白寶君

(遼寧省新賓滿族自治縣交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 撫順市 113200)

遼寧東部地區(qū)多山，公路依山而建，早期的公路邊坡監(jiān)測主要依靠人員定期巡查，人工觀察坡體變形情況，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展涌現(xiàn)了多種自動化的監(jiān)測方法，如GPS位移監(jiān)測法、合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測法、光纖光柵監(jiān)測法、全站儀監(jiān)測法等[1-3]。目前在交通領(lǐng)域較為常用的方法為GPS位移監(jiān)測方法，其通過監(jiān)測邊坡表層位移來實(shí)現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測。但這種方法僅能在邊坡坡體變形之后才進(jìn)行預(yù)判，具有一定的滯后性，適用于中短期預(yù)警。邊坡應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測坡體內(nèi)部應(yīng)力變化情況，提早做出滑坡預(yù)警，彌補(bǔ)了GPS位移監(jiān)測的缺點(diǎn)，適用于邊坡滑坡的中長期預(yù)警[4-6]。

1 邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)工作原理

邊坡內(nèi)部應(yīng)力可以超前于變形反映邊坡巖體穩(wěn)定狀態(tài)的變化。當(dāng)滑體中的剪切力大于滑床對其抗剪強(qiáng)度邊坡就會產(chǎn)生變形。隨著滑體與滑床之間的裂隙逐步加深，滑體積聚的能量增多，產(chǎn)生的剪切力逐漸增大，當(dāng)該力超過滑動面處巖體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，滑體就會沿滑動面下滑，形成滑坡[7]。

根據(jù)力學(xué)原理，應(yīng)力變化發(fā)生在物體變形之前，通過對邊坡內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行長期的實(shí)時(shí)的監(jiān)測，可以及時(shí)反映邊坡內(nèi)部的應(yīng)力變化，從而預(yù)測到滑坡的產(chǎn)生。

系統(tǒng)監(jiān)測模型如圖1所示。首先在滑床上安裝錨索，錨索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，錨索牢牢地錨固于穩(wěn)定的基巖中，確保錨固端固定。一旦滑體有下滑趨勢，錨索中的應(yīng)力將發(fā)生變化。錨索的另外一端安裝應(yīng)力傳感器，并進(jìn)行錨索張拉，給錨索施加一定的預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)主動監(jiān)測巖體應(yīng)力。通過智能監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測應(yīng)力傳感器受到的應(yīng)力，通過無線網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)力數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。工作人員通過分析軟件進(jìn)行分析，并對滑坡的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測[8]。

圖1 邊坡應(yīng)力監(jiān)測原理示意圖

2 邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)組成

邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由錨固系統(tǒng)、應(yīng)力監(jiān)測與通信系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

錨固系統(tǒng)：錨固系統(tǒng)包括錨索和錨具兩部分組成，邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)在傳統(tǒng)的錨固系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了應(yīng)力傳感器。

應(yīng)力監(jiān)測與通信系統(tǒng)：由監(jiān)測主機(jī)、供電系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。監(jiān)測主機(jī)具有接收指令，執(zhí)行監(jiān)測命令并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過公用無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給信息處理系統(tǒng)。供電系統(tǒng)由太陽能電池板和蓄電池組成。

信息處理系統(tǒng)根據(jù)用戶的設(shè)定參數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出應(yīng)力值和應(yīng)力變化曲線，通過數(shù)據(jù)或曲線圖的方式進(jìn)行顯示。信息處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和通信終端組成。計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)接收軟件和系統(tǒng)分析軟件，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析并提供預(yù)警。

3 邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)的實(shí)施

3.1 錨固長度的確定

錨索由固定在滑床中的錨固段和位于滑體中的自由段組成。錨索監(jiān)測的前提是:當(dāng)滑體有下滑趨勢時(shí)，錨索的應(yīng)力有所變化，因而要求錨固段必須牢牢地錨固在滑床中。

錨索錨固長度由式(1)和式(2)計(jì)算得到，錨索錨固長度選擇二者的最大值[9]。

(1)

(2)

式中:La—按照砂漿與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的錨固段長度(單位:mm);

K—錨索安全系數(shù)，取值范圍1.5～2.0;

Nt—錨索設(shè)計(jì)荷載(單位:N);

d—預(yù)應(yīng)力筋外徑(單位:mm);

n—預(yù)應(yīng)力筋根數(shù)(單位:根);

τa—砂漿與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)強(qiáng)度(單位:MPa);

Lb—按錨固體砂漿與孔壁巖石粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算的錨固段長度(單位:mm);

D—錨索鉆孔直徑(單位:mm)；

τb—砂漿與孔壁巖石粘結(jié)強(qiáng)度(單位:MPa)。

工程中，通常取K為2.0，τa為3.25MPa，τb為0.66MPa，錨索鋼絞線選用Ф15.24mm低松弛鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1860MPa，若錨索由6根鋼絞線組成，d為15.24mm，n取6，D取100mm。計(jì)算得La≈2m，Lb≈8.8m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)錨固段長度為8.5m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下應(yīng)不小于10m。

