沉降傾角綜合測量儀在邊坡自動化監(jiān)測中的應用

陳建峰，劉哲寧

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

1 研究背景

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法主要是人工采集數(shù)據(jù)和巡邏，工作量大，效率低，人為誤差不確定，不能夠獲得連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，而且在地震、暴雨等滑坡易發(fā)條件下，組織現(xiàn)場監(jiān)測工作可能對工作人員的生命造成嚴重威脅[1-2]。隨著網(wǎng)絡技術和自動化監(jiān)測儀器的發(fā)展，邊坡監(jiān)測技術開始向自動化和遠程監(jiān)測的方向發(fā)展[2-4]。邊坡監(jiān)測的主要內(nèi)容包括變形監(jiān)測、應力應變監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測。變形監(jiān)測的內(nèi)容有表面變形、深部變形和支護結構的變形，相應的監(jiān)測儀器主要有沉降儀、測斜儀、位移計、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、全站儀、三維激光掃描、無人機系統(tǒng)、干涉孔徑雷達(InSAR)、裂縫計等。應力應變監(jiān)測的內(nèi)容有支護結構的內(nèi)力和應變、土壓力和孔隙水壓力，相應的監(jiān)測儀器主要有應力計、應變片、土壓力盒、孔隙水壓計等。環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)容有溫度、雨量和地震，相應的監(jiān)測儀器主要有溫度傳感器、雨量計、地震監(jiān)測儀等。在對邊坡進行自動化監(jiān)測時，可以根據(jù)實際情況選擇一至多項監(jiān)測內(nèi)容，并選擇相應的監(jiān)測儀器進行監(jiān)測。

何滿潮[5]基于監(jiān)控錨索預緊力和滑體滑動力的關系開發(fā)了滑坡遠程監(jiān)測預報系統(tǒng)，成功預警了2處滑坡災害。許強等[6]應用自主研發(fā)的自適應裂縫計，先后6次成功預警了黑方臺地區(qū)的黃土滑坡。白潔等[7]應用GNSS和自適應裂縫計成功預警了貴州省興義市馬嶺鎮(zhèn)龍井村興—馬大道旁的一處山體順層滑坡災害。陳賀等[8]應用陣列式位移計成功預警了云南紅河州蠻耗至金平二級公路路塹邊坡的滑坡事故。Wang等[9]應用傾角儀成功預警了三峽地區(qū)和日本九州公路的滑坡災害。范宣梅等[10]采用GNSS、裂縫計、雨量計和測斜儀成功預警了貴州省的大型巖體滑坡災害。陶志剛等[11]研發(fā)了一種高恒阻滑坡監(jiān)測錨索，成功對本溪露天礦山的滑坡全過程進行了監(jiān)測預警。

本文采用一種新型的沉降傾角綜合測量儀對某一高速公路路塹高邊坡進行自動化監(jiān)測，并成功預警了該邊坡的滑坡災害。

2 沉降傾角綜合測量儀

TH-STC型沉降傾角綜合測量儀由上海同禾工程科技股份有限公司研制，其由壓差式沉降儀和傾角儀復合構成，如圖1所示。

圖1 TH-STC型沉降傾角綜合測量儀Fig.1 TH-STC type comprehensive measuring instrument for settlement and dip angle

壓差式沉降儀采用連通器原理，所有測點通過專用液體管道與液體容器連通，如圖2所示。當某個測點的高程發(fā)生變化時，對應沉降儀內(nèi)置的高精度壓力傳感器就能記錄到液體靜壓強的變化，由此根據(jù)式(1)即可得到各測點相對基準點的高差，連續(xù)觀測可獲得各測點的沉降。

圖2 壓差式沉降儀工作原理Fig.2 Working principle diagram of differential pressure settlement instrument

(1)

式中：Pi為測點i的液體靜壓強；ρ為液體的密度；g為當?shù)刂亓铀俣?；Δhi為測點i的壓力傳感器感壓面至液體容器液面的高度；h0為基準傳感器感壓面至液體容器液面的高度。

