基于雷達(dá)監(jiān)測的道路邊坡降雨條件下穩(wěn)定性研究

郭宇明

(北京市公聯(lián)公路聯(lián)絡(luò)線有限責(zé)任公司，北京 100161)

0 引 言

目前對道路邊坡變形監(jiān)測手段主要有全站儀測量、GPS測量和攝影測量等，此測量方式不僅需要耗費大量的人力和物力，測量精度低，監(jiān)測區(qū)域覆蓋面積小，且難以實現(xiàn)全天候?qū)崟r監(jiān)測并預(yù)警?；谝陨喜蛔銍鴥?nèi)引進(jìn)并自主研發(fā)了高分辨率、高精度的邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，并已逐步推廣應(yīng)用于露天邊坡變形及山體滑坡的實時監(jiān)測預(yù)警工程中，成功預(yù)報多起滑坡險情，邊坡雷達(dá)的監(jiān)測工作為工程安全施工，正常運行提供了高效、可靠的保障。

降雨作為影響邊坡穩(wěn)定性的因素之一，尤其在雨季，短時間大量雨水的滲入，是引發(fā)邊坡滑坡的主要誘因。對于裂隙發(fā)育的破壞巖體，雨水的滲入使巖體結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物力學(xué)性質(zhì)弱化，造成裂隙擴(kuò)展、貫通并最終形成滑移面導(dǎo)致滑坡事故。論文基于邊坡雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，對某道路工程邊坡進(jìn)行長期實時動態(tài)監(jiān)控，結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤炅啃畔?，探討邊坡位移量與降雨的關(guān)系，建立降雨條件下邊坡失穩(wěn)模型，為工程預(yù)測、預(yù)報提供科學(xué)參考。

1 工程背景

邊坡高度約160 m，巖體節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在強降雨作用下高邊坡滑坡問題突出。邊坡所在地區(qū)年降雨量充沛，年平均降雨量約為1 200 mm，降雨主要集中與6～9月。邊坡雷達(dá)是一套用于露天邊坡穩(wěn)定性測量和監(jiān)測的設(shè)備，無須與監(jiān)測區(qū)巖壁發(fā)生任何接觸，即可沿整個巖壁表面以次毫米級精度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。并能實現(xiàn)快速預(yù)警，保障生產(chǎn)安全。監(jiān)測使用雷達(dá)為MSR300邊坡雷達(dá)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。邊坡雷達(dá)布置場地地基牢固且平整，與被監(jiān)測邊坡之間沒有明顯障礙物。雷達(dá)安置與右岸高程為850 m的穩(wěn)固平臺上，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min。

表1 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

2 邊坡變形與降雨關(guān)系分析

2.1 邊坡變形與降雨量的關(guān)系

為了研究降雨量與邊坡位移量的關(guān)系，位移與降雨量數(shù)據(jù)同步采集，月降雨量和月邊坡變形量統(tǒng)計分別如圖1和圖2所示，根據(jù)2012年～14年三年的統(tǒng)計結(jié)果分析，10月到來年的5月邊坡變形趨于穩(wěn)定，基本保持在10 mm以下，進(jìn)入6月以后，邊坡變形增加，7月份累計位移量達(dá)到峰值，三年中7月份邊坡變形均為最大，平均位移量超過40 mm。與相應(yīng)月份降雨量相比可得，邊坡變形與降雨量有較高的相關(guān)性。當(dāng)月降雨量小于100 mm，邊坡月累計位移基本維持在10 mm左右，邊坡保持相對穩(wěn)定。降雨量開始增加，邊坡位移也隨之增加，在每年7月達(dá)到最大。

