雷 鳴，陸儀啟，周翠英，劉 鎮(zhèn)，徐一鳴，夏 兼

(1.廣東云梧高速公路有限公司，廣東云浮527300;2.中山大學工學院，廣東廣州510275;3.中山大學海洋學院，廣東廣州510275)

粵西地處亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季高溫多雨，高邊坡穩(wěn)定性進行人工監(jiān)測不僅難度大，而且時效性差。因此，亟需對適應于亞熱帶季風氣候區(qū)的高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測技術進行研究。

國內外在高邊坡監(jiān)測技術上已經(jīng)達到較高水平。由早期的地層和巖層地質測量技術，過渡到由光學和電學儀器等構成的比較先進的監(jiān)測手段，進而發(fā)展到GPS導航、遠景觀測和近景拍攝同時應用到邊坡監(jiān)測中，現(xiàn)正向著自動化、遠程、高精度以及無線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展［1－2］，主要有 GPS 測量［3－6］、光纖傳感［7－9］、激光位移監(jiān)測［10－12］、孔徑雷 達 干 涉 測 量［13－14］、 聲 發(fā) 射［15－16］、 時 域 反射［17－18］、微震量測［19－20］和攝動監(jiān)測［21］等技術，均實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時采集、遠程傳輸與分析。上述監(jiān)測手段在水電庫區(qū)邊坡、礦山邊坡等工程中的應用研究已經(jīng)達到較高水平，然而對于極端氣候條件地區(qū)的高邊坡，已有的監(jiān)測設備尚不能滿足其穩(wěn)定性監(jiān)測的需求。

本文針對粵西亞熱帶季風氣候區(qū)夏季高溫炎熱、雨季長的特征，研發(fā)了一套高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在廣東云羅高速高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測上的成功應用，表明其適用性較好。

1 亞熱帶季風氣候條件下高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測難題

亞熱帶季風氣候，分布在北緯25°～35°亞熱帶大陸東岸，在中國的典型分布區(qū)為秦嶺淮河以南，青藏高原以東、熱帶季風氣候以北的地帶。該氣候區(qū)域夏季太陽高度角大，氣溫較高，且南季風帶來的降水豐沛，雨熱同期，雨季持續(xù)時間長。此外，夏秋常受熱帶氣旋的影響。

廣東省內廣泛分布紅層等軟弱巖體，遇水極易軟化，加之部分地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季干濕交替頻繁，導致該地區(qū)的高邊坡穩(wěn)定性問題突出［22－23］?；浳鱽啛釒Ъ撅L氣候區(qū)內的高邊坡監(jiān)測存在以下問題:①夏季高溫多雨，人工監(jiān)測困難;②夏季太陽高度角大，太陽輻射強烈，使無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)中太陽能電板輸出的電壓過高，容易導致監(jiān)測電路因過壓而停止工作;③雨季時間長，使無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)面臨長期供電問題;④邊坡表面巖石易受風化、雨水沖刷的影響，表面位移不足表征邊坡的穩(wěn)定性。

針對上述問題，在已有的監(jiān)測技術基礎上開發(fā)一套有效適用的高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，對亞熱帶季風氣候區(qū)內高邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測具有重大意義。

2 亞熱帶季風氣候條件下遠程實時監(jiān)測原理及其系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測原理

針對粵西亞熱帶季風氣候區(qū)內高邊坡人工監(jiān)測困難的問題，開發(fā)了數(shù)據(jù)自采集與無線遠程傳輸技術，實現(xiàn)高邊坡穩(wěn)定性的實時在線監(jiān)測;采用太陽能供電技術，解決了監(jiān)測系統(tǒng)的長期供電問題;以錨索拉力值為監(jiān)測對象，克服了表面位移在邊坡穩(wěn)定性判別上的不足。

1)錨索拉力值監(jiān)測原理。

使用振弦式力學傳感器，其內部振弦為一根張緊的鋼絲，當受到外界壓力變化時，振弦上就會產(chǎn)生一定的張力。通過給激振原件一定的電量，傳感器內固定的鐵片就會在電磁力的作用下發(fā)生相對運動，此時振弦就會隨著鐵片的運動發(fā)生振動。當振弦的張力和振動同時存在時，振弦的固有振動頻率和張力就有了一定量的關系，如式 (1)所示。這樣就可以通過測量振弦的頻率變化來間接測量外界力的變化。

