邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在桐廬縣某工程中的應(yīng)用

余 忠，梅宗明，吳 博

（浙江省地礦建設(shè)有限公司，浙江·杭州 310012）

滑坡是我國常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，浙江省地處東南沿海，由于各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)原因，滑坡地質(zhì)災(zāi)害危害較大[1-2]。近年來，浙江省發(fā)生多起重大滑坡災(zāi)害，均造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。2017年初，浙江省開展地質(zhì)災(zāi)害隱患綜合治理“除險(xiǎn)安居”三年行動(dòng)，提出要積極完善地災(zāi)防控體系建設(shè)，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警，強(qiáng)化避災(zāi)場所規(guī)范化建設(shè)管理，加強(qiáng)群眾基本生活保障措施[5]。

通常采用經(jīng)緯儀、全站儀等技術(shù)來實(shí)施對邊坡的監(jiān)測，然而傳統(tǒng)監(jiān)測方法往往只能以人工方式間斷監(jiān)測，耗費(fèi)大量人力物力，受到氣候地形地貌等條件限制，而且數(shù)據(jù)處理工作量大，結(jié)果反饋滯后[6]。近年來，GPS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等飛速發(fā)展，使得邊坡監(jiān)測越來越向全天候、高精度、自動(dòng)化方向發(fā)展[7-8]。本文結(jié)合桐廬縣某地災(zāi)隱患治理工程施工過程中的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的具體應(yīng)用并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 工程概況

2015年3月，桐廬縣分水鎮(zhèn)城西村西塢后山出現(xiàn)滑坡隱患，坡腳擋土墻、格構(gòu)梁等變形，局部發(fā)生剪切破壞；邊坡后緣及兩側(cè)有斷續(xù)的拉張裂縫，坡腳多幢民房墻體開裂、地面上拱開裂，滑坡變形跡象明顯。后期在施工過程中，滑坡體局部也出現(xiàn)裂縫和垮塌。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件該滑坡在極端天氣引起的強(qiáng)降雨作用下，易發(fā)生失穩(wěn)下滑。該滑坡總方量26.73萬m3，為中型滑坡，主滑方向140，正對著城西村，滑坡一旦失穩(wěn)，將威脅城西村56幢民居，村民62戶共計(jì)233人，直接威脅城西村小學(xué)，潛在經(jīng)濟(jì)損失在5000萬元以上。在治理施工過程中，要監(jiān)測坡體的變形狀況，預(yù)測、預(yù)報(bào)坡體的發(fā)展趨勢，及時(shí)為施工提供預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，保證人員的安全和治理工程的順利進(jìn)行，對可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保障坡下居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本滑坡采用：分級削坡減載+坡腳擋墻+墻后回填反壓+局部邊坡錨桿護(hù)坡+系統(tǒng)截排水工程+綠化生態(tài)防護(hù)。對滑坡體進(jìn)行削坡減載，自上而下共分為六級邊坡，削坡總方量20.44萬m3，回填壓腳使用0.2萬m3，外運(yùn)20.24萬m3[9]?，F(xiàn)場情況見圖1。

圖1 施工現(xiàn)場圖片F(xiàn)ig.1 Aerial view (a) and picture (b) of construction site

2 項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

本項(xiàng)目監(jiān)測內(nèi)容為邊坡表面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測以及邊坡裂縫監(jiān)測。項(xiàng)目前期主要采用傳統(tǒng)的全站儀、測斜儀測量方法進(jìn)行位移監(jiān)測，但實(shí)踐表明，前期的人工監(jiān)測受天氣等因素影響大，需耗費(fèi)大量的人力物力，監(jiān)測結(jié)果反饋滯后，監(jiān)測精度也不如自動(dòng)化監(jiān)測高。后期邊坡平臺形成后采用自動(dòng)化監(jiān)測方法[10]。

2.1 表面位移自動(dòng)監(jiān)測

（1）自動(dòng)化監(jiān)測

采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）自動(dòng)化監(jiān)測方式對邊坡表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。其工作原理為：各GNSS監(jiān)測點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GNSS信號，控制中心根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)算出各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對比而獲得該監(jiān)測點(diǎn)變化量，同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報(bào)警。

自動(dòng)化監(jiān)測的優(yōu)勢在于：可不受地域限制隨時(shí)掌握滑坡體的監(jiān)測情況，及時(shí)掌握滑坡體監(jiān)測預(yù)警信息；當(dāng)危險(xiǎn)源預(yù)警時(shí)，可通過手機(jī)接收預(yù)警信息，及時(shí)指揮應(yīng)急處置與救援；預(yù)留外網(wǎng)訪問該監(jiān)測系統(tǒng)的功能，如果需要可以開放該端口，給上級安全監(jiān)督主管單位。

