(1.廣州大學(xué) 廣東 廣州 510006；2.廣州南陽理工職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510000)

一、引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國建筑業(yè)、水利工程、公路及鐵路行業(yè)的業(yè)務(wù)范圍不斷的擴(kuò)張，這就為人民帶來更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，為國家創(chuàng)造更豐厚的利潤，同時(shí)也產(chǎn)生了不可避免的隱患，在工程施工的過程中，大面積巖土體面臨著被填筑、開挖和加卸載的危險(xiǎn)，在雨水侵蝕和風(fēng)化的作用下容易產(chǎn)生變形，甚至出現(xiàn)滑坡的現(xiàn)象，這就使得巖土體邊坡穩(wěn)定性問題變得尤為重要。如果能對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，并對(duì)有可能發(fā)生的險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)報(bào)，這樣則可以避免由于邊坡失穩(wěn)而引起的滑坡災(zāi)害，減小事故發(fā)生的概率。

邊坡位移的監(jiān)測(cè)主要包括邊坡表面位移的監(jiān)測(cè)和邊坡深部位移的監(jiān)測(cè)，其中邊坡表面位移監(jiān)測(cè)的方法主要有：三角測(cè)量法、角度交會(huì)法、GPS監(jiān)測(cè)方法、分布式光纖監(jiān)測(cè)方法[1]等。而邊坡深部位移監(jiān)測(cè)的方法主要有：鉆孔測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)方法[2]、TDR監(jiān)測(cè)方法[3]、鋼絲位移監(jiān)測(cè)方法等。本文所采用的邊坡位移監(jiān)測(cè)的方法為數(shù)字圖像測(cè)量法，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的基礎(chǔ)是數(shù)字圖像所包含的信息，它與傳統(tǒng)攝影測(cè)量的膠片記錄方式有所不同，它是運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬件配合專用的數(shù)字圖像測(cè)量軟件來共同的完成攝影測(cè)量任務(wù)的，攝影測(cè)量是一種高自動(dòng)化、高精度的測(cè)量技術(shù)。通過專用的數(shù)字圖像處理技術(shù)來準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)所處空間位置，然后和初始位置的進(jìn)行比較分析得到被測(cè)目標(biāo)的微小位移[4]。

二、數(shù)字圖像測(cè)量法原理

圖像所記錄的信息與輻射源的波長、強(qiáng)度以及物體的反射、透射能力大小程度有密切的關(guān)聯(lián)。對(duì)于一般的圖像來說，光的強(qiáng)度和色彩是最為主要的兩個(gè)度量特征，光強(qiáng)圖像，又可以稱為灰度或者黑白圖像，一個(gè)二維光強(qiáng)函數(shù)可由照射和反射模型來表述：

f(x,y)=i(x,y)r(x,y)

(1)

由于計(jì)算機(jī)和數(shù)字成像設(shè)備均具有離散的特殊性能，因而需要將自然界的連續(xù)光強(qiáng)圖像進(jìn)行離散化的處理，然后利用離散數(shù)學(xué)函數(shù)來表示，這就是所謂的數(shù)字圖像。數(shù)字化包括兩個(gè)過程：對(duì)圖像空間離散化為像素點(diǎn)和對(duì)圖像光強(qiáng)值離散化為像素灰度[5]。

如圖1所示，采用特定的數(shù)字成像設(shè)備，將連續(xù)函數(shù)f(x,y)在空間上按一定方式離散劃分為若干小區(qū)域(xi,yj)(i=0,1,…,M-1;j=0,1,…,N-1)，每一個(gè)小區(qū)域叫做圖像元素(picture element，Pixel)，簡(jiǎn)稱為像素或像點(diǎn)。其中M和N是圖像在x、y方向上的像素個(gè)數(shù)。

圖1 對(duì)連續(xù)光強(qiáng)圖像離散化得到數(shù)字圖像

將像素的光強(qiáng)灰度離散化為有限個(gè)級(jí)別能更好的表述數(shù)字圖像。一般采用將像素灰度均勻量化，即把圖像灰度范圍分為G個(gè)等間隔，G通常稱為灰度的分割級(jí)數(shù)或者是量化級(jí)數(shù)，也就是所謂的灰度分辨率；灰度級(jí)數(shù)采用二進(jìn)制的位數(shù)k(比特?cái)?shù))來表示，這樣做的目的是為了方便計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存，即G=2k。k常用取的值為8，10，16，對(duì)應(yīng)為256，1024和65536個(gè)灰度級(jí)數(shù)[6]。

數(shù)字圖像被離散以后，從數(shù)學(xué)表達(dá)式的角度來看是一個(gè)M×N的矩陣。該矩陣元素排列的位置(i，j)，代表對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)在圖像上所處的位置。矩陣中元素?cái)?shù)值g與像素點(diǎn)的灰度值相對(duì)應(yīng)。由于數(shù)字圖像是用二維矩陣表示的，對(duì)于任何矩陣都可以實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除、微分、積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，即這些數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)于數(shù)字圖像同樣適用[7]。

