公路高邊坡穩(wěn)定性遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究

于遠(yuǎn)亮，靳 靜

(河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

結(jié)合邢汾高速公路工程實(shí)際，綜合運(yùn)用理論分析［1-4］，對(duì)公路邊坡進(jìn)行災(zāi)害安全監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，并編制了具體的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。通過(guò)對(duì)公路項(xiàng)目邊坡災(zāi)害安全監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，能準(zhǔn)確掌握其變形和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工，保證治理措施的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理，避免因地質(zhì)災(zāi)害造成的工程人員傷亡等事故［5-7］。

1 工程概況

邢汾高速公路邢臺(tái)至冀晉界段位于河北省邢臺(tái)市、邢臺(tái)縣、沙河市境內(nèi)，場(chǎng)地屬剝蝕構(gòu)造丘陵地貌，地形起伏略大，高填方、深挖方、半填半挖路段多。依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)，土質(zhì)挖方邊坡切坡高度超過(guò)20 m、巖質(zhì)挖方邊坡切坡高度超過(guò)30 m以及不良地質(zhì)、特殊巖土地段的挖方邊坡，應(yīng)進(jìn)行個(gè)別勘察設(shè)計(jì)［8］。在邢汾高速公路山區(qū)段選擇有代表性的5個(gè)邊坡斷面埋設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，進(jìn)行邊坡的地質(zhì)災(zāi)害安全監(jiān)控工作。具體的邊坡里程和高度情況見(jiàn)表1。

表1 邊坡斷面里程及切坡高度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Tables of the slope length and slope cutting

2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容

根據(jù)邢汾高速公路項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況，擬采取邊坡巖體深層位移動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并利用小型氣象站進(jìn)行降水量監(jiān)測(cè)。邊坡巖體深層位移監(jiān)測(cè)是通過(guò)在邊坡上深層鉆孔，孔內(nèi)放置測(cè)管，利用管內(nèi)不同深度處埋設(shè)的固定式測(cè)斜儀以及邊坡頂部設(shè)置DSC無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行的。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位置安裝一套翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行降水量監(jiān)測(cè)。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)是無(wú)人值守自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并可以根據(jù)觀(guān)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況在控制中心遠(yuǎn)程調(diào)整觀(guān)測(cè)頻率。初步設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻率見(jiàn)表2。

表2 邊坡施工各階段穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)頻率Tab.2 Stability monitoring frequency in each stage of slope construction

警戒值應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)具體地質(zhì)和周邊環(huán)境情況而定，表3是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況設(shè)定，并參考國(guó)內(nèi)外滑坡監(jiān)測(cè)的變形速率資料［9-11］，借鑒陜西隴縣李家下滑坡中滑坡表面觀(guān)測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目［12］，最終確定邊坡深部水平位移變形速率為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目警戒值的參考值，供監(jiān)測(cè)工作初期參考，在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況予以修正。

表3 邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)警戒值Tab.3 Alert value of slope stability monitoring

當(dāng)邊坡位移速率突然增大或者達(dá)到表3的警戒值時(shí)應(yīng)對(duì)邊坡的安全性及時(shí)預(yù)警并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及措施

3.1 測(cè)管埋設(shè)

埋設(shè)測(cè)管時(shí)注意管內(nèi)導(dǎo)槽所對(duì)方向。管內(nèi)導(dǎo)槽是個(gè)十字型，埋設(shè)時(shí)保證導(dǎo)槽一方開(kāi)口垂直路基，尤其注意接頭處導(dǎo)槽要對(duì)齊，如圖1所示。等測(cè)管穩(wěn)定一段時(shí)間至測(cè)管周?chē)纳安辉俪两禃r(shí)再安裝傳感器，如圖2所示。注意控制埋設(shè)第1個(gè)傳感器的位置，傳感器之間用不銹鋼加長(zhǎng)桿連接，測(cè)桿之間用萬(wàn)向節(jié)相連，最上面一個(gè)傳感器可用一根鋼絲連接到管口方便以后對(duì)儀器維護(hù)的檢查。

圖1 測(cè)斜管的埋設(shè)和接頭Fig.1 Burying and joint of the inclinometer

圖2 固定測(cè)斜儀Fig.2 Fixed inclinometer

3.2 雨量計(jì)埋設(shè)

在邊坡監(jiān)測(cè)斷面周?chē)€(wěn)定的位置澆筑一個(gè)混凝土平臺(tái)，用膨脹螺栓將雨量計(jì)固定在平臺(tái)上。雨量計(jì)安裝好后，將傳感器連接到采集系統(tǒng)上，進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完畢后，可正常投入使用。

3.3 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的安裝

將圖3的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊(DTU)兩顆螺釘擰開(kāi)，安裝SIM卡。天線(xiàn)應(yīng)從密封箱外，引入接頭接到模塊上。天線(xiàn)主體放置在有手機(jī)信號(hào)的地方。上網(wǎng)手機(jī)模塊可放置在密封箱中，并固定，見(jiàn)圖4。

