物聯(lián)網監(jiān)測技術在G15W112邊坡的應用

金峰+王竑

[摘 ?要]為提高邊坡科學管養(yǎng)水平，2014年，浙江上三高速公路有限公司運用物聯(lián)網技術對尚未具備穩(wěn)定狀態(tài)的G15W112邊坡實施了自動化遠程監(jiān)測，并通過一個水文年的數據監(jiān)測、分析，基本掌握了該邊坡的地質特性，為持續(xù)跟蹤邊坡狀態(tài)、科學治理、加強邊坡管理積累了經驗和做法。

[關鍵詞]物聯(lián)網;深部位移;G15W112邊坡

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0148-02

一、前言

2009年8月，上三高速公路G15W112邊坡受臺風持續(xù)強降雨影響，坡頂土層出現坍塌、滑落等現象?；绿幹喂こ淘O計單位地質勘探報告顯示該山體地質復雜、地下水發(fā)育。處治工程治理期間，由浙江大學地質勘測測量專家組對該滑坡進行監(jiān)測跟蹤，對坡體現狀進行穩(wěn)定性評價，監(jiān)測分析結果顯示，邊坡還處于蠕變變形狀態(tài)。工程完工后由繼續(xù)進行了長期監(jiān)測及穩(wěn)定性評價，期間邊坡一直處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)。因尚未具備趨于穩(wěn)定的條件，在持續(xù)強降雨作用下存在發(fā)生地質災害的風險，因此科學應用物聯(lián)網監(jiān)測技術，持續(xù)加強實時監(jiān)測、防汛預警等防范工作顯得尤為重要。

二、邊坡水文地質環(huán)境

G15W112邊坡位于上三高速公路K237+840-980左側，馬岙嶺隧道與排江大橋之間。為二元結構邊坡，坡腳為曹娥江河谷，線路切斜坡前緣通過，形成左側路塹邊坡。中部發(fā)育一條淺溝，地表水豐富，主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙潛水。該邊坡為類土質邊坡，坡高53.4m。邊坡地處亞熱帶季風氣候區(qū)，全年平均降水量1405.6毫米。地層巖性從老到新分別為：（1）上侏羅統(tǒng)大爽組（J3d），為公路沿線主要基巖，巖性為紫紅色、灰紫色晶屑凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r，局部夾碎屑沉積巖;（2）第三系上新統(tǒng)嵊縣組（N2s），巖性為玄武巖，分別于公路沿線丘陵上部，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎;（3）第四系殘坡積層，分布于丘陵斜坡，巖性為含粘性土碎石為主，厚度為1～3m，碎石以玄武巖為主。

三、物聯(lián)網監(jiān)測方案優(yōu)勢

物聯(lián)網（傳感網）技術的地質災害遠程自動化監(jiān)測系統(tǒng)由現場布設的各類分布式傳感器、數據采集發(fā)射設備、傳感器數據通訊網絡（GSM/GPRS/CDMA/ZIGGEE）和監(jiān)控中心的數據處理軟件構成，以實現對地質災害的全面感知和可靠傳輸。物聯(lián)網監(jiān)測方案具有三項技術優(yōu)勢，具體如下：

1、具有全面感知、實時采集功能。通過各類智能傳感器及ZigBee、工業(yè)現場總線等短距離無線/有線傳輸技術，實時感知公路邊坡所處環(huán)境信息、監(jiān)測對象自身狀態(tài)信息;

2、具有可靠傳遞、高效管理功能。借助現有的移動通信網、互聯(lián)網及專用網絡，將感知到的相關信息實時、準確、安全地傳遞出去，存儲于云計算平臺內，實現感知數據的統(tǒng)一存儲、查詢和分析;

3、具有智能分析、科學決策功能。利用巖土力學分析軟件及云計算、模糊識別等技術，對感知和傳輸的數據進行分析和處理，識別潛在的安全隱患，評估災害發(fā)生可能性，解決突發(fā)事件發(fā)生后各部門之間如何互聯(lián)互通，為科學決策提供依據，最終實現智能化的管理、服務及應用。

四、監(jiān)測方案實施

（一）監(jiān)測目的

針對G15W112邊坡存在失穩(wěn)風險，運用高速公路邊坡自動化遠程監(jiān)測技術及監(jiān)測設備，在邊坡上安裝各類監(jiān)測設備。所有設備能自動監(jiān)測邊坡體內部位移變形、地下水位變化、場區(qū)降雨等情況和擋墻傾斜位移變化狀態(tài)，并將數據定時、無線傳送到公路管理部門。

