自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在邊坡監(jiān)測(cè)工程中的應(yīng)用

尹 萍

0 引言

我省地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，具有地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)易發(fā)的環(huán)境基礎(chǔ)，是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，地質(zhì)災(zāi)害防治任務(wù)十分繁重。特別是由于地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性及氣候和季節(jié)的地區(qū)差異性，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警理論方法尚不成熟，較高的空?qǐng)?bào)率已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)研究的一個(gè)瓶頸，同時(shí)也制約了行政管理部門的監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急管理工作。為貫徹落實(shí)《湖南省人民政府關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的意見》（湘政發(fā)〔2018〕12號(hào)）關(guān)于推動(dòng)科技創(chuàng)新，鼓勵(lì)開展地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理、成災(zāi)模式、早期識(shí)別科學(xué)研究，加快研發(fā)地質(zhì)災(zāi)害天空地一體化、臨災(zāi)快速監(jiān)測(cè)、微形變監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的具體要求，因此，本文將開展研究自動(dòng)化邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，隨時(shí)隨地掌握邊坡形變情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及時(shí)分析邊坡穩(wěn)定性并提前采取有效措施，為下一步邊坡治理設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)邊坡系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集裝置（視頻監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)、地表位移監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)）、數(shù)據(jù)處理中心、監(jiān)控中心等設(shè)施組成如圖1所示。

圖1

1.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，結(jié)合及實(shí)際工程案例應(yīng)建立以地表變形、地下水位的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、深部位移、裂縫位錯(cuò)，監(jiān)控滑坡整體變形。按此原則，根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案實(shí)際情況需要，本次監(jiān)測(cè)的主要工作內(nèi)容有：宏觀地質(zhì)調(diào)查、地下水位監(jiān)測(cè)、邊坡深部位移監(jiān)測(cè)等。

1.1.1 地表位移監(jiān)測(cè)

地表位移監(jiān)測(cè)是指在能反應(yīng)邊坡變形動(dòng)態(tài)的位置布置地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可采用極坐標(biāo)法、角度交會(huì)、邊角網(wǎng)、GPS等方法。通過采集數(shù)據(jù)、處理分析坡面幾何外觀的變化，繪制坡面各點(diǎn)水平向位移變化及豎直向位移變化情況，從而了解邊坡滑動(dòng)范圍和滑動(dòng)規(guī)模情況，及時(shí)提供預(yù)警信息，這是一種最直接的宏觀監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。地表位移監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括邊坡地表的平面位移及沉降監(jiān)測(cè)，變形速率，其中邊坡的地表位移監(jiān)測(cè)采用GPS連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1.1.2 邊坡深部位移監(jiān)測(cè)

采用滑移式測(cè)斜儀法可以對(duì)邊坡巖土體內(nèi)部滑動(dòng)面位移矢量的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在鉆孔內(nèi)埋設(shè)測(cè)斜管設(shè)備，用測(cè)斜儀測(cè)量測(cè)斜管隨巖土體深部位移及方向，觀測(cè)巖土體深部位移隨鉆孔深度逐點(diǎn)連續(xù)的位移變化，由此生成位移-深度關(guān)系曲線圖，通過該曲線圖找到滑動(dòng)面的準(zhǔn)確位置，進(jìn)一步判斷滑動(dòng)面的位移、大小及位移速率，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控及合理指導(dǎo)施工。

1.1.3 地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

利用原有勘察鉆孔或監(jiān)測(cè)工作增加的鉆孔中，對(duì)鉆孔地下水位進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)地下水位變化、降雨及深部位移變化的關(guān)系，評(píng)價(jià)地下水位對(duì)位移的影響及邊坡排水系統(tǒng)的有效性。

1.1.4 地表裂縫位錯(cuò)監(jiān)測(cè)

對(duì)存在于地表的滑坡裂縫進(jìn)行位錯(cuò)監(jiān)測(cè)，采用裂縫兩側(cè)埋設(shè)觀測(cè)樁，采用鋼尺定期測(cè)量的方法（也可采用裂縫計(jì)），最直觀和快速的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，使用設(shè)備監(jiān)測(cè)滑坡裂縫大小、方向，主要針對(duì)正在治理的邊坡，對(duì)施工安全監(jiān)控起到預(yù)報(bào)作用。

1.1.5 宏觀地質(zhì)調(diào)查

宏觀地質(zhì)調(diào)查法是采用常規(guī)的邊坡變形形跡追蹤地質(zhì)調(diào)查方法，該調(diào)查法是在變化明顯位置設(shè)固定點(diǎn)，定期現(xiàn)場(chǎng)巡查。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 地表巡視情況

