邱冬煒，祝思君，2，王來陽，段明旭

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 102616； 2. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100089)

我國幅員遼闊，具有多種類型的地質(zhì)條件，地質(zhì)災(zāi)害形勢嚴峻，加上近接工程擾動、人工破壞、極端天氣等因素的影響，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對地質(zhì)災(zāi)害進行監(jiān)測與分析預(yù)報尤為重要。當(dāng)前，已經(jīng)實現(xiàn)了對地質(zhì)災(zāi)害區(qū)不穩(wěn)定體的自動化監(jiān)測，其中主要的監(jiān)測內(nèi)容為地表位移監(jiān)測和深部位移監(jiān)測。

王利、范青松、殷建華等利用高精度GPS接收機與InSAR技術(shù)、常規(guī)監(jiān)測手段相結(jié)合的方法，對滑坡進行地表位移監(jiān)測[1-3]。王凱等用測斜儀對滑坡進行深部位移監(jiān)測，并對比分析了測斜儀和拉線式測斜儀兩種監(jiān)測方法[4]。在地質(zhì)災(zāi)害中，地表位移往往具有滯后性，而深部位移監(jiān)測能準確分析不穩(wěn)定體的變形特征，進行準確預(yù)警。利用測斜儀進行深部位移監(jiān)測，只能監(jiān)測離散點位，無法準確獲得不穩(wěn)定體的整體變形情況。姚艷麗、李建輝等利用三維激光掃描技術(shù)對滑坡體進行了三維模型的建立，利用三維模型對滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)報[5-6]。付敏、薛濤、范永波等研究了滑坡深部位移監(jiān)測的方法和應(yīng)用[7-9]。一種新技術(shù)陣列式位移傳感系統(tǒng)(shape acceleration array，SAA)正在國內(nèi)外監(jiān)測領(lǐng)域嘗試應(yīng)用。陳賀等提出了一種使用SAA技術(shù)監(jiān)測孔動能的方案，實現(xiàn)對滑坡體的監(jiān)測與預(yù)報[10]。王生濤等用SAA技術(shù)監(jiān)測了隧道施工時圍巖體的收斂形變[11]。Bennett V、Abdoun T等結(jié)合SAA技術(shù)與無線傳輸技術(shù)，對高速公路邊坡和建筑結(jié)構(gòu)進行了實時監(jiān)測[12-14]。

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，SAA技術(shù)可以全方位地監(jiān)測不穩(wěn)定體的深部形變情況，通過無線數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給監(jiān)測中心。陣列式位移傳感器能夠靈活地以任意姿態(tài)布設(shè)在不穩(wěn)定體的任何部位，采集到的是各個監(jiān)測部位的三維坐標信息，比測斜儀更加直觀、準確地獲取監(jiān)測體的深部變形情況，從而實現(xiàn)變形分析與預(yù)警。

1　陣列式位移傳感系統(tǒng)原理

陣列式位移傳感系統(tǒng)是一種基于微電子機械來測量重力加速度和三軸位移的傳感器系統(tǒng)，具有較高精度、設(shè)備可回收利用、自動實時采集、無線傳輸?shù)忍攸c。SAA傳感器部分是由多個子節(jié)段通過柔性連接關(guān)節(jié)連接而成，其中子節(jié)段由MEMS加速度傳感器構(gòu)成，長度為30～50 cm，外部配有耐磨、耐腐蝕的保護材料。多個子節(jié)段構(gòu)成一個子陣列，其總長度可以隨意定制(如圖1所示)。由加拿大Measurand公司提供的試驗與測試結(jié)果，每個子陣列的最大彎曲角度達60°，由64個子陣列構(gòu)成的位移傳感器，總長度約32 m，其末端位移測量精度為1.5 mm[15]。

圖1　SAA傳感器

(1)

然后，以儀器的電纜引出端為各節(jié)段測量起始位置A11，傳感器在第一次通電時端點A11坐標為(x11,y11,z11)，依次連續(xù)對各子節(jié)的變化量求和∑(ΔX,ΔY,ΔZ)，就可以得到各連接點相對于端點A11的坐標值A(chǔ)1i(x1i,y1i,z1i)。其中i表示SAA各連接點序號，數(shù)字1為第一次通電工作時間狀態(tài)。SAA的工作原理如圖2所示。

SAA通電后開始實時數(shù)據(jù)采集，任意時刻每個子節(jié)段坐標值的改變反映了不穩(wěn)定體該部位的位移變化。此時各節(jié)段關(guān)節(jié)點的坐標值為相對于變化后的SAA端點的相對坐標值A(chǔ)ni(xni,yni,zni)(n代表觀測時間點)。

圖2　SAA子節(jié)段工作原理

2　工程試驗

2.1　工程地質(zhì)情況

試驗選取京張鐵路北京段居庸關(guān)隧道入口處的一處地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)，對不穩(wěn)定體深部位移開展監(jiān)測試驗研究(如圖3所示)。試驗區(qū)內(nèi)整體地形起伏，呈兩側(cè)高、中間低，橫向“V”型沖溝發(fā)育，均匯入中部低洼處的縱向河谷中，局部成陡崖巖墻狀。山勢陡峭，山體自然坡度為25°～59°。此區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，既有自然形成，又有人工破壞山體形成的地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)。突發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害有不穩(wěn)定堆渣體、泥石流、崩塌體等。這些不穩(wěn)定體中，距離京張客運專線(里程DK55+985至里程DK56+092)最近距離僅有80 m。其現(xiàn)場自然地勢如圖4所示。