式中:F為荷載值;f為中弦頻率，即傳感器內各振弦頻率的均值;k為標定系數(shù)。

2)邊坡穩(wěn)定性判斷原理。

根據(jù)監(jiān)測得到的錨索拉力值，根據(jù)極限平衡條件得到潛在滑動面上的安全系數(shù)。邊坡平面滑動分析如圖1所示，這時可得到邊坡的總滑動力為

總抗滑力為

由此可得潛在滑動面上的安全系數(shù)為

式中G為滑體的重力;P為錨索拉力值;α為滑動面傾角;θ為錨索與水平面交角;φ為滑動面的摩擦角;c為滑動面上的粘聚力;l為滑動面的長度。

通過式(4)可將監(jiān)測到的錨索拉力值轉化為潛在滑動面上的安全系數(shù)。若Fs＞1，則沿著此計算滑動面是穩(wěn)定的;若Fs＜1，則是不穩(wěn)定的。

圖1 邊坡平面滑動分析圖Fig.1 The analysis diagram of slope plane sliding

3)無線傳輸原理。

基于GPRS/CDMA 1x移動數(shù)據(jù)通信技術，利用數(shù)據(jù)終端設備與DVB天線，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線遠程實時傳輸。

4)太陽能供電原理。

太陽能供電系統(tǒng)如圖2所示，通過太陽能電板將太陽能轉換為電能，存儲于鋰電池中;太陽能電板和鋰電池之間通過充電管理模塊相連，該模塊由穩(wěn)壓電路和反充電邏輯電路組成，穩(wěn)壓電路解決了太陽能輸出電壓過高問題，反充電邏輯電路可防止鋰電池對太陽能電板的反充電。

圖2 太陽能供電系統(tǒng)Fig.2 The solar energy system

5)信息化管理平臺工作原理。

根據(jù)智能數(shù)據(jù)倉庫原理，利用SQL數(shù)據(jù)庫和ASP網(wǎng)頁設計及flash技術，建立邊坡監(jiān)測信息化管理平臺，對數(shù)據(jù)進行運算處理，并通過flash技術將數(shù)據(jù)轉換為圖表。

2.2 系統(tǒng)組成

高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括:力學傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理器、無線傳輸裝置、太陽能供電系統(tǒng)以及信息化管理平臺等五部分，如圖3所示。

圖3 高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 The high slope stability monitoring system

1)力學傳感器:將錨索拉力值轉換為可直接測量的振動頻率信號。

2)數(shù)據(jù)采集與處理器:包括力學信息采集模塊與計算處理模塊。力學信息采集模塊對力學傳感器中振弦的振動頻率進行自動采集，具有休眠和脈沖啟動功能。計算處理模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的振動頻率通過均值計算，并按照式 (1)轉換成錨索拉力值。數(shù)據(jù)存儲模塊對計算后的錨索拉力值進行儲存，并對監(jiān)測頻率進行記錄。

3)無線傳輸裝置:將數(shù)據(jù)采集與處理器中得到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸至信息管理平臺。

4)太陽能供電系統(tǒng):為現(xiàn)場設備提供電源，有效解決了亞熱帶季風氣候區(qū)無線遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的能源自給問題。

5)信息化管理平臺與集成:包括數(shù)據(jù)接收工作站、中心數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理工作站三部分。高邊坡遠程監(jiān)測設備實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收工作站，工作站將數(shù)據(jù)整理后發(fā)送至中心數(shù)據(jù)庫入庫備份，數(shù)據(jù)處理工作站通過相應的應用軟件對數(shù)據(jù)進行運算處理，并將數(shù)據(jù)轉換為圖表，增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計的直觀性。

3 高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立

本文以廣東云羅高速公路為依托，建立了高邊坡監(jiān)測選擇標準與斷面布設原則，選擇了監(jiān)測高邊坡與監(jiān)測斷面，并安裝了監(jiān)測設備，構建了高邊坡穩(wěn)定性遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 依托工程概況