圖1 月累計降雨量

圖2 月累計位移量

2.2 邊坡失穩(wěn)與降雨強度的關(guān)系

降雨強度以單位時間內(nèi)的降雨量(mm/min)表示，邊坡失穩(wěn)滑坡災(zāi)害與降雨強度密不可分，降雨強度對邊坡穩(wěn)定性的影響程度通常超過月累計降雨量。我國對降雨強度分為6個等級，對左岸邊坡監(jiān)測過程中發(fā)生過多次表面破壞巖石滑落現(xiàn)象，針對其中一次較大的滑坡實例(2014年7月22日)，選取滑坡日期前后一周的邊坡位移量數(shù)據(jù)及降水量進(jìn)行分析。滑坡區(qū)域巖體累計變形量與降雨強度的關(guān)系曲線如圖3所示。降雨強度以天為計量單位，共15 d。邊坡累計變形量及變形速度以小時為單位，共采集180個數(shù)據(jù)。

圖3 滑坡區(qū)域邊坡累計邊坡位移量-時間-降雨強度關(guān)系

月中旬邊坡累計變形量10.2 mm，之后2 d降雨量均小于10 mm/d，屬小雨等級，邊坡累計變形量較穩(wěn)定，增加至12.4 mm，邊坡處于穩(wěn)定階段，如圖3所示。隨后降雨量增加至中雨級別，由于降雨強度低，沒有引起邊坡變形大幅度增加，但隨著累計降雨量達(dá)到58 mm，，邊坡累計變形量在隨后3 d增加至23 mm。第6 d時降雨強度突增至46 mm/d，屬大雨級別，邊坡累計變形量也隨后發(fā)生較大幅度增加，發(fā)生滑坡當(dāng)天降雨強度為暴雨級別，降雨量超過100 mm，按降雨強度等級劃分為暴雨-大暴雨級別，邊坡累計變形量突增至39 mm，降雨強度減弱后，發(fā)生區(qū)域性滑坡事故，邊坡滑坡相對于降雨具有一定的時間滯后性。之后幾天中，降雨強度減弱，累計降雨量仍再增加，由于滑坡后巖體應(yīng)力得到部分釋放， 內(nèi)部較為完整巖體暴露，其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于已發(fā)生滑坡的巖體，邊坡累計變形量趨于穩(wěn)定。短時間內(nèi)，降雨量的緩慢增加對新暴露的巖體穩(wěn)定性影響較小。

降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要和主要因素，其中累計降雨量和降雨強度均對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，累計降雨量對巖體力學(xué)性質(zhì)弱化作用是個緩慢的過程，在外荷載或強降雨激勵下引發(fā)滑坡事故。降雨強度是引發(fā)滑坡的直接因素，短時間內(nèi)大量水進(jìn)入巖體，不僅加速巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化，而且作為一種外荷載施加于邊坡巖體，導(dǎo)致其突然失穩(wěn)破壞。因此在強降雨季節(jié)加強邊坡監(jiān)測工作。

3 結(jié) 論

(1)邊坡雷達(dá)在邊坡監(jiān)測過程中獲取大量實時變形數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確、及時的反映邊坡巖體在不同外荷載擾動作用下的變形過程，全天候、高精度的連續(xù)測量為邊坡災(zāi)害預(yù)警及防護(hù)工作提供有效數(shù)據(jù)支持。

(2)降雨是引發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要和主要因素，結(jié)合雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到該道路工程邊坡累計變形量與降雨量呈線性關(guān)系，可根據(jù)線性擬合函數(shù)對降雨過程中的邊坡累計位移量進(jìn)行計算，為邊坡安全防護(hù)工作提供依據(jù)，為類似工程邊坡的監(jiān)測提供科學(xué)參考。

(3)強降雨是引發(fā)滑坡事故的直接因素，短時間內(nèi)大量水進(jìn)入巖體，不僅加速巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化，而且作為一種外荷載施加于邊坡巖體，導(dǎo)致其失穩(wěn)破壞，可依據(jù)降雨量和降雨強度條件結(jié)合邊坡變形量數(shù)據(jù)建立邊坡監(jiān)測的多級預(yù)警值，以完善滑坡預(yù)測和預(yù)報工作。