莊旭東
(廣東賽達(dá)交通科技股份有限公司,廣東廣州510630)
在公路建設(shè)中,邊坡地質(zhì)條件在前期勘察工作中難以認(rèn)識(shí)透徹,且邊坡的穩(wěn)定性易受環(huán)境因素影響。尤其是山區(qū)巖土邊坡,由于地質(zhì)情況復(fù)雜、工程規(guī)模大,巖土問(wèn)題眾多,需要對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),以最低或工程可以接受的成本達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測(cè)目的。
邊坡監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中已十分成熟,但數(shù)據(jù)的采集普遍需要人工定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,使得邊坡監(jiān)測(cè)缺乏實(shí)時(shí)性。在很多情況下,不穩(wěn)定邊坡處于邊遠(yuǎn)地區(qū),監(jiān)測(cè)人員很難到達(dá),尤其是在滑坡的臨發(fā)階段,存在著眾多危險(xiǎn)。而采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以讓觀測(cè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn),確保高速公路的安全與高效。本文以曲靖東南過(guò)境公路為例,就自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高速公路邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。
曲靖東南過(guò)境公路東過(guò)境段項(xiàng)目,本次所監(jiān)測(cè)的5個(gè)邊坡,目前均采用錨桿(索)格梁植草坡面防護(hù)方案。
各邊坡開(kāi)挖防護(hù)施工情況如表1所示。
表1 各邊坡開(kāi)挖防護(hù)施工的起訖時(shí)間表
各邊坡在施工過(guò)程中均不同程度出現(xiàn)了失穩(wěn)滑坡問(wèn)題,導(dǎo)致支護(hù)方案發(fā)生了變更。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)失穩(wěn)滑坡分析,需要對(duì)這些部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),為了不受天氣影響實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在惡劣環(huán)境下仍保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定,確保邊坡施工安全穩(wěn)定,經(jīng)研究決定,在高速公路邊坡監(jiān)測(cè)中采用自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
從業(yè)務(wù)邏輯角度,自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層面。其中,感知層由現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。網(wǎng)絡(luò)層采用高速公路專用通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò);而應(yīng)用層的工作分為監(jiān)測(cè)對(duì)象服務(wù)和用戶服務(wù)兩個(gè)層次,在監(jiān)測(cè)對(duì)象服務(wù)層,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常接收、計(jì)算、存儲(chǔ),保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定、可靠。
本項(xiàng)目分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù),如圖1所示。當(dāng)光纖注入一束激光,光纖中每點(diǎn)均會(huì)發(fā)生布里淵光散射效應(yīng),布里淵散射光的中心頻率漂移量與光纖各點(diǎn)的軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系。利用相應(yīng)的解調(diào)和分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光纖中每一點(diǎn)應(yīng)變的分布式檢測(cè)。
圖1 BOTDA基本結(jié)構(gòu)原理
本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)將應(yīng)變光纖組成的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)貼敷于山體邊坡表面或邊坡內(nèi)部,當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變時(shí),將影響應(yīng)變光纖受激布里淵(Brillouin)散射效應(yīng)頻移的改變;布里淵頻移變化量與光纖應(yīng)變的變化量成線性正比關(guān)系,通過(guò)光纖應(yīng)變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的邊坡結(jié)構(gòu)形變量,而通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、提取與分析,可獲得邊坡形變變化量及變化趨勢(shì),為保障邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
滑坡是坡體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),邊坡介質(zhì)發(fā)生不同方式、不同規(guī)模和不同程度的變形,當(dāng)變形發(fā)展到一定程度,在坡體內(nèi)形成貫通性滑面時(shí)的變動(dòng)。因此,邊坡變形是邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的一個(gè)重要特征。監(jiān)測(cè)邊坡表面變形及其趨勢(shì)發(fā)展,是初步判斷邊坡穩(wěn)定狀況的一個(gè)必要手段。