廣東云浮至羅定高速公路起于云浮市郁南縣東壩鎮(zhèn)雙鳳管理區(qū)，止于羅定市雙東鎮(zhèn)的大步塘，路線全長32.457 km。全線路塹邊坡共計192段，其中坡高≥30 m的高邊坡有39段，其加固防護措施有錨索框梁、錨桿框梁、拱形骨架掛三維網(wǎng)生態(tài)防護三種。沿線以侵蝕丘陵為主，地形起伏較大，路塹高邊坡可分為土質邊坡、類土質邊坡和巖質邊坡三類，主要地層分別由砂巖、泥質粉砂巖、灰?guī)r、片麻巖及花崗巖組成。路線區(qū)屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和、雨量充沛。

3.2 高邊坡監(jiān)測選擇標準與斷面布設原則

通過現(xiàn)場踏勘和野外調研，收集整理了沿線高邊坡的巖層組合、巖體結構類型、巖土體性質、風化程度、地表與地下水作用及切坡、加固方式以及周邊人類工程活動等資料。依此概化了邊坡典型結構模式與主要類型，建立了高邊坡監(jiān)測選擇標準及其斷面布設原則:選擇巖體破碎、地質構造面發(fā)育、坡體較陡、下滑力大、安全系數(shù)低的高陡邊坡進行穩(wěn)定性監(jiān)測，選擇風險較大的斷面作為穩(wěn)定性監(jiān)測斷面。

在調研的基礎上，選取坡高大于50 m的高邊坡，按照高邊坡監(jiān)測斷面布設原則對每個邊坡的危險斷面進行穩(wěn)定性分析?；谌鸬錀l分法原理，采用數(shù)值模擬方法，結合表1中的巖體力學參數(shù)，研究了各邊坡的穩(wěn)定性，確定了其潛在滑動面及安全系數(shù)。經(jīng)過對比分析，最終選定云羅高速公路K57+020～K57+235高邊坡工程作為依托工程，進行穩(wěn)定性監(jiān)測。

表1 巖體力學參數(shù)表Table 1 The rock mechanics parameter list

3.3 邊坡概況及錨索與深部位移監(jiān)測點布置

1)邊坡概況。

本監(jiān)測邊坡位于里程樁號K57+020～K57+235右側，坡長215 m，最大坡高為62.0 m，最大坡角約55°，開挖方量大，地應力調整大，易形成較大松弛區(qū);加之，邊坡范圍內殘坡積粉質黏土及全風化層厚度較大，構成本邊坡巖體主要為全～微風化花崗巖，風化程度差異大，邊坡開挖后，巖體受水及風化作用，強度降低;上述二者疊加該易使邊坡穩(wěn)定性降低。

2)監(jiān)測點布置。

根據(jù)其地質與環(huán)境條件及高邊坡監(jiān)測斷面布設原則，確定該區(qū)間監(jiān)測斷面為K57+092與K57+170。在K57+020～K57+235高邊坡穩(wěn)定性分析的基礎上，確定了其潛在滑動面位置，布設了錨索拉力監(jiān)測點，設計錨索深度為20 m，超出潛在滑動面約9 m，如圖4(a)、(b)所示。

圖4 K57+020～K57+235間右側邊坡監(jiān)測點布置示意圖Fig.4 The schematic diagram anchor cable monitoring point on the right side of the slope between K57+020 and K57+235

3.4 監(jiān)測設備安裝

在K57+092與K57+170兩斷面監(jiān)測點處布設力學傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理器、無線傳輸裝置、太陽能供電系統(tǒng)等。根據(jù)實際情況，錨索的張拉力設置為約200 kN，以滿足監(jiān)測需求。安裝時，先依次將力學傳感器下墊板、高精度力學傳感器、傳感器上墊板、錨頭穿過錨索裝上，然后進行張拉調試，設備安裝后如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布設與監(jiān)測設備安裝Fig.5 The layout of monitoring point and the installation of monitoring equipment

3.5 云羅高速公路高邊坡安全遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)智能數(shù)據(jù)倉庫原理，利用Structured Query Language(SQL)數(shù)據(jù)庫和Active Server Page(ASP)網(wǎng)頁設計及flash技術，建立了云羅高速公路高邊坡安全遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收工作站、中心數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理工作站三部分。高邊坡遠程監(jiān)測設備實時采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收工作站，工作站將數(shù)據(jù)整理后發(fā)送至中心數(shù)據(jù)庫入庫備份，數(shù)據(jù)處理工作站通過相應的應用軟件對數(shù)據(jù)進行運算處理，并通過flash技術將數(shù)據(jù)轉換為圖表，增加了數(shù)據(jù)統(tǒng)計的直觀性。系統(tǒng)頁面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)頁面圖Fig.6 The figures of the system pages

