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1、一、项目摘要塌岸是黄河中上游河段十分频繁的地质灾害，已严重破坏沿岸工农业设施及生态环境。因黄土具有极端水敏性，黄土塌岸通常表现为多发性、突发性和剧烈性，其致灾机理、灾害过程还有待深入研究。本项目以黄河三门峡以上河段突发性黄土塌岸为研究对象，以黄土塌岸水土动力耦合效应及灾害过程为研究主线，通过河流水动力条件及岸坡地质结构分析，概化地质力学模型，研究河流冲刷诱发塌岸的水土外部动力耦合机制；进行室内试验及模型试验，研究干/湿循环、冻胀/冻融循环及水力冲刷条件下非饱和黄土物理力学特性及岸坡变形破坏规律，揭示地下水诱发塌岸的水土内部动力耦合机制；探讨考虑河流冲刷、降雨入渗及温度变化诱发黄土塌岸的临界条件
2、，提出考虑上述THM耦合效应的塌岸灾害演化过程数值模拟方法；基于TDR技术，现场实时监测黄土塌岸灾害过程，探讨灾害预警预报方法。研究成果对提高黄土塌岸致灾机理与灾害过程认识、科学防灾减灾具有重要的理论意义和实用价值。1、项目的立项依据1.1 研究意义边坡稳定问题是一个古老而复杂的岩土工程问题，当边坡上的地层或岩土体在自重作用下沿自身软弱结构面(带)发生移动，即产生所谓的滑坡现象。从自然灾害的角度来看，滑坡给世界各国带来的损失可能仅次于地震和海啸。因出现的频度和广度远远大于地震和海啸，滑坡是人类面临的最广泛、受害最重和时间最长的地质灾害。诸多国家和地区，如俄罗斯的高加索及黑海沿岸、英国的南威尔士
3、、肯尼亚中部、美国加州与新泽西及德克萨斯州、法国南部阿尔卑斯、意大利中部等等，均为滑坡多发地区或发生过大型滑坡。我国也是一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家，尤其是西部地区，每年由此造成的直接经济损失约200亿人民币。而且，直接由工程建设诱发的崩滑灾害事件也屡见不鲜。据统计，20世纪8090年代初，每年因地质灾害造成300400人死亡，经济损失100多亿元。20世纪90年代中期以来，每年造成近1000人死亡，经济损失高达200多亿元，而且损失呈逐年上升的趋势。近几年来，采矿、水利、交通和建筑等工程更加蓬勃发展，所形成的矿山边坡、大坝坝肩边坡、水库库岸边坡、铁路和
4、公路的道路边坡等规模之大、数量之多、环境之复杂、地质条件之复杂均是空前的。对边坡实施监测，是科学管理边坡和正确处理潜在问题的重要依据。随着社会的飞速发展，水电梯级开发、西气东送、铁路新干线等大型工程的实施，大型工程必然与日俱增。因工程数量多，规模大，涉及面广，需要进行数以万计的挖方、填筑工程，从而形成了大量裸露的边坡, 这些裸露的边坡不但造成了水土流失并导致边坡塌方, 同时还极大地破坏了生态景观。传统的喷锚、浆片石骨架、水泥骨架、挡土墙等工程防护措施虽然能有效防护边坡, 使其保持稳定, 但造价高、施工复杂, 容易因自身不稳定出现坍塌等问题。近来年, 边坡防护开始采用客土喷播、喷播植草等植物防护
5、新技术, 该技术不仅造价低、施工简单, 而且还克服了因工程自身缺陷出现垮塌的问题, 同时还可重建生态景观。我国是一个自然灾害频繁的国家，有很多地方存在滑坡、泥石流等，严重影响了工程建设及人民群众生命财产的安全，因而开展边坡安全监测与预警系统建设意义重大。随着社会经济的发展和城市建设步伐的加快，城市河道建设不仅要使堤岸发挥出水利工程的功效，而且融入城市园林景观、生态环保、建筑艺术等多种内容。也就是在这种前景下，生态护坡技术得到人们的广泛关注，并且进行了一系列的较深入的研究与探索。生态护坡是指开挖边坡形成以后，通过种植植物，利用植物与岩土体的相互作用(根系锚固作用) 对边坡表层进行防护、加固,使之
6、既能满足对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境的护坡方式，是一种有效的护坡、固坡手段。生态护坡应是“既满足河道体系的防护标准，又有利于河道系统恢复生态平衡”的系统工程，体现了“人与自然和环境协调发展”理念。岩土工程中边坡及滑坡的失稳破坏，都有一个从渐变到突变的发展过程，一般单凭人们的直觉是难以发现的，必须依靠精密的监测仪器和适宜的技术方法进行周密监测。通过监测保证工程的施工、运行安全；同时，又通过监测验证设计、优化设计来提高设计水平。尽管生态护坡技术获得了较为广泛的应用,但仍被看作是一门相对年轻的技术领域,它融入多学科、多方面的内容,生态护坡的失稳破坏与传统岩土工程边坡有所不同，本
