1.3 研究历史与现状
1.3.1 水库型滑坡
(1)研究简史。
自1961年湖南柘溪塘岩光滑坡发生以来,特别是1963年意大利瓦依昂水库发生特大水库滑坡灾难以来,全世界开始关注和重视水库型滑坡,加强了水库型滑坡的调查、机理研究、预测预报研究。瓦依昂滑坡发生以来,欧洲和美洲的许多高校和研究机构一直没有停顿地研究该滑坡的地质结构、诱发机理、形成历史等。国内许多学者也致力于水库蓄水对滑坡的影响研究。长江三峡工程自1956年开始勘探的初期,就注意到了库岸稳定性问题的重要性,从长江三峡工程水库岸坡稳定研究历史可以见证大型特大型水库工程对水库型滑坡的重视。
三峡工程水库岸坡稳定研究大致可分为六个阶段。
1)第一阶段从1957—1965年,早期的研究主要在地矿部系统进行,偏重于库区的工程地质测绘和对已发现的个别滑坡进行调查,虽不够深入和全面,但已注意到建库前后库区岸坡可能存在的一些问题。随后长江委、中科院、交通部等单位也参与了库区工作。例如王士天1958年对碚石至重庆的塌岸工程地质进行过调查;胡海涛、刘广润最早(1959年)论述了三峡水库工程地质条件,并把库岸再造作为重要的工程地质问题之一提了出来;地质部三峡大队在1959年和北京地质学院的师生联合组队,对水库干流和主要支流进行过库岸稳定性调查,编写了1:10万三峡水库工程地质测绘报告。在此之后至1975年还进行过几次类似的调查。
2)第二阶段是从1965—1980年,在初期的调查之后,就开始了近坝地段的个别重点滑坡崩塌的调研工作:1965年地质部三峡工作处对链子崖进行了1:2000的工程地质测绘;1968年开展了长期监测和勘探试验工作,与此同时,水电部长办也开始了对新摊滑坡1:2000的工程地质测绘,随后也逐渐进行了一些勘探、试验研究与观测(1977年)工作。这一阶段主要的研究重点集中在新滩与链子崖两处,做了较深入的工作,为新滩滑坡的复活滑动准确预报打下了良好的基础。除此以外,库区其余地段的研究工作也开展起来,发现了数十处滑坡与崩塌。但对多数的滑坡与崩塌的认识还不深入,主要是调查了解地质背景、滑坡地形地貌、结构与性状等,对滑坡的形成机制和稳定性评价,还没有做深入的工作。
3)第三阶段是1980—1986年,随着改革开放政策的实施,国家建设对能源的需求增长,三峡工程逐渐提到议事日程上来,对三峡库区的研究也活跃起来。同时更由于这一时期在这个区域发生了一系列重大的崩塌、滑坡事件,加深了人们对库区环境地质问题及其重要性的认识。例如1980年盐池河崩塌造成了严重的生命和财产损失。1982年7月川东地区暴雨,造成鸡扒子等大型滑坡复活,严重妨碍长江航运。1985年6月新滩滑坡重新大滑动摧毁了新滩镇,对航运造成威胁,以及黄蜡石滑坡开始出现活动等。这一系列事件促进了各单位对库区勘探研究工作的深入,加深了人们对三峡库区环境地质问题的重视。地矿部各单位、长江委、湖北岩崩调查处等单位不仅对新滩、链子崖、鸡扒子和黄蜡石滑坡进行了测绘、勘探、监测等较探入的工作,而且在总结鸡扒子、新滩滑坡的勘探研究成果基础上同时对库区的调查工作也更深入、更广泛,对许多滑坡的发生、变形、破坏机理有了进一步的认识了解,进行了稳定性评价。其中尤其对新滩滑坡、鸡扒子滑坡研究有较深入的进展,同时对库区的许多大中型滑坡的发现数量不断增多,认识有了深化。