由于本次監(jiān)測(cè)的5個(gè)邊坡均采用了錨桿(索)格梁支護(hù)方案對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行防護(hù),因此,該5個(gè)邊坡的表面變形監(jiān)測(cè)均采用對(duì)格梁變形的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本次方案中對(duì)于深部變形監(jiān)測(cè)的傳感光纖的布設(shè),是利用鉆孔內(nèi)的測(cè)斜管作為載體。鉆孔完成后,在安放測(cè)斜管的同時(shí),選取邊坡主滑動(dòng)方向上的兩個(gè)測(cè)斜管刻槽,將特殊封裝的傳感光纖捆綁在刻槽內(nèi),同時(shí)向下放入鉆孔孔內(nèi)。
測(cè)斜管在滑坡推力作用下將發(fā)生變形,通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)斜管的變形來(lái)反映滑坡體的深部變形。測(cè)斜管發(fā)揮著抗滑及信息載體的復(fù)合作用。利用測(cè)斜管變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),反演滑坡推力的分布形式、滑面位置;通過(guò)測(cè)斜管所處的狀態(tài),評(píng)價(jià)滑坡體的安全狀態(tài)。
根據(jù)本項(xiàng)目邊坡實(shí)際情況,邊坡監(jiān)測(cè)主要選取的監(jiān)測(cè)項(xiàng)包括:支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、表面位移監(jiān)測(cè)、內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)。邊坡具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及采取的相應(yīng)措施如表2所示。
表2 監(jiān)測(cè)參數(shù)及采取的相應(yīng)措施
本項(xiàng)目自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
系統(tǒng)路由為:各邊坡現(xiàn)場(chǎng)分布式應(yīng)變光纖監(jiān)測(cè)網(wǎng)→光纖接線盒→通信光→BOTDA主機(jī)→數(shù)據(jù)采集通信服務(wù)器→中心以太網(wǎng)交換機(jī)→計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)(邊坡監(jiān)控工作站、APP移動(dòng)互聯(lián)終端服務(wù)等)。
可以實(shí)現(xiàn)邊坡變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警、PC監(jiān)控工作站應(yīng)用管理、基于互聯(lián)網(wǎng)+的移動(dòng)互聯(lián)終端APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警服務(wù)等功能。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)格梁的排布情況,選取各邊坡的重點(diǎn)范圍,設(shè)置出經(jīng)濟(jì)合理的光纖布設(shè)方式。在重點(diǎn)位置設(shè)置邊坡深部變形監(jiān)測(cè)孔,在該范圍內(nèi)的格梁刻槽埋設(shè)光纖,并與各測(cè)斜孔的光纖串聯(lián)成整體,對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
由于光纜不抗拉,怕扭力,彎曲產(chǎn)生損耗,因此必須嚴(yán)格按照以下幾條進(jìn)行鋪設(shè):
(1)必須避免光纜受力,采用主動(dòng)放線,絕不可被動(dòng)放線。放線過(guò)程中不可對(duì)應(yīng)變光纜施加較大張力,以免拉出彈性范圍。使用盤(pán)線架為佳,如無(wú)盤(pán)線架,可在光纜盤(pán)孔內(nèi)穿入管棒,兩人手持管棒,轉(zhuǎn)動(dòng)光纜盤(pán)放線。
(2)避免光纜受到較大側(cè)壓,如人為踩踏、被重物所壓或受到撞擊。
(3)應(yīng)變光纜在成纜過(guò)程中已施加一定的預(yù)應(yīng)力,可以測(cè)量較小的壓應(yīng)變(收縮),如需測(cè)量較大壓應(yīng)變需在鋪設(shè)時(shí)施加一定的張力。
(4)測(cè)量拉應(yīng)變時(shí),在鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)在自由態(tài)基礎(chǔ)上施加較小張力,以確保在應(yīng)變發(fā)生初期,也能得到理想的應(yīng)變數(shù)據(jù)。
分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于高速公路邊坡穩(wěn)定性的遠(yuǎn)程自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè),取得了較好的效果。本項(xiàng)目采用布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)將應(yīng)變光纖組成的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)貼敷于山體邊坡表面或邊坡內(nèi)部,當(dāng)邊坡結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變時(shí),通過(guò)光纖應(yīng)變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、提取與分析,為保障邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
邊坡監(jiān)測(cè)目前在曲靖東南過(guò)境高速公路運(yùn)用,取得了很好的效果,得到業(yè)主及交通集團(tuán)的好評(píng),在云南省已有多條高速公路簽訂邊坡監(jiān)測(cè)合同。