圖3 SIM卡安裝圖Fig.3 Installation diagram of SIM card

圖4 GPRS天線(xiàn)連接圖Fig.4 Connection diagram of GPRS antenna

3.4 安裝注意事項(xiàng)

所有采集、發(fā)送裝置盡量隱蔽安裝。對(duì)于測(cè)試元件，將派專(zhuān)人保護(hù)，定期巡查現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試元件是否破壞或是發(fā)生不穩(wěn)情形。一旦破壞，及時(shí)整修，確保監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建立

借鑒鐵路部門(mén)交通災(zāi)害預(yù)警管理模式［13］，山區(qū)高邊坡安全遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)站、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)中心站3部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)站主要由現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳感模塊、采集模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊、小型氣象站、供電模塊、儀器保護(hù)箱等組成，監(jiān)測(cè)中心站主要由服務(wù)器、無(wú)線(xiàn)信號(hào)接收儀、若干客戶(hù)查詢(xún)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成?，F(xiàn)場(chǎng)站和監(jiān)測(cè)中心站之間通過(guò)移動(dòng)通信GSM網(wǎng)絡(luò)的GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸，如圖5所示。邊坡的安全監(jiān)控工作流程如圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各模塊功能Fig.5 Function of each module in the remote monitoring system

圖6 邊坡安全監(jiān)控工作流程圖Fig.6 Flow chart of slope safety monitoring work

本自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變形測(cè)試量程為300 mm，在此量程范圍內(nèi)，變形測(cè)試誤差小于1 mm?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集模塊能夠同時(shí)采集32路電感調(diào)頻類(lèi)智能數(shù)碼傳感器的輸出信號(hào);采樣周期可人工控制與調(diào)整，同時(shí)根據(jù)小型氣象站傳遞信息，及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)采集周期，如雨雪天氣監(jiān)測(cè)中心可隨時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)采集周期;測(cè)試儀器能按照規(guī)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。為防止數(shù)據(jù)丟失，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集模塊能存儲(chǔ)1年的采集數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集模塊具有在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)與筆記本電腦相連下載采集數(shù)據(jù)的功能，能夠在室內(nèi)完成數(shù)據(jù)的下載。

能夠利用GSM網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)的采集數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)街鞅O(jiān)測(cè)中心，并具有自動(dòng)傳送、實(shí)時(shí)傳送、系統(tǒng)預(yù)約、系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送的功能。主監(jiān)測(cè)中心能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收、修改系統(tǒng)參數(shù)、控制系統(tǒng)的采集時(shí)間間隔和傳輸時(shí)間等;并根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與傳輸、自動(dòng)診斷現(xiàn)場(chǎng)采集終端的工作狀態(tài);實(shí)現(xiàn)多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)采集終端的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析處理工作;實(shí)現(xiàn)溫度采集結(jié)果的自動(dòng)分析處理功能;控制現(xiàn)場(chǎng)采集終端進(jìn)行系統(tǒng)的自校準(zhǔn)。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DSC無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件進(jìn)行儲(chǔ)存與處理。軟件定時(shí)接收監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可生成各種報(bào)表以及每個(gè)測(cè)點(diǎn)、每個(gè)測(cè)孔的位移變化曲線(xiàn)。在數(shù)據(jù)達(dá)到警戒值時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以監(jiān)測(cè)通報(bào)、周報(bào)的形式送達(dá)有關(guān)各方。工程結(jié)束后，提交完整的監(jiān)測(cè)總報(bào)告及電子文檔。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，超出預(yù)警值或位移-時(shí)間曲線(xiàn)出現(xiàn)不穩(wěn)定征兆時(shí)，在監(jiān)測(cè)完成24 h內(nèi)發(fā)出監(jiān)測(cè)通報(bào)，及時(shí)向有關(guān)部門(mén)和人員報(bào)告。在工程監(jiān)測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理。在施工完成后，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行總結(jié)，在要求時(shí)間內(nèi)將監(jiān)測(cè)總報(bào)告提交給相關(guān)部門(mén)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了邢汾高速公路深挖路塹邊坡地質(zhì)災(zāi)害安全監(jiān)控技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。依據(jù)邢汾高速公路現(xiàn)場(chǎng)勘察資料和相關(guān)規(guī)范選取30 m以上高挖方邊坡中5個(gè)地質(zhì)條件不穩(wěn)定的較危險(xiǎn)邊坡進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)控，確定了監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為深部位移和環(huán)境降雨量監(jiān)測(cè)，介紹了監(jiān)測(cè)儀器的埋設(shè)安裝步驟及保護(hù)措施，提出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能和工作流程。研究成果對(duì)保障深挖路塹邊坡的安全穩(wěn)定具有一定的指導(dǎo)意義。

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