智能監(jiān)控在邊坡工程中的應(yīng)用及處治方法研究

許康曦 楊美云

作者簡介：

許康曦（1989—），工程師，碩士，主要從事橋梁及市政工程相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作;

楊美云（1988—），工程師，主要從事橋梁工程設(shè)計工作。

為研究自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)在邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用效果，文章以河池三中邊坡工程監(jiān)測為例，采用自動化監(jiān)測手段對邊坡進行雨量監(jiān)測、表面裂縫監(jiān)測以及深部位移監(jiān)測，分析了邊坡的位移變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，并給出了兩種滑坡處治方案。分析結(jié)果表明：監(jiān)測系統(tǒng)的可行性較好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，完全可應(yīng)用于邊坡的變形監(jiān)測;河池三中滑坡位移受降雨影響波動較大，雨水滲流導(dǎo)致了土體強度下降，形成軟弱的滑動面層，位移變形主要發(fā)生在地表至地下深部8.0 m的水平方向上，垂直方向上的深部位移變化較小;根據(jù)滑坡體的工程地質(zhì)特性，提出兩種有效的綜合處治措施，可為同類型滑坡治理工程提供參考。

滑坡;GNSS監(jiān)測技術(shù);雨量監(jiān)測;深部位移監(jiān)測;處治方法

U416.1+4A120404

0 引言

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度地不斷加大，以邊坡滑塌為代表的地質(zhì)災(zāi)害已成為工程建設(shè)中不能忽視的重要環(huán)節(jié)，大規(guī)模的山體滑坡不僅會造成一定的經(jīng)濟損失和人員傷亡，也會帶來一系列社會影響。因此，有必要對滑坡開展監(jiān)測防治方面的研究工作[1-2]。

隨著科技的發(fā)展，地面攝影測量技術(shù)、GNSS自動化在線監(jiān)測技術(shù)、北斗云監(jiān)測技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測技術(shù)等一大批先進監(jiān)測技術(shù)逐漸取代以常規(guī)大地測量法為代表的傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術(shù)，解決了以往監(jiān)測技術(shù)存在的時效性差、操作力度大等缺點，提高了監(jiān)測效率和監(jiān)測精度[3-5]。趙鵬濤[6]等、李家春[7]等運用GNSS監(jiān)測技術(shù)對邊坡進行監(jiān)測，驗證了GNSS系統(tǒng)在邊坡監(jiān)測應(yīng)用中的可靠性與準(zhǔn)確性。喻小[8]等通過GNSS采集的實時位移，采用變形速率、加速度等參數(shù)指標(biāo)作為滑坡的穩(wěn)定性評價和預(yù)警預(yù)報依據(jù)，并成功運用于滑坡的治理防治。李奎良[9]等、崔春曉[10]等采用GNSS自動化監(jiān)測手段對邊坡進行變形監(jiān)測，取得了不錯的工程應(yīng)用效果，實現(xiàn)了自動化的數(shù)據(jù)監(jiān)測與管理。

大部分學(xué)者將GNSS監(jiān)測技術(shù)成功地運用于工程實踐當(dāng)中，表明GNSS監(jiān)測技術(shù)的可行性較高。本文以河池三中滑坡監(jiān)測為案例，采用邊坡自動化智能監(jiān)測技術(shù)對滑坡進行在線的實時雨量監(jiān)測、表面位移監(jiān)測以及深部位移監(jiān)測，并根據(jù)滑坡體的地質(zhì)特性，提出兩種綜合處治方案，研究成果可為同類型滑坡治理工程提供參考，對今后滑坡的處治研究具有重要意義。

1 自動化智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

如圖1所示，自動化智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心以及預(yù)警發(fā)布平臺等結(jié)構(gòu)組成。通過現(xiàn)場監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集，由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)傳輸至后臺監(jiān)測數(shù)據(jù)處理服務(wù)中心進行自動化分析處理，可以得到被監(jiān)測滑坡體的實時穩(wěn)定形態(tài)，同時對超出預(yù)警閥值的監(jiān)測部位能夠同步實現(xiàn)App推送報警、短信及郵件報警功能，方便監(jiān)測人員及時準(zhǔn)確地了解滑坡體的安全狀態(tài)。