7、项目主要研究一般岩土工程中监测预警系统在生态护坡中应用，期望找到适用于不同生态边坡的监测预警系统。1.2 国内外研究现状1.2.1 生态护坡技术研究进展国外发达国家对生态护坡技术的研究,已有很长的历史,并已广泛应用于高速公路边坡治理。国外一般把生态护坡定义为:“用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程措施和非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀。”也有学者提出了坡面生态工程( slope eco2engineering , 简称SEE) 或坡面生物工程( slope bio2engineering) 的概念,指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建造工程,也指利用植物进行坡面
8、保护和侵蚀控制的途径与手段。国内对生态护坡概念的开发,也取得了一定进展,刘秀峰等提出了生物护坡的概念,所谓“生物护坡工程”即是利用生物(主要是指植物) 对边坡进行植被重建,建立一个新的植物群落,以期达到恢复生态环境,治理水土流失之目的。此外,还有“植被固坡”、“植物护坡”等提法。植被护坡、生物护坡或坡面生态工程,都带有一定的生态色彩,属于生态护坡的范畴,应称为生态型护坡,但它们只从形式上对生态护坡进行了简单描述。而真正意义上的生态护坡,应是一个完整的生态系统,它不仅包括植物,还应包括动物及微生物,系统内部之间以及系统与相邻系统(如河流生态系统、陆地生态系统等) 间均发生着物质、能量和信息的交换
9、,具有很强的动态性; 真正意义上的生态护坡,应该是在保证边坡稳定的基础上,以营造边坡的生物多样性为目标,在水土生物之间,形成物质、信息和能量的循环体系,通过良性的循环,进行自组织和自我修复,使护坡不仅具有景观效果,还能修复受污染的河流水体,提高河流的自净能力,从而为城镇河流生态系统的健康提供保障。因此,生态护坡技术,应是基于现代水利工程学、环境科学、工程力学、生物科学和景观生态学等学科的基本原理,利用植物与工程材料相结合,在边坡上构建具有生态功能的护坡系统,通过生态工程的自支撑、自组织与自我修复等功能,实现边坡的抗冲蚀、抗滑动和生态恢复,以达到减少水土流失、维持坡面植物生存环境、提高坡面动物和
10、微生物栖息地的质量、营造生物多样性、提高河流自净能力,改善人居环境等目的。长期以来, 城市河道的作用仅局限于 防洪、排涝、航运、灌溉!的功能。但其对环境保护、河道生态平衡、城市景观造成的负面影响几乎未被考虑。美国、法国、瑞士、奥地利等国都在积极修建生态河堤, 恢复河岸水边植物群落与河畔树林。日本在20 世纪90 年代初就开展了 创造自然型河川计划!, 提倡凡有条件的河段应尽可能利用木桩、竹笼、卵石等天然材料来修建河堤, 并将其命名为 生态河堤!。生态河堤是融现代水利工程学、环境科学、生物科学、生态学、美学等学科为一体的水利工程。它以 保护、创造生物良好的生存环境和自然景观!为前提, 在具有一定
11、强度、安全性和耐久性的同时,充分考虑了生态效果。美国在新泽西州建设的生物护岸工程, 抵御了1999 年弗洛伊德飓风的袭击,生态护岸基本没有损坏, 证明了生态护坡的实用性与可靠性。近年来, 国内相关部门吸取了国外生态研究的经验, 在城市河道整治中注意河道的生态保护及城市的景观效应, 尽量使城市河道景观接近自然景观。北京、上海、杭州、成都等城市在河道治理中遵循尊重历史、传统与现代共存;以人为本, 提供沟通与交流的平台;恢复生物多样性, 回归自然; (以亲水为目的, 与城市相协调的景观设计; ) 保护水质, 扩大水面的原则, 收到了很好的效果。北京市在1998 年治理昆玉河时提出了一个明确的目标:水
12、清、岸绿、流畅、通航!。上海的苏州河、杭州的东河、绍兴的城河通过生态整治, 也都以崭新的面貌展示在人们面前。成都市府南河的整治集防洪、排水、交通、绿化、生态、文化于一体, 取得了很好的社会、经济、环保效益, 该项目获得了世界人居奖等3项国际大奖。1.2.2 植物护坡因素与边坡稳定性的关系植物在边坡稳定性方面, 其积极作用与消极作用同时存在，其积极作用表现在植物叶片阻隔雨滴对土壤的直接冲刷, 可减缓地表径流；根吸取土壤中的水分并蒸发到大气中, 降低土层孔隙水压力；根锚进深层岩土层, 通过支撑和锚固对边坡起支护作用；根系束缚地表颗粒, 减少雨水冲蚀。消极作用表现在根茎增加地表粗糙和土层渗透性, 导
