肖興宇

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 引言

保證高邊坡穩(wěn)定性是山區(qū)鐵路、公路、水利水電或采礦領域?qū)崿F(xiàn)安全施工和運營的前提條件之一，這就需要對高邊坡做好實時監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，要立即采取應對舉措。傳統(tǒng)的高邊坡監(jiān)測主要憑借人工巡查，不僅工效低，巡查也不安全。近來隨著信息化技術的發(fā)展，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）導航位移監(jiān)測法等自動化監(jiān)測技術應運而生[1-2]。以某鐵路高邊坡項目為依托，建立安全監(jiān)測系統(tǒng)，在線實時監(jiān)測重大隱患以及定期常態(tài)巡查，將高邊坡內(nèi)應力自動化監(jiān)測和地表自動化監(jiān)測技術“內(nèi)外結(jié)合”，通過振弦式預應力錨索計自動化實時監(jiān)測坡體內(nèi)部應力變化情況；通過雨量計、加速度計、BDS系統(tǒng)等自動化在線監(jiān)測技術，在線監(jiān)測降雨量、加速度、位移等情況，全方位地及時做好滑坡預警，如果發(fā)現(xiàn)異常情況能迅速采取應對舉措，為類似的高邊坡工程監(jiān)測提供參考。

2 安全監(jiān)測預警系統(tǒng)設計

2.1 安全監(jiān)測預警系統(tǒng)的原理

振弦式預應力錨索計、雨量計、加速度計對監(jiān)測點的錨索內(nèi)應力、降雨量、加速度等信息進行實時監(jiān)測，通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）衛(wèi)星基站對高邊坡監(jiān)測點位移情況進行監(jiān)測，以上監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到安全監(jiān)測預警系統(tǒng)，當相關數(shù)據(jù)超過預警值時發(fā)出警報，相關技術人員立即采取對應措施，科學妥善地解決相關問題[3-4]。安全監(jiān)測預警系統(tǒng)構成圖和流程圖如圖1、圖2所示。

圖1 安全監(jiān)測預警系統(tǒng)構成圖

圖2 安全監(jiān)測預警系統(tǒng)流程圖

2.2 安全監(jiān)測儀器設備

安全監(jiān)測預警系統(tǒng)核心設備是BDS監(jiān)測站，基準站選用北斗海達TS7RTKGNSS接收機，如圖3所示。北斗海達TS7RTKGNSS接收機構包含4G通信、數(shù)據(jù)高速備份以及位移監(jiān)測功能等相關模塊。北斗海達TS7RTKGNSS接收機具備體形小巧、輕便、安裝便捷、功能全、價格合理等特點；適用于需要導航定位和時間同步的相關領域，如高邊坡監(jiān)測、車輛導航等[5]。

圖3 北斗海達TS7RTKGNSS接收機

圖4所示為FS-YL雨量計實時監(jiān)測降雨量，能與數(shù)據(jù)處理中心的電腦進行連接。此外，還有振弦式預應力錨索計、加速度計、球形攝像記錄儀等監(jiān)測設施進行錨索應力監(jiān)測、加速度監(jiān)測和表面位移監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理中心進行預警分析，設備采集的信息數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)異樣，平臺就會自動報警。

圖4 FS-YL雨量計

3 工程應用

3.1 工程概況

某鐵路塹工程起訖里程D2K101+600～D2K101+757.18，長157.18 m，項目以填挖相間形式通過，路塹高邊坡最大高度45m，自然高邊坡坡度約26～36°，石質(zhì)較差，該工程高邊坡一共五級，一至三級高邊坡坡比是1:0.69，四、五級高邊坡坡比是1:0.78，一至五級高邊坡采取錨索框架梁形式進行安全防護。為切實做好安全防護，有效消除安全隱患，對高邊坡進行自動化監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容及測點布設