反映这一阶段各单位工作的总结性文献有:长江委1985年《长江三峡水利枢纽初步设计阶段工程地质勘察报告》的库岸稳定性评价,指出在库区干流河段发现一定规模滑坡崩塌66处,其中规模大于1×106m3的崩塌滑坡有33处,内有崩塌危岩体11处,滑坡22处,主要分布在庙河至云阳间,而地矿部门则在庙河至重庆592km库段内发现岩崩滑坡203处,其中大于10×106m3的崩塌滑坡30处,1~10×106m3的崩塌滑坡65处;1986年长办三峡大队和勘测科研所的《长江三峡水利枢纽库岸稳定性研究》,统计了长寿以下干流库岸有一定规模的危岩和滑坡173处;1987年地矿部水文地质工程地质司《长江三峡工程前期阶段库岸稳定性研究报告》,系统总结了该部门的研究成果,是以前研究报告中最全面、最深入的总结,该报告研究表明在三斗坪至江津间690km干流两侧岸坡已发现41处不同规模滑坡,崩塌体277处,总方量达18亿m3。以上这些数据反映了这一阶段各单位调研工作蓬勃的进展和丰硕的成果。
鸡扒子滑坡的研究方法是基本正确的,特别是其地质力学模型模拟是很成功的,在降雨入渗加载时抓住雨水入渗抬高地下水位的实质,简化和跳过了模型材料渗流相似的难点,是值得借鉴和学习的。滑坡机理的研究结论是基本可靠的。但是,研究中关于洪水(汛期江水抬高38m)对滑坡的作用研究不够透彻,且缺乏与地质力学模型模拟成果对比的滑坡变形破坏数值分析成果。
4)第四阶段是“七五”期间(1986—1990年)国家把库岸稳定性作为长江三峡工程重点攻关课题之一,这是一个新阶段,其特点是对三峡库区整个库岸稳定性和大型滑坡进行全面和重点相结合的研究和稳定性评价,对岸坡的变形破坏机制进行深入的理论分析探讨。
《三峡工程库区顺层岸坡研究》是国家“七五”攻关课题研究成果,是对三峡库区一类潜在危险性最大的岸坡——顺层岸坡的变形破坏机制及稳定性研究评价的专著。以顺层岸坡的地质环境为出发点,着重从古今气候环境、河谷地文史、内外动力因素、边坡岩体结构与软弱矿物物理力学性质等方面阐明岸坡变形破坏机理。从野外调研实例出发,总结出顺层岸坡的多种变形破坏模式,进行了变形破坏与时效机制、地质力学模拟实验与数值分析,对重点研究段边坡进行了包括极限平衡、敏感因素、破坏概率、板裂介质力学等多种方法的稳定性评价,对变形破坏后的滑速滑程进行了研究与预测。最后对顺层岸坡段用自然坡危险与自然概率法等进行了研究与预测。其中,典型靠椅状顺层岩质滑坡研究案例有奉节安坪岸坡段岸坡(潜在滑坡,包括藕塘滑坡)、奉节百换坪滑坡、云阳旧县坪滑坡、高坪滑坡、故陵滑坡等。
著者认为,《三峡工程库区顺层岸坡研究》代表了20世纪90年代国内外滑坡研究的最高水平,以岸坡地质结构分析为基础,使用了当时最为先进和前沿的一些数学分析方法与物理模型模拟手段,也是三峡库区顺层岸坡滑坡研究的集大成和里程碑。但是,在滑坡影响因素研究上,深入不够,如成灾降雨过程研究仅以统计方法为主,未考虑滑坡入渗条件;限于当时计算机发展水平,缺乏对于降雨与库水耦合条件下滑坡变形破坏数值模拟;所作岸坡物理模型模拟未能模拟实际降雨与库水作用边界条件,缺少对于典型滑坡的物理模型模拟;缺乏对于典型滑坡的变形破坏综合机理研究;对于特大型靠椅状顺层岩质滑坡的空间预测模型研究不够深入和系统。