13、致土层渗透能力增加；降低土层湿度, 使土干裂, 增加土层渗透率, 固定土层, 增加了土层抗剪强度；植物自身重量增加了边坡的滑向和向下的力分量不定 将风引起的动荷载传递给边坡。植物地上部的护坡作用 ( 1) 降低坡体孔隙压力。降雨是诱发滑坡的重要因素之一, 边坡的滑动与坡体水压力的大小密切相关。植物通过吸收和蒸发坡体水分, 降低坡体孔隙水压力, 提高上体抗剪强度, 有利于边坡的稳定。 ( 2) 截留降雨, 削弱溅蚀。雨滴打击坡面时,把动能传递给土体, 产生的分裂力使土体颗粒分离飞溅。植被能拦截高速下落的雨滴, 分散雨滴、减少滴溅能量及飞
14、溅的土粒。 ( 3) 控制土壤流失。植被能控制地表径流并削弱雨滴溅蚀, 从而控制土壤流失, 通常情况下,土壤的流失随植被覆盖率的增加而急剧减少。 ( 4) 藤本植物的缠绕, 能起到固结表面的作用。藤本植物在生长过程中相互缠绕, 形成类似于铁丝网的无规则 网格 , 对坡体表面的碎石和土层起到明显的防护作用。植物根系的护坡作用 根系对边坡的加固作用主要通过深根的锚固作用和浅根的加筋作用完成。植物的垂直根系穿过边坡浅层的松散风化层, 锚固到深处较稳定的岩土层上, 起到预应力锚杆的作
15、用; 植物的须根在土中错综盘结, 使边坡土体在其延伸范围内成为土与根的复合材料, 根系还可视为预应力三维加筋材料。根系对边坡的加固作用与根的形态、含量和强度等因素有关。所以根据边坡的地形、地质以及所处地区的气候条件, 选择合适的植物种类, 可以充分发挥植物固坡的积极作用。1.2.3 边坡监测技术与方法目前国内外应用于边坡安全监测的技术和方法很多，从传统的测斜管、压力计、雨量计和位移计，到新型的GPS、TDR和光纤传感器，都被大量运用于实际工程监测当中，而且很多是以多种技术集成的形式出现。传统监测技术虽然在数字化自动化方面比较落后，但在长期的工程实践当中，这些技术积累了大量的成功经验，相关的分析
16、手段也比较完备和成熟，而一些新型的监测技术运用了新的测试原理显示出更优异的性能。20世纪90年代初，将GPS 空间测量技术用于研究三峡库区的新滩岩崩区九湾溪断裂构造运动与岩崩滑坡的相互关系，使研究局部地区的滑坡变形与大区域构造运动之间的关系从单纯定性分析发展到定量分析。日本电报电话公共公司的Kihara M，Hiramatsu K 和Shima M(2002年)等人将光纤分布于日本高知的Niyodo 河和鹿儿岛的Sendai 河的河堤中，用偏振光时域反射(BOTDR)来监测河堤的塌陷位移情况，取得了良好的效果。三峡大学的蔡德所、何薪基、李俊美(2001年)研究了基于微弯机制强度调制光时域反射(
17、OTDR)技术的分布式光纤传感，并在室内进行了光纤模拟边坡滑移状态下的实验。试验方案已在隔河岩电厂内的高陡边坡监测中得到了实施，而且在较困难的作业环境下成功地进行了埋设，为推广应用及技术改进提供了经验。中国地质科学院探矿工艺研究所的周策、陈文俊、汤国起(2004年)提出了一种用弹膜片和微弯调制机构进行压力传感方案，用OTDR技术进行分布式压力测量。使用单膜光纤微弯压力传感原理及对岩体推力进行系统监测，对灵敏度和空间分辨率进行了分析、标定，并进行了野外试验。电子科技大学光电信息学院的代志勇、袁勇、刘永智(2004年)研制了一种基于光纤应力传感的山体滑坡预警监测系统，应力测量范围0MPa15MPa
18、，空间分辨率2m，测量距离1km的山体滑坡监测系统，并实验验证了监测方法的可行性。浙江大学岩土工程研究所的陈云敏、陈赟、陈仁朋等(2004年)采用国内常规同轴电缆及试验材料进行室内剪切试验，研究了同轴电缆的剪切变形对TDR波形的影响，总结了不同型号同轴电缆的反射系数随剪切位移的变化规律及力学特性，对于推广TDR技术在国内岩土工程领域的应用有很大的实际意义。中南大学土木工程学院的聂春龙、傅鹤林(2007年)针对某边坡工程的破坏模式和滑坡诱因，设计了边坡自动监测系统。该系统采用TDR、测斜仪等监测手段，以数据采集仪、GSM和PCTDR等进行数据采集、传输和分析；监测过程自动化程度高，采集数据精确连
