巖質(zhì)邊坡地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與時效變形分析

胡碧輝，鄒晨陽，陳 芳

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

1 概述

滑坡災(zāi)害發(fā)生前都會伴隨一些異?，F(xiàn)象發(fā)生，如邊坡裂縫開度增加、長度加大，邊坡出現(xiàn)滑坍等，邊坡變形監(jiān)測的目的是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)潛在的異常，并提前做好預(yù)防。然而，由于監(jiān)測過程中受監(jiān)測設(shè)施不穩(wěn)定、環(huán)境、人為因素等影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)自身的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，甚至由于某些異常監(jiān)測數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致災(zāi)害情況的錯誤判斷[1- 3]。眾多科研人員針對各種異常監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理方法展開研究，“3σ”準(zhǔn)則是一種簡單易算的方法，在變形異常數(shù)據(jù)檢驗中應(yīng)用非常普遍，以此同時，為排除干擾噪點，用小波分析法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理也得到了廣泛應(yīng)用[4- 14]。

本文以某大型樞紐庫岸巖質(zhì)邊坡為例，根據(jù)目前布置的監(jiān)測設(shè)施獲取的大量觀測數(shù)據(jù)，采用“3σ”準(zhǔn)則和高斯過程回歸相結(jié)合的方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并從變形現(xiàn)象出發(fā)建立邊坡的變形監(jiān)測統(tǒng)計模型，以此推斷該邊坡的變形穩(wěn)定性。

2 數(shù)據(jù)處理方法

監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理、分析和反饋是邊坡工程安全監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，采用監(jiān)測數(shù)據(jù)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析之前需對原始的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和圖像處理，以減少測過程中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差、消除粗差。常用的粗差判別方法有“3σ”準(zhǔn)則，圖像處理方法有高斯濾波法。

2.1 “3σ”準(zhǔn)則

2.2 高斯過程回歸

圖像處理中，常用的濾波算法有均值濾波、中值濾波以及高斯濾波等。高斯濾波主要可以使用兩種方法實現(xiàn)。一種是離散化窗口滑窗卷積，另一種方法是通過傅里葉變化。文中采用離散化窗口滑窗卷積，通過高斯函數(shù)進(jìn)行計算，并通過MATLAB編程實現(xiàn)。

3 邊坡地表位移監(jiān)測應(yīng)用實例

3.1 概況

以某大型樞紐庫岸巖質(zhì)邊坡(K0+000、K0+017.949、K0+022.489)位于峽江右壩肩，切坡高度約70m，邊坡走向N0°～30°W，平面上略呈弧狀，邊坡如圖1所示。該邊坡監(jiān)測采用動態(tài)跟蹤方法設(shè)計，即根據(jù)邊坡支護(hù)調(diào)整和變形發(fā)展情況，調(diào)整監(jiān)測布置，監(jiān)測主要監(jiān)測項目有裂縫變形、錨索錨固力、地下水位及繞壩滲流量等。其中地表位移的裂縫監(jiān)測采用裂縫計，該監(jiān)測系統(tǒng)在在坡頂裂縫部位共布設(shè)6支單向裂縫計，本文以3支裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)作為處理對象。

圖1 邊坡現(xiàn)場情況

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

地表位移裂縫計K4～K6裂縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)選取從2011年6月到2016年12月的200余個測值，觀測頻率為每月2～3次，圖2為監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理前的裂縫開度隨時間變化的曲線，通過“3σ”準(zhǔn)則和高斯濾波結(jié)合處理，圖3為經(jīng)過粗差、圖像去噪處理后裂縫開度隨時間變化的曲線。

圖2 預(yù)處理前裂縫開度隨時間變化的曲線

圖3 預(yù)處理后裂縫開度隨時間變化的曲線

對比圖2、圖3可以看出，大部分裂縫開度數(shù)據(jù)是可信的，部分存在粗差的測值已被剔除，總體來說，通過去噪處理后數(shù)據(jù)能滿足監(jiān)測分析需求。

4 邊坡時效變形分析方法

目前研究邊坡的時效變形的方法主要有兩種：一種是經(jīng)驗法，即通過大量的現(xiàn)場觀測資料，建立邊坡的統(tǒng)計模型，從而預(yù)測邊坡失穩(wěn)破壞是否會發(fā)生；另一種是流變力學(xué)法，即通過將流變模型與特定材料試驗結(jié)果擬合，從而建立巖石流變理論模型。兩者各有利弊，本次研究的邊坡工程，已根據(jù)布置的監(jiān)測設(shè)施獲取了大量的觀測數(shù)據(jù)，因此可從變形現(xiàn)象出發(fā)，采用經(jīng)驗法，建立邊坡變形的統(tǒng)計模型并進(jìn)行相應(yīng)的分析計算，從而推斷該邊坡的安全穩(wěn)定性。

