李濤濤 張建雄 劉中華

（中交公路養(yǎng)護工程技術(shù)有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

人工開挖的邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，失穩(wěn)和破壞難以控制、不易預(yù)測[1]，導(dǎo)致許多滑坡、坍塌等自然災(zāi)害的發(fā)生。目前，邊坡監(jiān)測和自然災(zāi)害的預(yù)防工作存在一定的不足，主要問題在于巡檢工作量大，信息化程度低[2]。為給邊坡日常養(yǎng)護、管理和突發(fā)事件提供可靠依據(jù)，保障人民的生命財產(chǎn)安全，有必要對高邊坡無線遠(yuǎn)程自動監(jiān)測技術(shù)進行研究和應(yīng)用，并建立一套遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)平臺，最終實現(xiàn)工程監(jiān)測的無人現(xiàn)場作業(yè)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲取[3-4]。因此，本文提出一種基于深層水平位移的邊坡變形自動監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)可以對邊坡的地表位移、深層水平位移變形、地下水位等指標(biāo)進行全天候、不間斷監(jiān)測，實時數(shù)據(jù)采集，并能對邊坡穩(wěn)定進行預(yù)警。

1 工程概況

某工程現(xiàn)場邊坡如圖1 所示。某縣道從該坡體上經(jīng)過，居民房屋緊鄰縣道兩側(cè)分布。該邊坡長約40m，寬約90m；坡向26°，邊坡所在斜坡坡度為25°～55°，邊坡上覆較厚松散含碎石粉質(zhì)黏土，下伏志留系千枚巖。

圖1 工程現(xiàn)場航拍圖

2 邊坡變形自動監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 邊坡變形相關(guān)研究

理論上將邊坡劃分為天然和人工兩類形式，公路工程中所指的邊坡即為人工邊坡。受到人工影響，邊坡附近原始地質(zhì)地貌、應(yīng)力平衡等受到破壞，容易引起邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，不利于公路的實際使用，嚴(yán)重情況下，會造成安全事故。為了深入了解邊坡水平位移變化及穩(wěn)定性的影響，需要對邊坡變形情況進行監(jiān)測。

黃潤秋等學(xué)者開展了對邊坡變形特征的監(jiān)測分析工作，對邊坡變形特征與時間關(guān)系進行探索，實現(xiàn)了對滑動機制、滑動面及變形特征的發(fā)展趨勢的預(yù)測；李振東等科研人員將測斜儀、徠卡機器人等儀器應(yīng)用于填方邊坡、基坑邊坡研究，對深部位移及水平位移改變特點及演變趨勢進行了剖析；董文文等將北斗定位技術(shù)、GNSS 技術(shù)用于邊坡監(jiān)測，深入分析了蠕變型邊坡、排土場邊坡與時間關(guān)系的變化特征；魏愷泓等對存在支護結(jié)構(gòu)的邊坡進行研究與分析，研究結(jié)果表明施工作用會對邊坡變形及其發(fā)展規(guī)律形成一定影響。很多科研成果只針對變形規(guī)律進行探索，還沒有開展深層水平位移邊坡自動監(jiān)測的相關(guān)研究，也沒有對邊坡變形特征影響因素進行分析。

2.2 邊坡變形監(jiān)測設(shè)備布置

根據(jù)邊坡災(zāi)害發(fā)生條件與災(zāi)害特征，以降雨和地表位移作為主要監(jiān)測內(nèi)容[5]，在滑坡體外穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)GNSS 基準(zhǔn)點1 個，滑坡體主剖面強變形區(qū)域布設(shè)GNSS 監(jiān)測點1 套，滑坡體內(nèi)強變形區(qū)布設(shè)傾角加速度計監(jiān)測點2 個，在滑坡體外穩(wěn)定開闊位置布設(shè)降雨量監(jiān)測點1 個，居民區(qū)附近安裝聲光報警器1 臺，設(shè)備布設(shè)如圖2 所示。以滑坡時間-位移曲線的切線角為主要判斷依據(jù)，結(jié)合滑坡變形加速度特征、不同工況滑坡穩(wěn)定性以及宏觀變形特征，綜合確定預(yù)警預(yù)報依據(jù)，及時分析研判、分級發(fā)布預(yù)警信息。

圖2 邊坡變形監(jiān)測設(shè)備布設(shè)情況

根據(jù)平臺數(shù)據(jù)顯示，自監(jiān)測系統(tǒng)安裝以來，三級報警90 次、二級報警90 次、一級報警173 次。報警信息主要源于雨量計。