19、续，并得到人工监测数据的验证，取得了较好的监测效果。1.2.4 边坡安全评价理论与方法方面1.2.4.1国外边坡安全评价理论与方法研究进展工程实践的需要是岩土工程得以快速发展的主要动力。边坡工程的稳定性问题是岩土工程的主要研究内容之一。纵观国外边坡工程稳定性研究的发展历程，大体可划分为三个阶段：第一阶段：20世纪20年代以前，边坡工程稳定性的计算分析，基本采用材料力学和土力学的原理和方法，以半经验、半理论性质并假定滑动面具有某一固定位置和形状为显著特点。例如，1915年彼得森(Petterson)提出了只考虑摩擦力而不计黏聚力的圆弧滑动面的分析方法；1926年费勒纽斯(Fellenius)等提
20、出了同时考虑摩擦力和黏聚力的瑞典条分法。该阶段边坡工程稳定性的计算分析在力学原理上是很粗浅的，所做出的基本假定也是脱离力学实际情况的。第二阶段：到20世纪50年代，边坡工程稳定性分析进入了重要发展阶段，以采用均质体弹塑性理论和极限平衡理论，能够考虑岩体材料的特性及岩体结构面对边坡失稳的控制作用为显著特色。例如，1954年索柯洛夫斯基(COKOJIOBCK)根据松散介质极限平衡原理提出边坡工程稳定性计算，使边坡工程稳定性的分析方法向前迈进了一步，引起了普遍的重视。但该方法忽视了岩体的结构特征和力学状态，在实践中计算结果与实际不相符，显露出严重缺陷；与此同时，费先柯()考虑了岩体中结构面对边坡失稳
21、的控制作用，结合松散介质极限平衡原理提出了一套岩质边坡稳定性的计算分析方法，但此方法采用了不够合理的静力学条分法，使其计算结果与实际情况差别较大。第三阶段：20世纪60年代以后，边坡工程稳定性分析进入了深入发展阶段，研究人员将岩体视为黏弹性、弹塑性或具有裂隙的脆性介质，并展开了对岩体非均质、各向异性和非连续性的研究，对岩体应力应变关系及岩体流变特性等时间效应的研究等。边坡工程稳定性的计算分析，基本上沿着两条路径进行：一是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面控制，利用图解法或计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数”的概念来进行边坡工程稳定性的定量评价。例如，1962年太沙基提出的
22、临界边坡理论；1970年约翰(John)提出的半球体图解计算分析等。另一途径则是以有限单元法，近似地分析边坡工程岩体的变形特征和应力状态，但常由于对边坡岩体的基本力学特性、边坡的力学状态和应力特征等研究得不够，给计算与分析等带来了一定的困难，因而，目前通过各种计算分析方法所得到的结果与实际情况均有一定的差异，还有待进一步深入研究和向前发展。1.2.4.2国外边坡安全评价理论与方法研究进展我国从解放到现在，对边坡工程稳定性问题的研究可划分为四个阶段：第一阶段：20世纪50年代，我国开始对露天煤矿的边坡工程问题进行研究，其他行业如对铁路路堑边坡和引水渠道边坡等也开始进行研究。当时着重从边坡工程造成
23、的地质灾害出发，进行边坡工程破坏的定性分类，利用基于刚体极限平衡的分析方法，同时利用工程地质类比法，对边坡工程的稳定性进行评价和设计。第二阶段：到20世纪60年代，孙玉科等提出了岩体结构及控制的观点，划出了边坡岩体的结构类型，并在应用赤平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行块体破坏的计算、判断边坡工程的稳定性。同时结合露天煤矿边坡工程稳定性研究，开展了野外大型工程岩体的力学试验，在边坡工程的稳定性计算方面有了很大的进展。第三阶段：从20世纪70年代开始，进行边坡工程变形破坏机制的研究。在计算分析方面，不仅应用极限平衡原理，还应用弹塑性力学等理论，并随着计算机技术的发展，广泛采用有
24、限单元法等来分析边坡工程变形破坏的条件及评价边坡工程的稳定性。到70年代末80年代初，已经形成了一套比较完整的工程地质力学学术观点和方法。在研究边坡工程稳定性问题上，积累了比较丰富的实践经验。第四阶段：20世纪80年代以后，边坡工程稳定性研究进入了一个新的发展阶段。一方面，随着计算理论及计算机技术的发展，数值模拟技术已广泛应用于边坡工程稳定性研究中，且逐步从定性过渡到半定量研究边坡工程的变形破坏及其内部的作用过程，从整体上认识边坡工程变形破坏的机制和边坡工程稳定性的发展趋势。与此同时，诸多学科间的相互交叉、渗透，使许多与现代科学有关的系列理论方法，如系统论、非线性科学等被引入到边坡工程稳定性研