（2）設(shè)備選型

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況及所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并參照《全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)測量規(guī)范》，表面位移監(jiān)測系統(tǒng)選擇上海某公司產(chǎn)監(jiān)測專用接收機(jī)和配套天線罩。該設(shè)備能長時(shí)間連續(xù)工作，能夠最大限度地滿足滑坡體、水庫大壩、尾礦壩、沉降等變形監(jiān)測的需要。

（3）施工安裝

開挖基礎(chǔ)：在選定地址開挖到堅(jiān)實(shí)土層（根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r確定），具體施工嚴(yán)格按照圖紙和規(guī)范要求施工。

鋼筋籠綁扎：鋼筋的加工、連接及安裝應(yīng)按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工；底座框架的尺寸為：高0.5m 1.2m見方的長方體，底座鋼筋籠為兩層結(jié)構(gòu)，間距為30cm。

主體澆筑：觀測墩采用現(xiàn)澆混凝土加315mm高強(qiáng)度PVC套管施工工藝，混凝土強(qiáng)度等級C30，水泥、石子、砂、水等須符合要求。

設(shè)備安裝：立柱澆筑結(jié)束時(shí)要安裝強(qiáng)制對中標(biāo)志，并嚴(yán)格整平，并且預(yù)埋PVC管要貫通。立柱澆筑一周時(shí)間凝固后，進(jìn)行GNSS和機(jī)柜的安裝，采用全封閉式GNSS專用天線罩。觀測墩頂部裝強(qiáng)制對中器，頂端加工有5/8英制螺旋以固定GNSS天線。在機(jī)柜中，按數(shù)據(jù)傳輸路徑，分別安裝天線轉(zhuǎn)換器、GNSS接收機(jī)、串口服務(wù)器等?，F(xiàn)場設(shè)備完成效果見圖2。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備Fig.2 Monitoring equipment

2.2 深部位移監(jiān)測

（1）深部位移自動(dòng)化監(jiān)測

深部位移采用全自動(dòng)化觀測，由多支固定式測斜儀（由測桿、導(dǎo)向輪、連接軟纜、傳輸電纜等組成）串聯(lián)裝在測斜管內(nèi)，通過裝在每個(gè)高程上的傾斜傳感器，測量出被測結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，以此將結(jié)構(gòu)物的變形曲線描述出來。同時(shí)其測值可計(jì)算出測桿標(biāo)距長度500mm范圍內(nèi)的水平位移。固定式測斜儀可多支串聯(lián)組裝，亦可布設(shè)為一個(gè)測量單元獨(dú)立工作，并可回收重復(fù)使用。固定式測斜儀能方便地實(shí)現(xiàn)傾斜測量自動(dòng)化。軟件亦接入華測自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺。

（2）施工安裝

測斜管的埋設(shè)的方法采用鉆機(jī)鉆孔。鉆孔：采用工程鉆探機(jī)，采用φ108mm鉆頭鉆孔，為了使管子順利地完裝到位一般都需比安裝深度深一些，它的原則是每10m多鉆深0.5m，以此類推。

清孔：鉆頭鉆到預(yù)定位置后，不要立即提鉆，需把泵接到清水里向下灌清水，直至泥漿水變成清混水為止，再提鉆后立即安裝。

測斜管埋設(shè)：測斜管的安裝質(zhì)量是測試效果的關(guān)鍵，管子一般長度為2m/根，連接的方法是采用插入連接法。管子安裝到位后，需要調(diào)正方向后才能回填。露在地表上的測斜管要注意做好保護(hù)，蓋上管蓋，防止物體落入。安裝完成后的測斜管要先用模擬測斜儀試放，保證模擬測斜儀順測斜管能順暢通過。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺

監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)平臺軟件是由上海某公司針對滑坡、泥石流特征開發(fā)的系統(tǒng)軟件。該監(jiān)測軟件web端為B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)頁即可查詢監(jiān)測情況；軟件功能多樣化，有表面位移監(jiān)測、內(nèi)部位移監(jiān)測、水位監(jiān)測等19個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目，用戶可根據(jù)具體情況在系統(tǒng)管理中選擇功能項(xiàng)目；軟件中監(jiān)測變化數(shù)據(jù)將直觀的用曲線的顯示出來。

監(jiān)測系統(tǒng)能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、變形自動(dòng)分析、自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警、自動(dòng)給出單次和累計(jì)測量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線圖及變形速率變化動(dòng)態(tài)曲線圖，并可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史回放、趨勢分析等。

根據(jù)監(jiān)測體的類型、設(shè)計(jì)限差等設(shè)置不同級別的報(bào)警參數(shù)，自動(dòng)評估監(jiān)測體的安全狀況，按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)生成各監(jiān)測手段的報(bào)表，同時(shí)通過短信、郵件等方式自動(dòng)發(fā)給相關(guān)人員。

