滑坡地質災害牛頓力遠程監測預警系統及工程應用

鄒瑋昌 ZOU Wei-chang；屈李鵬 QU Li-peng；田程 TIAN Cheng

（核工業230研究所，長沙 410007）

0 引言

以信息技術的快速發展為支撐，滑坡地質災害的監測手段變得更加豐富，如GPS監測、無人機攝影監測等，但是這些監測手段采用的多是幾何監測、物理監測或者外部擾動因素監測的方式，這些因素僅僅是滑坡地質災害發生的必要條件，在缺乏充分條件的情況下，可能并不會引發災害。在監測信息真假難辨、預警成功率不高的情況下，很容易引發民眾恐慌。對此，基于“滑坡地質災害發生的充要條件是牛頓力變化”這一思想，提出了相應的牛頓力遠程監測預警系統。

1 滑坡地質災害分析

滑坡指存在于斜坡上的土體或者巖體，因為河流沖刷、雨水浸泡、地震、人為活動等因素，在重力作用下，沿軟弱帶或者軟弱面，分散或者整體向下滑動的一種自然現象。滑坡的誘發因素可以分為兩類，一類是自然因素，如降雨、地震、河水沖刷等，長時間連續降雨和短期強降雨是引發滑坡的最主要自然因素；另一類是人為因素，如邊坡開挖、亂砍濫伐、劈山采石等，其中，邊坡開挖是最主要人為因素[1]。

滑坡是一種會引發嚴重危害的地質災害，經常給工農業生產以及人民的生命財產安全帶來巨大損失。在農村地區，滑坡最主要的危害，是會摧毀農田、房舍，毀壞森林道路，威脅農業機械設施和水利水電設施的安全，甚至于可能給農村造成毀滅性災害。在城鎮地區，滑坡會掩埋房屋，摧毀學校、工廠，引發停水、停電、停工等問題。基于此，做好對于滑坡地質災害的分析和預警非常重要。

2 滑坡地質災害牛頓力遠程監測預警系統構建

2.1 系統原理

滑坡地質災害的基本原理，是滑體和主體部分脫離，于潛在滑動面上向下滑移，而在整個運動過程中，滑動面牛頓力的產生和變化，是導致滑坡地質災害發生的充分必要條件，牛頓力能夠直觀展示滑坡的實際運行情況[2]。在2008年，有相關研究人員結合相應的室內滑坡牛頓力監測預警模型，總結出了滑坡地質災害發生前后牛頓力的變化曲線，具體如圖1所示。

圖1 滑坡牛頓力變化曲線

滑坡的發展是一個非線性過程，牛頓力的整體變化經歷了三個不同階段：

第一階段是變形漸進階段，變形能在地質巖體中發生了積聚，引發了形變的情況，不過并沒有引發大規模的變形，屬于變形累積的過程，也是滑坡地質災害的“量變”階段。

第二階段是突變階段，巖體的牛頓力突降，引發了快速大規模變形，屬于滑坡地質災害的“質變”階段[3]。

第三階段是破壞運動階段，這一階段地質巖體結構發生破壞，沿著潛在滑動面滑動，滑動的過程契合牛頓運動定律。

從最初的變形階段到最終的運動階段，巖體呈現出的是一種非線性變形的狀態，沒有相應的力學理論依據能夠對其進行充分詮釋，這也是滑坡地質災害難以精準預警的主要原因。

對此，本文以不連續的地質巖體作為對象，將胡克變形定律和牛頓運動定律連接在一起，通過巖石力學的相關理論，很好地解決了滑坡地質災害牛頓力產生時間、災害突變前兆以及發生時間的問題進行了解決，可以提高滑坡地質災害預警的及時性和準確性[4]。

2.2 系統結構

對照滑坡地質災害監測預警系統的現實需求，以計算機技術和現代通信技術為支撐，提出了能夠對滑坡牛頓力變化情況進行遠程實時監測的預警系統，系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構

2.2.1 數據采集子系統

預警系統中的數據采集子系統包含了傳感裝置、供能裝置和防護裝置，其中，傳感裝置采用了三弦式靜態力學傳感器，能夠將自身承受的壓力引發的鋼弦振動頻率轉化為電信號，借助公式頻率值，還原出壓力數值。供能系統采用的是太陽能智能系統，即便是出現連續的陰雨天氣，也可以確保傳感器裝置的正常運轉。防護系統的主要功能，是對傳感器設備和供能裝置提供保護[5]。

2.2.2 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統實現了對于數據采集和傳輸功能的高度集成，采用了自研集成電路板，嵌入了相應的數據采集、數據存儲、數據發射模塊等，可以實現4組信息的同時發送。在預設條件下，傳感器可以進入到激發狀態并且產生反饋信號，經過整形后的信號會被傳輸到單片機，由單片機負責信號頻率的測量，測量的結果存放到RAM中。發射模塊從RAM中將信息提取出來，經GSM網傳輸到對應的信息中心或者終端。在一些常規通信手段無法發揮作用的場所，可以配合北斗微信通訊系統，實現數據的傳輸與監測。