25、究中，使边坡工程稳定性的研究进入了一个新的发展阶段。1.2.5 TDR监测岩土体性状及监控地质灾害过程研究进展时间域反射测试技术（Time Domain Reflectometry）简称TDR，是一种电子测量技术。20世纪50年代，美国的研究人员开始将TDR技术应用于监测电力及通讯电缆线路缺陷的定位及识别（Ramo 等，1965）。到70年代土壤学家开始采用这种无损测试技术测定土壤含水率（Davis & Chudobiak,1975）。Topp等（1980）48系统研究了土体介电常数与土体孔隙含水量之间的相关性，提出了著名的Topp公式，从而极大地促进了TDR技术在监测土体物理力学性状方面的应
26、用。其后，TDR技术以其方便、安全、经济、无损、数字化及远程控制等优点日益受到研究人员的关注，并开始应用于岩土工程领域，最初主要应用于土体含水量、及介电常数的测定。图1为典型的TDR监测系统示意图，主要由电脉冲信号、传输线（同轴电缆）及信号接受器三部分组成（Yu,X & Drnevich 2004）49-50。图1 TDR测试系统构成及典型反射波形曲线（Yu,X & Drnevich, 2004）近年来，TDR在岩土工程及地质灾害防治领域的应用范围得到了扩展，已广泛应用于现场快速测定土体含水量及干密度（Birchak & Gardner 1974；Ledieu & Ridder 1986；Si
27、ddiqui & Drnevich 2000；Yu & Drnevich 2004）51-53、混凝土早期强度监测（Yu,X & Drnevich 2004；Liu,Y & Yu,X 2008）54-55，土的热传导系数(Zhang,B & Yu,X 2008) 56、土体冻融/冻胀过程监控(Liu,Y & Yu,X 2009) 57,以及桥基冲刷监测(Dowding & Pierce 1994；Yankielun & Zabilansky 1999；Yu,X B & Yu X 2006,2009Error! Reference source not found.)58-61等。TDR应用于岩
28、土体变形监测始于80年代初期，Wade & Conroy (1980)应用TDR技术监测Illinois州某煤矿上覆岩层的变形移动规律，取得了较好的效果，其后在滑坡变形监测等方面得到广泛应用，Kane & Beck(1994,1996) 62-63应用TDR技术进行了路基边坡变形监测，并与测斜仪进行比较，其监测效果良好。同时在TDR监测岩土体变形的技术改进方面，不少学者也开展了有益的研究工作。Dowding（1988,1989,1994）64-66用有限元法计算了同轴电缆截面几何特性的改变对其电容的影响，并分析了由此引起的TDR波形的变化，他还研究了TDR技术对土体局部破坏面的测量。Conno
29、r（1991）67通过一系列室内试验研究了同轴电缆的TDR特性。国内将TDR技术应用于岩土工程及地质灾害监测防治领域的研究工作开展得相对较晚，尚属探索阶段。陈赟（2004）68介绍了TDR在监测岩体和土体变形中的应用，并分析了岩体和土体变形对TDR波形的影响。陈云敏（2004）69通过研究同轴电缆剪切变形对TDR波形的影响，对同轴电缆的埋设提出了建议。史彦新、张青（2005）70介绍了TDR技术在四川雅安峡口滑坡监测中成功应用的案例。唐然、汪家林等(2007) 71介绍了TDR技术在四川丹巴县滑坡监测中的应用案例，总结了其优点也明确指出了其不足。在TDR技术应用于岩土体物理力学性状监测方面，陈
30、仁朋（2006、2007、2009）72-74应用TDR监测石灰炉渣稳定粘土的物理-化学反应过程，了解其强度增长机制，并探讨了该技术应用于现场控制填土压实质量的可行性，同时在TDR监测地下水位及岩土体电导率方面开展了有价值的探索研究。目前TDR技术在塌岸灾害监测中尚未见相关报道，但若能通过一种集成技术，使其既能实现岸坡冲刷程度实时监测，又能监测坡体变形、坡体地下水位、土体含水量变化及冻融/冻胀过程，便可能实现通过一种手段经济、实用、无损地对塌岸灾害过程进行监控。总的而言，TDR技术应用于岩土体物理力学特性测定及地质灾害监测为岩土工程及地质灾害防治提供了一种有前景的技术手段，但是因其应用历史相对
31、较短，在技术及理论方面还有许多不成熟之处，其技术还有待于提高，应用范围还有待于拓展，使其在实际应用中积累经验，发挥更大的作用。2、边坡监测基本理论与技术2.1研究内容边坡是天然地层经过地质构造作用及人为作用而形成的地形地貌，广泛存在于地表，成为土木建筑工程、市政工程、水利水电、公路、铁路交通和矿山等国民经济重大建设工程中常见的建筑场地。特别是山区城镇建设中，大多数建设项目都是劈山而建，例如，广西百色市隆林县城大部分民用建筑均劈山而建。对于在坡体上的建筑活动及建设工程，我们要特别关注坡体的稳定性。如果在建设活动之前，没有很好地评价坡体的稳定状态，那么等到在建筑过程中及后期的使用过程中，都可能带来
