西部地区公路地质灾害监测预报技术研究.pdf

西部交通建设科技项目 西部交通建设科技项目 合同号：合同号：2003-318-802-01 西部地区公路地质灾害监测预报技术研究 西部地区公路地质灾害监测预报技术研究 研究报告简本 研究报告简本 贵州省交通规划勘察设计研究院 贵州省交通规划勘察设计研究院 2007 年 12 月 2007 年 12 月 目 录 1 前言前言1 2 项目研究目标项目研究目标2 3 项目研究的关键技术项目研究的关键技术4 4 项目研究成果项目研究成果5 5 项目创新点项目创新点9 6 项目的经济、社会和环境效益分析项目的经济、社会和环境效益分析10 7 结语结语12 1 1 前言 前言 西部地区地质灾害类型繁多，分布广泛，但由于特殊自然地质、地理 条件及气候条件，全区尤以滑坡、崩塌、泥石流较为典型，特别是对公路 影响最为直接、危害最大。但是，西部地区缺乏适应公路地质灾害监测预 报的成套技术，为了有效地进行防灾减灾工作，交通部西部交通建设科技 项目“西部地区公路地质灾害监测预报技术研究”2003 年立项招标，项目 承担单位贵州省交通规划勘察设计研究院联合参与单位中标后，在交通部 和贵州省交通厅的大力支持和领导下，历经整整 4 年的辛勤工作，圆满地 完成了研究，取得了丰硕的成果，完全达到了合同和研究大纲的要求。课 题以四个分题展开研究： 分题一，西部地区公路地质灾害的分类与区划的研究； 分题二，西部地区公路滑坡、崩塌监测预报技术研究； 分题三，西部地区公路泥石流监测预报技术研究； 分题四，基于 gis 的公路滑坡、崩塌与泥石流监测预报系统集成研究。 课题组开展了大量的室内外试验和实体工程应用研究，对滑坡、崩塌、 泥石流的成灾机制和规律、监测预报技术等进行了深入的研究，提出了西 部地区公路地质灾害危险性区划和分段的基本理论和方法，开发和应用了 如滑坡自动监测系统等地质灾害监测技术，建立了西部地区公路地质灾害 以勘察设计、施工、运营三个不同阶段的监测预报工作程序和技术要求， 并构建了“基于 gis 的公路地质灾害监测预报系统”平台，实现了地质灾 害安全管理、监测、预报、发布的科学化和自动化，并在贵州成功地完成 了示范应用。 1 2 2 项目研究目标 项目研究目标 本项目的总体目标为： 建立与公路工程特点相适应的公路地质灾害监测预报理论、方法和 技术工作程序； 建立公路工程地质灾害信息管理系统平台； 研究成果总体上达到国内领先水平。 2.1 分题一：2.1 分题一： 建立以贵州为示范区的西部地区公路地质灾害危险度区划指标体 系； 建立以贵州为示范区的西部地区公路地质灾害危害程度分级标准； 西部地区公路地质灾害的分类与区划的研究报告； 贵州省公路地质灾害危险性区划图； 建立适合于西部地区公路地质灾害危险性区划方法说明书。 2.2 分题二： 2.2 分题二： 针对勘察阶段、施工阶段和运营阶段公路的崩塌、滑坡地质灾害， 提出崩塌、滑坡的监测方法，研制崩塌、滑坡的监测和预报系统； 通过依托工程应用和验证崩塌、滑坡监测预报系统的可行性和适应 性； 提出不同条件下，崩塌、滑坡发生可能性的临界判据、使用标准和 适应条件； 制定建立西部地区公路崩、滑监测网（站）的工作程序和技术要求； 灾害评价、预测与预报的数学模型的建立； 崩塌、滑坡依托工程监测方案设计； 崩塌、滑坡依托工程预报。 2.3 分题三： 2.3 分题三： 针对勘察阶段、施工阶段和运营公路的泥石流灾害，提出泥石流沟 或潜在泥石流沟判别方法； 2 建立泥石流的监测和预报系统，通过对泥石流监测预报的依托工程 应用和验证，确定其不同条件下的可行性和适应性； 泥石流沟发生泥石流的可能性概率预测模型； 制定建立西部地区公路泥石流监测网（站）的工作程序和技术要求。 