監(jiān)測內(nèi)容詳見表1。

表1 高邊坡監(jiān)測內(nèi)容

（1）錨索預應力監(jiān)測。在邊坡錨索上設置4個振弦式預應力錨索計，如圖5所示。可以實時自動化監(jiān)測錨索預應力狀態(tài)。

（2）雨量監(jiān)測。在坡體上挑選較為平坦區(qū)域放置好1臺FS-YL高精度數(shù)字雨量計。

（3）加速度監(jiān)測。如果高邊坡突然出現(xiàn)滑動，加速度定會發(fā)生較大變化，如圖5所示在坡面配置4個加速度計，監(jiān)測預判高邊坡的是否存在滑坡趨勢。

（4）表面位移監(jiān)測。依據(jù)國家測量規(guī)范要求，按照現(xiàn)場踏勘情況，通過BDS系統(tǒng)在一個穩(wěn)定的平臺之上建立2個基準點。各監(jiān)測點見圖5。

圖5 各監(jiān)測點布設示意圖

3.3 錨索預應力自動監(jiān)測

3.3.1 工作原理

高邊坡應力監(jiān)測模型見圖6。當滑體發(fā)生下滑，錨索應力會突變。錨索的坡面端配置錨索計（含應力傳感裝置）能實時監(jiān)測巖體應力，出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象前，能提前預測到滑坡是否出現(xiàn)。使用動振弦式預應力錨索計監(jiān)測應力，然后通過無線網(wǎng)絡把應力數(shù)據(jù)傳送到信息處理中心，技術人員借助分析軟件展開滑坡情況研判[6-8]。

圖6 高邊坡應力監(jiān)測原理示意圖

3.3.2 高邊坡應力自動監(jiān)測系統(tǒng)組成

（1）錨固系統(tǒng)。傳統(tǒng)的錨固系統(tǒng)由錨索及錨具構成，高邊坡應力自動監(jiān)測系統(tǒng)在常規(guī)的錨固系統(tǒng)上增加了自動振弦式預應力錨索計（含應力傳感裝置）。

（2）應力自動監(jiān)測與通信系統(tǒng)。由供電系統(tǒng)和自動監(jiān)測設備組成。監(jiān)測設備可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)借助

振弦式錨索測力計是錨索自動監(jiān)測的核心，實物圖見圖7。錨索測力計能夠測量和監(jiān)測錨索載荷預應力情況，具備穩(wěn)定性強、靈敏度高、防水性強等特點[9]。通過振弦頻率讀數(shù)儀實時反映錨索所施加的壓力，結(jié)構示意剖面圖見圖8。

圖7 振弦式錨索測力計

圖8 錨索測力計剖面圖

（3）信息處理系統(tǒng)。按照工程實際的設定參數(shù)，通過計算機分析軟件，按照監(jiān)測情況發(fā)出藍（低風險）、黃（一般）、橙（較大風險）、紅（重大風險）等不同級別的預警信號。

3.3.3 高邊坡應力自動監(jiān)測技術應用

在高邊坡設置的4個錨索監(jiān)測點構成錨索預應力監(jiān)測系統(tǒng)，錨索上振弦式錨索測力計實物圖如圖9所示。公用無線通信網(wǎng)絡傳送至信息處理裝置。供電設備由光伏板及蓄電裝置構成。