32、极大的安全隐患，需要再投入巨大的精力、财力整治隐患或方案被迫放弃。一次严重的滑坡事故不仅造成重大的经济损失，还有可能夺去人宝贵的生命，具有极大的危害性。在有些情况下，尽管设计边坡时留有一定的安全余地，滑坡事故仍会发生。这主要是因为在设计时总有考虑不到的因素，就是这些被忽略或没有被考虑的因素，就可能会导致边坡失稳。当前，随着国民经济的快速发展，尤其是今年北京提出了来的“绿色北京”行动计划，完善绿色空间，建设沿大中河道、新建主干道路的生态景观走廊，生态边坡必然成为边坡支护的主流。另外，近年来异常气候带来的强降雨对工程边坡和自然边坡的威胁也很大。因此，为了减少异常因素导致的边坡危害，就需要加大对边坡
33、稳定程度的监测。边坡稳定性的判别是个古老的问题，人们针对边坡稳定性监测的手段也很多，包括传统的方法，以及目前的先进仪器监测法。2.2 边坡监测基本原理与技术边坡监测主要是通过对边坡坡体表面和内部一些力学参数、几何参数的量测，评判被监测坡体的稳定程度，确定变形发展速率，在和经验对比的基础上划分边坡坡体的安全状态，最终为工程建设、设计规划及施工提供可靠依据。伴随着边坡体的活动，在边坡体上主要发生位移（变形）变化；在坡体蠕动发展过程中，随着滑动面的逐渐形成和剪错，坡体内部的一些性质也会变化，如滑面上含水量增加、滑带土体抗剪强度降低等，因此，可以被用来监测的参数主要有：变形（速率）、地声变化、应力应变
34、、孔隙水压力等参数。另外，外界因素（如降雨量、地震动、人工爆破等）也能够促使边坡失稳。在有条件时，也要对这些影响因素进行监测，这些因素对边坡体失稳的反映，可能会存在时间上的滞后性。2.3 边坡监测常用仪器设备上节介绍的边坡监测基本原理，包括简单的巡视观察法，它是借助人眼观察，根据被观察对象的变化进行初步判断和分析，或借助最基本、最简单的辅助工具，如钢尺或直尺。而其它的边坡监测方法需要用到那些专门的、高精度的仪器设备。2.4 边坡安全评价理论与方法在边坡工程中，为了合理选择线路及场地，需要正确评价边坡的稳定性，这就需要用到边坡稳定性的安全评价理论和方法。边坡安全的评价理论和方法是采用能模拟边坡岩
35、土体特性的介质材料，选用适合岩土体变形规律的强度理论，通过输入有关的计算参数，得到边坡安全系数，划分出边坡是否处于安全、危险或临界状态，为下一步的滑坡治理以及方案选择提供科学依据。边坡稳定性的分析理论方法有极限平衡法、极限分块法和数值计算方法（主要是有限元法）。工程设计时还常用工程类比法，而工程类比法属于定性分析的方法，一般只适合于工程地质条件不复杂的小型边坡（一般高度小于30m）。一些重要工程还可采用模拟试验方法，对边坡破坏机理进行研究，对理论计算结果进行验证，主要的试验方法有相似材料模拟试验、离心机试验和底摩擦试验等。极限平衡方法是在某种失稳模型条件下，假定滑坡为刚性体，通过对失稳脱离体中
36、受力状态及强度发挥程度的研究，利用极限平衡原理，计算边坡的稳定系数，判断边坡的稳定性。该法的基本概念在一定程度上脱离了岩土体的实际情况。模型试验方法是在工程地质勘探调查的基础上，建立滑坡体物理地质模型和岩土体的力学模型，借助光弹、相似材料等试验，直观形象地再现边坡的变形破坏发生和发展全过程，为认识变形破坏机制提供资料。模型试验中的难度是模型的几何、材料和力学行为不能很好的全部相似。有限元法能够充分模拟岩土体的力学行为特征、空间几何条件，不用对滑坡体作过多的理论假定，因而能够较真实的识别滑坡变形破坏机制，将是边坡稳定性分析的发展趋势。极限平衡法的基本原理是：假设边坡沿某滑裂面滑动时，滑面上各点的
37、抗剪强度发挥一致，即摩擦系数和内聚力用同一安全系数进行折减，在计算中，通过对滑体的内力做某种假定，使滑体满足全部或部分的力和力矩平衡，通过求解方程组得到安全系数。安全系数可定义为抗滑力（矩）和滑动力（矩）之比，当需要对滑体内力进行假定时，须将滑体进行条块剖分；当边坡体中没有明显的已知滑裂面时，应搜索安全系数为最小的临界滑裂面。条分法包括常用的瑞典法、简化毕肖普法、不平衡力传递法、复合滑动面法、简布法、Spencer法、MorgensternPrice法等。2.5 边坡安全预警系统我国是地质灾害多发的国家，每年到雨季集中的时候，山洪、泥石流、滑坡等地质灾害就经常发生。目前，我国处在经济和社会快速