圖2 CX02的X方向累積位移-深度曲線

圖3 CX02的Y方向累積位移-深度曲線

2019年9月6日開始進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行該邊坡監(jiān)測(cè)工作，9月5日，在地表巡視過程中發(fā)現(xiàn)，ZK5附近順路基方向一米處發(fā)現(xiàn)一條裂縫，后緣滑壁貫通較好，呈弧形連續(xù)，長(zhǎng)達(dá)約120 m，大里程端與垮塌坡口貫通，寬約15 cm，錯(cuò)高10 cm，剪出口位于B匝道范圍內(nèi)，沿剪出口上緣地面見有明顯的扇形裂縫與鼓脹裂縫，勘察時(shí)見到該剪出口與隆起呈明顯發(fā)展趨勢(shì)。9月18日，在滑坡壁后約18 m地帶，又發(fā)現(xiàn)有新的牽引裂縫產(chǎn)生，當(dāng)時(shí)觀測(cè)縫寬僅2-3 mm，可見長(zhǎng)度僅3 m，說明滑坡中上部具有牽引式滑坡特征，且仍在發(fā)展過程中。9月28日，滑坡后壁變化明顯，裂縫已寬約30 cm，錯(cuò)高約10-40 cm，剪出口發(fā)生明顯鼓脹及反翹剪出，該滑坡前緣具有推移式特征。

2.2 深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)斜管底部置于穩(wěn)定地層，該點(diǎn)作為水平位移為零點(diǎn)，各點(diǎn)累積位移即相對(duì)于孔底位移的累積值，根據(jù)測(cè)斜管測(cè)槽的方向，將位移分為X方向（主滑方向）位移和Y方向位移及合位移方向（X、Y方向的矢量和）。位移方向規(guī)定如下：滑移式深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，X方向?yàn)榇怪本€路方向，正方向指向坡體下方，為主滑方向，Y方向?yàn)槠叫芯€路走向，正方向指向起點(diǎn)方向，根據(jù)這兩個(gè)方向的位移可計(jì)算合位移方向的累積位移。根據(jù)X、Y、合位移方向位移，可推測(cè)滑動(dòng)面深度、位移大小及位移速率。根據(jù)深部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可得到各個(gè)深部位移監(jiān)測(cè)孔的累積位移位移—深度曲線圖。以2019-9-1作為初始日期，計(jì)算至2019-9-30本次監(jiān)測(cè)期間的各監(jiān)測(cè)孔各周期的累積位移，繪制累積深部位移-深度時(shí)間曲線圖如下。

2.3 深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)初期滑坡周界以內(nèi)監(jiān)測(cè)孔CX02由于坡體位移速度快，滑動(dòng)變形過大而在成孔后不久即相繼被破壞，CX02監(jiān)測(cè)孔于2019年9月5日開始深部位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)深部位移數(shù)據(jù)顯示在孔深15m位置發(fā)生位移突變，可推斷該處的滑動(dòng)面深度為15 m，至2019年9月10日，該孔X方向累積位移最大為131 mm，Y方向累積位移最大為68.19 mm，累積合位移量為147.7 mm，平均位移速度達(dá)24.3 mm/d。

圖4 CX02的U方向累積位移-深度曲線

2.4 結(jié)合地表巡視、深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果、地下水位監(jiān)測(cè)及現(xiàn)有地質(zhì)資料綜合分析

（1）滑坡機(jī)理：邊坡上部開挖，卸荷松動(dòng)，開挖的路塹邊坡向臨空面方向位移變形；邊坡開挖揭露到泥巖部位，泥巖暴露大氣后，強(qiáng)度易衰變，并且泥巖層面為外傾的順層面，開挖的路塹邊坡開始蠕滑并逐步發(fā)展為順泥巖層面的局部滑坡，前緣局部滑坡牽引上部坡體變形，形成更大滑坡；滑坡產(chǎn)生的巨大推力，推擠前部巖土體，在前面滑坡的前緣地帶形成推移式滑坡，滑坡由目前開挖的前部最低地面反翹剪出。前緣推移滑坡的滑動(dòng)，導(dǎo)致后緣原牽引淺滑坡前緣支撐急劇減弱，反過來加劇了后緣牽引滑坡。綜上所述，該滑坡首先為牽引式滑坡，而后對(duì)前緣形成推移式滑坡，之后牽引-推移相互推進(jìn)，造成滑坡的迅速發(fā)展。

（2）該邊坡的穩(wěn)定性極差，現(xiàn)狀滑坡仍處在快速的變形階段。

3 結(jié)束語

本文基于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、多傳感器監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，利用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸體系建立自動(dòng)化邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)邊坡變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)反映出變形部位，并推斷出滑動(dòng)面深度位置，確保了邊坡及周邊安全，實(shí)現(xiàn)了滑坡監(jiān)測(cè)的智能化管理。本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率，精度低的問題，有效提高了監(jiān)測(cè)效率，保障了監(jiān)測(cè)人員的人身財(cái)產(chǎn)安全，通過工程案例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠，信號(hào)穩(wěn)定，能夠有效指導(dǎo)工程施工及合理設(shè)計(jì)，達(dá)到資源充分合理利用。