4 邊坡穩(wěn)定性遠程實時在線分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)該高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果，繪制了1－1與2－2觀測點錨索拉力隨時間的變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，兩監(jiān)測點錨索拉力值基本是在150～250 kN范圍內波動，且趨勢平穩(wěn)。觀測點1－1與觀測點2－2的錨索拉力在2013年4月—8月時間段內有頻繁的小范圍波動，觀測點1－1在2014年3月31日—4月3日有較大波動，然均在波動后恢復平穩(wěn)狀態(tài)。

圖7 錨索拉力變化圖Fig.7 The variation diagram of anchor cable tension

4.2 錨索拉力波動原因分析

根據(jù)當?shù)貧庀蠼y(tǒng)計資料，2013年4月—8月時間段內共有90 d屬于雨天，邊坡巖體由于長時間受水作用，穩(wěn)定性降低;此外，此段時間內邊坡一、二級邊坡正在進行開挖施工，對邊坡整體穩(wěn)定產(chǎn)生了一定的擾動。上述兩者導致了兩觀測點錨索拉力值的頻繁小范圍波動。

2013年9月—2014年1月，當?shù)毓步涤?9次，邊坡受水作用不顯著，且邊坡已經(jīng)施工完畢，整體穩(wěn)定性較好，故此段時間內觀測點錨索拉力值一直保持平穩(wěn)態(tài)勢。

2014年3月云浮開始進入梅雨季節(jié)，連綿的小雨使得邊坡巖體變得潮濕而逐漸軟化，3月31日—4月3日，邊坡所在地連續(xù)降大到暴雨，邊坡巖體受水浸泡進一步軟化，邊坡穩(wěn)定性惡化，導致觀測點1－1處的錨索拉力波動幅度較大。而觀測點2－2處錨索拉力維持平穩(wěn)，原因在于該斷面地層有反傾存在 (如圖8)，可以在一定程度上降低巖體下滑的風險。

圖8 觀測點2－2斷面地層示意圖Fig.8 The formation diagram at point 2－2

4.3 邊坡穩(wěn)定性分析

通過上述分析，兩觀測點錨索拉力雖有波動，但波動后都恢復平穩(wěn)趨勢，可知邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測得到的錨索拉力值，使用瑞典條分法計算出兩斷面對應潛在滑動面上的安全系數(shù)，計算結果表明兩潛在滑動面上的安全系數(shù)均大于1。此外，根據(jù)深部位移監(jiān)測得到的各斷面附近的最大變形速率和最大位移值如表2所示，可知兩者均未超出警戒值。綜上，可知邊坡整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結論

1)本文所開發(fā)的太陽能供電系統(tǒng)在云羅高速高邊坡監(jiān)測系統(tǒng)運用一年余，保證了監(jiān)測設備供電的穩(wěn)定性和長期性，充分證明了該系統(tǒng)能適應亞熱帶季風氣候區(qū)雨季長、夏季晴天太陽輻射強的特點。

2)通過對監(jiān)測結果分析，可知錨索拉力基本在150～250 kN范圍內波動，邊坡整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3)由監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動與當?shù)亟涤暌约肮こ淌┕さ南嚓P性可知，該系統(tǒng)對降雨和工程擾動具有較高的敏感性。

4)通過與其他監(jiān)測手段，如深部位移監(jiān)測相配合，可更加有效地對邊坡穩(wěn)定性進行監(jiān)控，避免滑坡事故的發(fā)生，可廣泛推廣用于邊坡、隧道等工程的安全監(jiān)控中。

［1］張兆義.山區(qū)高速公路施工期路塹邊坡遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)研制［D］.成都:成都理工大學，2012.

［2］梅益?zhèn)?基于無線傳感器網(wǎng)絡的高邊坡監(jiān)測技術研究［D］.重慶:重慶交通大學，2012.