（二）監(jiān)測內容

基于監(jiān)測手段有效性、監(jiān)測數據實時性、監(jiān)測結果可靠性和預警評估科學性的設計原則，安全監(jiān)測的內容包括：

1、深部位移監(jiān)測：采用深部巖土鉆孔變形測量儀（基于MEMS陣列的深部位移監(jiān)測系統(tǒng)），實時監(jiān)測巖土層不同深度地層的水平位移量、水平位移方向和變形速率，對邊坡當前變形狀態(tài)、未來發(fā)展趨勢進行識別和判定;

2、地下水位監(jiān)測：同孔地下水位監(jiān)測儀固定安裝于深部位移監(jiān)測設備端部，實時監(jiān)測邊坡內地下水水位動態(tài)，掌握地下水變化規(guī)律，分析地下水、地表水、庫水、大氣降水的關系，進行其與邊坡變形的相關分析;

3、降雨量監(jiān)測：采用ARN雨量計，實時監(jiān)測邊坡場區(qū)降水量，分析其與邊坡變形的關系。

（三）監(jiān)測點布設

根據G15W112邊坡變形區(qū)的特點，在監(jiān)測范圍設置兩條監(jiān)測線——剖面I和剖面II，構成二橫二縱監(jiān)測網，見圖1。

雨量監(jiān)測點布置：共布設1個雨量監(jiān)測點，編號為YL01。

地下水位監(jiān)測點布置：共布設2個地下水位監(jiān)測點，編號分別為SW1_1和SW1_2。

深部位移監(jiān)測點布置：共設置4個深部位移監(jiān)測孔，編號分別為SB1_1、SB1_2、SB2_1和SB2_2。其中，鉆孔SB1_1內部布設14只MEMS傳感器;鉆孔SB1_2內部布設18只MEMS傳感器;鉆孔SB2_1內部布設12只MEMS傳感器;鉆孔SB2_2內部布設18只MEMS傳感器、一只錯動位移傳感器。

（四）監(jiān)測平臺

本監(jiān)測系統(tǒng)為SAAS云服務模式，平臺采用綜合考慮邊坡靜態(tài)、動態(tài)體征數據與力學演化機理的GMD診斷方法，科學、高效地完成病害邊坡的監(jiān)測、預警及風險評估。

五、邊坡監(jiān)測數據分析

（一）深部位移監(jiān)測

1、數據檢測：2015年2月1日至12月1日期間，對G15W112邊坡四個鉆孔的水平位移曲線記錄見圖2。

圖中，橫軸為測點在鉆孔中的布設位置，縱軸為測點自2月1日起的水平位移量。圖中6條曲線分別代表各測點在2月（春季）、3-4月（春雨）、5-6月（梅雨）、7月（夏季）、8-9月（臺風季）、以及10-11月（秋季）的平均位移量。2月作為起始參照，設定為0。

2、數據分析與判斷：

（1）時間維度上，剖面I巖土體處于蠕滑變形狀態(tài)，累計位移隨時間不斷增加。鉆孔SB1_1位于坡腳，降雨對其淺表層和深層巖土體蠕滑變形都有很大影響，變形速率隨降雨量變化而變化。7-9月份持續(xù)強降雨影響下，鉆孔SB1_1的變形速率在8-9月份達到最大值。鉆孔SB1_2位于坡體中部，降雨僅影響其淺表層巖土體變形，對其深層巖土體蠕滑變形影響不明顯?？傮w速率保持不變，處于勻速變形狀態(tài)。剖面I巖土體變形破壞自下而上發(fā)展，坡體底部位移量大于坡體中部位移量，屬于牽引式滑坡類型;鉆孔SB1_1已處于整體變形階段，主滑面已形成，位于深部變形區(qū)，在地下水位線以下;受地下水長期作用，主滑面不斷向坡體中部擴展，導致累計位移不斷增大。

