陳建峰，劉哲寧

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

1 研究背景

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方法主要是人工采集數(shù)據(jù)和巡邏，工作量大，效率低，人為誤差不確定，不能夠獲得連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，而且在地震、暴雨等滑坡易發(fā)條件下，組織現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作可能對(duì)工作人員的生命造成嚴(yán)重威脅[1-2]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展，邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)開始向自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展[2-4]。邊坡監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有表面變形、深部變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器主要有沉降儀、測(cè)斜儀、位移計(jì)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、全站儀、三維激光掃描、無人機(jī)系統(tǒng)、干涉孔徑雷達(dá)(InSAR)、裂縫計(jì)等。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和應(yīng)變、土壓力和孔隙水壓力，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器主要有應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變片、土壓力盒、孔隙水壓計(jì)等。環(huán)境監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有溫度、雨量和地震，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器主要有溫度傳感器、雨量計(jì)、地震監(jiān)測(cè)儀等。在對(duì)邊坡進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一至多項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，并選擇相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

何滿潮[5]基于監(jiān)控錨索預(yù)緊力和滑體滑動(dòng)力的關(guān)系開發(fā)了滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，成功預(yù)警了2處滑坡災(zāi)害。許強(qiáng)等[6]應(yīng)用自主研發(fā)的自適應(yīng)裂縫計(jì)，先后6次成功預(yù)警了黑方臺(tái)地區(qū)的黃土滑坡。白潔等[7]應(yīng)用GNSS和自適應(yīng)裂縫計(jì)成功預(yù)警了貴州省興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村興—馬大道旁的一處山體順層滑坡災(zāi)害。陳賀等[8]應(yīng)用陣列式位移計(jì)成功預(yù)警了云南紅河州蠻耗至金平二級(jí)公路路塹邊坡的滑坡事故。Wang等[9]應(yīng)用傾角儀成功預(yù)警了三峽地區(qū)和日本九州公路的滑坡災(zāi)害。范宣梅等[10]采用GNSS、裂縫計(jì)、雨量計(jì)和測(cè)斜儀成功預(yù)警了貴州省的大型巖體滑坡災(zāi)害。陶志剛等[11]研發(fā)了一種高恒阻滑坡監(jiān)測(cè)錨索，成功對(duì)本溪露天礦山的滑坡全過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)預(yù)警。

本文采用一種新型的沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x對(duì)某一高速公路路塹高邊坡進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并成功預(yù)警了該邊坡的滑坡災(zāi)害。

2 沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x

TH-STC型沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x由上海同禾工程科技股份有限公司研制，其由壓差式沉降儀和傾角儀復(fù)合構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 TH-STC型沉降傾角綜合測(cè)量?jī)xFig.1 TH-STC type comprehensive measuring instrument for settlement and dip angle

壓差式沉降儀采用連通器原理，所有測(cè)點(diǎn)通過專用液體管道與液體容器連通，如圖2所示。當(dāng)某個(gè)測(cè)點(diǎn)的高程發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)沉降儀內(nèi)置的高精度壓力傳感器就能記錄到液體靜壓強(qiáng)的變化，由此根據(jù)式(1)即可得到各測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，連續(xù)觀測(cè)可獲得各測(cè)點(diǎn)的沉降。

圖2 壓差式沉降儀工作原理Fig.2 Working principle diagram of differential pressure settlement instrument

(1)

式中：Pi為測(cè)點(diǎn)i的液體靜壓強(qiáng)；ρ為液體的密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；Δhi為測(cè)點(diǎn)i的壓力傳感器感壓面至液體容器液面的高度；h0為基準(zhǔn)傳感器感壓面至液體容器液面的高度。

由于液體密度隨外界溫度發(fā)生變化，故傳統(tǒng)壓差式沉降儀的壓差會(huì)隨溫度產(chǎn)生波動(dòng)。為消除溫度對(duì)液體密度的影響，上海同禾工程科技股份有限公司在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了用于TH-STC型沉降儀的60%乙二醇水溶液(防凍液)密度-溫度關(guān)系曲線(見圖3)，然后通過沉降儀內(nèi)置的溫度傳感器對(duì)壓差進(jìn)行自動(dòng)修正。

