘查局，浙江 绍兴 312000)

土地是人类赖以生存最根本的物质基础，我国地域辽阔，山区面积约664×104km2，约占国土总面积的69.1%。山区和丘陵地区土地资源稀缺，土地复垦已经成为土地资源再生的一种重要方式。边坡系统作为一种天然的力学系统，其变形、开裂、失稳是一个复杂且难以测量的天然力学过程，常因浅层滑坡灾害而造成严重的人员伤亡和土地资源损失。因此，针对高山和丘陵地区的滑坡开展有效的监测预警，对保障人民生命财产安全和防灾减灾有着重大意义。

影响滑坡稳定性的因素众多，例如地形地貌、地质构造、岩性、降雨等，但这些因素对滑坡稳定性的影响程度尚无法定量确定。如降雨是滑坡稳定性的重要影响因素，但降雨量与滑坡发生概率的关系以及降雨后多长时间会发生滑坡等依然充满不确定性[1-2]。近年来，随着计算机技术的发展，智能化、网络化、信息化的滑坡监测预警系统也随之诞生，滑坡监测逐渐由地面监测发展到天、空、地多空间监测，监测因素也由单一向多元化发展[3]。我国针对滑坡灾害防治积累了大量实践经验和理论成果[4-7]，例如，桂维振等[6]利用无线传感器网络实现了滑坡的远程智能化监测;PUGLISI等[8]基于GPS系统研发的监测系统具有连续测量地表变形及无线传输监测数据的功能;LI等[9]提出了离散小波变换(DWT)方法来评估GPS监测位移的准确性;邬凯等[10]针对山区公路边坡的特点，采用触发式位移计和容栅式雨量计为主要监测单元，对滑坡、崩塌进行了监测预警;CHEN等[11-12]提出了一种利用弹性波在土壤中的传播来关联坡面土壤水分变化和变形的新技术，确立临界变形波速，建立波速阈值用于滑坡的早期预警;2006年，何满潮院士[13-14]提出了“滑坡发生的充要条件是滑动力变化，并将其作为滑坡监测预警主要参数”的观点，并研发出基于传统锚索的边坡滑动力NPR监测预警系统;2010年，何满潮院士团队[15]研发出一种具有能量吸收特性的恒阻大变形锚索，并成功应用于矿山岩质滑坡大变形的全过程监测和临滑预警[16-19]。然而，目前针对滑坡灾害所采取的地表位移、裂缝等物理监测方法获得的参数只是滑坡发生的必要非充分条件[7]，很难实现临滑预警的准确预报，并且采用GPS系统时点位选择自由度较低，导致其应用的局限性较明显。针对常规小变形锚索无法适应岩土体大变形而常被拉断破坏造成锚索计等监测系统失效的问题，何满潮院士团队研发了具有大变形、可吸能的NPR锚索结构，有助于实现边坡破坏预警，以及解决监测突然中断等难题，但在松散堆积层发育的边坡浅层岩体稳定性监测方面的应用成果较少。

因此，本研究采用自主研发的边坡滑动力NPR锚索监测预警系统，在浙江新昌县陈家山村开展土地复垦诱发浅层岩体劣化全过程监测现场试验，探索利用该系统对松散堆积层发育的边坡浅层岩体进行稳定性监测的有效距离灵敏度，为类似边坡稳定性监测提供参考。

1 NPR锚索结构组成及其安装工艺

1.1 NPR锚索结构组成

2010年，针对常规小变形锚索无法承受露天矿山边坡岩体大变形破坏而发生拉断失效的问题，本研究课题组研发出了一种具有能量吸收特性的NPR锚索[18]，其结构如图1所示。

图1 恒阻大变形锚索结构Fig.1 Structure of NPR cable

NPR锚索[20-23]在普通锚索的基础上增加了恒阻器，利用5组锥形夹片将恒阻器和普通锚索束体进行连接。恒阻器使得普通锚索具有了一定的恒阻大变形功能，峰值恒阻力达850 kN，可抵抗岩土体最大变形量约2 m，恒阻器的恒阻值按照锚索束体屈服强度的90%～92%进行设计。