圖9 錨索測力計實物圖

系統(tǒng)每間隔8 h對預應力數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，N依據(jù)預應力變化情況，自動化對測量時間間隔進行調(diào)整，通過實時監(jiān)測，掌握詳細的應力變化情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示，4個監(jiān)測點位的監(jiān)測值不完全相同，這是因為不同點位的圍巖情況不一樣，預應力設置值也不一樣，另外各點位出現(xiàn)不同程度的應力松弛情況，這屬于正常范疇。總體分析，監(jiān)測點應力比較平穩(wěn)，在11月、12月應力值出現(xiàn)下降，這是因為邊坡內(nèi)部巖體中存在一些水分，冬季氣溫降到零度以下時，導致邊坡巖體結(jié)構結(jié)凍，從而導致邊坡滑動力下滑。從圖10（c）分析，MS3號監(jiān)測點周邊的含水量比較豐富，導致邊坡巖體結(jié)構結(jié)凍情況更為嚴重，所以應力值更大。圖10（c）中出的直線部分是由于監(jiān)測設備意外出現(xiàn)故障，又因為新冠疫情防控要求，技術員不能及時維修。當維修好后，監(jiān)測曲線又恢復正常變化狀態(tài)。曲線的波動滿足規(guī)范設計要求，證明沒有滑坡風險。

圖10 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

如果應力值變化幅度很大，說明邊坡安全性和穩(wěn)定性降低，滑坡概率在升高，需提高監(jiān)測頻率[10]，一旦出現(xiàn)滑坡黃色以上級別預警，必須對現(xiàn)場及時進行處理。

3.4 雨量監(jiān)測

FS-YL高精度數(shù)字雨量計與數(shù)據(jù)處理中心電腦進行連接，圖11、圖12展現(xiàn)的是項目所在地7月～12月每月、每日降雨量。

圖11 7月～12月降雨量柱狀圖

圖12 7月～8月日降雨量統(tǒng)計圖

由圖11、圖12分析可知，7月降雨量最大，8月中下旬，降雨量逐漸下降；7月6日、7月12日、7月19日和8月7日，日降雨量超過25mm/d，達到預警級別，要及時做好防洪防汛應對。

3.5 位移監(jiān)測

從圖5各監(jiān)測點布設示意圖可知，12個水平與豎向位移監(jiān)測點的累積位移和位移變化速率如圖13和圖14所示。通過分析，各監(jiān)測點都沒有超出設計范圍，而且很平穩(wěn)，證明高邊坡比較穩(wěn)定。

圖13 累計位移情況

圖14 位移變化速率情況

3.6 加速度監(jiān)測

從圖5各監(jiān)測點布設示意圖可知，JSD1～JSD4是4個加速度檢測點，圖15反映的是加速度隨時間變化的曲線圖。對圖15分析可知，監(jiān)測范圍內(nèi)，高邊坡表面加速度值相對比較穩(wěn)定，相關數(shù)據(jù)沒有大于預警形變值。但由于施工區(qū)域有重型機械，機械施工時對周邊產(chǎn)生震動，震動波影響加速度計監(jiān)測。

圖15 位移加速度情況

4 結(jié)語

自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)邊坡內(nèi)部應力、降雨量、加速度、位移等信息數(shù)據(jù)的自動采集功能和無線傳輸，可以有效地規(guī)避人工監(jiān)測受氣候、環(huán)境等不利影響的因素，而且極大提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準性和及時性。

（1）安全監(jiān)測系統(tǒng)應用于高邊坡監(jiān)測，振弦式預應力錨索計可實時快速檢測坡體內(nèi)部應力變化情況，克服了傳統(tǒng)BDS位移監(jiān)測預警滯后性的缺點，能實現(xiàn)對高邊坡出現(xiàn)異常情況提前預警。

（2）降雨對高邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生影響，需要加強監(jiān)測力度。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測點累計位移3.3～8.1 mm，位移速率是0～0.41 mm/d，都沒有超出設計范圍，證明高邊坡比較穩(wěn)定。

（3）坡體加速度在監(jiān)測期內(nèi)沒有顯著變化，證明高邊坡巖土體沒有發(fā)生異常形變，高邊坡沒有滑坡危險，狀態(tài)比較穩(wěn)定。

該項目中構建的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程化、自動化監(jiān)測高邊坡體形變的動態(tài)情況，提高了高邊坡監(jiān)測的效率，有效預防并減少高邊坡出現(xiàn)滑坡等事故發(fā)生，為后期類似工程監(jiān)測提供借鑒。