圖3 60%乙二醇水溶液密度-溫度關(guān)系曲線Fig.3 Density-temperature curve of 60% ethylene glycol aqueous solution

TH-STC型沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x內(nèi)的傾角傳感器采用“氣體擺”式慣性元件，其由密封腔體、氣體和熱線組成。當(dāng)腔體所在平面相對(duì)水平面傾斜時(shí)，熱線的阻值發(fā)生變化，可以通過測(cè)讀阻值的變化量換算出傾角[12]。

表1列出了TH-STC沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x技術(shù)參數(shù)。

表1 TH-STC沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of TH-STC type compre- hensive measuring instrument for settlement and dip angle

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某高速公路路塹高邊坡最大挖方高度49.8 m，該處地形較起伏，植被發(fā)育，坡面種植有茶樹。邊坡表面分布含碎石粉質(zhì)黏土覆蓋層，厚度1～2 m，棕黃色，中密狀。下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化的砂巖與石英砂巖。強(qiáng)風(fēng)化砂巖呈灰黃色，堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育且裂隙面內(nèi)多見鐵錳等礦物，巖心基本呈碎石、碎塊狀，含少量中等風(fēng)化碎塊；中風(fēng)化砂巖呈淺灰黃色，較硬，裂隙較發(fā)育，巖心呈碎塊狀。另外，邊坡所在地區(qū)過去5 a年均降雨量超過1 000 mm。

邊坡分為5級(jí)，自上而下第一至第四級(jí)邊坡坡率均為1∶1，第五級(jí)邊坡坡率為1∶1.25。除第一級(jí)邊坡外，第二至第五級(jí)邊坡高度均為10.0 m，各級(jí)平臺(tái)寬2.0 m，采用錨桿框格梁護(hù)坡。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本監(jiān)測(cè)工作建立的滑坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一方面可以實(shí)現(xiàn)沉降傾角數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集存儲(chǔ)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸和分析等功能?；伦詣?dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自下而上由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)管理層組成，如圖4所示。

圖4 滑坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.4 Composition and structure of automatic monitoring system for landslide

數(shù)據(jù)采集層主要由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)及輔助的連接裝置組成。測(cè)點(diǎn)儀器采用的是TH-STC型沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x，基準(zhǔn)點(diǎn)采用的是恒液位系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，量程和精度能夠滿足工程要求。測(cè)點(diǎn)的最大數(shù)據(jù)采集頻率為1 s/次，正常情況下按照系統(tǒng)默認(rèn)的數(shù)據(jù)采集頻率1 h/次進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大、變化速率加快時(shí)，數(shù)據(jù)采集頻率相應(yīng)提高。

數(shù)據(jù)傳輸層由數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)和傳輸導(dǎo)線組成。數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理本地測(cè)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)間通過傳輸導(dǎo)線進(jìn)行連接，能將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在本地；系統(tǒng)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理平臺(tái)間通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，使用內(nèi)置的3/4G通訊模塊進(jìn)行通訊，且支持方便、靈活的智能斷點(diǎn)續(xù)傳。此外，數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)具有不銹鋼外殼和IP67的防水等級(jí)，有較高的防護(hù)能力。

為確保供電的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)配備一套太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和一個(gè)備用膠體蓄電池?？紤]到監(jiān)測(cè)區(qū)域位于山區(qū)，雷電頻繁，電子設(shè)備極易遭受雷擊，不僅對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅，也對(duì)測(cè)量精度有一定的影響，因此數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)布設(shè)防雷裝置，現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備加裝防雷模塊。

數(shù)據(jù)管理層為定制開發(fā)的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，布設(shè)于遠(yuǎn)程服務(wù)器上，工程管理人員可跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)地使用瀏覽器查閱監(jiān)測(cè)設(shè)備分布情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。平臺(tái)整合了地理信息系統(tǒng)(GIS)視圖功能，可以直觀顯示邊坡的地理位置和監(jiān)測(cè)設(shè)備分布情況。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)更新，能自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)等電子報(bào)表，并且支持導(dǎo)出為Excel、Word，方便回溯分析。平臺(tái)從高到低分為6個(gè)角色權(quán)限，系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行權(quán)限分級(jí)調(diào)整。