2.4 分题四 2.4 分题四 基于本课题研究的成果，建立崩塌、滑坡监测预报的 gis 系统，实 现监测预报的层次动态可视化； 系统直接服务于勘察阶段、施工阶段和运营阶段公路地质灾害信息 的管理，利用该系统能实现地质灾害信息的录入与存储、检索与查询、修 改与更新、数据统计、空间分析和输出等功能； 利用 gis 和多媒体等高新技术，实现勘察阶段、施工阶段和运营阶 段地质灾害信息的统一管理与信息资源共享； 利用系统的优势最终为公路建设和运输管理部门在地质灾害防治与 治理、灾害规律研究、交通管理、生态环境保护与治理等各方面的决策分 析提供支持，维护公路交通安全，降低地质灾害损失，提高公路运输管理 水平。 3 3 3 项目研究的关键技术 项目研究的关键技术 本项目充分结合西部地区公路特点，综合利用地质灾害研究已有的成 果，针对公路勘察设计阶段、施工阶段和运营阶段的工作环境，对西部地 区岩（土）体斜坡在降雨、人为活动的诱发下发生的、会对公路工程的建 设与运营产生不良影响和严重后果的崩塌、滑坡、泥石流灾害监测预报技 术开展研究。在项目进行过程中，采用先进的测试技术和方法，科学的试 验方法与现代试验设备，使西部地区公路地质灾害监测预报技术与公路勘 察设计、施工和运营相协调，实现科研为生产服务。 （1）西部地区公路滑坡、崩塌与泥石流危险性区划指标体系； （2）西部地区公路滑坡、崩塌与泥石流监测数据采集、传输与接收的 方式； （3）西部地区公路滑坡、崩塌与泥石流预报模型和预报判据； （4）西部地区公路滑坡、崩塌与泥石流数据库的建立与更新以及综合 预报系统集成。 4 4 4 项目研究成果 项目研究成果 项目完成了西部地区 公路典型地质灾害滑坡、 崩 塌、泥石流的监测、预报、 预警成套技术研究， 具体成 果如下： （1）综合分析了公路 与滑坡、崩塌、泥石流地质 灾害的相互联系、相互作 用，全面、系统地研究了典 型公路地质灾害的类型， 通 过滑坡模拟试验研究了滑坡机理（图 1） ，揭示了触发因素对滑坡成灾机制 和运动规律的影响，为滑坡的时间、空间和危害程度预报提供了可靠的理 论依据，对指导工程实践具有十分重要的意义。 （2） 建立了区域地 质灾害危险性评价的指 标体系，通过对评价模 型和方法的分析比选， 选择类比分析法和因子 叠加法分别从定性和定 量的角度对区域地质灾 害的危险性进行了分析 评价，同时利用 gis 技 术，实现了定性和定量 的有机结合，得到了地 质灾害危险性综合分区结果（图 2） 。然后将基本因素危险性分区图与诱发 因素降雨图层进行叠加计算，得到地质灾害基本因素和降雨诱发因素综合 作用的危险性分区图，从而提出了适用于西部地区公路地质灾害危险性区 划和分段的基本理论和方法，编制了说明书，并在贵州省进行示范。 图 1 人工降雨试验现场 图 1 人工降雨试验现场 图 2 贵州省地质灾害危险性综合分区图 图 2 贵州省地质灾害危险性综合分区图 5 （3）首次引入多元件多状态系统的可靠性分析理论，并结合区域地质 灾害发生的特点和机理，建立了贵州省地质灾害危险性的多态系统可靠度 计算模型，计算结果与宏观定性分析结果基本一致。说明可靠性分析理论 在区域地质灾害危险性评价、预测、管理等方面具有广阔的应用前景。 （4）为切实保障公路正常运营和广大群众的生命财产安全，针对公路 滑坡、崩塌和泥石流的特点，提出了公路在选线、设计、施工及运营等不 同阶段的防治措施和办法。 （5）研究表明，土质边坡崩塌的发生，主要受到坡度、土质、降雨量 三个因子的影响。坡度提供了崩塌的能量（势能） ；土质决定土体的强度、 渗透系数、孔隙率，从而影响土体的孔隙水压力；降雨量是触发因子，一 般情况下，其大小决定崩塌的规模和起崩数量；岩石边坡的崩塌，是应力 释放和摩擦运动的过程，并伴随着声波的传递，其能率（大事件频次）的 大小与岩体所处的状态有关，能率大，大事件频次多，发生崩塌的概率大。 （6）通过对破碎软质岩体 崩塌的监测，总结得出了破碎软 质岩体声发射大事件频次 5n 10，崩塌体处于潜在不稳定阶 段，10n，处于不稳定阶段， 在相似情况下，可以据此进行崩 塌预测。同时采用突变理论进行 了预测分析，计算的预测结果与 实际相符，表明突变理论可以在 工程中应用（图 3） 。 （7）结合公路的特点，提出了公路滑坡、崩塌监测的必选方法为钻孔 测斜法、条带测缝法、声发射监测。总结出各阶段监测的目的范围、监测 网的布置、监测的频率。提出了公路地质灾害监测群测群防的体系，规定 了各单位的工作内容和职责。 （8）试验和工程实践表明，深部位移监测能够准确监测到滑动面的位 置，同时可以监测不同深度的位移值，而且不受气候的影响，精度很高， 是滑坡理想的监测方法。 图 3 依托工程：普安堂崩塌 图 3 依托工程：普安堂崩塌 6 （9）开发了滑坡自动监测系统，数据采集仪自动采集监测仪器传感器 的数据之后存储于数采仪的存储单元内，数采仪与 dtu 传输单元连接后借 助于 gsm 卡 gprs 功能将存储单元内的监测数据通过 internet 网络远程传 输到数据处理中心并存 入计算机内，实现了实 时监控的目的（图 4） 。 （10）提出了模型 与判据确立的原则，应 结合实际地质环境条 件、主要触发因素、变 形破坏机制、变形破坏 阶段进行综合研究，进 行多模型、 多判据预报， 并综合分析选择建立适 宜的、有效的监测预报模型，不应单一地采用理论预报模型进行预测预报。 提出了获得判据的方法为相似模拟试验和工程类比分析法。并以实际滑坡 的监测数据为依据，对多种模型的预报精度进行检验分析，总结了其优缺 点和适用条件。 （11）提出了公 路地质灾害监测预报 机构的建设方案、预 警系统实施要则和信 息反馈机制以及公路 建设各阶段的运行模 式，为了避免地质灾 害的危害，必须在管 理方面保证地质灾害 监测预报系统有效高 效地运行，真正做到 “统一部署、集中管理、依靠科技，提高实效、确保安全” 。 图 4 晴隆滑坡自动监测系统 图 4 晴隆滑坡自动监测系统 图 5 依托工程：晴隆滑坡 图 5 依托工程：晴隆滑坡 7 （12）全面、系统地分析 和总结了公路泥石流灾害的调 查方法、动力学特性、突发性 公路泥石流的基本特征和成因 机理以及公路泥石流监测和泥 石流预警，并对公路在勘察、 施工和运营各阶段泥石流的观 测、预报内容、预报机理和预 报方法等进行了深入的分析和 研究，提出了公路单沟泥石流的判别、活跃度评估、危险度评价和单沟泥 石流预报模型和方法以及区域泥石流发展趋势预测方法、危险度评价及区 域泥石流降雨预报方法。 （13）对公路泥石流的预警方法、预警原理进行了深入分析研究，特 别是对泥石流的次生特性及次生预警原理及可靠性进行了研究，提出了利 用次生警报器对泥石流进行实时预警。 （14）构建了“基于 gis 的公 路地质灾害监测预报系统”平台， 实现了地质灾害安全管理、监测图 表处理、预测预报分析、地质灾害 区划及灾害信息的（实时）检索与 查 询 ， 并 应 用arcgis的 arcserver/arcims技术发布到互联 网上实现了动态网页浏览（图 7） 。 （15）编写了公路地质灾害 监测预报技术应用指南 。 （16）成功完成了十一处依托 工程的示范应用。 （17） 申请国家发明专利 2 项， 出版专著 1 本，发表论文 28 篇。 