（2）空間維度上，剖面I巖土體存在多個潛在變形區(qū)。鉆孔SB1_1存在3個潛在變形區(qū)：孔口以下-2m位置處的淺表層變形區(qū)、孔口以下-6m位置處的中部變形區(qū)、孔口以下-16m位置處的深部變形區(qū)。鉆孔SB1_2存在3個潛在變形區(qū)：孔口以下-5m位置處的淺表層變形區(qū)，孔口以下-10m位置處的中部變形區(qū)，孔口以下-18m位置處的深部變形區(qū)。鉆孔SB1_2仍處于局部變形階段，淺表層變形主要由于降雨入滲誘發(fā)，中部和深部變形區(qū)均在地下水位線以上，受地下水影響小，尚未形成主滑面。

（二）地下水位監(jiān)測

1、數據檢測：2015年2月1日至5月31日期間對地下水位進行檢測，圖3為剖面I地下水位分布圖;圖4為SW1_1和SW1_2監(jiān)測點地下水位變化情況。

2、數據分析：

（1）該邊坡地下水位的上升完全來源于地表降雨補給?？菟跁r，SW1_1的地下水位在路面以下-5m處，SW1_2的地下水位在路面以上1.8m處。進入雨季后，SW1_1的地下水位通常上漲0.7m，SW1_2的地下水位通常上漲1.0m;

（2）SW1_1水位上升與降雨同步，SW1_2水位上升滯后于降雨發(fā)生時間。SW1_1監(jiān)測點因處于坡腳處，對地表降雨更為敏感。當日降雨量超過10毫米后，該監(jiān)測點水位將同步出現上漲現象。SW1_2監(jiān)測點因處于坡體中部，其地下水位上漲通常在降雨發(fā)生后1至2天后出現。

（3）SW1_1水位最大上升位置為高出地面位置0.5m，SW1_2水位最大上升位置約在地面以上6m處。強降雨時，SW1_1水位最大上升位置基本與地面持平，超過地表的地下水能有效排除，說明坡腳位置排水性能良好。強降雨時，SW1_2水位上升分為兩級：第一級為5m內，第二級為5m-6m。通常水位上升處于第一級范圍內，但長時間持續(xù)降雨時會進入第二級，此時，坡體中部已處于最大極限飽和排泄狀態(tài)。

（4） SW1_2水位超2m漲幅均出現于日降雨量超過30mm情況下。此時，坡體表面的入滲量已遠大于坡體內部的排泄量，坡體內部出現地下水平急劇抬升，短時產生超孔隙水壓力和浮托力，容易誘發(fā)邊坡發(fā)生地質災害。因此，將G15w112邊坡降雨報警最小閾值定為日降雨量超過30mm。

（三） 降雨量監(jiān)測

1、數據檢測：2015年2月1日至12月1日，對邊坡月、日降雨量進行統(tǒng)計，其月降雨量2月至11月分別95mm、97mm、100mm、106mm、231mm、375mm、281mm、137mm、49mm、242mm。日降雨量變化見圖5。

2、數據分析：

（1）2015年2月1日至12月1日期間，邊坡降雨總量為1713mm，與常年1300mm平均值相比，雨量增加30%。其中，7月、8月、9月、11月降雨量比常年同月相比，雨量增加近1倍;

（2）2015年2月1日至12月1日期間，邊坡日降雨量超過30mm的強降雨量共出現18次，日降雨量超過60mm的強降雨共出現3次，最大日降雨量為115.8mm，出現在7月11日。

六、結論

綜合基于物聯(lián)網技術的現場監(jiān)測數據及后期分析，對G15W112邊坡做如下結論：

（1）該邊坡為牽引式滑坡，存在多個變形區(qū)。坡腳位置的主滑面已形成，而剖面II坡體中部受地下水長期作用，促進了坡體中主滑面形成;

（2）該邊坡整體處于勻速變形的蠕滑階段，降雨是主導因素，變形速率為每月毫米量級。坡腳變形速率要快于坡體中部的變形速率;

（3）該邊坡預警級別屬于注意級別、中風險等級，滑動面尚未貫通，短期內發(fā)生滑坡可能性不大。但在強降雨持續(xù)作用下，滑動面逐漸擴展，風險將不斷增大。

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作者簡介：

金峰（1967—）男，浙江紹興人，現供職于浙江滬杭甬高速公路股份有限公司紹興管理處，從事高速公路安全、養(yǎng)護管理工作。

王竑（1981—）男，浙江紹興人，現供職于浙江滬杭甬高速公路股份有限公司紹興管理處，本科，工程師，從事高速公路養(yǎng)護管理工作。