由于液體密度隨外界溫度發(fā)生變化，故傳統(tǒng)壓差式沉降儀的壓差會隨溫度產(chǎn)生波動。為消除溫度對液體密度的影響，上海同禾工程科技股份有限公司在實驗室測定了用于TH-STC型沉降儀的60%乙二醇水溶液(防凍液)密度-溫度關系曲線(見圖3)，然后通過沉降儀內(nèi)置的溫度傳感器對壓差進行自動修正。

圖3 60%乙二醇水溶液密度-溫度關系曲線Fig.3 Density-temperature curve of 60% ethylene glycol aqueous solution

TH-STC型沉降傾角綜合測量儀內(nèi)的傾角傳感器采用“氣體擺”式慣性元件，其由密封腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜時，熱線的阻值發(fā)生變化，可以通過測讀阻值的變化量換算出傾角[12]。

表1列出了TH-STC沉降傾角綜合測量儀技術參數(shù)。

表1 TH-STC沉降傾角綜合測量儀技術參數(shù)Table 1 Technical parameter of TH-STC type compre- hensive measuring instrument for settlement and dip angle

3 工程應用

3.1 工程概況

某高速公路路塹高邊坡最大挖方高度49.8 m，該處地形較起伏，植被發(fā)育，坡面種植有茶樹。邊坡表面分布含碎石粉質(zhì)黏土覆蓋層，厚度1～2 m，棕黃色，中密狀。下伏基巖為強風化和中風化的砂巖與石英砂巖。強風化砂巖呈灰黃色，堅硬，裂隙發(fā)育且裂隙面內(nèi)多見鐵錳等礦物，巖心基本呈碎石、碎塊狀，含少量中等風化碎塊；中風化砂巖呈淺灰黃色，較硬，裂隙較發(fā)育，巖心呈碎塊狀。另外，邊坡所在地區(qū)過去5 a年均降雨量超過1 000 mm。

邊坡分為5級，自上而下第一至第四級邊坡坡率均為1∶1，第五級邊坡坡率為1∶1.25。除第一級邊坡外，第二至第五級邊坡高度均為10.0 m，各級平臺寬2.0 m，采用錨桿框格梁護坡。

3.2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

本監(jiān)測工作建立的滑坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)一方面可以實現(xiàn)沉降傾角數(shù)據(jù)的自動采集存儲，另一方面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時遠距離傳輸和分析等功能?；伦詣踊O(jiān)測系統(tǒng)自下而上由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)管理層組成，如圖4所示。

圖4 滑坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成結構Fig.4 Composition and structure of automatic monitoring system for landslide

數(shù)據(jù)采集層主要由現(xiàn)場測點及輔助的連接裝置組成。測點儀器采用的是TH-STC型沉降傾角綜合測量儀，基準點采用的是恒液位系統(tǒng)的基準點，量程和精度能夠滿足工程要求。測點的最大數(shù)據(jù)采集頻率為1 s/次，正常情況下按照系統(tǒng)默認的數(shù)據(jù)采集頻率1 h/次進行監(jiān)測。當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到報警值或監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大、變化速率加快時，數(shù)據(jù)采集頻率相應提高。

數(shù)據(jù)傳輸層由數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)和傳輸導線組成。數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)負責管理本地測點網(wǎng)絡和傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)與測點間通過傳輸導線進行連接，能將采集的數(shù)據(jù)實時保存在本地；系統(tǒng)與遠程數(shù)據(jù)管理平臺間通過移動網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，使用內(nèi)置的3/4G通訊模塊進行通訊，且支持方便、靈活的智能斷點續(xù)傳。此外，數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)具有不銹鋼外殼和IP67的防水等級，有較高的防護能力。

為確保供電的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)配備一套太陽能供電系統(tǒng)和一個備用膠體蓄電池?？紤]到監(jiān)測區(qū)域位于山區(qū)，雷電頻繁，電子設備極易遭受雷擊，不僅對系統(tǒng)造成嚴重威脅，也對測量精度有一定的影響，因此數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)布設防雷裝置，現(xiàn)場電子設備加裝防雷模塊。

