曹 峰 曹 仲 龍劉陽(yáng)

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

0 引言

邊坡是道路工程中最常見(jiàn)的形式[1]。我國(guó)國(guó)土幅員遼闊，鐵路、公路建設(shè)不可避免會(huì)遇到復(fù)雜多樣的地質(zhì)環(huán)境，會(huì)面臨多種地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[2]。高邊坡的變形與破壞直接威脅著公路、鐵路交通運(yùn)輸安全。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)邊坡發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，防止影響交通安全，開(kāi)展邊坡變形監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。確定邊坡滑體的具體周界、對(duì)滑體的滑動(dòng)量做定期的檢測(cè)、主要滑動(dòng)線的方向和滑動(dòng)速度，是邊坡安全監(jiān)測(cè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[3]。交通干線高邊坡穩(wěn)定性的預(yù)判和分析事關(guān)重大，合理科學(xué)精準(zhǔn)的高邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)是幫助解決高邊坡失穩(wěn)的有效手段。因此，本文梳理并分析現(xiàn)有高邊坡變形監(jiān)測(cè)方法，對(duì)比各類(lèi)方法的優(yōu)劣，并嘗試給出智能邊坡監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向，具有重要的工程價(jià)值。

1 邊坡變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展

蘇聯(lián)滑坡專(zhuān)家葉米里揚(yáng)諾娃［4］在《滑坡作用的基本規(guī)律》一書(shū)中全面地論述了自然滑坡產(chǎn)生的條件、因素、機(jī)理和過(guò)程；日本學(xué)者Saito[5]提出了著名的“齋藤法”滑坡預(yù)報(bào)公式，并成功預(yù)報(bào)一起隧道滑坡；智利學(xué)者Hoek[6]提出根據(jù)滑坡變形曲線的形態(tài)和趨勢(shì)外推求滑動(dòng)時(shí)間的外延法；崔政權(quán)[7]首次提出運(yùn)用系統(tǒng)工程地質(zhì)學(xué)（system engineering geology，SEG）法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的思路；謝守益等[8]設(shè)計(jì)了降雨滑坡的典型閾值，并根據(jù)極值分布理論對(duì)典型滑坡降雨誘發(fā)概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；馬莉等[9]、唐春艷等[10]先后運(yùn)用灰色理論和交互多模算法對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并建立滑坡預(yù)測(cè)模型和一種卡爾曼平滑算法等。隨著邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高科技運(yùn)用到邊坡監(jiān)測(cè)中，從而實(shí)現(xiàn)邊坡全天候安全監(jiān)測(cè)；特別是GPS技術(shù)、GI技術(shù)、遙感技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、時(shí)域反射技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)、分布式光纖傳感技術(shù)以及近景攝影測(cè)量技術(shù)等快速發(fā)展，使邊坡變形監(jiān)測(cè)手段更為便捷和精確。邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了監(jiān)測(cè)范圍的擴(kuò)大、自動(dòng)化，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和資料分析系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等的日益完善[11]。

2 邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

邊坡變形監(jiān)測(cè)通過(guò)觀測(cè)邊坡表面和深部的位移來(lái)掌握邊坡的變形情況。目前，傳統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測(cè)主要利用監(jiān)測(cè)儀器，其監(jiān)測(cè)方法以及特點(diǎn)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的方法和特點(diǎn)

2.2 智能邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

為克服傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測(cè)的局限性，學(xué)者們研制出了智能邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，使邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸走向了多層次、多視角、多技術(shù)、自動(dòng)化的立體體系，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）GPS全球定位系統(tǒng)

GPS是20世紀(jì)70年代美國(guó)國(guó)防部研制的全球定位系統(tǒng)[12]。GPS用于邊坡監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)的是監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取比較方便、定位精度高、可以提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息、操作簡(jiǎn)單、可以全天候工作。但是也有不足之處，GPS接收器價(jià)格昂貴、無(wú)法滿足要求較高的工程、僅適用于地表變形監(jiān)測(cè)。

