黃觀文,陳 孜,徐永福

1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.上海交通大學(xué)土木工程系,上海 200240

膨脹土是一種含有強(qiáng)親水礦物(蒙脫石、高嶺石)并具有特定工程特性的黏性土。天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高,吸水迅速膨脹軟化,失水收縮甚至開裂,有著較強(qiáng)的反復(fù)脹縮性。美國工程界稱膨脹土是“隱藏的災(zāi)害土”,我國工程界將其看作“工程性質(zhì)不良的土”[1],膨脹土也被稱為“工程癌癥”。我國膨脹土廣泛分布于廣西、云南、陜西等20多個(gè)省區(qū),面積約占陸地總面積的1/3,每年造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元。膨脹土滑坡以其“逢塹必滑,無堤不塌”的特點(diǎn)嚴(yán)重危害各類工程邊坡及建筑物[2],因此有效且普適性的監(jiān)測技術(shù)成為膨脹土滑坡及工程邊坡防治亟待解決的重要科學(xué)問題。

在膨脹土邊坡三維變形監(jiān)測方面,智能全站儀被廣泛應(yīng)用,其監(jiān)測精度和自動(dòng)化程度高,但也存在實(shí)時(shí)和連續(xù)性差、測站間需要通視等局限性。GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)具備高時(shí)效性、高連續(xù)性、無須通視等優(yōu)勢,已經(jīng)成功應(yīng)用于黃土滑坡或水庫滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測并取得了豐富成果[3-7]。基于此,GNSS技術(shù)被引入膨脹土邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測中,研發(fā)了低成本GNSS膨脹土邊坡監(jiān)測設(shè)備和毫米級抗干擾監(jiān)測技術(shù),初步驗(yàn)證了GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)在膨脹土滑坡和工程邊坡應(yīng)用中的可行性和精度[8]。

膨脹土滑坡及工程邊坡的變形失穩(wěn)受多場信息(水分場、位移場、應(yīng)力場、溫度場)共同影響。其失穩(wěn)滑動(dòng)的根本原因是膨脹土體吸水失水及坡體內(nèi)部應(yīng)力變化(卸荷、加荷)導(dǎo)致的表面脹縮形變[9-14]。僅靠單一類型傳感器對邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是不可靠的,多源傳感器監(jiān)測信息之間有較好的數(shù)據(jù)互補(bǔ)性[15-18]。初代膨脹土GNSS監(jiān)測裝備未有效結(jié)合膨脹土變形失穩(wěn)特性進(jìn)行設(shè)計(jì),也未結(jié)合土壓力等多源參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測,在大范圍工程推廣中還存在局限性。基于此,本文將引入雨量、土壓力等多源參數(shù)協(xié)同GNSS三維實(shí)時(shí)監(jiān)測,研制更加普適性的膨脹土邊坡分層式GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置,并基于廣西寧明膨脹土公路邊坡工程進(jìn)行示范應(yīng)用。

1 分層式GNSS/全站儀一體式監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

第一代膨脹土邊坡GNSS監(jiān)測裝置,以及其附著式監(jiān)測底座設(shè)計(jì)僅適合經(jīng)過水泥混凝土加固后的緩變形邊坡表面變形監(jiān)測,如圖1所示。

圖1 第一代GNSS監(jiān)測設(shè)備與適用場景

考慮到環(huán)境保護(hù)及成本問題,更多的膨脹土邊坡是由土工編織袋與表面種植植被的“以柔制脹”型手段進(jìn)行防護(hù),屬于治理中和弱支擋的土質(zhì)邊坡。圖2為膨脹土GNSS監(jiān)測設(shè)備適用的土質(zhì)邊坡場景、預(yù)埋PVC安裝及裝置布設(shè)實(shí)景。在圖2中,土工編織袋鋪設(shè)在膨脹土體表層,其變形量和真實(shí)坡體地表形變并不一致,監(jiān)測裝置需能實(shí)現(xiàn)土工編織袋和坡體表面兩層實(shí)時(shí)監(jiān)測。需要說明的是,土工編織袋和坡體表面兩層形變均屬地表形變。另一方面,考慮到膨脹土的脹縮變形與外部多場因素關(guān)系密切,單一監(jiān)測數(shù)據(jù)難以可靠實(shí)現(xiàn)對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確判斷,故需引入多源監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析。