數(shù)據(jù)管理層為定制開發(fā)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺，布設于遠程服務器上，工程管理人員可跨應用、跨系統(tǒng)地使用瀏覽器查閱監(jiān)測設備分布情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)等。平臺整合了地理信息系統(tǒng)(GIS)視圖功能，可以直觀顯示邊坡的地理位置和監(jiān)測設備分布情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)可實時更新，能自動生成日報、周報、月報等電子報表，并且支持導出為Excel、Word，方便回溯分析。平臺從高到低分為6個角色權限，系統(tǒng)管理員可以進行權限分級調(diào)整。

另外，平臺具有自動報警功能，且建立了監(jiān)測工作Ⅲ級預警措施，當現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)達到預設報警值的60%(Ⅰ 級)、80%(Ⅱ 級)、100%(Ⅲ 級)時，平臺可自動以短信、微信、郵件的形式通知相關單位和人員。

本滑坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信技術進行組網(wǎng)傳輸，是區(qū)域規(guī)模化、綜合集成化的信息處理網(wǎng)絡。該系統(tǒng)不受氣候和復雜地形、地質(zhì)條件影響，且精度高、易安裝、使用人性化、防護程度高、成本低，適用于邊坡大面積監(jiān)測預警。

3.3 擬布置的測點與安裝

本項目測點分成若干測線進行布置，測線沿等高線布設于每級邊坡的臺階上，相鄰測線高差約10 m，并在坡頂位置適當增設測線。每條測線各布置一個基準點，測點按照約20～25 m的水平間距布置于測線上。

該邊坡計劃布設6條測線，共計6個基準點、27個測點，如圖5所示。

圖5 邊坡測點布置Fig.5 Planned layout of slope measuring points

按以下10個步驟安裝測點：

(1)確定測線。在邊坡上沿等高線確定測線，測線應穿越穩(wěn)定區(qū)域與風險區(qū)域。

(2)開挖溝槽。溝槽分為測點安裝槽和線槽，線槽開挖深度300 mm，寬度100 mm，開挖完成后底部鋪設細砂；測點安裝槽表面呈正方形，寬度300 mm，深度800 mm。

(3)澆筑混凝土及安裝底座。測點安裝槽開挖完成后底部500 mm需澆筑C20細石混凝土，澆筑的同時將測點安裝底座預埋于混凝土墩內(nèi)。同一條測線上安裝底座的頂面標高應基本處于同一高程，誤差≤10 mm。

(4)安裝測點。測點用螺絲固定于預埋安裝底座上，并用測點上的調(diào)平螺絲調(diào)平，確保水準氣泡居中。

(5)安裝基準點?；鶞庶c安裝于穩(wěn)定基巖上，用膨脹螺絲固定。

(6)安裝管線。測點與基準點間用水管、氣管與電纜相連，管線外套DN25PVC管進行保護，并沿著開挖的線槽進行鋪設?？紤]到邊坡可能出現(xiàn)滑動，每個測點旁的管線均預留50 cm長度，防止邊坡很小的滑動就將管線和測點損壞。

(7)注水排氣。在水管中注入60%乙二醇水溶液，排出管內(nèi)的氣體。

(8)安裝數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)安裝于穩(wěn)定基巖上，安裝完成后進行系統(tǒng)調(diào)試。

(9)系統(tǒng)保護。系統(tǒng)調(diào)試完成后，用細砂回填溝槽，并在測點外噴涂一層發(fā)泡材料和加裝鐵質(zhì)保護殼，起到保溫和保護作用，回填完成后在邊坡設立警示標志。

(10)數(shù)據(jù)管理平臺安裝及調(diào)試?，F(xiàn)場測點及數(shù)據(jù)采集遠傳系統(tǒng)安裝完成后，在遠程服務器上安裝數(shù)據(jù)管理平臺，并進行平臺調(diào)試，觀察是否有異常情況。