4.1 常見統(tǒng)計模型

建立統(tǒng)計模型常用的方法有逐步回歸法、多元回歸法、加權(quán)回歸法等。影響巖質(zhì)邊坡變形的因素很多，如荷載變化，周圍環(huán)境變化等。但荷載及環(huán)境等因素很難通過監(jiān)測設(shè)施直接測量，因此在進(jìn)行巖質(zhì)邊坡變形分析主要還是以時效變形為主，考慮時間對巖質(zhì)邊坡的影響。

巖石材料的蠕變是研究巖質(zhì)邊坡變形的基礎(chǔ)，大量研究表明[巖質(zhì)邊坡的監(jiān)測統(tǒng)計模型參照巖石的蠕變公式進(jìn)行，而通過大量的試驗表明，巖石的蠕變函數(shù)主要有3個基本模型，其中對數(shù)型函數(shù)y(t)=ξ0+blgt+ct多用于巖質(zhì)邊坡的安全監(jiān)測中，并由此衍生出了描述邊坡時效變形的基本函數(shù)形式：

yt=b0+b1In(k+t)

(1)

yt=b0+b1In(t)+b2t

(2)

yt=b1(t-t0)+b2In(t-t0)

(3)

式中，b0，b1，b2—常數(shù)。

在實際工程應(yīng)用中可通過比較以上三種模型的相關(guān)系數(shù)，選擇相關(guān)系數(shù)較高的監(jiān)測統(tǒng)計模型。

4.2 地表位移監(jiān)測統(tǒng)計模型建立

將巖質(zhì)邊坡各觀測點的監(jiān)測資料進(jìn)行整理，分別使用式(1)～(3)三個衍生模型進(jìn)行建模，通過比較發(fā)現(xiàn)，采用時間因子lgt、t建立的統(tǒng)計模型效果較好。模型公式為：

y(t)=a+blgt+ct

(4)

式中，a、b、c—常數(shù)，y(t)—變量的擬合值。

將邊坡3個裂縫監(jiān)測點(K4、K5、K6)預(yù)處理后的監(jiān)測資料通過進(jìn)行統(tǒng)計分析，考慮到變形與測點位置有關(guān)，本次擬合的3個監(jiān)測點均為裂縫外觀測點，裂縫各監(jiān)測點的實測曲線與擬合曲線圖如圖4所示。監(jiān)測點擬合成果見表1。

表1 監(jiān)測點擬合成果

圖4 裂縫監(jiān)測點擬合曲線

從表1中可以看出，該模型對邊坡各裂縫監(jiān)測點的擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)處于區(qū)間[0.898，0.908]之間，由此可知公式4可以較好的描述該邊坡的時效變形。

4.3 基于統(tǒng)計模型的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1)從圖4可以看出，隨時間增長，K5裂縫計自2011年監(jiān)測以來，裂縫開度呈明顯下降趨勢，K4～K6裂縫計分別在2014年8月、2014年10月出現(xiàn)不同程度的下降，其中裂縫計K4測點最大變形量1.85mm，K5測點最大變形量0.319mm，K6測點最大變形量0.94mm，自2011年11月K5測點裂縫逐漸開始閉合。

(2)結(jié)合邊坡監(jiān)測布置情況總體來看，K4～K5裂縫變形量較小，但在錨索預(yù)應(yīng)力作用下，K5變形量改善明顯，而測點K4～K6測點基本布置在平臺附近，巖體性質(zhì)較好，因此變形相對穩(wěn)定。

(3)總體來看，觀測點K4～K6的裂縫開度與時間變化曲線各不相同，根據(jù)擬合曲線的形狀可以判斷出不同位置測點的時效變形大小和趨勢，總體來看，擬合曲線均呈現(xiàn)下降趨勢，說明位移變形基本穩(wěn)定，現(xiàn)有錨索框格梁邊坡支護(hù)方案有效。

5 結(jié)語

本文基于大量裂縫變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計模型對已有裂縫變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合邊坡監(jiān)測布置情況和擬合曲線變化趨勢，對邊坡狀態(tài)進(jìn)行識別，預(yù)測邊坡變形的演化趨勢，進(jìn)一步驗證現(xiàn)有支護(hù)方案的合理性和可靠性。但此分析結(jié)果主要基于邊坡裂縫計監(jiān)測資料建立了描述邊坡變形的安全監(jiān)測模型及統(tǒng)計分析，未綜合考慮錨索測力計、水位計等監(jiān)測資料，且實際情況中，邊坡受溫度、降雨、施工等因素的影響，因此在條件允許的情況下，有必要考慮影響邊坡變形的各種因素，建立多因素作用的監(jiān)控模型及統(tǒng)計分析。