38、发展时期，资源消耗处于增长阶段，大规模建设方兴未艾，环境安全问题日益突出，在一些库区移民后安置地区，人与自然矛盾加剧，地质环境压力不断增加，人为诱发的地质灾害日趋严重，人为和自然发生的地质灾害处于高发期。危岩崩塌、滑坡等地质灾害的发生常具有时间上的突发性、空间上的随机性、种类上的多样性、环境上的恶劣性及后果严重性等特点，为了给人们提供安全、安定的生产、生活环境和建设场地，必须加强对地质环境稳定性的监测预警预报。通过高精度仪器的使用，弥补人力监测的不足，从微量级别给人们提供山坡体的变形发展特征，以便在某种危险阶段，向人们发出警报预告，使人们及早采取避险、抢险措施，最大限度地降低地质灾害造成的严重
39、后果，这正是边坡监测工作的目的所在，也是开展监测工作的最佳归宿进行边（滑）坡监测的预警、预报分析。要想对边（滑）坡进行监测及险情预报，监测设备中就必须包括边坡险情发生的侦察监测系统、监测成果的分析处理系统、边坡区域性监测的群测群防系统、险情发布中心系统。这四大系统具有层次等级关系，又相互依赖、相互利用，首先监测系统分布在整个系统的最低层，应该采用任何可用的仪器设备，并将设备分布在尽可能广的野外环境中，捕捉、获取关于边坡（滑坡）趋于不稳定的变形特征以及影响要素，如强降雨、人工爆破等。监测成果的分析处理系统根据对监测成果的处理等级而分布在不同层次上，如单纯对裂缝或内部位移进行分析，就可以与监测系统
40、一样分布在最低层次；如果要针对监测成果进行系统的科学分析，就应该分布在高层次上，即首先将各种监测成果进行汇总、上报，再由高一级的分析处理系统，依据专门的分析流程，进行系统严密的分析。边坡监测系统中的群测群防子系统也包括多级层次，是包含了群众性的补充监测和仪器设备监测的综合系统，不论在哪个层次，不管是群众目测到的险情，还是仪器监测到的险情，都应该在第一时间上报险情。险情发布系统包括明显险情的发布和隐蔽险情的发布，对于那些已经发生的、被群众观察到的，以及被仪器探测到的明显险情，就应该随时发布。但是对于那些边坡体正趋于不稳定状态、但又尚未出现明显危险征兆的险情，需要在专家分析和经验补充判断的基础上，
41、由最高层次的机构发布。其实，该子系统也是个综合分析处理系统，但又兼有指挥和决策的功能。2.6 小结边坡灾害监测及预警技术已经受到了国际关注，各国都投入了较多的精力、财力，研究边坡趋向不稳定过程的变化特征和规律。在这一过程中，人们采取了繁、简不同的仪器设备，简单的设备包括人眼直接观测以及直尺测量；而复杂的监测仪器包括水准仪、经纬仪、全站仪、测斜仪，以及其他不同种类的传感器，这些仪器的共同特点就是要测出被监测对象的位移、变形或位置改变。位移变形根据监测仪器的监测原理分为水平位移和垂直位移。边坡体趋向破坏的过程有快有慢，这主要依赖于所受外界干扰因素的强弱程度，因此人们需要对监测到的变形数据进行科学分
42、析，以便从中总结出判断稳定性的规律，这样就能在任何一个边坡体的稳定性评判工作中，利用这些一般性判据，分析判断该边坡体的稳定状态，为工程建设活动提供有利证据。该报告在前面的详述中，已经在掌握大量翔实文献资料和研究成果的基础上，对这些问题做了全面而系统的论述，这些内容将对类似的边坡稳定性监测及评判工作有很好的帮助作用。但随着电子仪器制造技术和边坡理论的不断发展和进步，必将会出现功能更完善、精度更高的监测设备和分析系统，能够更快、更高的促进人类抵御地质灾害的能力和水平。3 小型生态边坡监测预警实施方案3.1 小型生态边坡工程概况近几年, 水利枢纽、公路、铁路、矿山等基础设施建设的迅猛发展, 促进了我
43、国经济的空前增长, 提高了国民的物质文化水平, 同时也付出了惨重的环境代价。这些基础设施建设破坏了原有植被及原生植物群落, 造成了大量次生边坡, 导致了一系列的环境问题, 如水土流失、滑坡、泥石流、气候变化、生物链破坏等, 引起了社会各界的重视, 先后兴起了许多的防护措施,如传统的硬性支护, 有挡土墙护坡、浆砌石等封闭护坡技术措施。随着人们环境可持续发展意识的增强, 生态科学的发展和工程实践应用经验的积累, 这类传统的灰色护坡措施由于破坏了自然生态和谐逐渐被否定, 边坡的稳定性概念已经不仅仅是传统意义上的力学稳定, 而且还包括边坡生态系统的稳定。对于基础设施建设中产生的大量的小型边坡，采用生态