2.2.3 數據處理子系統

數據處理子系統主要是由放置在室內環境下的監測系統終端完成，其能夠憑借相應的接收-處理軟件，完成和不同硬件設施的信息傳遞，可以將設備傳輸的監測數據存儲到數據庫中。實踐環節，可以針對每一個監測區域進行編號，然后依照ID編號進行獨立分析。系統設置四個不同等級的預警模式，分別為藍色、黃色、橙色和紅色，后期可以通過人工勘查的方式，對預警區域進行分析和評估[6]。

2.2.4 數據發布子系統

監測預警信息發布的及時性，會對災害預防、應急方案啟動、救災準備等工作的實施產生直接影響。在系統中，數據發布子系統采用了主從式網狀結構。用戶終端能夠結合授權賬號及密碼，實現對于監測信息的實時查詢、檢索和下載，可以切實保證數據發布的及時性。在配合互聯網技術、無線網絡技術等的基礎上，相關部門能夠很好地了解滑坡體的實時狀態和發展情況，確定好最佳的應對方案，對災害進行預警，以盡可能降低其所造成的損失。

2.3 關鍵技術

2.3.1 NPR錨索監測技術

NPR（Negative Poisson S ratio，負泊松比）錨索監測技術是滑坡地質災害牛頓力遠程監測預警實現的首要技術[5]。NPR錨索是一種基于滑坡地質災害中巖土體大幅度變形破壞而設計的錨索材料，兼具加固、監測、預警功能，其恒阻值為錨索材料屈服強度的91%±1%。在NPR錨索荷載達到設計荷載時，錨索上恒阻器可經恒阻體在套管內摩擦滑移，同時產生結構變形抵消荷載產生拉斷效應。NPR錨索監測技術主要是在構造邊坡滑動力預測證據推理模型中，以當前時刻NPR錨索傳感器采集滑動力監測值、當前時刻與歷史時刻邊坡滑動力監測值偏差為輸入值，以邊坡未來滑動力預測值為輸出變量，建立參考證據矩陣建模輸入變量、輸出變量之間映射。在獲取輸入變量樣本后，經參考證據矩陣獲取樣本激活證據，證據推理模型的輸出向量為：

式（1）中，t表示邊坡滑動力樣本采集時刻，采樣周期為30min，每30min采集一次，共采集T次（T＞0）；x1（t）表示t時NPR錨索傳感器采集滑動力監測值；x2（t）表示t時刻與t-1時刻NPR錨索傳感器采集滑動力監測值差值；x3（t）表示t時刻與t-2時刻NPR錨索傳感器采集滑動力監測值差值。

在證據推理模型內，經證據推理算法融合全部輸入變量樣本激活證據，x1（t）、x2（t）、x3（t）的參考值集合為：

式（2）中，Ai為樣本參考集合，Ai，j為輸入變量x1的第j個參考值；ji為最終輸入變量編號。在t=3、4、5時，在線獲取樣本向量X（t）計算輸出某一輸入變量xi（t）與參考值匹配度。

在確定輸入變量xi（t）與參考值完全匹配的情況下，輸入已獲取樣本，根據融合結果推算未來某一時刻邊坡滑動力預測結果。并判定預測結果是否達到報警閾值，若達到則發出警報。

2.3.2 雙體災變力學模型構建技術

雙體主要是在外力、內力作用下，沿滑動帶（或滑動面）產生相對運動的2個塊體。2個塊體的相對運動受牛頓力的直接影響，即雙體發生突變臨界狀態是牛頓力達到極大值后突然下降并發生加速運動[7]。基于此，雙體相對運動可視為作用于滑動帶（或滑動面）的牛頓力大小、方向合力，若牛頓力大于0且方向沿著滑動面向下，則發生滑坡地質災害，反之則邊坡處于相對穩定狀態。基于此，結合滑坡動力學特點，可以構建斷層雙體災變數學模型，具體如式（3）：

P為邊坡滑動面牛頓力，kN；M為NPR錨索擾動力，kN；k1、k2均為滑動系數，與滑動帶各土層內摩擦角加權平均值、滑動面與水平面夾角、滑動面各土層黏聚力加權平均值、滑動面的面積具有較大關系。

2.3.3 地表位移自動監測技術

地表位移自動監測技術是GNSS（Global Navigation Satellite System）技術與數據通信技術、計算機技術、數據處理與分析技術集成的結果，可以實時采集不穩定滑坡數據，并將其上傳到環境監控平臺，實現在線變形分析。位移監測組網為N+1靈活組網，一個基準站對應多個測量站，測量站數量在32個以內，適應山體滑坡漫長、位移趨勢不間斷觀測要求。測量期間綜合利用GPS全球衛星定位、北斗衛星導航、格洛納斯全球衛星導航與伽利略衛星導航、RTK載波相位差分定位技術，在同一時刻測量多點三維位移，為邊坡位移細微變化趨勢的精準判定提供依據。