圖2 監(jiān)測設(shè)備適用環(huán)境及布設(shè)實(shí)景

為了實(shí)現(xiàn)膨脹土邊坡多源參數(shù)分層實(shí)時(shí)監(jiān)測,改進(jìn)型GNSS監(jiān)測設(shè)備采取與全站儀棱鏡一體式設(shè)計(jì),與土壓力、土壤含水率、溫度傳感器進(jìn)行并址集成,保證了監(jiān)測點(diǎn)的降雨信息、溫度與膨脹土邊坡的水力作用信息的同步感知。并址多源參數(shù)監(jiān)測的優(yōu)勢在于:①獲得更完整的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù),豐富了斜坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因子分析及宏觀變形機(jī)理解譯;②并址多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間能夠形成互校驗(yàn)性,提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性;③便于膨脹土滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)融合及多指標(biāo)預(yù)警體系構(gòu)建。改進(jìn)的GNSS監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)如圖3所示,其主要特點(diǎn)在于采用了預(yù)埋PVC式安裝方法、與多源傳感器并址設(shè)計(jì)。

圖3 第二代GNSS監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)與安裝設(shè)計(jì)

改進(jìn)型膨脹土邊坡GNSS監(jiān)測設(shè)備由GNSS天線、專業(yè)級防水裝置(內(nèi)置低成本GNSS監(jiān)測終端,具體信息見表1),微型全站儀棱鏡,便攜GNSS測桿組成,測桿利用預(yù)埋PVC管式安裝方式,即在邊坡開挖時(shí)將預(yù)定高度的PVC管預(yù)埋進(jìn)對應(yīng)需要監(jiān)測的位置處。對于位于土工編織袋以下位置的膨脹土體的形變監(jiān)測,設(shè)計(jì)了預(yù)埋雙層PVC的方法,根據(jù)膨脹土的淺層失穩(wěn)特點(diǎn),內(nèi)層PVC須置于膨脹土體表面以下約20 cm處,并在該位置并址埋設(shè)土壓力計(jì)或土壤濕度計(jì)等多源傳感器,對于土工編織袋內(nèi)土體的變形,采用單層PVC安裝方法即可,可實(shí)現(xiàn)對邊坡土工編織袋中土體的(淺層)形變監(jiān)測。這種分層多源參數(shù)安裝方式實(shí)現(xiàn)了小型低成本GNSS監(jiān)測設(shè)備的即插即用需求,無須監(jiān)測站觀測墩建造,既節(jié)省了成本也避免了監(jiān)測點(diǎn)本身對斜坡穩(wěn)定性的影響,適合活動(dòng)相對活躍膨脹土邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

表1 低成本GNSS監(jiān)測接收機(jī)具體信息

2 GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)一般采用小區(qū)域雙差相對定位模型進(jìn)行解算,這種技術(shù)需要在測區(qū)內(nèi)建立穩(wěn)定的基準(zhǔn)站,這無疑增加了設(shè)備成本和施工難度。為此,本文根據(jù)測區(qū)實(shí)際條件,設(shè)計(jì)了虛擬基準(zhǔn)站和簡易基準(zhǔn)站兩種方案。

2.1 虛擬基準(zhǔn)站/簡易基準(zhǔn)站方案設(shè)計(jì)

在理想狀態(tài)下,GNSS邊坡監(jiān)測基準(zhǔn)站應(yīng)該處于穩(wěn)定非變形區(qū)域。但由于膨脹土區(qū)域較大、滑坡和工程邊坡具有破碎性、不穩(wěn)定等特點(diǎn),難以布設(shè)穩(wěn)定的區(qū)域基準(zhǔn)站,從而直接影響膨脹土邊坡監(jiān)測精度。