5)第五阶段“八五”期间(1991—1995年),国家重点科技攻关项目中的三峡工程重大技术问题研究,仍将库区地质与库岸稳定列为课题,解决了“七五”科技攻关中的遗留问题,开展了长江三峡工程地壳稳定性与库水诱发地震等问题的研究,特别是针对链子崖危岩体和新滩滑坡开展了长江三峡工程库区重大危险性崩塌滑坡监测方法与预报判据研究,取得了一些新的成果。
6)第六阶段(2000—2012年)国土资源部环境司、国科司结合三峡水库分期蓄水,分别启动了“长江三峡库区崩滑地质灾害监测工程试验(示范)区”(国科司1999年项目)、国土资源部2000年科技专项计划“长江三峡库区地质灾害监测与预报”(国科司2000年项目)、国土资源部环境司2003年启动“三峡库区滑坡塌岸防治专题研究”(环境司2003年项目)、国土资源部2009年启动“三峡库区三期地质灾害防治重大科学研究项目”。
(2)水库型滑坡分类研究。
描述滑坡的术语和滑坡分类体系在工程地质和岩土工程学科中略有不同。由于研究领域关心的问题各不相同,所采用的描述滑坡的术语各具特色。国际工程地质与环境协会(IAEG 1990)和联合国教科文组织世界滑坡目录工作组(WP/WLI)提出了一套描述滑坡的标准术语,后被广泛采用。
关于滑坡的分类,工程地质中应用最广泛的是Varnes(1978年)和Hutchinson(1988年)的分类体系,后来,Cruden和Varnes(1996年)又对Varnes分类体系作了修正。岩土工程中,Terzaghi(1950年)建议采用一套考虑各种滑坡因素的分类体系,Morgenstern(1992年)提出了一套“面向问题的分类方法”。
刘广润、晏鄂川等(2002年)在广泛查阅和总结国内外滑坡分类基础上,以滑坡监测预报与防治为目的,遵从滑坡活动各要素的地位与作用,根据分类体系的完备性需要,建立了具有层次系统性的综合性滑坡分类体系,并将该滑坡分类体系应用于三峡库区常见多发型滑坡地质模型的建立。该分类体系将滑坡体按类、型、式、性或期进行分类。其中滑体组构按“类”进行分类,动力成因按“型”进行分类,变形运动特征按“式”进行分类,发育阶段按“性”或“期”进行分类。采用该滑坡分类体系进行分类,可以对滑坡有一个基本的认识。如三峡库区八字门滑坡的滑坡类型为复活性牵引式水库型土质岩床类滑坡。
按滑坡形成历史分类,水库型滑坡最有意义的两大类是水库复活型滑坡和水库新生型滑坡。水库复活型滑坡易于引起关注,而水库新生型滑坡则具有一定的隐蔽型和突发性,容易被疏漏。
(3)水库型滑坡影响因素研究。
1)水库蓄水对滑坡的影响。许多学者对水库诱发滑坡做了较深入的研究,水库蓄水对滑坡的诱发作用已得到普遍的认同。
水库蓄水后,随着水位的上升,周围的地下水位也随之上升,使地下水和库水共同作用于岩土体介质中和岸坡表面,对岩土体产生物理、化学和力学的作用。物理作用主要是软化和泥化岩土体中断层带物质和软弱夹层物质,从而使岩土体的强度降低;化学作用主要是通过水岩土体离子交换、溶解、水化等作用来改变岩土体的结构而降低其强度;力学作用主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力改变水对岩土体的作用,孔隙静水压力减小岩土体中法向应力而降低岩土体强度,孔隙动水压力对岩土体产生推力而降低岸坡的稳定系数;水库蓄水后,岸坡土体饱和度增加,基质吸力降低至消失,土体强度降低,从而诱发岸坡失稳。