2.4 預警模式

結合相應的監測原理以及現場監測信息，構建起了三種預警模式：

第一種是穩定模式，牛頓力監測曲線斜率為零，狀態整體穩定，曲線近似于水平線。額定模式下，牛頓力監測曲線和牛頓力預警值線不存在交點，地質巖體處于穩定狀態。

第二種是裂縫模式，牛頓力監測曲線斜率大于零，在發展中呈整體上升趨勢，又或者在較短的時間內出現了突然增長，曲線整體表現為跳躍或者陡增的趨勢，此時地質巖體的穩定狀態被打破，巖體結構的表面和內部會出現明顯裂縫，裂縫的尺寸與曲線的跳躍幅度成正比[8]。

第三種是滑移模式，牛頓力監測曲線斜率會在一個相對較短的時間內，產生從正到負的突然變化，這種變化可能是一次也可能是多次。滑移模式下，地質巖體基本已經脫離主體結構，滑動面已經形成，滑坡體也處理滑坡的臨界狀態，曲線斜率從正到負的轉折點，就是相應的預警點。

3 工程應用

3.1 工程概況

某石料加工廠所處區域降水集中在每年的5-9月份，年平均降水量達到了1100mm。2018年3月，在開采區域的頂部巖體產生了裂縫，裂縫整體長度較大，沿著邊坡朝下方蔓延。4月，在開采區域外某天然邊坡上，也出現了3道長度較大的裂縫。6月，距離開挖輪廓線外10m和20m高程位置，再次出現開裂的情況，而且伴隨著采掘工作的持續，裂縫不斷發展擴大。雖然加工廠現已進行了多次維護，但是實際效果并不十分理想。從保障采掘工作正常進行，維護員工生命財產安全的角度，引入了上文提到的監測預警系統來監測邊坡的狀態變化。

3.2 監測實施

相關技術人員需要綜合考慮加工廠所處區域的地形地貌特點，結合潛在滑動面的深度，做好監測點布設工作，一共設置了4個NPR牛頓力監測點，具體分布情況見圖3。

圖3 監測點分布

系統在實際運行中，針對監測區域發布了長期預警、中期預警和臨滑預警信息，做出了成功預警。這里選擇位于監測區域中心位置的3#監測點，對其牛頓力監測曲線（見圖4）進行分析。

圖4 牛頓力監測曲線

從2019年1月開始監測，在7月10號前，3#監測點的牛頓力監測曲線整體趨近于水平線，斜率基本為0。監測點位置的初始預應力數值約為124kN，數值的變化很小，基本處于安全預警閾值內，邊坡整體呈相對穩定安全的狀態。7月10號后，3#監測點的牛頓力監測曲線開始上升，表明邊坡巖體內部的牛頓力發生了較為顯著的變化，系統發出了相應的預警信息，加工廠組織專家進行了現場勘查，并沒有在邊坡上發現新的裂縫。經會議探討后，暫停了大型機械的采掘作業，并且在現有基礎上，適當提高了檢測頻率。7月24號17點07分，3#監測點牛頓力的增長累計達到了200kN，系統發布了黃色預警。次日上午再次組織現場勘查，發現在邊坡的坡頂位置，出現了長度約30m的大裂縫。7月27日凌晨4點15分，3#監測點牛頓力的增長累計超過400kN，監測曲線斜率出現轉折點，系統發布橙色預警。現場管理人員將所有大型采掘設備和施工人員全部撤離，啟動避險方案。當日14點48分，3#牛頓力監測曲線突然下降，曲線斜率小于0，系統發布臨滑預警。7月28日上午10點29分，邊坡出現了滑移解體的情況，經后續勘查確認，滑坡發生后，于后緣位置，產生了4m的高錯臺，碎石覆蓋了監測區域接近一半的面積，不過因為撤離及時，沒有出現人員傷亡以及設備損壞的情況。

3.3 總體應用

從系統研發成功并投入使用開始，其在全國二十多個示范區得到了使用，涉及的領域眾多，如交通工程、水利工程、工民建防護工程、文化遺產保護工程等。結果顯示，在監測點布設范圍內，一共發生了16次滑坡地質災害，系統全部實現了成功預警，所有災害無一人死亡，挽回的經濟損失達到數千萬元，有著非常顯著的經濟效益和社會效益。

在這些被準確預警的滑坡地質災害中，滑坡的類型多種多樣，包括了黃土邊坡、變質巖邊坡、沉積巖邊坡等，很好地對系統的原理依據，即“牛頓力突降、滑坡災害發生”進行了驗證。對照實踐數據，系統給出的滑坡臨滑預警時間最短為3.5h，最長為20h，其主要受滑坡規模的影響，規模越大預警時間越長。系統的有效應用，實現了對滑坡短臨預報難題的解決[9]。

4 結語

總而言之，滑坡地質災害會帶來巨大的人員傷亡和經濟損失，做好其監測預警工作非常必要。文章提出了一種滑坡地質災害牛頓力遠程監測預警系統，明確了“滑坡發生的充要條件是牛頓力”的學術思想，將牛頓力的變化作為了對滑坡進行監測預警的核心參數，并通過相應的室內試驗和工程實踐，對牛頓力突降、滑坡災害發生的規律進行了驗證。系統在投入使用后，實現了對多次滑坡地質災害的成功預警，很好地保障了人民群眾的生命財產安全，社會效益和經濟效益顯著。