為此,根據(jù)測區(qū)實(shí)際條件,分成兩種情形進(jìn)行考慮。第一種情形:為了滿足膨脹土邊坡實(shí)時(shí)厘米級監(jiān)測精度,且測區(qū)50 km范圍內(nèi)存在連續(xù)可用的GNSS地基增強(qiáng)基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),此時(shí),可將網(wǎng)絡(luò)RTK(network RTK)技術(shù)應(yīng)用到膨脹土工程邊坡中,利用虛擬參考站代替測區(qū)基準(zhǔn)站,從而節(jié)約監(jiān)測成本?；谔摂M參考站(VRS)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是一種基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)高精度定位技術(shù),相較于傳統(tǒng)的單基準(zhǔn)站滑坡監(jiān)測方法,其利用大區(qū)域內(nèi)的若干個(gè)穩(wěn)定基準(zhǔn)站,借助區(qū)域差分GNSS方法消除流動(dòng)站定位中受到的誤差影響[19]?；诰W(wǎng)絡(luò)RTK的滑坡監(jiān)測有如下優(yōu)勢:①不需要建立基準(zhǔn)站,節(jié)約監(jiān)測成本;②使用固定不變的虛擬參考站坐標(biāo)可以避免基準(zhǔn)站偏移問題;③監(jiān)測覆蓋范圍更大。第二種情形:測區(qū)附近沒有合適的GNSS地基增強(qiáng)基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)或?qū)崟r(shí)監(jiān)測需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)定毫米級精度,此時(shí)可在測區(qū)內(nèi)建立簡易基準(zhǔn)站,利用IGS/iGMAS實(shí)時(shí)精密產(chǎn)品和基準(zhǔn)站數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)(如小時(shí)解、12 h解和天解等)精密單點(diǎn)定位(PPP)計(jì)算,對基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性進(jìn)行定位檢核,并實(shí)時(shí)標(biāo)定出基準(zhǔn)站形變的補(bǔ)償值,定期對其他監(jiān)測站的形變量進(jìn)行基準(zhǔn)修正。

2.2 半空遮擋GNSS監(jiān)測隨機(jī)模型優(yōu)化方法

典型的膨脹土邊坡具有一定的坡度,地表常被草皮覆蓋,監(jiān)測墩不能過高,一般為10～50 cm,因此半空遮擋和多路徑誤差成為影響監(jiān)測精度的主要誤差源。針對上述問題,可基于衛(wèi)星天空視圖外圍邊界與地形線一致重合的特性,采用ADEM(azimuth-dependent elevation mask)方法[20]提取地形線關(guān)鍵采樣點(diǎn),并對采樣點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)及邊界約束。通過對邊界采樣點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到模型系數(shù),并根據(jù)模型系數(shù)構(gòu)建基于方位角變化自適應(yīng)截止高度角EM,將高度角小于EM的觀測值作為粗差剔除,由高度角、信噪比構(gòu)造隨機(jī)模型,采取部分模糊度固定策略得到可靠的監(jiān)測結(jié)果[21],其處理方法如圖4所示。

圖4 半空遮擋下GNSS監(jiān)測處理方法

2.3 變形序列數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

由于存在環(huán)境干擾、多徑效應(yīng)等系統(tǒng)和偶然誤差,GNSS實(shí)時(shí)變形序列中不可避免存在異常值,需要對實(shí)時(shí)變形序列進(jìn)行質(zhì)量分析和處理。為此,設(shè)計(jì)了離群點(diǎn)剔除和滑坡窗口平滑兩個(gè)步驟進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.3.1 IQR四分位距離群點(diǎn)剔除法

對于一組離散的GNSS監(jiān)測時(shí)間序列數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)按照從小到大的順序進(jìn)行排列,定義3個(gè)四分位數(shù)Q1、Q2、Q3。其中,Q1為在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占總樣本的1/4,稱為下四分位數(shù);Q2為在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占總樣本的1/2,即中位數(shù);Q3為在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占總樣本的3/4,稱為上四分位數(shù)。以寧明膨脹土邊坡12 d的三維方向位移監(jiān)測結(jié)果為例,將天位移序列其從小到大排序:R1,R2,…,R12,則

(1)