尽管如此,目前水库诱发滑坡作用机制的研究,无论是数值模拟、物理实验验证都存在较大的研究空间。
2)水库诱发地震及其对滑坡的影响。水库诱发地震最早发现于希腊的马拉松水库,伴随该水库蓄水,1931年库区就产生了频繁的地震活动。1935年美国的胡佛坝截流蓄水,1936年9月库区产生频繁的地震活动,主要震级达5级,地震活动一直持续到70年代。最早发生震级大于6级的水库诱发地震是我国的新丰江水库的6.1级地震(1962年3月19日),强震区房屋严重破坏几千间,死伤数人,水库边坡发生地裂崩塌和滑坡,大坝右侧坝体发生裂缝。到1995年我国已经有19座水库发生了诱发地震。
三峡水库诱发地震问题一直是人们关注的问题,经过多年论证认为,从三峡工程所处的地质环境分析,不排除局部地段产生水库诱发地震的可能,从最不利的情况分析,即使在距坝趾最近的九湾溪断裂处产生较强的水库诱发地震,影响到坝区的地震烈度也不超过6度。坝址区基本烈度为6度,设计烈度为7度。
研究表明,三峡水库诱发地震对库区内滑坡影响不大。
3)降雨对滑坡的影响。滑坡是一种最常见的地质灾害,对国民经济建设及人民生命财产具有巨大的影响。孙广忠在《中国典型滑坡》一书中列举了90多个滑坡实例,表明95%以上的滑坡与水直接有关,其中相当部分发生在雨季,直接起因于雨季渗流荷载。降雨诱发滑坡存在暴雨诱发、久雨诱发两种。玉皇观、草街子、安乐寺、太白崖、鸡扒子是暴雨诱发滑坡,其中鸡扒子滑坡是典型的暴雨诱发滑坡,由“82.7”大暴雨造成。黄腊石的石榴树包、陈家吊崖、桃园、猫须子、新滩、龙王庙等是久雨诱发滑坡,其中新滩滑坡是典型的久雨诱发滑坡。
在三峡水库未蓄水以前,地下水补给来源主要是降雨。三峡库区是多暴雨的地区,历史上曾经发生过著名的“35.7”大暴雨和“82.7”暴雨,近期的“82.7”暴雨由三次强暴雨过程组成,使库区发生大量滑坡。
吴宏伟(1999年)针对香港地区一种典型非饱和土斜坡和香港地区降雨的特点,用有限元法模拟雨水入渗引起的土坡暂态渗流场,分析降雨强度、降雨持时、雨型及土体渗透特性、坡面防渗及阻水层埋藏条件等因素对暂态渗流场的影响,并用极限平衡法研究斜坡安全系数对上述影响因素的敏感性。香港公路以及许多工业及民用建筑均紧贴山脚,每年雨季都有滑坡造成的灾害,防不胜防。为此,香港土木工程署在香港全境内有滑坡危险的地区布置了50多个自记雨量站,当日降雨量超过50mm即自动报警,组织人员撤退,以减少伤亡损失。滑坡多发生在雨季当然是水对边坡的作用,但如何认识降雨对边坡的不利作用有待深入的研究。
经过长期的实践,人们已初步认识到降雨对滑坡变形及稳定具有极为不利的影响,具体表现在以下两方面。一是力的作用:当降雨入渗补给地下水时,将使地下水位抬高,顺滑坡方向的渗透力增大;当降雨入渗在浅层形成滞水时,将使非饱和带土层的含水量增加,加大该土层的湿容重,使自重荷载增加,同时使非饱和带负孔隙水压力减小;当降雨在地表形成坡面径流时,会对坡面形成冲刷力及动水压力。上述各种力的增加,对滑坡稳定及变形均属不利因素。二是对强度的影响:滑体及滑带在入渗水的物理及化学作用下均会使其抗剪强度降低;非饱和带负孔隙水压力减小也将使其抗剪强度大幅度的降低。