2 工程實例

2.1 工程概況

河池市金城江區(qū)第三初級中學(xué)滑坡位于河池市金城江區(qū)九龍山南側(cè)斜坡上，該處為低山丘陵地貌，四周為巖溶峰叢、峰林地貌，周邊山頂標(biāo)高在251.3～452.1 m之間。滑坡體邊界范圍及滑坡區(qū)域建筑分布如圖2所示?；缕矫嫘螒B(tài)呈半圓狀，坡體相對高差約17.6 m，順坡向長約85 m，滑坡平均寬約84 m、厚度約8 m，主滑方向為193°，滑坡體體積約為5.7×104 m3，規(guī)模為小型?；潞缶壛芽p不明顯，滑體中部存在5處裂縫，其中張拉裂縫寬度為0.6～1.2 cm，可見深度約1.0 m，長度為2.1～39 m?；轮饕蓭r土體本身性質(zhì)及強降雨作用形成，滑坡坡腳、坡上存在人工切坡，滑坡體上地形起伏大，自然坡度為25°～30°，人工切坡坡度為70°～80°。在監(jiān)測過程中，教學(xué)區(qū)（升旗臺區(qū)域）陸續(xù)出現(xiàn)地面裂縫、墻體開裂、地面隆起、坡腳雨后冒水、綜合樓晃動等病害現(xiàn)象?；麦w危害等級劃分為一級。

2.2 監(jiān)測方案

2.2.1 監(jiān)測目的

本次監(jiān)測的目的主要有以下三個方面：（1）準(zhǔn)確測定該滑坡監(jiān)測網(wǎng)和監(jiān)測點的平面坐標(biāo)、高程及空間三維相對位移值，經(jīng)合理的數(shù)據(jù)處理提供監(jiān)測網(wǎng)和監(jiān)測點的水平位移、垂直位移等動態(tài)數(shù)據(jù)，為監(jiān)測體的安全態(tài)勢提供分析預(yù)報;（2）為防止穩(wěn)定區(qū)域朝蠕動變形發(fā)展甚至成為滑坡而提供數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合監(jiān)測場地建筑物的位移和變形發(fā)展趨勢，對滑坡體的時效特性進行監(jiān)測;（3）建立該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在施工前進行監(jiān)測及預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害的變形發(fā)展趨勢，可為地方有關(guān)部門在開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作時提供監(jiān)測資料。

2.2.2 監(jiān)測內(nèi)容

（1）雨量監(jiān)測

雨量是滑坡的重要觸發(fā)因素，及時、準(zhǔn)確掌握滑坡體周圍的雨量情況，能更加及時地提供預(yù)警預(yù)報。雨量變化采用北斗云智能雨量計進行監(jiān)測，布設(shè)1個雨量監(jiān)測點，編號為Y1。

（2）表面位移監(jiān)測

滑坡體或建筑物表面位移是滑坡形變的重要判斷指標(biāo)，能較為直觀地判斷滑坡的形變程度。表面位移采用北斗GNSS位移監(jiān)測一體機進行監(jiān)測，采用北斗云拉線式位移計實時監(jiān)測裂縫的相對位移變化，共布設(shè)有5個地表位移及沉降監(jiān)測點，編號分別為D1～D5。設(shè)有1個拉線式位移監(jiān)測點，編號為L1。

（3）深部位移監(jiān)測

該滑坡屬于推移式滑坡，深部滑動是引起地表變形的重要原因。監(jiān)測滑坡體深部的滑動面，可為滑坡處治方案的設(shè)計提供依據(jù)。深部位移采用北斗云測斜繩進行全自動監(jiān)測，設(shè)計監(jiān)測深度為地表至地下12 m，在深度方向每米設(shè)置一個監(jiān)測點，共設(shè)有2個深部位移監(jiān)測點，編號分別為S1、S2。