式中,IQR稱為該監(jiān)測序列的四分位距,其為監(jiān)測序列的四分位數(shù)(Q1,Q3)間距值,并構(gòu)造該監(jiān)測方法的上限與下限檢測區(qū)間α、β,α=Q1-1.5IQR,β=Q3+1.5IQR。將監(jiān)測序列中不在區(qū)間(α,β)的數(shù)據(jù),視為監(jiān)測結(jié)果的離群值并進(jìn)行剔除。

本文選擇此方法的原因在于其對數(shù)據(jù)的誤差分布沒有依賴,監(jiān)測序列的中位值和標(biāo)準(zhǔn)四分位距不易受粗差影響,對于偏離假定模型的觀測數(shù)據(jù)具有良好的適應(yīng)性。

2.3.2SG濾波平滑方法

SG(Savitzky Golay)濾波法的本質(zhì)是基于最小二乘原理的多項(xiàng)式平滑算法,是平滑時(shí)間序列數(shù)據(jù)滑動(dòng)窗口的一種加權(quán)平均算法,加權(quán)系數(shù)是由濾波窗口內(nèi)給定高階多項(xiàng)式的最小二乘擬合次數(shù)。其算法為

(2)

本文選擇該平滑方法是因SG濾波的優(yōu)點(diǎn)是濾波平滑的同時(shí),可以有效保留監(jiān)測序列的變化信息,不受數(shù)據(jù)集的時(shí)間空間尺度限制,對多源傳感器的數(shù)據(jù)集有良好的平滑效果。

2.4 GNSS/多源監(jiān)測參數(shù)融合分析

膨脹土邊坡滑動(dòng)最直接的表現(xiàn)在于坡體位移變化,而根本原因是膨脹土體受到外界氣候影響例如強(qiáng)降雨或凍融影響,土體增濕后體積含水率變化較大,膨脹力隨之產(chǎn)生,內(nèi)部應(yīng)力、場水分場及溫度場聯(lián)合導(dǎo)致其局部失穩(wěn)。利用GNSS與多源傳感器進(jìn)行并址協(xié)同融合監(jiān)測,獲得膨脹土高精度的GNSS變形序列后,并對多監(jiān)測參數(shù)之間進(jìn)行相關(guān)性分析,融合分析其他監(jiān)測參數(shù)是否對GNSS形變產(chǎn)生影響或驗(yàn)證參數(shù)間是否存在類似的時(shí)空響應(yīng)規(guī)律。在分析相關(guān)性之前,需要對多源參數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)或者累加處理,保證參數(shù)的連續(xù)性,并且剔除明顯異常值。此處利用Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算GNSS位移與多源參數(shù)之間是否存在明顯的相關(guān)性關(guān)系

(3)

當(dāng)多源數(shù)據(jù)間互相獨(dú)立且連續(xù)時(shí)符合相關(guān)系數(shù)適用范圍,可根據(jù)其不同取值判斷相關(guān)程度。根據(jù)其不同取值判斷相關(guān)程度,RX,Y的取值及相關(guān)程度為:RX,Y≤0.39為低相關(guān),0.40≤RX,Y≤0.69為中度相關(guān),0.70≤RX,Y≤0.89為高度相關(guān),0.90≤RX,Y≤1.00為極高相關(guān)[22]。

將GNSS形變序列與多源參數(shù)融合分析不僅可以佐證GNSS監(jiān)測信息的可靠性,也可在GNSS監(jiān)測出現(xiàn)異常值或中斷情況下,依據(jù)高度相關(guān)的多源參數(shù)對其結(jié)果進(jìn)行校正,提升GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性。如圖5所示,綜合膨脹土GNSS位移場與其他多場參數(shù),通過計(jì)算各參數(shù)間相關(guān)性分析誘發(fā)GNSS形變的因素,分析膨脹土邊坡的失穩(wěn)現(xiàn)象及演化特征。