［3］JULIEN C W，NICHOLAS S，ROLAND B.GPS and remote sensing study of slope movement in the Berkeley Hills，Ca［J］.Geotechnical Special Publication，2013，231:319－322.

［4］MEHRDAD A，MAHDI M，MAHMUD H H.Slope stability assessment of the sarcheshmeh landslide，northeast Iran，investigated using InSAR and GPS observations［J］.Remote Sensing，2013，5(8):3681－3700.

［5］張清志，鄭萬模，巴仁基，等.應用高精度GPS系統(tǒng)對四川丹巴啞喀則滑坡進行監(jiān)測及穩(wěn)定性分析［J］.工程地質學報，2013，2:250－259.

［6］王利，張勤，李尋昌，張永奇，等.GPS RTK技術用于滑坡動態(tài)實時變形監(jiān)測的研究［J］.工程地質學報，2011，2:193－198.

［7］HUANG A B，LEE J T，HO Y T，Chiu Yun-Fang，Cheng Shyr-Yuan.Stability monitoring of rainfall-induced deep landslides through pore pressure profile measurements［J］.Soils and Foundations，2012，52(4):737－747.

［8］劉永莉.分布式光纖傳感技術在邊坡工程監(jiān)測中的應用研究［D］.杭州:浙江大學，2011.

［9］朱鴻鵠，殷建華，洪成雨，等.基于光纖傳感的邊坡工程監(jiān)測技術［J］.工程勘察，2010，3:6－10+14.

［10］RICCARDO F，GIOVANNI G，LUCA L.Terrestrial laser scanning for rockfall stability analysis in the cultural heritage site of Pitigliano(Italy)［J］.LANDSLIDES，2013，10(4):409－420.

［11］ARIANNA P，GIORDANO T，GIUSEPPE C，et al.Multitemporal laser scanner-based observation of the Mt.Vesuvius crater:Characterization of overall geometry and recognition of landslide events［J］.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2011，66(3):327－336.

［12］邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術應用于邊坡位移監(jiān)測［J］.地理空間信息，2011，1:68－70+12.

［13］MEHRDAD A，MAHDI M，MAHMUD H H.Slope stability assessment of the sarcheshmeh landslide，northeast Iran，investigated using InSAR and GPS observations［J］.Remote Sensing，2013，5(8):3681－3700.

［14］LOWRY B，GOMEZ F，ZHOU W，et al.High resolution displacement monitoring of a slow velocity landslide using ground based radar interferometry［J］.Engineering Geology，2013，166:160－169.

［15］CHEON D S，JUNG Y B，PARK E S，et al.Evaluation of damage level for rock slopes using acoustic emission technique with waveguides［J］.Engineering Geology，2011，121(11):75－88.

［16］田增國，陳翠梅，劉祖強.三峽工程永久船閘高邊坡巖體變形聲發(fā)射監(jiān)測［J］.工程勘察，2009，10:82－86.

［17］BERY A A，ROSLI S.High resolution time-domain induced polarization tomography with merging data levels by two different optimized arrays for slope monitoring study［J］.Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2013，18:5921－5928.

［18］譚捍華，傅鶴林.TDR技術在公路邊坡監(jiān)測中的應用試驗［J］.巖土力學，2010，4:1331－1336.

［19］OCCHIENA C，COVIELLO V，ARATTANO M.Analysis of microseismic signals and temperature recordings for rock slope stability investigations in high mountain areas［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2012，12(7):2283－2298.

［20］徐奴文，唐春安，沙椿，等.錦屏一級水電站左岸邊坡微震監(jiān)測系統(tǒng)及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2010，5:915－925.

［21］何滿潮.滑坡地質災害遠程監(jiān)測預報系統(tǒng)及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(6):1081－1090.

［22］周翠英，劉祚秋，尚偉，等.膨脹土和軟巖邊坡加固優(yōu)化設計的幾個關鍵問題——以東深供水改造工程中BⅢ_2邊坡為例［J］.中山大學學報:自然科學版，2003，42(3):127－128.

［23］張澤鵬，朱鳳賢，黃放軍，等.復雜地質條件下高邊坡加固設計與綜合治理研究——以梅河高速公路某高邊坡治理為例［J］.中山大學學報:自然科學版，2006，45(4):44－48.