1.2 NPR锚索大变形能量吸收原理

NPR锚索是一种可伸缩的复合型结构锚索，其工作阻力来源于恒阻体与恒阻套管间相对滑动产生的摩擦力[24]。在边坡岩体变形过程中，锚索自由段产生拉力并作用在恒阻套管上，使得恒阻套管与恒阻体之间产生相对滑动，当拉力超过NPR锚索的设计恒阻力P0(等于恒阻体在套管内滑动的极限静摩擦力)时，恒阻体在恒阻套管内发生滑动。与传统的屈服概念不同，NPR锚索的屈服是由负泊松比结构元件间的滑移来完成，如图2所示，上图为岩体未变形时锚杆安装时的状态，下图为支护岩体充分变形后锚杆状态，即为“结构屈服”。边坡岩体大变形产生的载荷形成的变形能消耗在负泊松比元件间的摩擦滑移过程中，进而实现能量吸收。

图2 能量吸收原理Fig.2 Principle of energy absorption

1.3 NPR锚索现场施工工艺

NPR锚索通过以下施工工艺实现对潜在滑动面上滑动力的传导监测:①在被监测部位按照一定角度施工钻孔，当钻孔穿过潜在滑动面后继续钻进6～10 m，确保钻孔末端周围岩体稳定;②插入常规锚索束体，确保孔口外长度L≥2 m，对锚索锚固段进行注浆锚固;③在孔口处制作锚墩，确保锚墩外表面与钻孔轴线垂直;④安装恒阻器和高精度力学传感器，确保力学传感器牢牢固定在锚墩表面，恒阻器与传感器同轴，并压在传感器应变环上;⑤在恒阻器外端施加预应力，确保预应力值P≈0.4P0。

在边坡失稳破坏过程中，滑体推力对恒阻大变形锚索产生作用力，由于NPR锚索上具有预应力，安装在锚索末端的高精度力学传感器可以快速感知并测量出NPR锚索轴力，然后通过相关计算力学模型[8]，并结合边坡破坏模式，计算潜在滑动面上的滑动力。

NPR锚索现场监测点设备安装如图3所示。

图3 现场监测设备安装Fig.3 On-site installation of monitoring equipment

2 研究区区域地质条件

研究区位于新昌县澄潭镇陈家山村东北侧，于1984年首次发现滑动变形迹象。自从在坡脚进行工业园区开发以来，陆续在坡体出现裂缝、台阶错落、地面隆起、地面塌陷等变形迹象(图4)，主要表现为坡体上民房开裂、水库堤坝位移下陷、部分田块塌陷和厂区局部道路开裂、隆起等特征。该滑坡未发生过大规模速滑运动，但长期以来一直有蠕滑现象，直接威胁着陈家山村居民222人的生命财产安全，以及滑坡前缘处4家园区企业及其员工的生命财产安全。

图4 坡体变形特征Fig.4 Slope deformation characteristics

2.1 地形地貌

根据地形地势变化特征，研究区玄武岩台地区地貌可以细分为玄武岩台地区、玄武岩台地边缘区和玄武岩台地前缘区。根据地形地貌特征，研究区所处的地貌单元属玄武岩台地前缘地带(图5)。区内玄武岩台地次级平台最高处位于小坑岭水库周边，高程约210 m，最低处位于下陈家山村，高程约140 m，原始地形较平缓，坡度为6°～12°，村落以下转折过渡带坡度较陡，坡度为20°～23°;下部玄武岩台地前缘斜坡地带坡度约12°，总体呈上缓—中陡—下缓的地形特征，地势最低处位于蛟澄线，高程约45 m，地形总体起伏转折大。

图5 研究区滑坡地理位置Fig.5 Geographical location of landslide area in the study area

2.2 地层岩性

研究区域地层岩性由老至新依次包含白垩系下统馆头组砂岩砂砾岩、第三系上新统嵊县组玄武岩夹河湖相沉积层、第四系含碎(块)石粉质黏土松散堆积层。白垩系下统馆头组分布于整个玄武岩台地前缘地带，组成了研究区稳定的原始基底(图6(a))。第三系上新统嵊县组主要分布于勘查区西部、西南部及陈家山村区域，不整合覆盖于馆头组之上，主要岩性为橄榄玄武岩(图6(b))，该层下卧间夹黏性土沉积层。第四系松散堆积层岩性为软塑—硬可塑状浅黄、黄褐色含碎(块)石粉质黏土，碎石成分主要为玄武岩、酸性熔岩、砂砾岩，与粉质黏土混合，结构松散。

图6 研究区地层岩性Fig.6 Stratigraphic lithology of the study area

2.3 地质构造

研究区位于丽水—余姚深断裂带西侧、嵊州—新昌白垩系火山构造洼地的中南部。区内褶皱构造不发育，断裂构造以NE向为主，次为NW向及近EW向，并集中分布于火山洼地的边缘及外侧，洼地内部断裂构造极少见。区内未见断裂分布，地层产状平缓，微向北倾，倾角为10°～15°。岩石中节理裂隙不太发育，仅在第三系嵊县组的橄榄玄武岩中柱状节理较发育。区内新构造运动的主要表现形式为地壳的升降运动，活动断裂在本区不明显。一般地震的震级小于4.75级，地震基本烈度小于Ⅵ度。