圖5 膨脹土失穩(wěn)機(jī)理與多源監(jiān)測參數(shù)相關(guān)性分析

3 膨脹土邊坡GNSS/多源實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

綜合上節(jié)理論和方法,本文設(shè)計(jì)了一套改進(jìn)型膨脹土邊坡GNSS/多源實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù),流程如圖6所示。簡要的技術(shù)流程包括5部分:①GNSS位移及多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)。②監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理:根據(jù)邊坡處于不同變形階段選擇合適的離群點(diǎn)檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)集平滑方法對原始多源時(shí)間序列進(jìn)行質(zhì)量優(yōu)化。③GNSS監(jiān)測站的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析,分析GNSS基準(zhǔn)站位置是否發(fā)生偏移,若發(fā)生偏移需對監(jiān)測站形變進(jìn)行基準(zhǔn)偏移補(bǔ)償。④針對多路徑誤差及其他未模型化誤差導(dǎo)致的監(jiān)測結(jié)果異常問題,進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理。⑤GNSS監(jiān)測序列與其他傳感器多源監(jiān)測參數(shù)的相關(guān)性分析和綜合預(yù)測。

圖6 膨脹土邊坡GNSS/多源實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)

4 示范區(qū)試驗(yàn)分析

4.1 示范區(qū)概況

該膨脹土示范區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)崇左市寧明縣崇愛高速公路(在建)K16+500處,該地區(qū)以中強(qiáng)膨脹土為主。示范區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū),氣候溫和,雨量充沛。示范區(qū)內(nèi)原始地形如圖7所示,邊坡南北向分布,其中長度約110 m,坡中最大高差最大約12 m,坡度比1∶1.5,主滑區(qū)位于邊坡中部,其面積約為450 m2。由于公路的修建及邊坡開挖,坡體中裂隙發(fā)育較密集,產(chǎn)生了初步形變。為了進(jìn)一步限制該膨脹土邊坡的繼續(xù)變形,開挖邊坡后在坡體表面鋪設(shè)多層土工編織袋用于加固邊坡,并在土工編織袋表面進(jìn)行了綠化加固防護(hù)。

圖7 寧明膨脹土邊坡

4.2 GNSS監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

GNSS監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)遵循成本經(jīng)濟(jì)性與盡可能接近變形部位的原則。將監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在易發(fā)生變形的坡肩-坡面-坡腳處。該邊坡易發(fā)生變形失穩(wěn)的部位處于坡肩-拉應(yīng)力集中,坡面-剪應(yīng)力集中的部位。將邊坡分為5個(gè)斷面和a、b、c3個(gè)監(jiān)測層,每個(gè)斷面間距約為5 m,監(jiān)測層間高差為4 m。共布設(shè)8個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)(如圖8所示,NN01—NN08),每個(gè)GNSS監(jiān)測點(diǎn)附近均與土壓力傳感器進(jìn)行并址監(jiān)測(即中上部),其中NN06—NN08為深層監(jiān)測點(diǎn)(雙PVC埋設(shè),深度2.2 m),1個(gè)GNSS監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)。而土壤含水率傳感器只布設(shè)在各個(gè)斷面的b層位置,每一處的土壓力計(jì)與土壤濕度計(jì)均按照水平方向從里至外布設(shè)3個(gè),間距約為20 cm,并在坡頂后緣穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)了2個(gè)“共享電源”集成站用以保證整個(gè)GNSS監(jiān)測系統(tǒng)和一個(gè)雨量傳感器的穩(wěn)定供電,8個(gè)GNSS監(jiān)測站的均勻布設(shè)實(shí)現(xiàn)了對邊坡顯著不穩(wěn)定區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖8 膨脹土邊坡多源傳感器布設(shè)

4.3 GNSS監(jiān)測序列分析

GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年10月1日至2021年10月11日。受旱期裂隙發(fā)育及邊坡施工影響,監(jiān)測點(diǎn)NN06、NN07、NN08于2021年10月9日開始發(fā)生顯著變形,隨后變形有不斷擴(kuò)大的趨勢。邊坡后緣裂隙發(fā)育長度延伸明顯。

利用GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)計(jì)算獲取監(jiān)測點(diǎn)NN06、NN07和NN08的位移形變序列。首先統(tǒng)計(jì)了3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)穩(wěn)定期的平均監(jiān)測精度指標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)差)為N方向2.6 mm、E方向2.1 mm、U方向4.8 mm,這為變形期監(jiān)測序列結(jié)果的可靠性提供了支撐。