2.3 雨量預(yù)警以及邊坡穩(wěn)定性分析

自2021 年8 月28 日至10 月10 日，雨量計預(yù)警分析平臺進行了多次報警，雨量報警期間降雨量統(tǒng)計見圖3。

圖3 隱患點雨量報警期間的降雨量統(tǒng)計

根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，雨量計數(shù)據(jù)顯示從2021年8 月28 至10 月10 日，累計降雨量416.17mm。通過查詢旬陽氣象歷史，該期間旬陽存在降雨過程，印證了雨量計的監(jiān)測結(jié)果。此次監(jiān)測點除雨量計，其他設(shè)備都沒有報警，通過分析GNSS 和2 臺傾角計的數(shù)據(jù)，評估災(zāi)害點的整體穩(wěn)定性，GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢見圖4。通過分析GNSS 和傾角計的數(shù)據(jù)，邊坡自監(jiān)測以來，位移、傾角和加速度的數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無趨勢性，9 月底降雨量趨弱，報告認(rèn)為災(zāi)害點整體穩(wěn)定，后續(xù)需繼續(xù)加強觀察GNSS 和2 臺傾角計的數(shù)據(jù)和報警信息，對災(zāi)害進行預(yù)警分析。

圖4 GNSS 數(shù)據(jù)穩(wěn)定XYZ 三向的位移值穩(wěn)定

2.4 預(yù)警分析

根據(jù)邊坡監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制定各指標(biāo)相應(yīng)預(yù)警閾值，依據(jù)不同范圍值制定預(yù)警等級，對超出容許偏差的情況，進行實時系統(tǒng)報警或短信預(yù)警。根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動比對分析，監(jiān)測值超出設(shè)定的閾值會觸發(fā)報警機制，用戶可以在進入系統(tǒng)的第一時間看到報警數(shù)據(jù)提示。系統(tǒng)可以對所有歷史預(yù)警數(shù)據(jù)匯總保存，具有處理閉合機制，方便用戶隨時查看和處理。

3 位移及其變化速率基本特征

邊坡位移存在水平、垂直兩個方向，水平位移正值為坡面水平向外，垂直位移負(fù)值為沿坡高方向下降。監(jiān)測初期，以水平位移變化為主，隨著時間的增長水平變形量變小，此后該發(fā)展趨勢更為明顯。第1 階邊坡頂端變形在短時間內(nèi)的增加量并不明顯。重直變形方面，第1 階邊坡頂端存在著順著坡高方向形成沉降位移，隨著監(jiān)測時間的增長，垂直位移會不斷變大，表明該階邊坡頂端水平位移及垂直位移均在相同測點。從地質(zhì)剖面角度進行分析，表明該地質(zhì)覆蓋層內(nèi)監(jiān)測點附近存在圓弧滑動面。從第2 階測點的監(jiān)測情況中可以發(fā)現(xiàn)，水平和垂直方向位移隨著時間增長，位移量也逐漸增長，每個監(jiān)測點位移累積拐點在相同月份，位移累積量基本為0。位移變形速率變化規(guī)律方面，第1 階測點、第2 階測點基本一致，進入雨季后，變形速率會隨著時間增長而變小。垂直位移變形會隨著時間先變小后變大，進入雨季后變形速率會不斷變小，非雨季變形速率基本為0。第1 階、第2 階監(jiān)測點的水平和垂直方向變形速率均比較大，隨著時間增長，水平和垂直方向位移變形會不斷變小，最終變成0mm。這就表明水平和垂直方向位移累積量和變形速率規(guī)律基本相符。從其他監(jiān)測點數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，水平位移最大累積值比較大，表明該監(jiān)測點的地質(zhì)條件比較差，存在著整體滑移現(xiàn)象，巖體容易破碎而存在潛在滑動面，位移變化趨向于向外發(fā)展。

4 邊坡水平位移變形特征影響因素

從上述分析中可以發(fā)現(xiàn)，邊坡在雨季存在明顯的水平變形和垂直變形，這是由于存在潛在滑動面，影響邊坡變形主要有內(nèi)、外兩方面因素。

4.1 內(nèi)部因素

邊坡變形會受到地質(zhì)構(gòu)造及山體巖性影響。從邊坡地質(zhì)構(gòu)造來看，巖層傾向于坡外，為順向邊坡形式。受到重力影響，土層會順著滑動面造成一定變形，隨著時間不斷推移，水平和垂直位移會不斷增大。邊坡頂部為較厚的松散含碎石粉質(zhì)黏土，下層是下伏志留系千枚巖，由于此巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，山體巖石易于破碎，存在著潛在的滑動面，受到重力影響會形成滑動位移。