3 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 表面位移自動(dòng)監(jiān)測分析

（1）監(jiān)測點(diǎn)位布置

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況結(jié)合設(shè)計(jì)方案布設(shè)點(diǎn)位，共設(shè)計(jì)7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)+1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，GNSS監(jiān)測點(diǎn)選址應(yīng)滿足監(jiān)測要求。由于施工階段影響，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在已成型平臺上?，F(xiàn)階段已完成3個(gè)地表自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集（114m平臺一個(gè)，90m平臺兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)），編號分別為GNSS1、GNSS2、GNSS3，并在滑坡區(qū)外布設(shè)了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ01），如圖3所示。

圖3 表面位移與深部位移監(jiān)測點(diǎn)位布置圖Fig.3 Arrangement diagram of monitoring points of surface displacement and deep displacement

（2）數(shù)據(jù)及分析

監(jiān)測點(diǎn)GNSS1、GNSS2、GNSS3于2017年11月4日開始取得數(shù)據(jù)，每間隔一小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，截至2018年1月12日，監(jiān)測點(diǎn)GNSS1 GNSS2 GNSS3水平方向累計(jì)位移分別為1.2mm 0.8mm 1.4mm，垂直方向累計(jì)位移為1.0mm 0.6mm -1.6mm?？偟膩碚f，數(shù)據(jù)變化值較小，很多變化點(diǎn)可能是由于設(shè)備的系統(tǒng)誤差形成的。

從地表自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位移—時(shí)間曲線（水平位移）來看（見圖4a），監(jiān)測期間最大水平位移量不超過8mm，數(shù)據(jù)最大值未超過預(yù)警值（設(shè)計(jì)報(bào)警值為30mm）。從地表自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位移—時(shí)間曲線（垂直位移）來看（見圖4b），數(shù)據(jù)在曲線水平軸上下擺動(dòng)，監(jiān)測期間最大垂直位移量不超過14mm。

圖4 地表監(jiān)測點(diǎn)位移-時(shí)間曲線（垂直位移）Fig.4 Surface monitoring points displacement - time curve

3.2 深部位移自動(dòng)監(jiān)測分析

（1）監(jiān)測點(diǎn)位布置

根據(jù)邊坡的主滑方向，共布設(shè)2個(gè)深部位移自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)位于66平臺，另一個(gè)點(diǎn)位于58平臺下部，編號分別為：Inmv4，Inmv1，于2017年10月24日組網(wǎng)成功，并開始接收數(shù)據(jù)。監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位布置如圖3。

（2）數(shù)據(jù)及分析

監(jiān)測點(diǎn)Inmv1，Inmv4每間隔一小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，截止2018年1月12日20:00，監(jiān)測點(diǎn)Inmv1最大累計(jì)位移出現(xiàn)在20m孔深處，最大位移量為-2.3mm，監(jiān)測點(diǎn)Inmv4最大累計(jì)位移均較小，這些數(shù)據(jù)均未超過報(bào)警值(監(jiān)測報(bào)警值為±5mm·15m-1)。見表1。

從監(jiān)測點(diǎn)Inmv1、Inmv4時(shí)間—位移曲線看（圖5）：12月中旬開始，深部位移孔Inmv1在10m深度開始出現(xiàn)較小的位移，位移量均未超過4mm，其余深度在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)均未出現(xiàn)明顯位移；位移孔Inmv1在10m、20m深度有較小位移量。

表1 深部位移監(jiān)測點(diǎn)不同深度位移量Table 1 Displacement of deep displacement monitoring point in different depth

圖5 監(jiān)測點(diǎn)不同深度時(shí)間—位移曲線Fig.5 Time-displacement curve of different depth in monitoring points

4 結(jié)語

邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在本項(xiàng)目中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全天候監(jiān)測預(yù)警，大大減輕了測量人員的工作量，減少數(shù)據(jù)處理等過程中的錯(cuò)誤。

總體來看，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)在監(jiān)測期內(nèi)較為穩(wěn)定，表面位移監(jiān)測點(diǎn)及深部位移監(jiān)測點(diǎn)位移量均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，位移無整體變大，曲線無明顯上翹，滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)成果及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，對今后其他山體滑坡施工及監(jiān)測提出如下建議：（1）在山體滑坡施工過程中，即使采用自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，遇到臺風(fēng)或強(qiáng)降雨天氣或出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)也要加強(qiáng)對山體巡視、觀察，繼續(xù)開展對滑坡的群測群防工作，密切關(guān)注滑坡體的變形趨勢；（2）監(jiān)測結(jié)果的輸出表現(xiàn)形式需要進(jìn)一步優(yōu)化，特別是需要減少系統(tǒng)誤差對監(jiān)測結(jié)果的影響，或者通過對數(shù)據(jù)結(jié)果的處理減少曲線圖上的微小波動(dòng)；（3）在山體滑坡施工過程中應(yīng)注意對監(jiān)測單位布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)保護(hù)，以免使變形值產(chǎn)生人為因素影響，使監(jiān)測數(shù)據(jù)能真正反映坡體變形實(shí)際狀況。