要想定量分析上述降雨对滑坡的影响及其处理措施的效果必须搞清两方面的问题,一是降雨—入渗—坡面产流的定量计算问题,二是水对滑坡的作用问题。对第一个问题,目前在这方面的研究尚停留在实时监测工作和数值模拟研究阶段,同时也见到一些野外现场人工降雨入渗实验的报道。实时监测及野外实验由于受条件的限制,只能进行给定条件下的研究。在数值模拟时,大多将降雨入渗与坡面产流分开考虑,在进行降雨入渗数值模拟时常将坡面当作已知入渗流量的边界。由于影响滑坡降雨入渗及坡面产流的因素较多,如坡面形态及植被情况、土的入渗能力及其分布、土的初始饱和度、降雨强度与降雨持时曲线等,这种做法与实际相差较大,致使数值模拟方法的应用受到限制。有关水对滑坡的作用问题,目前尚停留在水对岩土力学性质影响的实验研究及降雨入渗对滑坡影响的数值模拟阶段,尚缺乏大型结构模型试验的验证。
从现有的资料中可知,众多的研究者从降雨与滑坡发生的数量,利用数理统计原理,导求降雨过程(暴雨或久雨)的阈值或称临界线,一般都提出了各自的结论。多数研究者将降雨过程的强度、历时与滑坡发生的次数作为变量进行研究,没有与滑体的入渗特性、强度特性相结合,因而,其成果尚无法达到实用的程度。
目前降雨入渗的研究一般假定为无限平面的垂直一维入渗。针对土壤及土质滑坡的降雨入渗的研究成果较多。由于裂隙岩体的多样性,针对裂隙岩体入渗的研究困难较大,其成果较少。降雨入渗的研究涉及到含水率、基质势、饱和渗透系数等参数的确定。经验解答的使用也较多,如美国农业部推荐Holtan经验公式。无论何种解答,均需依据对研究对象的实验寻求降雨入渗的参数和经验常数。目前在三峡库区尚无可供实用的降雨入渗成果。
降雨入渗是渗流分析的基本条件。只有了解到入渗特性后,对滑坡降雨过程的雨型研究才具有实际意义。
1.3.2 特大顺层岩质水库滑坡研究现状
1963年10月意大利瓦依昂滑坡的发生,启动和推动了世界滑坡及水库滑坡的研究,瓦依昂水库滑坡事件是滑坡研究史上的重要里程碑。
自意大利瓦依昂水库近坝左岸巨型顺层滑坡发生以来,国内外众多学者就开始对顺层滑坡的成因条件、发育分布特征、影响因素、破坏模式、力学模型、稳定性评价、变形特征以及运动学特征进行研究(见图1.4)。
图1.4 瓦依昂水库滑坡典型剖面图
在滑坡启动和高速滑动机理方面,Skempton.A.W (1966年)从滑坡岩体的力学性质方面进行了研究,认为是岩体的残余强度太低造成,Muller(1968年)提出触变液化的观点,L.G.Bellon和R.Stefani(1987年)则认为:在滑坡稳定性分析过程中应该充分考虑孔隙水压力。
在滑坡空间预测方面,E.Semenza(1959年、1960年)通过现场地质调查就认识到了瓦依昂岸坡是一个巨型古滑坡,并提出了滑坡地质模型,但未受到重视,并且E.Semenza认为工程建设的前期地质工作的不充分为滑坡灾害的发生留下了隐患。
在滑坡变形破坏过程及机制方面,D.N.Petley和D.J.Petley(2006年)重新分析研究了瓦依昂滑坡1960—1963年四年的位移监测数据,通过1/velocity—time关系分析,发现滑坡变形机制的转变关系,1960—1962年滑坡为塑延性变形机制,1963年为脆性变形破坏。多数学者认为,对于瓦依昂滑坡的空间预测失误、库水作用变形机理认识不清导致了瓦依昂滑坡悲剧的发生。
