文冠谷堆积层滑坡预警监测

张 宇，刘 锴，邢仕文，曹小红，2

(1.新疆工程学院，乌鲁木齐 830000； 2.新疆地质灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830000)

0 引言

新疆地处亚欧大陆腹地，地质环境复杂，气候条件多样，地质灾害频发[1-2]。为有效应对新疆地区滑坡灾害，需要建立合理有效的边坡防护体系并开展预警监测意义重大。水的外动力地质作用是诱发该滑坡的主导因素，其他因素为次要因素，对滑坡因素进行监测对于减少损失、提升监测治理方案的有效性具有重要意义。通过布设钻孔倾斜仪和土压力传感器监测仪器，在降水量监测和冻土监测的基础上开展监测预警[3-5]。

以新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市文冠谷边坡监测为工程实例，对边坡地表位移、地下位移、地表水流速进行监测，并结合室内剪切试验、固结试验，分析边坡失稳原因，所得实验结果可以用来指导边坡防护设计。

文冠谷位于王家沟断裂的一条分断裂带上，该断裂带为近东西走向，位于一条斜坡之上，地表可以明显观察到断层造成的裂缝隙和地面沉降等现象。文冠谷地势狭窄，不利于使用全站仪等远程监测设施进行监测，故使用钻孔倾斜仪对边坡变形进行监测，可以探测边坡实时变形，并可以证实和确定正在发生位移的特征和部位。除了自然因素对边坡的影响，人工活动也对边坡的稳定性有着显著影响。2020年，有车辆在文冠谷北坡进行砂土开采。2021年，距离文冠谷大约500 m处进行了宿舍楼施工。这些工程活动对文冠谷内边坡的稳定性都产生了一定的影响。通过地表位移监测、地下变形监测、周边环境监测，对文冠谷内的边坡进行监测，结合其他单位的地质调查资料和气象资料，对地层岩性、地质构造、水文地质条件、工程活动对滑坡的影响进行分析，利用文冠谷附近的冻土观测站，分析冻土对边坡稳定性的影响。

1 工程地质背景

文冠谷堆积层滑坡位于新疆乌鲁木齐头屯河区新疆工程学院主校区东侧沟谷一带，滑坡点坐标N43°50′44″ E87°25′17″。乌鲁木齐地处中国西北地区，地势起伏悬殊，山地面积广大，三面环山，位于天山北麓(博格达峰)，是新疆新构造运动较为强烈的地区之一，含有新生代褶皱，多有地震发生，包含西山断层、白杨南沟断层、雅玛里克断层、九家湾断层、王家沟断层组等多条断层。文冠谷堆积层滑坡位于王家沟断裂带附近。王家沟断裂带错断了王家沟东岸的三级阶地和部分砾石台地，地表主要呈现出一些大断裂带、断层陡坎和挤压鼓包。由于断层多发易导致周边岩土体结构不稳定，常出现断层泥、断层角砾岩、破裂岩等，从而易导致滑坡发生，对周边居民、建筑工程都有影响。

研究区地段整体是由坡积或洪积-河床相发展的过程，其中有大面积的浅湖相或湖心相，存在小型裂隙，局部存在卸荷张拉节理，存在交错层理夹层。此新构造运动决定着外力过程的性质和强度，如在强烈抬升的高原和山岳地区，地形切割强，坡度大，所以常形成重力堆积物、山岳冰川堆积物和洪积物等。而在以沉降运动为主的平原和盆地地区，则以湖沼沉积物和冲积物等最为发育。

坡度在几何特征上会影响边坡的分布，坡度越陡，松散固体物质和碎屑颗粒越容易分布堆积。在对研究区周边地形地质勘察和查阅相应文献基础上发现，边坡坡度大于40°时，崩塌、滑坡、泥石流的发生频率较高；而坡度小于10°，边坡较平缓时，滑坡的发生频率相对减少。此地存在安全隐患，坡角都在34°～47°，坡角较大，边坡稳定性不太好。土体的冻胀融沉作用引起的路基裂缝。

文冠谷滑坡发生在2020年7月2日，滑坡在东西两向上展布，冲坏了周边格挡围栏向北爬高了约5 m,后携带着被破坏的草木植被以泥流形式向西运动，最终沿沟向西运动了150 m。在现场考察基础上，认为降水和人工灌溉是诱发滑坡的主要因素，滑坡土体以“气垫船”的方式发生活动。

对图1中土体取样进行固结、直剪试验，第一阶固结实验时，第一阶陡坎和第二阶陡坎较为明显，分别出现在施加压力为100 kPa和400 kPa时。在第二阶实验时，第二阶陡坎出现较为明显，施加压力为400 kPa时，第一阶陡坎并不明显，见图3、4。

图1 滑坡形状(镜头向南)Fig.1 Landslide shape(the lens to the south)

图2 滑坡上掉落的浇灌水管Fig.2 Water pipe that fell from a landslide

图3 第一次固结实验p-s曲线(横坐标为p压力、纵坐标为s位移，单位分别为kPa、mm)Fig.4 P-s curve of the first concretion experiment(x-coordinate p means pressure, y-axis s means kPa, mm)