由于NN06—NN08變形趨勢基本一致,以NN06點(diǎn)為例,繪制出三維方向的位移時(shí)間序列如圖9所示。統(tǒng)計(jì)NN06、NN07和NN08在穩(wěn)定與失穩(wěn)時(shí)期的變形情況見表2。

表2 監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)期位移

注:圖中3方向位移起始數(shù)值不為0,是因?yàn)樵撨吰逻M(jìn)入新的穩(wěn)定期,這是相比建點(diǎn)初期的位移值。

由位移-時(shí)間曲線可知,NN06在監(jiān)測初期(2021年10月1日至2021年10月9日)內(nèi),該時(shí)段內(nèi)偶有降雨,處于干旱期。東、北、垂直、三維方向位移保持穩(wěn)定未發(fā)生明顯變化。由表2可以得到,NN06在三維方向位移穩(wěn)定在89 mm左右,NN07在三維方向位移穩(wěn)定在83 mm,NN08三維方向位移穩(wěn)定在42 mm左右。自2021年10月9日起邊坡開始進(jìn)入加速變形階段,平面與高程方向位移均出現(xiàn)逐漸明顯增大的趨勢,并且在2021年10月10日至2021年10月11日之間位移發(fā)生了較大的變化,其中在2021年10月8日至2021年10月11日期間,統(tǒng)計(jì)了NN06、NN07和NN08這3點(diǎn)三維方向位移分別變化了236.3、266.8和210 mm,短期內(nèi)變形較大,并最終在11日發(fā)生了滑坍。邊坡10月11日之后變形趨于穩(wěn)定。3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)表現(xiàn)出平面方向變形均大于高程方向變形的特點(diǎn),說明了此次滑坡為該邊坡表面的淺層膨脹土失穩(wěn)破壞,并非重力牽引導(dǎo)致的垂直滑落式滑坡。邊坡由于經(jīng)歷干旱期后的第一次強(qiáng)降雨,土體含水率數(shù)值迅速增大,邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降較快,與氣象因素關(guān)系密切。因此若遭遇下一次強(qiáng)降雨事件邊坡會(huì)存在再次復(fù)發(fā)的可能性,符合膨脹土多期反復(fù)破壞特征。

4.4 多源參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測結(jié)果相關(guān)性分析

本文分析了該膨脹土邊坡GNSS三維變形與降雨、土壤含水率、土壓力之間存在的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn),并分析多源參數(shù)間的相關(guān)性來解譯此次失穩(wěn)原因。膨脹土邊坡多源監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列如圖10所示。

由圖10可以看出,NN06、NN07和NN08監(jiān)測點(diǎn)在2021年10月9日之前均處于穩(wěn)定變形階段,邊坡處于干旱期,并未發(fā)生明顯變形,該邊坡在2021年10月9日至2021年10月10日遭遇強(qiáng)降雨后,降雨強(qiáng)度分別為30.09、42.86 mm。并在兩天后(2021年10月11日),邊坡土壤含水率(最外層傳感器)與土壓力監(jiān)測數(shù)值均突然呈現(xiàn)增大趨勢,GNSS位移經(jīng)過短暫延遲后出現(xiàn)劇增,3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在2021年10月10日的變形速率分別達(dá)到了89.4、128.8、90.2 mm/d,已經(jīng)超出了報(bào)警速率值。在此期間GNSS位移與土壓力、土壤濕度信息均表現(xiàn)出與降雨明顯的時(shí)空響應(yīng)關(guān)系,其土壤含水率從19.7%增大至27.85%,土壓力數(shù)值從3.1 kpa增大至3.56 kpa,增幅分別為41.3%與14.8%。初步推斷,此次寧明膨脹土邊坡發(fā)生滑坡的原因是持續(xù)強(qiáng)降雨,雨水通過前期旱季發(fā)育的后緣裂隙進(jìn)行入滲,多層裂隙為土體增濕提供了良好通道,導(dǎo)致坡體內(nèi)部含水率激增使得膨脹土土體持續(xù)膨脹,內(nèi)部應(yīng)力同步增大,膨脹土體顆粒間的基質(zhì)吸力與黏聚力不斷減小,根據(jù)庫倫-摩爾定律[23-27],邊坡穩(wěn)定系數(shù)逐漸降低,致使邊坡淺層失穩(wěn)滑坍。從多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢可以看出,GNSS獲取的變形數(shù)據(jù)與降雨量、土壤含水率及土壓力數(shù)據(jù)具有較好的一致性,相對于降雨有短暫的滯后性,通過降雨因素對形變序列的時(shí)滯相關(guān)性分析,得出降雨時(shí)滯期約為1 d,一定程度上驗(yàn)證了GNSS位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