2.4 水文地质特征

根据含水层性质、埋藏条件和径流排泄方式，研究区地下水类型可分为松散岩层孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。松散岩类孔隙潜水的含水层为崩坡积层和残坡积层，为弱含水层，连通性差，主要接受大气降雨补给，受季节影响，水位变化较大，沿地势低洼或沟谷处排泄，在低洼处形成多处水塘。基岩裂隙水主要分为粉砂岩基岩裂隙水和玄武岩孔隙裂隙水，其中粉砂岩基岩裂隙水含水层组由白垩系下统沉积岩为主的沉积碎屑岩组成，富水性贫乏，为相对隔水层。玄武岩孔隙裂隙水主要为嵊县组玄武岩夹沉积层孔隙潜水—弱承压水，地下水位总体变化不大但水位变化随降水量变化明显。

2.5 工程地质条件

根据地层时代、岩性和岩土体特征，在勘探深度内主要划分为含碎(块)石粉质黏土、含块(碎)石粉质黏土、含碎(块)石粉质黏土、含砾粉质黏土、强风化砂岩、中风化砂岩(图7)。

图7 边坡断面特征Fig.7 Characteristics of slope profile

3 土地复垦诱发边坡浅层岩体劣化监测现场试验

3.1 监测点设计及监测设备安装与调试

3.1.1 边坡滑动力NPR锚索监测预警现场装备

边坡滑动力NPR锚索监测预警系统主要包括力学传感器、数据采集模板、数据发射模板(基于物联网传输)、NPR锚索、北斗卫星发射系统、太阳能供电系统、点—面状灾害信息集中采集和传输系统，现场设备组成如图8所示。

图8 边坡滑动力NPR锚索监测预警系统现场设备组成Fig.8 Field equipment composition of NPR anchor cable monitoring and early warning system for slope sliding force

3.1.2 研究区监测点位设计

研究区滑坡体呈椭圆形，长约300 m，高差约30 m。根据区内地层岩性特征和智能监测仪器监测的灵敏度，在研究区共设计2个监测点，其中XC-1点位于陈家山下方水田旱地区域，高程约140 m，监测点间距约80 m。2019年7月21日—8月22日，XC-1点现场安装和调试。监测点钻孔深度约52 m，其中锚固段16m，自由段36m，钻孔与水平面的夹角为25°。XC-2点钻孔深度约 44 m，其中锚固段15 m，自由段29 m，钻孔与水平面的夹角为25°。现场监测点纵断面如图9所示。

图9 现场监测点外观及其断面Fig.9 Appearance and profile of site monitoring point

3.2 土地复垦方案

为提高工作效率，节省人力、物力，并确保试验过程的安全性，试验采用挖掘机开挖方式进行，这也是土地复垦中最常用的方式，开挖方案如图10(a)所示。为保证开挖过程中的安全性，采取区域I、区域Ⅱ、区域Ⅲ的开挖顺序，且每个区域由西向东逐次开挖，开挖过程中连续对深部滑动力和监测点处的表层破坏特征进行监测与记录。开挖前坡体表层被植被覆盖，无明显滑坡现象，根据监测点数据可知，深部滑动力变化幅度不大，故滑坡体处于相对稳定状态。开挖后坡体表层裸露，如图10(b)所示，开挖区域呈阶梯状，根据监测数据可推测在整个土地复垦过程中，由于开挖导致的边坡变形引起了深部滑动力变化。

图10 土地复垦方案Fig.10 Land reclamation plan

3.3 土地复垦诱发浅层岩体劣化全过程监测预警分析

3.3.1 滑动力智能监测数据分析系统

滑动力监测数据分析系统集数据采集、数据分析、实时监测、有效预警于一体。系统主要包括数据接收设备、数据处理软件系统和数据显示系统。滑动力监测数据分析系统将接收设备传来的数据存入数据库，进行分类汇总和计算处理，可随时进行查询和检索。监测区边坡稳定性演变特征也可以通过Internet网及时发布，任何经过授权的用户终端都可以利用授权账号和密码实时查询、检索、下载监测信息，及时掌握滑坡体稳定状态及演变特征，从而便于进行科学决策，及时制定防治对策和发出预警信号，也可通过多源系统云服务平台[25]进行及时监控。