圖3　試驗區(qū)位置示意圖

2.2　SAA布設(shè)的設(shè)計與實施

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和地質(zhì)勘察資料，采用地面三維激光掃描的方法獲取重點監(jiān)測區(qū)三維模型(如圖5所示)。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三維地質(zhì)本構(gòu)模型，并對本構(gòu)模型進行模擬分析。

圖4　試驗區(qū)地形情況

圖5　重點監(jiān)測區(qū)三維模型的數(shù)據(jù)采集和點云

由于滑坡地質(zhì)災(zāi)害受降雨影響較大，在本構(gòu)模型上進行降雨過程中降雨強度與變形規(guī)律的分析。分析結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同降雨強度下滑坡區(qū)域

圖7顯示了降雨強度在137、189和277 mm時的滑坡區(qū)域分布。結(jié)果顯示：在降雨累積137 mm時山體出現(xiàn)了初始滑坡，隨著累積降雨量的增加，山體滑坡區(qū)域逐漸增大。山體滑坡區(qū)域主要發(fā)生在山體陡坡區(qū)域，從坡腳向坡面延伸。

經(jīng)過滑坡變形的計算分析，獲得滑坡的監(jiān)測范圍和主滑方向。沿主滑方向布設(shè)測線，埋設(shè)SAA傳感器(如圖7所示)，并在測線頂、中和底部沿鉛垂方向安設(shè)測斜儀。其他監(jiān)測傳感器(如GPS、測量機器人等)分別布置在相應(yīng)位置，用來對該不穩(wěn)定體進行綜合監(jiān)測。

圖7　SAA傳感器埋設(shè)示意圖

根據(jù)試驗區(qū)地質(zhì)特點及SAA埋設(shè)要求，采用PVC管中埋設(shè)SAA傳感器的方法。SAA布設(shè)長度為8 m，在不穩(wěn)定體上開挖寬300 mm、深300 mm、坡度85°的溝槽，溝槽底部至基巖區(qū)。PVC管內(nèi)徑28 mm，外徑32 mm。用繩子將SAA拉入PVC管內(nèi)，檢查近端(坡頂)和遠端(坡腳)姿態(tài)標志，以確保SAA在管內(nèi)不發(fā)生扭曲。用混凝土將SAA最遠端固定在溝槽下端作為基準參考點。用細沙填埋溝槽，頂面500 mm用混凝土加以固定抹平(如圖8所示)。此次試驗SAA采用無線傳輸，并且由太陽能供電。

圖8　SAA傳感器的埋設(shè)及配套設(shè)備安裝

3　數(shù)據(jù)處理與對比分析

3.1　SAA監(jiān)測流程

SAA采用美國Campbell數(shù)據(jù)采集器CR8000進行數(shù)據(jù)采集。在自動采集數(shù)據(jù)之前，進行數(shù)據(jù)采樣間隔的設(shè)置，根據(jù)監(jiān)測需要，采樣間隔設(shè)置為30 min。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，并進行實時處理。其總體流程如圖9所示。

3.2　監(jiān)測結(jié)果分析

試驗共采集了3個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如圖10所示)，可以看出：①隨著時間的變化，SAA各節(jié)段在不同埋深部位的位移變化具有趨同性，與地質(zhì)本構(gòu)模型分析結(jié)果保持一致；②埋深5 m處的變形最大，分析為不穩(wěn)定體的滑移面位置。通過與地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)(鉆孔數(shù)據(jù))對比，孔深5 m處地質(zhì)構(gòu)造為坡積物與坡積碎石，地質(zhì)情況不穩(wěn)定。

圖9　監(jiān)測總體流程

圖10　SAA監(jiān)測結(jié)果示意圖

為了進一步驗證SAA的測量效果，選取相同時刻和相同部位測斜儀數(shù)據(jù)進行對比。圖11是數(shù)據(jù)對比結(jié)果的示意圖。

圖11　SAA與測斜儀數(shù)據(jù)對比

通過對數(shù)據(jù)進行綜合比較分析，SAA在地質(zhì)災(zāi)害不穩(wěn)定體深部監(jiān)測中與測斜儀的性能相仿。相比于測斜儀必須垂直布設(shè)的特點，SAA具有以任意形式布設(shè)并直接獲取各測點三維坐標的突出優(yōu)勢。

4　結(jié)　論

經(jīng)過將SAA監(jiān)測數(shù)據(jù)與地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、本構(gòu)模型分析結(jié)果、測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)等綜合對比分析可以看出：SAA能夠有效地實施地質(zhì)災(zāi)害深部位移的動態(tài)監(jiān)測，并可以準確地分析出不穩(wěn)定體的滑移面位置。SAA傳感器布設(shè)方式靈活、自動化程度高，適用于地質(zhì)災(zāi)害不穩(wěn)定體深部位移監(jiān)測。

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