3.2 錨索預(yù)應(yīng)力大小的確定

為了能夠使錨索的應(yīng)力能夠更好地反映邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化情況，需對錨索施加預(yù)應(yīng)力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力值通常取錨索最大載荷的0.2～0.5倍。

即：po=(0.25～0.5)pmax

(3)

式中：po—錨索預(yù)應(yīng)力(單位:kN);

pmax—錨索最大載荷(單位:kN);

工程中，pmax為應(yīng)力傳感器的最大量程，通常分為1000kN和800kN兩種，錨索初始施加的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為300kN至400kN。

3.3 監(jiān)測點(diǎn)的布置

監(jiān)測點(diǎn)的布置根據(jù)邊坡坡體大小、巖石種類、坡體高度以及地質(zhì)條件等實(shí)際情況靈活設(shè)置，并結(jié)合分析巖體變形及潛在滑坡區(qū)，將監(jiān)測點(diǎn)布置在滑動影響范圍內(nèi)的典型位置。通常每30m至50m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測線。

3.4 智能監(jiān)測設(shè)備安裝與數(shù)據(jù)處理

應(yīng)力監(jiān)測與通信系統(tǒng)采用多周期測量法測量應(yīng)力傳感器的頻率值，根據(jù)廠家標(biāo)定公式自動將頻率值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)器。系統(tǒng)采用太陽能系統(tǒng)供電，20W電池板及12V、7AH鉛酸蓄電池供電，可以實(shí)現(xiàn)充滿一次電，系統(tǒng)可正常工作15d。

數(shù)據(jù)的記錄和處理由監(jiān)測軟件自動完成，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出應(yīng)力值和應(yīng)力變化曲線，并進(jìn)行預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)藍(lán)、黃、橙、紅四級預(yù)警。

4 邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

在某地安裝了應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)4個(gè)，在坡底每80m布置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，構(gòu)成監(jiān)測線，錨索施工如圖3所示，現(xiàn)場點(diǎn)位如圖4所示。

圖3 錨索施工圖

圖4 現(xiàn)場點(diǎn)位圖

系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間滑坡監(jiān)測，系統(tǒng)每8h測量一次數(shù)據(jù)，可以根據(jù)應(yīng)力變化情況，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)整測量時(shí)間間隔，通過持續(xù)的監(jiān)測，取得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位的監(jiān)測值有差異，原因是不同的點(diǎn)位預(yù)應(yīng)力設(shè)置值不同，而且預(yù)應(yīng)力施加后，不同的點(diǎn)位存在不同的“掉噸”即應(yīng)力松弛現(xiàn)象導(dǎo)致的，屬于正?，F(xiàn)象?？傮w來看，監(jiān)測點(diǎn)運(yùn)行較為平穩(wěn)，在冬季(11月至3月)應(yīng)力值變低，原因是冬季邊坡中水分連接泥土形成凍土，邊坡滑動力變小。其中3號點(diǎn)附近有水系，表現(xiàn)的尤為明顯。3號監(jiān)測點(diǎn)圖中的直線部分是由于設(shè)備故障，受疫情影響，人員無法前去維修導(dǎo)致，2020年5月份維修后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。綜合考慮各點(diǎn)的監(jiān)測曲線趨勢，可見，監(jiān)測曲線平穩(wěn)，曲線的波動符合客觀規(guī)律，該坡體目前處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡發(fā)生概率很低。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

如果應(yīng)力值出現(xiàn)緩慢上升，說明邊坡內(nèi)部應(yīng)力在聚集，需要加大監(jiān)測頻率；如果應(yīng)力曲線出現(xiàn)快速上升，而且加速度越來越大，則說明邊坡穩(wěn)定程度下降，滑坡概率增加，需要結(jié)合現(xiàn)場裂縫等現(xiàn)象做出滑坡預(yù)警。

5 結(jié)論

邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)通過錨索獲得坡體內(nèi)部應(yīng)力變化的規(guī)律，具有遠(yuǎn)程、自動采集、無線傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了GPS位移監(jiān)測的不足，可以實(shí)現(xiàn)滑坡的長期監(jiān)測和預(yù)警。該技術(shù)涉及地質(zhì)、土木工程、電子、通信、計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科，是多種技術(shù)交叉融合應(yīng)用的成果，該技術(shù)的應(yīng)用提高了邊坡監(jiān)測的效率和自動化、智能化水平，目前已經(jīng)在阜新市海州礦國家地質(zhì)公園和撫順市西露天礦等地應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

以邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)為實(shí)踐主體的“面向特定環(huán)境下工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控的無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐”項(xiàng)目獲得中國商業(yè)聯(lián)合會2020年科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，該技術(shù)應(yīng)用有助于提高公路邊坡監(jiān)測水平，在山區(qū)公路邊坡治理中有廣闊的應(yīng)用前景。