三、邊坡穩(wěn)定性模擬計(jì)算

本模型以佛山廣明高速K66標(biāo)段道路兩側(cè)的邊坡為依據(jù)，通過ANSYS軟件建立邊坡的模型。選取的模型的參數(shù)為：粘聚力為17kPa，內(nèi)摩擦角為28°，容重為23kN/m3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.18。為了方便進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析一般對(duì)模型作以下幾種假設(shè)：土體在邊坡中是均勻分布的；對(duì)土體接觸面不予于考慮；不考慮施工對(duì)土體表面產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變作用；單元類型采用平面應(yīng)變；采用D-P屈服準(zhǔn)則。

邊坡的模型尺寸如圖2所示，邊坡有限元模型如圖3-2所示。

圖2 邊坡模型尺寸 圖3 邊坡有限元模型

根據(jù)模型計(jì)算當(dāng)邊坡?lián)鯄湾^桿處于正常情況下時(shí)的邊坡水平方向變形和應(yīng)力情況如圖4和圖5所示。

圖4 水平位移 圖5 水平應(yīng)力

4個(gè)特征結(jié)點(diǎn)水平位移如下表1所示。

表1 正常工況下各結(jié)點(diǎn)水平位移

然后又模擬了錨桿損傷值為10%、30%、50%、80%、90%、96%這六種情況各節(jié)點(diǎn)的水平位移，各節(jié)點(diǎn)的損傷值與水平位移的關(guān)系曲線如下圖6所示。

圖6 結(jié)點(diǎn)位移

從上圖中可以看出各結(jié)點(diǎn)的水平位移隨著錨桿的損傷值不斷增大均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，在錨桿損傷值在0-80%時(shí)，結(jié)點(diǎn)水平位移增長速度比較慢，然而當(dāng)損傷值大于80%時(shí)增長速度大幅度增大。同時(shí)還可以看出不同位置的結(jié)點(diǎn)它們的增長速度也不一樣的，106結(jié)點(diǎn)的增長速度最大，2935結(jié)點(diǎn)的增長速度最小，13007結(jié)點(diǎn)和2結(jié)點(diǎn)的增長速度處于中間位置，并且2結(jié)點(diǎn)的增長速度大于2935結(jié)點(diǎn)。

四、邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本次的邊坡監(jiān)測(cè)以佛山廣明高速K66標(biāo)段道路兩側(cè)的高邊坡為主，在邊坡的兩側(cè)設(shè)置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，以邊坡的運(yùn)動(dòng)作為主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。利用軟件測(cè)量系統(tǒng)可以檢測(cè)到5個(gè)點(diǎn)的水平位移的數(shù)據(jù)，取其中的一個(gè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)3的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖7，圖8是從圖7中截取一部分。從兩幅圖中可以看出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是屬于離散型的，波動(dòng)的范圍在[-0.05，0]，說明此時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 測(cè)點(diǎn)3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖8 測(cè)點(diǎn)3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

本文以佛山廣明高速k66標(biāo)段兩側(cè)的高邊坡為基礎(chǔ)建立邊坡模型，并結(jié)合數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從中可以得出以下結(jié)論：滑坡是一個(gè)緩慢發(fā)展的過程，在整個(gè)邊坡變形的過程中，變形的速度由慢到快，越到后面發(fā)展越快，這對(duì)邊坡穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不良的影響，有效的監(jiān)測(cè)將會(huì)避免邊坡變形帶來的嚴(yán)重后果，國家規(guī)范規(guī)定邊坡的水平位移達(dá)到20mm時(shí)，此時(shí)的邊坡已經(jīng)處于破壞狀態(tài)，所以說建立起一套邊坡的位移監(jiān)測(cè)的預(yù)警系統(tǒng)十分有必要。為了保證邊坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)錨桿的損傷程度為50%時(shí)，在系統(tǒng)中設(shè)定為提醒值；當(dāng)錨桿的損傷程度為80%時(shí)，在系統(tǒng)中設(shè)定為報(bào)警值。在邊坡模擬計(jì)算中錨桿的損傷值為80%時(shí)，結(jié)點(diǎn)106的水平位移為8.3mm，結(jié)點(diǎn)2的水平位移為3.5mm，結(jié)點(diǎn)13007的水平位移為5.4mm，結(jié)點(diǎn)2935的水平位移為1.5mm。當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)窗口出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)水平位移為8.3mm時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的報(bào)警，接到報(bào)警后應(yīng)對(duì)邊坡的狀況進(jìn)行全面的檢測(cè)，分析原因并采取相應(yīng)的措施，防止邊坡的破壞。

[1]張巍,施斌,索文斌等.凍土瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)方法及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2007，(05)：723-728.

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