4.2 外部因素

山體邊坡位移變形，會受到公路工程施工及支護結(jié)構(gòu)作用的影響。在開挖施工階段，第1 階坡頂上松散土層受到重力影響，會形成面對坡面外向的水平位移，隨著開挖工程的不斷開展，第2 階邊坡巖體土層也會受到重力影響，形成面向邊坡開挖方向的水平位移。受到錨桿等支護結(jié)構(gòu)施工的影響，會對山體自然邊坡形成一定的擾動，邊坡位移變形率會不斷變大。當(dāng)支護結(jié)構(gòu)施工完成以后，會對邊坡產(chǎn)生一定程度的約束，限制邊坡水平和垂直位移的形成，邊坡位移變形量和變形速率會不斷變小。邊坡位移量變小，土層和基巖接觸面內(nèi)會存在軟弱特性的夾層，也會生成潛在滑動面。

邊坡位移及支護結(jié)構(gòu)兩者間會重新達(dá)到應(yīng)力和位置的平衡。邊坡開挖階段，邊坡變形速率會不斷變大，但受到邊坡自穩(wěn)作用的影響，變形速率會不斷變小。在支護施工階段，山體邊坡會受到擾動變形影響，變形速率不斷變大，邊坡支護結(jié)構(gòu)完成和邊坡建立新的應(yīng)力平衡，變形速率會不斷變小，邊坡位移累積量會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

5 邊坡變形自動監(jiān)測技術(shù)難點與對策

5.1 技術(shù)難點

（1）設(shè)備安裝問題。導(dǎo)輪式固定測斜儀要嚴(yán)格控制開孔位置，使開孔位置與設(shè)計偏差不超過±10cm。

（2）邊坡自動化監(jiān)測的準(zhǔn)確度及精度問題。自動化監(jiān)測過程中難免會產(chǎn)生誤差，怎么樣才能有效地減少誤差。

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)的公路高邊坡監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足一定的原則，盡量做到可靠、經(jīng)濟、合理，既要滿足綜合的展示預(yù)警功能，又要提供良好的人機交互界面，便于使用者操作。

（4）如何確定影響邊坡穩(wěn)定性的降雨量、地理位置信息、邊坡位移形變量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

5.2 解決措施

（1）鉆具就位后，嚴(yán)格控制鉆頭垂直度，鉆進過程中，每進尺1m，對鉆具垂直度進行一次糾正，考慮到施工的可操作性，如果監(jiān)測點在放樣的過程中，可以對監(jiān)測點進行適當(dāng)移位。

（2）采用模型改正法和求差法等，可以實現(xiàn)誤差減弱或消除，促進誤差源分析取得成效；研發(fā)新型變形監(jiān)測傳感器裝置，如基于無線射頻技術(shù)的危巖變形監(jiān)測報警裝置、邊坡微變形雷達(dá)等，提高邊坡自動化監(jiān)測的準(zhǔn)確度及精度。

（3）系統(tǒng)采用分層B/S 體系結(jié)構(gòu)，以NET 為開發(fā)平臺，以ASP.NET 和ADO.NET 為技術(shù)核心，統(tǒng)一流程規(guī)范、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一角色管理、統(tǒng)一用戶登陸、統(tǒng)一界面風(fēng)格，構(gòu)成一個開放統(tǒng)一的平臺，構(gòu)建分層的在線安全監(jiān)測系統(tǒng)。使整個系統(tǒng)有一個清晰的邏輯結(jié)構(gòu)，減輕使用難度。

（4）在滑坡體主剖面強變形區(qū)域布設(shè)GNSS 監(jiān)測點1 套，監(jiān)測落石、滑坡、裂縫病害；在滑坡體內(nèi)強變形區(qū)布設(shè)傾角加速度計監(jiān)測點2 個，監(jiān)測滑坡內(nèi)部變化；在滑坡體外穩(wěn)定開闊位置布設(shè)降雨量監(jiān)測點1 個，監(jiān)測降雨量；在居民區(qū)附近安裝聲光報警器1 臺。

6 結(jié)束語

該邊坡體自2021 年8 月28 日至10 月10 日，系統(tǒng)多次雨量預(yù)警，地表位移數(shù)據(jù)均正常。通過查詢該期間旬陽歷史天氣，存在降雨過程，印證了雨量計的監(jiān)測結(jié)果。自監(jiān)測以來，位移、傾角和加速度的數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無趨勢性，進入10 月后，降雨量趨弱，據(jù)此，可認(rèn)為災(zāi)害點目前整體穩(wěn)定。后續(xù)需繼續(xù)加強監(jiān)測，對災(zāi)害及時預(yù)警?？梢娫撓到y(tǒng)對提高邊坡穩(wěn)定性水平有較大幫助作用。