邊坡變形監(jiān)測研究與分析

徐 彤

（吉林省高速公路集團有限公司，吉林 長春 130000）

1 背景介紹

目前，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，技術(shù)水平也在不斷提高。在建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重大工程結(jié)構(gòu)過程中，堅持建設(shè)的同時還需要去適應(yīng)自然環(huán)境的復(fù)雜和多變。在未來的一段時間里，中國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍將處于快速發(fā)展時期，很多基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性和我們每個人都是設(shè)施息息相關(guān)的。一些不可預(yù)料的自然災(zāi)害、人為破壞或是設(shè)施結(jié)構(gòu)自身存在的性能問題，經(jīng)常會造成一些交通安全的突發(fā)事件。一旦造成了基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的破壞，不僅會在經(jīng)濟上造成嚴重損失，甚至人民的生命財產(chǎn)安全也會受到一定程度的威脅。因此對基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)的監(jiān)控和監(jiān)測也是國內(nèi)外研究的重點之一。

1.1 研究目的

利用邊坡整體變形趨勢監(jiān)測技術(shù)分析得到的高精準高質(zhì)量的趨勢檢測分析結(jié)果，可以有效地對整個邊坡的整體變形發(fā)展情況進行準確及時掌握。此外，可以通過邊坡變形趨勢預(yù)測系統(tǒng)模型進行分析，還可以對整個邊坡的整體變形發(fā)展趨勢情況加以及時預(yù)測和準確掌握。

1.2 邊坡變形監(jiān)測現(xiàn)狀

目前，我國已研制開發(fā)了較為完善的大型智能公路邊坡動態(tài)監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)。這些監(jiān)控系統(tǒng)主要包括智能溫度傳感器、智能有線數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳送控制模塊和供電控制系統(tǒng)等配套設(shè)備，為用戶提供一個完整的智能監(jiān)測解決方案，可以實時顯示公路邊坡的變形情況。

2 邊坡工程監(jiān)測基本理論

2.1 邊坡概述

邊坡包括天然和人工兩種邊坡。天然邊坡指在一定地質(zhì)條件下，自然形成的河谷型岸坡、海岸坡地、大型山坡地和陡坡。人工邊坡指基于人類活動造成的不同規(guī)模、陡度的邊坡。

2.2 邊坡變形破壞的基本類型

邊坡坡體變形。這是指巖塊坡面巖體中的局部巖塊發(fā)生邊坡位移和微小的破裂，底部坡度變化輕微，無明顯巖塊剪切面的位移或坡體滾動，因此不會引起巖塊整體邊坡失穩(wěn)。邊坡位移破壞。因邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生移動，隨之造成的破壞。常見的邊坡變形破壞類型包括：松弛張裂、蠕動變形、崩塌和滑坡等。

2.2.1 松弛張裂

邊坡在挖開后，坡體的表面部分會呈現(xiàn)一些和坡體方向一致或者反向的裂隙，巖體被縫隙斜向切割使之松動并產(chǎn)生一定的位移，這一過程和現(xiàn)象稱為松弛張裂。

2.2.2 蠕動變形

蠕變是指邊坡巖石土體主要在重力作用下發(fā)生持久且平緩的塑性變形現(xiàn)象，有表層和深層兩種蠕變種類。

2.2.3 崩塌

崩塌是一種指地質(zhì)邊坡上部分的巖體被陡峭的地質(zhì)裂隙不斷切割，在巨大重力運動作用下高速斷裂脫離于地母巖，快速巖體退化的現(xiàn)象。

2.2.4 滑坡

滑坡是指邊坡的部分巖體以特定的加速度沿某一滑動面發(fā)生的剪切滑動現(xiàn)象。

2.3 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

內(nèi)因：地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體性質(zhì)、巖土結(jié)構(gòu)和初始應(yīng)力。外因：洪水作用、巖石風化、工程荷載條件及人工開挖等。