監(jiān)測點平面布置如下頁圖3所示。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1 雨量監(jiān)測結(jié)果分析

圖4為雨量監(jiān)測成果圖。分析圖4可知，在監(jiān)測過程中存在兩個連續(xù)降雨階段，即日期為20171227～20171230和20180101～20180104，兩個連續(xù)降雨階段只間隔1 d，最大降雨天數(shù)為4 d，最大降雨量達到10.8 mm/d，最小降雨量為1.4 mm/d，平均降雨量為1.63 mm/d。據(jù)氣象資料顯示，2017年3～11月，金城江區(qū)降雨量不大，累計最大月降雨量為6月的422.4 mm，歷年區(qū)內(nèi)平均降雨量為1 452.1 mm，最大降雨量達2 057.1 mm，最小降雨量為1 101.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 514.6 mm， 滑坡區(qū)的雨量較為充沛。降雨對滑坡的主要影響是經(jīng)地表滲入至地下而增加土體的自重，降低滑體的力學(xué)強度指標(biāo)，并在滑面形成地下潛流，破壞邊坡力學(xué)平衡。

2.3.2 表面位移監(jiān)測結(jié)果分析

圖5、圖6為監(jiān)測點D1～D5水平及垂直方向上的累計變化量成果圖，由于L1監(jiān)測點在監(jiān)測期間的相對位移均保持不變，這里不做詳細分析。分析圖5、圖6可知，D1處水平位移累計變化量要大于其他監(jiān)測點處的水平位移累計變化量，各監(jiān)測點處的水平位移相對于垂直位移在降雨前的波動變化不大，而在降雨后水平位移和垂直位移均出現(xiàn)不同程度的位移波動，且垂直方向上的位移波動相對較大，表明降雨對地表處的位移影響較大。據(jù)勘察資料顯示，滑坡體下存在地下水，雨水的滲入會使得地下水位升高，增加土體自重，降低土體強度，形成軟弱滑動面層，從而導(dǎo)致地表水平和垂直方向上的位移波動變化較大。

2.3.3 深部位移監(jiān)測結(jié)果分析

圖7、圖8為S1和S2在水平方向上的位移監(jiān)測成果圖。由于S1和S2監(jiān)測點在降雨期間沿垂直方向上的位移幾乎為0，因此這里不再贅述。分析圖7和圖8可知，在降雨期間，深部位移監(jiān)測顯示S1和S2沿水平方向上的位移量波動較大。20180103～20180104，S1監(jiān)測點在深度約為8.0 m處時位移量開始發(fā)生了突變，可推斷S1點處滑動面深度約為8.0 m，期間沿水平方向上最大累計位移增量為0.48 mm;同理，可推斷S2點處滑動面深度約為6.0 m，期間沿水平方向上最大累計位移增量為-0.41 mm。結(jié)合深部位移滑動變形以及開展監(jiān)測前滑體出現(xiàn)的張拉、剪切裂縫明顯增加的情況可知，滑坡正處于蠕動變形階段。

3 綜合處治方案

3.1 滑坡發(fā)展趨勢及危害性預(yù)測

監(jiān)測工作開展前不久，滑體前中上部出現(xiàn)張拉、剪切裂縫明顯增加的情況，說明滑坡處于蠕動變形階段。監(jiān)測期間滑坡雖未整體產(chǎn)生滑動，但考慮在今后雨水下滲、坡體地下水水位抬高、巖土體力學(xué)強度降低等綜合因素的進一步影響下，坡體很可能會產(chǎn)生規(guī)模較大的滑動，導(dǎo)致滑坡體上方建筑隨滑體下滑，影響人民的生命財產(chǎn)安全。因此，有必要對河池市金城江區(qū)第三初級中學(xué)滑坡采取工程處治措施。