图 6 依托工程：白茶坪沟泥石流 图 6 依托工程：白茶坪沟泥石流 图 7 监测预报系统结构组织图 图 7 监测预报系统结构组织图 8 5 5 项目创新点 项目创新点 根据项目查新，本项目研究成果具有以下创新性： （1）根据公路勘察设计阶段、施工阶段、运营阶段的特点，系统地形 成了公路滑坡、崩塌与泥石流监测预报成套技术。 （2）提出了公路地质灾害危险性分区和危险性分段预测两层次法。 （3）引入多元件多状态系统的可靠性分析理论，建立了贵州省地质灾 害危险性评价的多态系统可靠度计算模型。 （4）开发了“滑坡条带测缝监测法”和“测斜管管口保护方法” 。 （5）通过人工降雨和机械开挖滑坡模拟试验，得出了降雨型滑坡和开 挖型滑坡的机理、滑面形态、力学参数和临滑速度，建立了残坡积层滑坡 的预报判据。 （6）引入公路崩塌声发射监测法，提出了崩塌 “临界大事件频次预 测”和“突变理论预测” 。 （7）提出了公路泥石流次声预警方法。 （8）建立了公路地质灾害数据标准并构建了“基于 gis 的公路地质灾 害监测预报信息系统”平台。 9 6 6 项目的经济、社会和环境效益分析 项目的经济、社会和环境效益分析 公路是支撑经济运行和社会发展的基础。西部地区公路交通的快速发 展，对保障西部地区经济社会持续健康发展、改善人民生活水平、加强各 民族团结发挥了重要的基础性作用，在构建社会主义和谐社会中承担着重 要职责。 地质灾害的形成、发展、发生过程是极其复杂的动态过程，不采用科 学有效的方法和手段进行全面系统的长期的监测，要全面认识并掌握其规 律，以达到减灾、防灾、治灾的目的是很困难的，但是，目前西部地区公 路交通系统尚未形成科学的、规范的地质灾害监测预报技术体系。因此， 开展西部地区公路地质灾害监测预报技术研究具有重大的现实意义。这一 课题的研究成果将填补国内空白，为西部地区公路在勘察设计阶段、施工 阶段和运营阶段地质灾害的预防和治理提供科学的指导。 西部地区公路地质灾害监测预报技术研究， 建立了西部地区公路滑坡、 崩塌、泥石流的危险性区划指标体系，提出了公路滑坡、崩塌、泥石流监 测预报应用技术指南，建立了基于 gis 平台的西部地区公路滑坡、崩塌、 泥石流监测数据库管理与预警预报决策系统。这些研究成果通过依托示范 工程的应用，已经发挥着巨大的社会效益，也产生了显著的经济效益： （1）利用西部地区公路滑坡、崩塌、泥石流的危险性区划资料，可以 在公路勘察设计阶段合理选择线位，避免线位通过地质灾害集中地段或重 特大地质灾害易发地段，有效地减少地质灾害治理工程投资，保护生态环 境。根据我省高速公路建设经验，在工可和初步设计阶段，充分利用好了 滑坡、崩塌、泥石流的危险性区划资料，合理选择线位，可以节省公路地 质灾害治理投资 50以上。 （2）通过对待建或在建公路项目滑坡、崩塌、泥石流的监测预报，能 准确地掌握它们的变形和运动规律，大大提高了勘察设计的精度和深度， 优化了设计方案，实现了动态设计，信息化施工，很好地解决了治理措施 过于保守或不到位问题，保证了治理措施的安全可靠和经济合理，有效地 避免了发生重大设计变更问题，进而可以减少因变更引发的社会极度关注 的工程腐败现象， 并可以避免因地质灾害造成的工程人员伤亡等悲惨事故。 10 通过对贵州省多条高速公路的统计，经过监测的地质灾害治理工程一般可 以节省投资 20以上。 （3）通过对运营公路滑坡、崩塌、泥石流、高路堤、高边坡及潜在危 险边坡等的监测预报，利用基于 gis 平台的西部地区公路滑坡、崩塌、泥 石流监测数据库管理与预警预报决策系统，能保证这些致灾点或潜在致灾 点的状态时时刻刻在公路管理养护人员和专业技术人员的掌控之中，方便 政府职能部门迅速做出决策，有效避免因地质灾害发生车毁人亡的重大事 故，提高了公路运输服务保障水平，保证人民群众安全便捷出行，很好地 维护了党和政府的形象。 （4）是“大力推进创新型交通行业建设”的具体体现。通过对西部地 区