1961年3月6日发生在中国湖南柘溪水库的塘岩光滑坡,体积方量约为165万m3,历时约10s,滑速达25m/s,产生了高达21m的涌浪,死亡40人,同属靠椅状顺层岩质水库滑坡。钟立勋(1994年)将塘岩光滑坡和瓦依昂滑坡从形成的地理—地质环境及其影响因素进行了对比研究,指出了不利的地貌与地质结构是导致岸坡失稳的基本条件,不利的构造结构面的切割使之成为潜在的不稳定岸坡地段,水库蓄水作用诱发了滑坡的形成。
张年学等(1993年)系统论述了云阳—奉节段顺层岸坡的地质背景条件、发育分布规律,对顺层岸坡的变形破坏演变机制和失稳影响因素进行了分析,并对顺层岸坡的力学特性、失稳机制进行了物理和数值模拟研究,同时对典型岩质顺层高边坡失稳后的运动特性、稳定性进行了分析计算,得出了许多重要和极有价值的结论。
孙广忠 (2004年)提出板裂介质岩体力学模型,解释了顺层溃屈破坏型滑坡变形的力学机制。张倬元等提出的滑移—弯曲地质模型阐释了其形成条件、变形破坏演变过程、启动机制以及稳定程度判别准则等。
2003年三峡库区千将坪滑坡发生后,肖诗荣(2010年)通过对瓦依昂滑坡、塘岩光滑坡、千将坪滑坡三大滑坡工程地质比较研究,找出了其地形地质条件、诱发因素、变形特征的基本规律和共性,初步总结了水库顺层岩质滑坡短期及临滑变形特征。
李远耀(2007年)研究了三峡库首秭归香溪镇—巴东新县城段顺层基岩岸坡的地质环境及发育破坏特征,阐述了其岸坡稳定性影响因素且分析了其破坏机制,同时以三峡库首区巴东西壤坡这一典型变倾角顺层基岩库岸为例,采用数值模拟和稳定性计算分析等手段,从定量的角度,深入分析其失稳破坏的可能,并探讨了在库水位的涨落下岸坡地下水渗流场的变化规律。
邹宗兴(2012年)等根据滑坡滑面发展形态,将顺层岩质滑坡划分成前进式渐进破坏模式和后退式渐进破坏模式两大类,并从力学角度揭示顺层岩质滑坡渐进破坏过程的本质是滑坡力学参数弱化的过程。
李守定(2007年)等将基岩顺层滑坡的滑带形成演化过程划分为3个阶段:原生软岩、层间剪切带和滑带,并总结出了大型基岩顺层滑坡滑带的形成演化模式。
程圣国等(2006年)深入研究了顺层岩质边坡的刚度与其破坏特性之间的关系,认为其破坏力学模型、破坏形态以及临界长度与其柔度大小密切相关,并指出溃屈破坏一般只在特定的情况下才发生。
陈自生(1991年)着重研究了拱溃型顺层岩质滑坡,认为该类滑坡首先在坡脚处岩层逐层拱起,并开裂脱层,发展成抗滑段,最后与沿岩层层面发育的主滑段相贯通,由此呈现崩溃与滑动。
1.3.3 滑坡预测预报
(1)滑坡预报研究历史。
虽然人类与滑坡灾害的斗争由来已久,但起先多是消极被动的,或有研究也是零星片断的。直至20世纪第二次世界大战以后,人们才真正广泛开始对滑坡进行专门的、系统的研究。最初主要是在对可能失稳边坡进行长期观测的基础上,开展滑坡加固方法与措施的研究。而滑坡之所以往往给人类造成严重的损失,究其原因是人们难以事先准确知道其发生的地点、时间、强度和影响,也就预先难以防范,所以对于滑坡灾害重在预测。