3.2 滑坡地質(zhì)災(zāi)害處治方案

根據(jù)滑坡的地質(zhì)特點、穩(wěn)定性、剩余下滑力計算結(jié)果、地形條件以及滑體上建筑物分布狀況，提出如下兩種可行的綜合處治方案：

（1）錨索格構(gòu)梁+抗滑樁+重力式混凝土擋墻+排水措施+監(jiān)測措施

根據(jù)滑坡巖性及現(xiàn)狀、剩余推力值、施工條件，建議對教學(xué)樓后方邊坡采用錨索格構(gòu)梁加固，在教學(xué)樓前和綜合樓前采用抗滑圓樁加固，在操場與宿舍樓之間的擋墻前設(shè)一堵高6.0 m，上頂寬1.5 m，下邊寬2.0 m的鋼筋混凝土擋墻，并在場地內(nèi)建設(shè)系統(tǒng)的排水措施。根據(jù)邊坡的特點，開展邊坡地表位移變形、支擋結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化等長期監(jiān)測工作。

該方案的優(yōu)點在于對抗滑圓樁、擋墻工程進行封閉施工后，學(xué)?？稍谟邢迏^(qū)域內(nèi)恢復(fù)教學(xué)工作，治理周期較短，費用較低;不足之處在于施工過程中，可能對已有的建筑物地基造成損害。

（2）拆除滑體上建筑+削坡卸荷+錨索格構(gòu)梁防護加固+排水措施+監(jiān)測措施

根據(jù)河池市政府及教育部門的規(guī)劃，學(xué)校已不能滿足教學(xué)要求，采取異地重新建校，勘查區(qū)場地將作為棚戶區(qū)改造建設(shè)用地，拆除滑體上所有建筑，對滑坡進行削坡卸荷，然后在削坡形成的邊坡上進行錨索格構(gòu)梁防護加固，并在滑坡場地建設(shè)系統(tǒng)的排水措施，同時對坡體進行長期監(jiān)測。該方案的優(yōu)點在于可徹底消除滑坡威脅，但周期較長，同時因該場地未來建筑規(guī)劃尚未進行，無法準(zhǔn)確估算費用，初步預(yù)計費用可能將遠大于方案一，且建設(shè)風(fēng)險較高。

4 結(jié)語

通過采用自動化智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對河池三中滑坡進行雨量監(jiān)測、表面裂縫監(jiān)測以及深部位移監(jiān)測，分析了滑坡的位移變化規(guī)律，并針對滑坡的工程特性提出了兩種綜合處治方案，得到的結(jié)論如下：

（1）采用自動化智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能高效、準(zhǔn)確地對滑坡工程中監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行全天候自動采集，采集的數(shù)據(jù)精度符合規(guī)范要求，并可根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與預(yù)警閥值進行對比分析，做到智能化的預(yù)警預(yù)報，驗證了自動化智能監(jiān)測技術(shù)運用于工程中的可行性與準(zhǔn)確性。

（2）結(jié)合雨量監(jiān)測、表面裂縫監(jiān)測以及深部位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，河池三中的滑坡位移受降雨的影響波動較大，墻體表面裂縫在監(jiān)測期間的相對位移保持不變，沿垂直方向上的地表至地下12 m范圍處的位移變化幾乎為零，位移變形主要發(fā)生在水平方向上。

（3）根據(jù)河池三中滑坡的工程地質(zhì)特性以及滑體周圍建筑物的分布情況，提出了兩種綜合處治措施：①錨索格構(gòu)梁+抗滑樁+重力式混凝土擋墻+排水措施+監(jiān)測措施;②拆除滑體上建筑+削坡卸荷+錨索格構(gòu)梁防護加固+排水措施+監(jiān)測措施。

以上研究成果可為同類型滑坡監(jiān)測及處治工程提供可靠、有效的解決方案。

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