與GPS 類(lèi)似的還有GNSS 也應(yīng)用于了邊坡監(jiān)測(cè)，GNSS在測(cè)量效率和精度方面都有了顯著提升。相對(duì)于常規(guī)的邊角測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，GNSS定位技術(shù)主要有測(cè)站無(wú)需通視、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短、同時(shí)獲取三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候操作、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[13]。目前，GNSS方法主要應(yīng)用于大面積、監(jiān)測(cè)點(diǎn)不多的高邊坡變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。RS技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域可以快速獲得大范圍研究區(qū)域的動(dòng)態(tài)滑坡信息，并可以同步進(jìn)行滑坡監(jiān)測(cè)。具有覆蓋范圍廣、獲取信息快、受地面障礙限制小，并能連續(xù)反復(fù)進(jìn)行觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[14]。

（2）光纖傳感技術(shù)

用光作為載體光纖作為媒介把外部檢查到的物理、化學(xué)等參數(shù)傳遞到目的地稱(chēng)為光纖傳導(dǎo)技術(shù)[15]。光纖傳感器技術(shù)具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、響應(yīng)快、重量輕和體積小等優(yōu)點(diǎn)，從施工方便性來(lái)看，基于BOTDR的方案更具簡(jiǎn)便性，且后期維護(hù)更加方便簡(jiǎn)單[16]。

（3）其他邊坡變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射技術(shù)：聲發(fā)射現(xiàn)象越明顯，其可靠性比較好。聲發(fā)射技術(shù)不僅可以從表面看出位移變化，更能觀測(cè)邊坡內(nèi)部裂隙的變化。

三維激光掃描技術(shù)：其非接觸式快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，受外界環(huán)境影響低，操作簡(jiǎn)單可靠，不僅保留了全站儀的高精度優(yōu)點(diǎn)，而且在很大程度上解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式周期長(zhǎng)、效率低及易受外界因素影響等問(wèn)題。

合成孔徑雷達(dá)技術(shù)：合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)為解決區(qū)域地表三維信息提供了有效途徑[17]，該技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、高精度、低成本等優(yōu)勢(shì)，多用于解決大面積的滑坡監(jiān)測(cè)。

3 邊坡變形監(jiān)測(cè)中存在的問(wèn)題

3.1 資源消耗過(guò)大

隨著邊坡監(jiān)測(cè)手段的增多，人力財(cái)力物力消耗也隨之增多。從表1可知，常用的監(jiān)測(cè)方法一般有大地監(jiān)測(cè)法、測(cè)斜法以及測(cè)縫法等多種邊坡監(jiān)測(cè)方法，這類(lèi)監(jiān)測(cè)方式都需要消耗大量的人工去現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行。如若在監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)生崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，不僅會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)儀器帶來(lái)?yè)p害造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?duì)監(jiān)測(cè)人員的生命造成威脅。雖然智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控儀器可以實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，省去人力的同時(shí)還增加了監(jiān)測(cè)效率，但這類(lèi)監(jiān)測(cè)儀器造價(jià)成本過(guò)于昂貴，難以進(jìn)行大范圍的使用。

3.2 受外界影響因素制約

大部分的邊坡監(jiān)測(cè)方法都會(huì)受到地形以及氣象方面的干擾，如大地測(cè)量法對(duì)通視要求較高；GPS的信號(hào)定位極易被環(huán)境遮擋，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確定位。大部分的邊坡監(jiān)測(cè)儀器在野外難以進(jìn)行良好的保養(yǎng)，傳感器受到雨水浸泡后容易產(chǎn)生腐蝕，并且容易被周?chē)沫h(huán)境電磁干擾，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受到影響。一部分的監(jiān)測(cè)方法局限性較強(qiáng)，例如TDR技術(shù)通過(guò)對(duì)電纜的變形程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如若電纜的形變量較小并未出現(xiàn)變形損壞，就無(wú)法對(duì)邊坡的變形進(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)。而近景攝影測(cè)量自身的監(jiān)測(cè)精度較低，只適合對(duì)一些變形較大的邊坡監(jiān)測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)連續(xù)性較差