在滑坡灾害预测预报的专门研究中,日本学者斋藤迪孝可能算是先驱代表之一,他于20世纪40年代中期就滑坡预报开始实验研究,并于1968年提出一个预报滑坡的经验公式及图解,即著名的“斋藤法”;苏联E.II.EMejibrhoba曾从八个方面讨论滑坡预报的内容(1959年);Hoek(1969年)据智利Chuqicamata矿滑坡监测时间—位移曲线提出了外延法;F.O.Jones(1961年)、P.C.Stevenson(1977年)、T.H.Nilsen,eta1.(1979年)、T.Endo(1970年)、E.Fussganger(1976年)、G.Guidicini(1976年)等先后对滑坡预报的经验法或统计学方法进行研究。这一时期我国滑坡预报研究相关的报道甚少,仅有卢螽栖(1976年,1977年)、李天池(1979年)等个别研究者做过一些探索性的工作。这些为20世纪60—70年代的经验—统计学方法。
自20世纪80年代始,预测滑坡学逐渐成为滑坡学和预测科学交叉的分支科学,这一阶段不但经验式和统计学方法有了进一步的发展,还出现了敏感性制图、信息论等预报方法,数理科学的一些新理论,如灰色系统理论等开始被应用于滑坡预报研究。
对20世纪90年代以后滑坡预报研究的特点,可以归纳为三个方面:①多种预报方法的综合研究与应用;②广泛的现代数理科学新理论应用于滑坡预报理论研究;③滑坡预报的技术手段得到前所未有的发展。
(2)滑坡时间与空间预报模型。
人类社会遭受滑坡或地震一类的自然灾害时,人们最为关心的主要有三个问题:灾害发生在哪里、什么时候发生灾害及灾害发生带来的影响或破坏程度如何,因此滑坡预报的主要任务或对象,主要应包括对滑坡灾害发生的地点(空间)、时间、强度(滑坡活动强度及破坏程度)等进行预测预报。要达到这一目标,滑坡预报研究的主要内容或要解决的关键问题应该是建立起与滑坡实体相适应的预测预报模型,而其核心又是预报方法与预报判据。
事实上,从滑坡预报问题的提出开始,人们就一直试图寻找或建立一种与滑坡体相适应、预报准确、可操作性强的滑坡预报模型;经过近半个世纪的探索,国内外许多相关专家、学者从不同的角度提出了各种各样的预报模型。近年研究较为活跃的滑坡预报模型主要类型及对应的预报方法与判据可归纳为表1.1所列。
表1.1 滑坡预报模型的主要类型
在表1.1所列预报模型中,以斋藤迪孝法为代表的一类方法是用严格的推理方法,特别是在数学、物理方法方面进行精确分析,得出明确的预测判断,故称之为确定性预报模型,即是可以用明确的函数来表达其数学关系的一种预报方法。这类方法一般为加速度蠕变经验方程,精度较低,适用于滑坡的中短期预报和临滑预报。
灰色预报、生长曲线预报、线性回归等类方法与确定性预报模型相反,是一类非确定性预报模型,这类模型是不能用明确的函数来表达其数学关系的,它们是建立在因果分析和统计分析基础上的,多属趋势预报或跟踪预报,适用于各类滑坡的中期、短期预报;一般说来,当滑坡发展至加速变形阶段时,可以较准确地预报滑坡时间。
由于每一个滑坡的具体条件均不一样,各种预报方法的适用性也不尽相同,因此,应根据每个滑坡的具体条件选择合适的预测方法,并尽可能采用多种方法进行综合预报,这对提高滑坡预报的精度和成功率大有裨益。
(3)滑坡预报的主要问题与讨论。
尽管国内外专家学者在滑坡灾害预测预报方面取得了不少进展,并且也确有预报成功的实例。但是,由于斜坡演化过程的复杂性、随机性和不确定性,要想准确地预报滑坡的发生时间是十分困难的。当前在滑坡时空预报方面主要存在以下问题。