3.3.2 浅层岩体劣化全过程监测曲线

本次试验采用北斗卫星通信系统搭建了数据无线传输网络，不受空间距离限制，实现了数据的无盲区传输。2019年8月22日—10月15日，XC-1监测点以1次/h的采集频率持续记录滑动力大小，并将采集的数据实时传输给远程数据处理系统，实时绘制的下滑力—时间监测预警曲线如图11所示。2019年9月21—25日，采取了沿研究区自然坡度角由西向东、分区域集中开挖方案，方案实施过程中通过人工清除已开挖台阶上残留的树根并及时撒石灰粉进行消毒，开挖后的梯田台阶宽度为4～5 m。

图11 下滑力—时间监测预警曲线Fig.11 Slip force-time monitoring and warning curve

3.3.3 监测结果与分析

滑坡的发生需经历能量积累、能量释放、二次平衡等复杂的力学过程，在不同阶段滑坡体的变形也会不断变化。本研究土地复垦过程中采用现场标记法，记录土地复垦机械开挖点与监测点的时空特征，分析边坡浅层岩体劣化变形特征与滑动力监测曲线演变特征的相关关系，揭示该系统对陈家山村特定地质条件边坡稳定性的监测灵敏度。

试验主要分为以下几个阶段:

(1)A点之前(2019年6月25日—8月23日)。通过边坡地质调查，确定关键监测点位，采用精细化钻孔和高压注浆方式，安装NPR锚索及滑动力监测预警系统并进行调试，确保NPR锚索穿过多级滑动面，锚固在相对稳定的滑床基岩内。

(2)A～B段(2019年8月23日11∶23—2019年9月26日16∶11)，试验前监测阶段。滑动力曲线数值波动范围为0～50 kN，由于8月份降雨量大幅度增加，可推测对滑坡区产生一定影响，进而导致滑动力曲线有一定的波动，滑坡体处于相对稳定状态。

(3)B～C段(2019年9月26日16∶11—2019年9月26日17∶06)，突发变形阶段。滑动力曲线出现首次突降，突降量约28 kN，此时开挖点距离监测点约35 m，经现场勘查，地表无明显裂缝。

(4)C～D段(2019年9月26日17∶06—2019年9月27日7∶15)，扰动诱发边坡变形的积累阶段。随着开挖的进行，滑动力曲线有上升的趋势，根据“滑动力上升，裂缝产生，滑动力突降，滑坡产生”的一般规律，经现场勘查，发现多条细微裂缝，裂缝长约150 cm，裂缝走向345°，裂缝平均宽度为5 mm，如图12(a)所示。

图12 现场变形特征Fig.12 Deformation characteristics on site

(5)D～E段(2019年9月27日7∶15—8∶15)，边坡浅层岩体破坏阶段。滑动力曲线再次突降，突降量约为94 kN，此时开挖点距离监测点约10 m，浅层岩体出现略微滑动。

(6)E～F段(2019年9月27日8∶15—8∶50)，二次平衡阶段。滑动力监测曲线较为平稳，此时开挖点远离监测点，监测范围内无明显变形等破坏特征产生。

(7)F～G段(2019年9月29日8∶50—9∶45)，第3次变形破裂阶段。滑动力监测曲线第3次突降，滑动力突降量约20 kN，开挖点距监测点最近，监测点周围留有一定较为松散土体，如图12(b)所示，且伴随着小型滑坡产生。

(8)G～H段(2019年9月29日9∶45—10月14日19∶44)，整体平衡阶段。滑动力监测曲线之后趋于平稳，土地复垦工作基本完成，监测点保留。

4 结 论

(1)通过现场人工开挖试验，结合现场破坏现象以及滑动力曲线形式，验证了边坡滑动力NPR锚索结构可通过自身特点实现负泊松比效应从而忍受大变形，并具有能量吸收特性。

(2)针对陈家山村松散堆积层发育的边坡类型，在土地复垦开挖扰动作用下，滑动力监测曲线并未出现类似岩质边坡失稳破坏所呈现的缓升型“不稳定模式”和突升型“裂缝模式”，而是随着机械开挖点距离监测点越来越近，滑动力监测曲线呈阶梯式突降型“多次滑移模式”，揭示了该系统针对松散堆积层发育的边坡类型，其设备的有效距离监测灵敏度约为35 m。

(3)通过分析边坡浅层岩体劣化变形特征与滑动力监测曲线演变特征的相关关系，分析了该系统对陈家山村特定地质条件边坡稳定性的监测灵敏度和临滑预警时间，为类似边坡的安全监测和临滑预警奠定了理论基础。