另外，平臺(tái)具有自動(dòng)報(bào)警功能，且建立了監(jiān)測(cè)工作Ⅲ級(jí)預(yù)警措施，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值的60%(Ⅰ 級(jí))、80%(Ⅱ 級(jí))、100%(Ⅲ 級(jí))時(shí)，平臺(tái)可自動(dòng)以短信、微信、郵件的形式通知相關(guān)單位和人員。

本滑坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)傳輸，是區(qū)域規(guī)模化、綜合集成化的信息處理網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)不受氣候和復(fù)雜地形、地質(zhì)條件影響，且精度高、易安裝、使用人性化、防護(hù)程度高、成本低，適用于邊坡大面積監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3.3 擬布置的測(cè)點(diǎn)與安裝

本項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)分成若干測(cè)線進(jìn)行布置，測(cè)線沿等高線布設(shè)于每級(jí)邊坡的臺(tái)階上，相鄰測(cè)線高差約10 m，并在坡頂位置適當(dāng)增設(shè)測(cè)線。每條測(cè)線各布置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)按照約20～25 m的水平間距布置于測(cè)線上。

該邊坡計(jì)劃布設(shè)6條測(cè)線，共計(jì)6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、27個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 邊坡測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Planned layout of slope measuring points

按以下10個(gè)步驟安裝測(cè)點(diǎn)：

(1)確定測(cè)線。在邊坡上沿等高線確定測(cè)線，測(cè)線應(yīng)穿越穩(wěn)定區(qū)域與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

(2)開挖溝槽。溝槽分為測(cè)點(diǎn)安裝槽和線槽，線槽開挖深度300 mm，寬度100 mm，開挖完成后底部鋪設(shè)細(xì)砂；測(cè)點(diǎn)安裝槽表面呈正方形，寬度300 mm，深度800 mm。

(3)澆筑混凝土及安裝底座。測(cè)點(diǎn)安裝槽開挖完成后底部500 mm需澆筑C20細(xì)石混凝土，澆筑的同時(shí)將測(cè)點(diǎn)安裝底座預(yù)埋于混凝土墩內(nèi)。同一條測(cè)線上安裝底座的頂面標(biāo)高應(yīng)基本處于同一高程，誤差≤10 mm。

(4)安裝測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)用螺絲固定于預(yù)埋安裝底座上，并用測(cè)點(diǎn)上的調(diào)平螺絲調(diào)平，確保水準(zhǔn)氣泡居中。

(5)安裝基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)安裝于穩(wěn)定基巖上，用膨脹螺絲固定。

(6)安裝管線。測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間用水管、氣管與電纜相連，管線外套DN25PVC管進(jìn)行保護(hù)，并沿著開挖的線槽進(jìn)行鋪設(shè)?？紤]到邊坡可能出現(xiàn)滑動(dòng)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)旁的管線均預(yù)留50 cm長(zhǎng)度，防止邊坡很小的滑動(dòng)就將管線和測(cè)點(diǎn)損壞。

(7)注水排氣。在水管中注入60%乙二醇水溶液，排出管內(nèi)的氣體。

(8)安裝數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)安裝于穩(wěn)定基巖上，安裝完成后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

(9)系統(tǒng)保護(hù)。系統(tǒng)調(diào)試完成后，用細(xì)砂回填溝槽，并在測(cè)點(diǎn)外噴涂一層發(fā)泡材料和加裝鐵質(zhì)保護(hù)殼，起到保溫和保護(hù)作用，回填完成后在邊坡設(shè)立警示標(biāo)志。

(10)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)安裝及調(diào)試。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳系統(tǒng)安裝完成后，在遠(yuǎn)程服務(wù)器上安裝數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并進(jìn)行平臺(tái)調(diào)試，觀察是否有異常情況。