44、方法治理，不仅可以治理边坡水土流失、防止边坡坍塌，还是建造生态景观，恢复受损生态系统的最佳途径。尽管小型生态护坡技术通过植物护坡技术有着比传统边坡支护优势，但是由于不可控制因素的存在，边坡稳定问题依然不可避免，对其进行有效地监测预警，是保证生态边坡稳定的重要的环节。3.2 边坡监测内容由于滑坡类型多，且特征各异，变形破坏机理和所处的变形破坏阶段不同，监测技术方法各有不同；各种监测技术方法在不同的滑坡中的适用的程度有差异，不同的监测设备仪器要求有自己的运行环境为了达到不同监测技术方法优化组合的目的，有必要进行监测方法的应用效果和实用性分析。3.2.1 应力监测 主要为仪表电测，主要应用于岩土体应
45、力变化的监测，具有精度高、所处环境多为恒温状态、可实现远距离传输等优点，在岩质滑坡及崩塌中应用较好，但由于其量程不可调，且为一次性隐蔽安装，适用于大多数小型生态边坡滑坡变形破坏的缓慢蠕变阶段和滑坡治理工程监测中，由于其传感器的安装环境比较恶劣，对传感器的耐腐蚀性也有要求。3.2.1.1 传统的应力监测方式 采用压力盒监测，利用土体内压力盒监测土体内部应力变化，岩土体与人工建筑体之间的应力变化信息；应变计监测，量测混凝土应力变化引起的应变、应力，也可量测物体的温度、蠕变；锚索（杆）监测，通过监测锚索（杆）预应力的变化来观察应力变化。3.2.1.2 新型的应力监测方式 时域反射技术( TDR)是监
46、测边坡和坝体稳定性的一种新方法,始于20世纪90年代。它能对边坡工程进行在线监测和实现动态分析。在特殊环境下对边坡工程的重要部位或其他对边坡结构有很大影响的部位可准确地反映边坡的安全状态。尤其适应于边坡工程的突发事件、特殊状态的观测。采取动态跟踪监测,可使相关量、环境量同步动态实现,并采用时间段插值分析、趋势、插值放大,为决策提供科学依据。TDR技术可用于监测岩土的变形,可以得到边坡深部的位移与变形的动态变形过程。布里渊光时域反射计（BOTDR）优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位监测。目前，国内外已成功地将该技术应用在土木和水利工程等方面的检测和监
47、测，并取得了一系列成果。3.2.2 位移监测 边坡位移监测是监测边坡相对位移信息，根据监测内容，获得前兆信息，减少边坡破坏损失。选择边坡位移监测方法既要保证监测精度，又要尽可能的减少监测的工作量。坡体表面的位移只能反映各个孤立点的变化情况，对于坡体内的位移，根据滑动体结构的不同，可以和坡面位移一样，也可以不一样。当滑动体结构是板状顺层滑动或滑动体相对密实、含水量少时，多呈整体滑动。此时滑动面到地面各点的位移量基本相同或非常接近。如果滑动体的含水量较高或滑动体出现旋转滑动时，滑动体内的位移和地面处的位移常常不一致。为了确定滑动面的位移，需要监测坡体内部的位移。3.2.2.1 传统的变形监测方式宏
48、观地质观测法是用常规的地质路线调查方法，对崩塌、滑坡的宏观变形迹象和其他有关的各种异常现象进行定期的观测、记录。具有直观性、动态性、适应性及实用性强的特点，不仅适用于各种类型的崩塌滑体在不同变形发展阶段的监测，而且监测内容比较丰富，获得的前兆信息直观、可信度高。简易观测法是通过人工观测边坡中地表裂缝、鼓胀、沉降、坍塌、建筑物变形及地下水变化、地温变化等的变化。具体实施时，主要通过设置骑缝式简易观测标志，用钢尺等测量工具直接进行观测。宏观地质监测与简易监测成本低、投入快、简单直观以及无量程限制等特点，适用于小规模滑体及滑坡速变和临滑阶段的监测，为群测群防推广应用；其监测成果可以和仪表监测相互校验
49、、补充，适用于小型生态边坡的监测。大地测量法主要有两方向、或三方向的前方交会法、双边距离交会法、视准线法、小角法、测距法、几何水准测量法以及精密三角高程测量法。常用仪器有水准仪、经纬仪、全站仪。大地测量法有如下明显的优点：(1) 能确定边坡地表变形范围；(2) 仪表量程不受限制；(3) 能观测到边坡体的绝对位移量；(4) 在滑坡发生剧滑时，监测仪器设施不会因滑坡加速运动而损坏，监测人员不必到滑坡体上，能保证滑坡监测工作的连续性。由于大地测量方法具有以上优点，在边坡工程的地表监测中占有主导地位。但由于大地测量法受到地形通视条件限制和气象条件的影响，实测时的工作量大、周期长，会使连续观测的能力变差。大地测量法位移监测适用于不同类型、不同变形破坏阶段的滑坡监测，具有技术成熟、投入快、精确度较高及无量程限制等优点，但是大地测量监测易受滑坡体地形等通视条件的限制，而GPS卫星定