大部分的邊坡監(jiān)測(cè)缺少持續(xù)性，難以獲得完整準(zhǔn)確的邊坡變形規(guī)律。地表變形監(jiān)測(cè)受到天氣以及衛(wèi)星周期的影響，導(dǎo)致邊坡在連續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中受到影響。在邊坡監(jiān)測(cè)中，如若在滑坡監(jiān)測(cè)中“臨滑階段”的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)鏈不完整，將會(huì)導(dǎo)致之前的準(zhǔn)備工作功虧一簣。深部監(jiān)測(cè)方法對(duì)錨索和錨桿的應(yīng)用較為常見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)滑坡情況，下滑的力度遠(yuǎn)超過(guò)錨索的抗拉力和導(dǎo)致錨索出現(xiàn)拉斷的情況，會(huì)使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效。并且TDR和鉆孔測(cè)斜儀等監(jiān)測(cè)方式皆存在“一孔之見(jiàn)”的弊端，雖然可以對(duì)滑坡面進(jìn)行定位，但邊坡在發(fā)生較大錯(cuò)動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)設(shè)備則被剪斷，導(dǎo)致連續(xù)監(jiān)測(cè)被迫終止。

4 邊坡變形監(jiān)測(cè)方法的對(duì)策建議

4.1 降低成本消耗

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，應(yīng)針對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單并且可以適應(yīng)各種惡劣氣候和環(huán)境的監(jiān)測(cè)設(shè)備，將人力投入降到最低的同時(shí)，增加其抗外界因素干擾的能力。在滑坡監(jiān)測(cè)過(guò)程中，不同的階段可使用不同的監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)性使用監(jiān)測(cè)方式可以大幅度降低成本的消耗。例如在監(jiān)測(cè)發(fā)育初期，坡體處于比較穩(wěn)定的情況下，可使用周期性的監(jiān)測(cè)方式，將監(jiān)測(cè)成本控制到最低。

4.2 選取適宜的監(jiān)測(cè)方法

為保證邊坡監(jiān)測(cè)的連續(xù)性不被中斷，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、氣象條件、成因機(jī)制、變形階段以及誘發(fā)原因等方面進(jìn)行全面考慮，采用適合的監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)各種監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際運(yùn)用，可分析出非接觸型監(jiān)測(cè)方法更為方便有效，但會(huì)被氣象條件所干擾，所以在氣象條件不好時(shí)，可選擇接觸型監(jiān)測(cè)方法，并且滑坡進(jìn)入變形階段時(shí)，可采用自動(dòng)變頻功能的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中根據(jù)邊坡變形速率的加快，以此對(duì)邊坡變形進(jìn)行完整的監(jiān)測(cè)，并對(duì)“臨滑階段”的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷收集，為邊坡預(yù)警提供有效數(shù)據(jù)。

4.3 改善監(jiān)測(cè)方法

由于滑坡機(jī)理具有的復(fù)雜程度較高，所以在滑坡監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)從多方面進(jìn)行考量?！笆潘笔菬o(wú)數(shù)工作者從實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)部的地下水是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)氣象水文以及地質(zhì)水文進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并且應(yīng)通過(guò)多種監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行組合監(jiān)測(cè)，以此達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，從而可以得到更加準(zhǔn)確的邊坡參考信息。同時(shí)，可以在邊坡表面位移、深部位移、孔隙水壓以及地下水位等方面建立一個(gè)多種參數(shù)完善的監(jiān)測(cè)體系，以此可以保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性以及效率。對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的鋪設(shè)要根據(jù)地質(zhì)情況，形成三維立體的監(jiān)測(cè)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以有效地對(duì)邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)準(zhǔn)確有效的監(jiān)測(cè)，真正地達(dá)到預(yù)警的效果，保證設(shè)備以及人員的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著科技的發(fā)展，邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展得越來(lái)越多樣化，涌現(xiàn)出各種各樣的方式方法，傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)工作量大，效率低，新型監(jiān)測(cè)技術(shù)具備自動(dòng)化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，省了不少人力，提高了監(jiān)測(cè)效率，但由于成本過(guò)高，難以得到大范圍推廣與應(yīng)用[18]。需要充分認(rèn)識(shí)當(dāng)前邊坡變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)理論、監(jiān)測(cè)過(guò)程中所存在的問(wèn)題，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際情況選擇所需的技術(shù)方法，以便更好地完成邊坡變形監(jiān)測(cè)。