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

本監(jiān)測(cè)中邊坡的預(yù)警主要根據(jù)以下3個(gè)變化進(jìn)行綜合評(píng)判：累計(jì)沉降>50 mm，沉降速率>3 mm/d；多測(cè)點(diǎn)發(fā)生傾角異常變化；沉降速率未出現(xiàn)收斂趨勢(shì)。當(dāng)出現(xiàn)其中1個(gè)或幾個(gè)變化時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警，提示監(jiān)測(cè)人員核實(shí)并采取應(yīng)對(duì)措施。

測(cè)點(diǎn)的安裝是從坡頂?shù)狡碌追峙M(jìn)行的，由于邊坡滑坡發(fā)生得很突然，故在滑坡發(fā)生前僅有測(cè)線1和測(cè)線2的測(cè)點(diǎn)記錄到了數(shù)據(jù)。邊坡的沉降、傾角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示，其中X方向角度為俯仰角，Y方向角度為橫滾角。由圖6可知，從2017年11月30日監(jiān)測(cè)開始至2018年1月2日，邊坡的沉降和傾角數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，日均沉降不足1 mm，傾角變化率<0.1°/d，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。2018年1月2日起，邊坡所在地出現(xiàn)連續(xù)降雨天氣，期間還伴隨有霜凍天氣，測(cè)點(diǎn)2-1首先監(jiān)測(cè)到邊坡沉降速率開始變大，監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)出了沉降速率超限報(bào)警。2018年1月2日至1月10日，沉降速率超限的測(cè)點(diǎn)數(shù)不斷增加，系統(tǒng)均發(fā)出了沉降速率超限報(bào)警，到1月11日凌晨，除測(cè)點(diǎn)1-1外，其余測(cè)點(diǎn)沉降速率均達(dá)到了10～20 mm/d。2018年1月11日8時(shí)，測(cè)點(diǎn)1-2和測(cè)點(diǎn)2-1累計(jì)沉降均超過了50 mm報(bào)警值，且測(cè)線1和測(cè)線2上的測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了X、Y方向角度的異常變化，現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)邊坡右側(cè)截水溝出現(xiàn)裂縫、框格梁下方脫空等滑坡前兆現(xiàn)象，判斷邊坡處于加速下滑狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率提高至2 min/次，并通知施工單位及業(yè)主邊坡隨時(shí)可能滑塌，要求進(jìn)行坡腳圍擋并禁止人員車輛進(jìn)入。

圖6 測(cè)線1和測(cè)線2測(cè)點(diǎn)沉降、X方向角度、 Y方向角度變化Fig.6 Changes in settlement, X-direction angle and Y- direction angle of measuring points along line 1 and line 2

2018年1月11日17時(shí)開始沉降速率再次變大，測(cè)點(diǎn)1-2和測(cè)點(diǎn)2-1沉降速率達(dá)到了100 mm/d，23時(shí)更是達(dá)到了100 mm/h。1月12日00時(shí)04分，管理平臺(tái)數(shù)據(jù)中斷，分析認(rèn)為是滑坡的發(fā)生導(dǎo)致信號(hào)傳輸線纜被拉斷。1月12日早前往現(xiàn)場(chǎng)巡查，發(fā)現(xiàn)滑坡已經(jīng)發(fā)生，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已被損壞，如圖7所示。

圖7 滑坡情況Fig.7 Landslide’s situation

4 結(jié) 論

邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)省時(shí)、省力，且能實(shí)時(shí)和全天候工作，是今后邊坡監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。目前國(guó)內(nèi)外已有不少案例闡述了多種類型的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用。本文介紹了一種僅采用沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x的邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，將其應(yīng)用于某高速公路路塹高邊坡的監(jiān)測(cè)，提前16 h成功預(yù)警了滑坡災(zāi)害。沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x精度很高且價(jià)格相對(duì)低廉，既可以監(jiān)測(cè)地表面沉降，又可以監(jiān)測(cè)地表面傾斜，能適用于各種類型的邊坡監(jiān)測(cè)，值得在今后邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中推廣應(yīng)用。

沉降傾角綜合測(cè)量?jī)x不能監(jiān)測(cè)坡體內(nèi)的變形，因此其不能直接確定滑動(dòng)面的位置和及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)估滑坡規(guī)模，在特定情況下需要結(jié)合其他監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。