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，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、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80～90年代初，每年因地质灾害造成300～400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,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。
1048577; ( 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、减少滴溅能量及飞溅的土粒1048577; ( 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1048577; ( 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(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。