根据实验数据分析，一次固结实验数据如图3所示，二次固结实验如图4所示。

图4 第二次固结实验p-s曲线(横坐标为p压力、纵坐标为s位移，单位分别为kPa、mm)Fig.4 P-s curve of the second concretion experiment(x-coordinate p means pressure, y-axis s means kPa, mm)

根据直剪试验所测得的剪切位移及仪器所固定不变的量力环校正系数C(C=10.075 kPa/0.01 mm)、环刀的横截面积A=32.2 m2。根据公式τ=CR,σ=P/A,P为所施加的法向应力，可以计算出对应的τ和σ的值，绘制图如图5。截距为内聚力c，斜率为tanφ，则可得出土样的内聚力c和土样颗粒的内摩擦角φ，绘制出表1。而已知土的内聚力和内摩擦角越大，则土的抗剪强度越高，即土坡越稳定。

表1 土样剪切试验数据分析Tab.1 Analysis of shear test data of soil samples

图5 边坡工程监测机制Fig.5 Slope engineering monitoring mechanism

2 边坡工程监测

为获取施工前后和施工期间边坡变形、力学性质、周边环境等信息，以指导施工、预报险情，需要对边坡的地表位移、地下变形和周边环境进行监测。若早冬时天气较暖或温度变化幅度大、冷暖交替频繁，土体冻结速度会变得缓慢，水分能够充分迁移到土体内部，使得冻胀量相对较大；若冬季温度较低、降温速度特别快，冻结速度也会变快，土体在较短时间内就能到达最大冻深处，水分无法充分快速地迁移，从而使得冻胀量变小。而冻结锋面较长时间地停留在一个地方时，会使水分向上移动并在这一位置处积聚形成聚冰层，使得该处的湿度较大，易超过液限。在春天融化期的降雨，上层部分融化的冰水不能及时快速排到外面，容易导致翻浆。

研究区每年在10月底至11月初进入冻结期，到第二年的3月底出现冻融情况仍然比较明显。而此过程将会持续5个月左右，已经近乎占到了全年的1/2。在天然条件下发现冻结层起初只是在地表形成，而后发现逐渐由地表向土体深部发展。现在发现的最大冻土层发育深度可达1.0～1.5 m。冻结期降水(雪)因气温持续处于过低的情况下从而不能融化，并且由于温度一直低于零下，也就是水体仍然处于冻结情况，则该冻土上的雪体在地表积蓄变厚，最大积雪厚20～30 cm。每年3月底和4月初进入冻融期，冻结层和积雪开始融化。冻融期一般不超过1个月[6]。

2.1 地表位移监测

进行地表位移监测前，需对边坡进行人工勘察，查明坡体是否存在地表裂缝、地面鼓胀等现象，边坡整平后需对滑坡填充段每日一检，防止填充土不密实造成的二次滑坡。地表位移的监测采用GPS法和位移计法相结合的方式，将遥感技术与地表接触监测相结合提高边坡地表位移监测的精确度。

进行GPS法边坡监测前需检查边坡周围是否有信号塔、高压电线等干扰信号的设施，经检查边坡附近并无干扰信号的设施。GPS法边坡监测使用南方测绘S86GPS接收机接收GPS卫星信号，以文冠谷西侧的蓄水池、实习工厂为基准点，在边坡坡脚10 m处布设一台GPS接收机全天候实时监测边坡地表位移情况，并将监测信息同步传导至计算机中。整理统计数据，绘制沉降量折线图。

坡顶处每间隔4 m设置一个滑线电阻式位移计，该位移计的优点在于适用于边坡表层的素填土，并可以测量土体各个方向的位移。滑线型需要较稳定的电源，可以将蓄水池处的电源与位移计相连通，位移计测量期间需要定期进行人工巡测，确保位移计性能完好。位移计测量间隔设置为24h一次监测，将所得数据导出、储存、打印，与GPS法测量相对照。

2.2 地下变形监测

地下变形监测设计使用钻孔倾斜仪监测和土压力传感器监测。

钻孔倾斜仪用来监测边坡地下倾斜状况，在文冠谷西侧第一个拱形骨架处，坡顶处打入3.5 m深、直径30 cm的钻孔，在钻孔内放置固定型钻孔倾斜仪，设置每隔8 h测量一次，通过测量时夹角的变化，绘制倾斜角度随时间变化的曲线。

布设土压力传感器用来监测地下应力情况。选用钢弦式土压力计，在边坡坡脚、边坡坡顶等容易产生应力集中的地点设置土压力计，监测期间根据边坡实际状况可以加设土压力计。土压力计埋设采用钻孔法，每个钻孔根据实际情况可放置多个土压力计。采用频率仪测得埋设土压力的频率数值，从而换算出土压力计所受的土压力大小，并绘制土压力变化过程曲线及随深度的分布曲线。

2.3 周边环境监测

周边环境监测主要侧重于降水量监测和冻土监测。在边坡坡顶放置3个雨量计，记录工程区域的雨量变化，绘制降水量随时间变化的曲线。利用边坡对坡已有的冻土观测站和冻融循环机，对边坡土体在冻融循环作用下的强度变化进行定期测试。

3 结语

针对文冠谷堆积层滑坡，在前期土体力学试验基础上，建立合理有效的边坡工程监测机制。通过对地表位移、地下形变及降水和冻土监测，对该滑坡进行监测，对减灾防灾具有重要意义。