1)对滑坡空间预测和定性研究不够,或工程地质研究不够,特别是对典型滑坡的典型地质模型研究不够系统、深入。比如,瓦依昂滑坡滑前主要研究人员对大滑坡的性质认识是不够的,而塘岩光滑坡和千将坪滑坡在滑前则根本就没有认识,不是没有进行工程地质调查,而是没有对潜在滑坡地质模型的认识和经验。
2)对一些复杂的滑坡系统,我们目前的认识和理论水平还受到很大的局限。滑坡是一个复杂的地质力学过程,又是一个高度复杂的非线性系统,这个系统的特点就在于构成系统的内部条件、外部因素都具有很强的随机性和非确定性,而且这种特性用传统的理论难于表达。
3)对于复杂的滑坡系统,我们能够获得的信息是极为有限的。对大多数的滑坡,如果在事前没有被纳入人们的视野或被人们所认识,就几乎不可能掌握它的任何信息,因此,往往这类滑坡的发生使我们感到非常的被动和突然,也最容易造成灾害。即便是那些已经纳入监控对象的坡体,往往监控的手段和监控的数量也是有限的,很难做到对各种信息的全面和足够深度的把握,因此,实施预报就很困难。从这个意义上来讲,对某些高度复杂的滑坡,如果所掌握的信息不足,预报则几乎是不可能的。
4)认识问题的思路上还存在一定的问题,更多的依赖对监测结果的数学推演,而忽视了对边坡变形破坏机理的认识。抛开临滑预报和现象预报不说,现在大多数滑坡中长期或短期预报主要是依靠对位移监测曲线的推演,通过位移的相对变化(或速率的变化)来预报其今后的行为,也可以称为“相对位移预报”。固然,滑坡位移随时间的变化对滑坡预报具有绝对重要的作用,但是,如果对这种位移随时间的变化仅停留在曲线“几何形态”变化的认识上,而过多的依赖于数学方程进行各种外推式预报,显然对问题的认识就仅停留在表面上。采用这种方法对一些结构和过程简单、监测曲线与一般的标准蠕变曲线接近的边坡可能取得成功。但是,大多数情况下,这种预报方法是达不到效果的。
实际上,从理论上看,当你所掌握的只是变形曲线在等速蠕变阶段的简单“几何”信息时,按照数学模型预报(或相对位移预报)这个思路,滑坡中长期预报几乎是不可能的。
5)就数学模型预报而言,现行的预报理论模型适用性和实用性比较差。已有的预报模型或预报系统具有很强的地域性限制和条件限制,分散性也比较大,稳定性不好。尤其是基于非线性理论的一系列模型,如非线性动力学模型、协同预报模型、突变理论模型和神经网络模型等,虽然在理论上具有一定的优越性,但同样由于没有与滑坡机理联系在一起,因此,实用性较差,还有待在结合工程的实践中进一步检验完善。
6)缺乏滑坡综合预报判据。由于滑坡地质体的演化过程极其复杂多变,要真正实现滑坡的成功预报,仅靠理论模型进行预报是不行的,应该更多的考虑多种方法的综合预报问题。目前,在这方面还没有建立一套适用的综合预报指标体系和相应的具有一定普遍意义的预报判据。这是今后必须努力的方向。
7)滑坡灾害实时监测技术的应用与研究不够。准确的滑坡灾害预测预报必须掌握实时的滑坡运动信息和诱发因素的动态信息,对各种信息的监测是开展滑坡灾害实时预报的必要手段。除要加强目前常用的滑坡位移动态信息的监测技术应用和研究外,还需要开展针对不同类型、不同规模、不同气候条件下的滑坡所适用的其他技术的应用研究,如地下水压力及水化学场动态信息、热信息、微震(声发射)信息、气象信息等的实时监测,从而建立适合不同类型滑坡、采用不同监测信息源的预测预报方法和模型进行滑坡灾害的时空预测预报。这方面的研究和发展需要工程技术领域专家的积极参与。