3.4 監(jiān)測結果及分析

本監(jiān)測中邊坡的預警主要根據(jù)以下3個變化進行綜合評判：累計沉降>50 mm，沉降速率>3 mm/d；多測點發(fā)生傾角異常變化；沉降速率未出現(xiàn)收斂趨勢。當出現(xiàn)其中1個或幾個變化時，自動化監(jiān)測系統(tǒng)報警，提示監(jiān)測人員核實并采取應對措施。

測點的安裝是從坡頂?shù)狡碌追峙M行的，由于邊坡滑坡發(fā)生得很突然，故在滑坡發(fā)生前僅有測線1和測線2的測點記錄到了數(shù)據(jù)。邊坡的沉降、傾角監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，其中X方向角度為俯仰角，Y方向角度為橫滾角。由圖6可知，從2017年11月30日監(jiān)測開始至2018年1月2日，邊坡的沉降和傾角數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，日均沉降不足1 mm，傾角變化率<0.1°/d，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。2018年1月2日起，邊坡所在地出現(xiàn)連續(xù)降雨天氣，期間還伴隨有霜凍天氣，測點2-1首先監(jiān)測到邊坡沉降速率開始變大，監(jiān)測平臺發(fā)出了沉降速率超限報警。2018年1月2日至1月10日，沉降速率超限的測點數(shù)不斷增加，系統(tǒng)均發(fā)出了沉降速率超限報警，到1月11日凌晨，除測點1-1外，其余測點沉降速率均達到了10～20 mm/d。2018年1月11日8時，測點1-2和測點2-1累計沉降均超過了50 mm報警值，且測線1和測線2上的測點均出現(xiàn)了X、Y方向角度的異常變化，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)邊坡右側截水溝出現(xiàn)裂縫、框格梁下方脫空等滑坡前兆現(xiàn)象，判斷邊坡處于加速下滑狀態(tài)。此時系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率提高至2 min/次，并通知施工單位及業(yè)主邊坡隨時可能滑塌，要求進行坡腳圍擋并禁止人員車輛進入。

圖6 測線1和測線2測點沉降、X方向角度、 Y方向角度變化Fig.6 Changes in settlement, X-direction angle and Y- direction angle of measuring points along line 1 and line 2

2018年1月11日17時開始沉降速率再次變大，測點1-2和測點2-1沉降速率達到了100 mm/d，23時更是達到了100 mm/h。1月12日00時04分，管理平臺數(shù)據(jù)中斷，分析認為是滑坡的發(fā)生導致信號傳輸線纜被拉斷。1月12日早前往現(xiàn)場巡查，發(fā)現(xiàn)滑坡已經(jīng)發(fā)生，自動監(jiān)測系統(tǒng)已被損壞，如圖7所示。

圖7 滑坡情況Fig.7 Landslide’s situation

4 結 論

邊坡自動化監(jiān)測技術省時、省力，且能實時和全天候工作，是今后邊坡監(jiān)測的發(fā)展方向。目前國內(nèi)外已有不少案例闡述了多種類型的邊坡自動化監(jiān)測技術及其應用。本文介紹了一種僅采用沉降傾角綜合測量儀的邊坡自動化監(jiān)測技術，將其應用于某高速公路路塹高邊坡的監(jiān)測，提前16 h成功預警了滑坡災害。沉降傾角綜合測量儀精度很高且價格相對低廉，既可以監(jiān)測地表面沉降，又可以監(jiān)測地表面傾斜，能適用于各種類型的邊坡監(jiān)測，值得在今后邊坡自動化監(jiān)測中推廣應用。

沉降傾角綜合測量儀不能監(jiān)測坡體內(nèi)的變形，因此其不能直接確定滑動面的位置和及時準確地預估滑坡規(guī)模，在特定情況下需要結合其他監(jiān)測手段進行邊坡自動化監(jiān)測。