通過對比膨脹土邊坡滑動(dòng)前后的實(shí)地照片(圖11)可知,滑動(dòng)區(qū)域面積約為64 m2,均集中于斷面4與斷面5位置,其他斷面上沒有明顯變形,符合膨脹土失穩(wěn)的破碎性特點(diǎn)。與傳統(tǒng)巖質(zhì)和黃土滑坡不同的是,膨脹土滑坡的滑動(dòng)形式為淺表層土體滑動(dòng)失穩(wěn)及破碎化,垂直方向整體下滑并不明顯,監(jiān)測結(jié)果中平面方向變形大于垂直方向變形也印證了這一點(diǎn),與膨脹土淺層失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)相符,屬于典型的平緩型膨脹土邊坡滑塌特征。

圖11 邊坡滑動(dòng)前后照片對比

計(jì)算GNSS三維位移與降雨量、土壤含水率及土壓力參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)結(jié)果見表3。

表3 GNSS三維位移與多源監(jiān)測參數(shù)相關(guān)系數(shù)

由表3可知,GNSS實(shí)時(shí)監(jiān)測獲取的三維變形數(shù)據(jù)與水分場(土壤含水率)、應(yīng)力場(土壓力)的相關(guān)系數(shù)均大于0.9,與多源數(shù)據(jù)呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,驗(yàn)證了GNSS變形與其他多源監(jiān)測數(shù)據(jù)具有高度一致的時(shí)間響應(yīng)特點(diǎn),監(jiān)測點(diǎn)的GNSS三維變形同時(shí)受土壤含水率及土壓力的影響,在膨脹土滑坡發(fā)生時(shí),土壓力數(shù)據(jù)、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)幾乎在同一時(shí)期呈增大特征,且GNSS位移對于土壤含水率及土壓力信息有短暫的延遲(約1 d),而土壤含水率與土壓力數(shù)據(jù)處于同時(shí)變化關(guān)系。多源監(jiān)測數(shù)據(jù)佐證了低成本GNSS監(jiān)測技術(shù)的可靠性。

5 總結(jié)與建議

(1) 改進(jìn)型GNSS監(jiān)測裝置更適用于變形活躍的土質(zhì)膨脹土滑坡和工程邊坡,利于與其他傳感器并址布設(shè),可實(shí)現(xiàn)多源參數(shù)分層式實(shí)時(shí)監(jiān)測。新裝置通過預(yù)埋PVC管安裝方式,無須監(jiān)測站打孔建點(diǎn),實(shí)現(xiàn)即裝即測,避免了傳統(tǒng)GNSS監(jiān)測施工對邊坡穩(wěn)定性的影響。

(2) 設(shè)計(jì)了虛擬基準(zhǔn)站/簡易基準(zhǔn)站方案、半空遮擋GNSS隨機(jī)模型優(yōu)化方法、變形序列數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法和GNSS/多源參數(shù)融合分析方法,利用位移場、應(yīng)力場、水分場等多場多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測,綜合構(gòu)建了膨脹土邊坡GNSS/多源實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)體系,避免了僅靠單一監(jiān)測信息評估膨脹土邊坡穩(wěn)定性帶來的不可靠性。

(3) 以寧明膨脹土邊坡示范工程為例,利用多源監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了膨脹土邊坡多監(jiān)測參數(shù)的時(shí)空演化特征,揭示了GNSS變形序列和含水量、土壓力參數(shù)間的高度相關(guān)性特征。研究成果在膨脹土滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測中具備可復(fù)制性和推廣性。