2.4 邊坡工程監(jiān)測的作用

邊坡工程的檢測涉及我國多種建設(shè)領(lǐng)域，邊坡工程監(jiān)測的作用如下：及時追蹤邊坡巖石內(nèi)部實際情況，為施工者和監(jiān)理提供實際有力數(shù)據(jù)，合理施工設(shè)計，調(diào)整有關(guān)的施工方案，在施工時依據(jù)提供的資料保證邊坡穩(wěn)定，盡可能地避免塌方和滑坡發(fā)生，在信息化建設(shè)時代獲得最好的經(jīng)濟利益；通過監(jiān)測，預(yù)測可能出現(xiàn)位移和變形趨勢的位置；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對已發(fā)生崩塌滑坡的區(qū)域在后期進行加固。因此，監(jiān)測不僅是對崩塌和滑坡的調(diào)查研究，也是崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時防治的重要依據(jù)。監(jiān)測后獲得的信息可以為相關(guān)部門提供有力的解決方案。由于巖土的特性不同，有些數(shù)據(jù)不能通過實驗直接獲得，通過實際監(jiān)測可以為位移反分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.5 邊坡監(jiān)測的目的

（1）能夠及時判斷邊坡滑動趨勢的范圍，觀察邊坡是否有坍塌的可能性。（2）監(jiān)測邊坡修復(fù)及修復(fù)效果是否符合標準要求。（3）為新邊坡的施工和舊邊坡的修復(fù)提供有效可靠的信息，從而改進施工設(shè)計方案，提高施工的效率。（4）記錄邊坡的數(shù)據(jù)，當邊坡發(fā)生滑坡時可以根據(jù)專業(yè)力學理論，及時找到有效的處理措施。

2.6 邊坡監(jiān)測的特點

由于巖土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜多變，需要在整個施工過程中實時觀測邊坡。由于監(jiān)測和觀測范圍較廣，所以隨著邊坡的形成，要時刻注意改變監(jiān)測點的位置。邊坡變形的發(fā)展有著不同階段，且不同階段的特征也不盡相同。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)邊坡變形的發(fā)展不會停止，主要具有速率大小不相同、間歇性和連續(xù)性的特點。不同時間段的變形速率差距較大，就是說從變形時間曲線得到的斜率值較大。數(shù)值曲線中有幾個平緩的部分，表現(xiàn)出變形的間歇性特征。

3 邊坡變形監(jiān)測的內(nèi)容和方法

3.1 邊坡監(jiān)測的內(nèi)容

在邊坡監(jiān)測實施中，安全監(jiān)測主要是施工安全監(jiān)測和處理效果監(jiān)測，施工安全監(jiān)測是對邊坡、應(yīng)力和地下水的位置進行監(jiān)測，是指導(dǎo)施工、反饋設(shè)計的一個重要基礎(chǔ)[1]，是信息化建設(shè)工程的重要組成部分，施工安全監(jiān)測是一種實時檢測方式，可以實時掌握工程施工對邊坡產(chǎn)生的影響，從而指導(dǎo)施工，若出現(xiàn)較大影響，則對施工方式進行及時調(diào)整。

邊坡治理效果監(jiān)測是對治理成果的監(jiān)測，同時它也是判定邊坡治理成果穩(wěn)定性的一個重要手段。這種監(jiān)測不但可以掌握邊坡破壞的特點，還可以監(jiān)測預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁的變形和排水系統(tǒng)過流性等，從而對整個工程實施的效果進行一個直接的監(jiān)測，同時將長期監(jiān)測與施工安全結(jié)合起來，用來了解施工后邊坡變形的特征[2]，為項目的竣工驗收提供了科學基礎(chǔ)，邊坡治理效果的監(jiān)測通常不少于1 a，數(shù)據(jù)的采集間隔時間通常為70 d左右。當外部擾動比較大的時候，如暴雨等觀測數(shù)據(jù)可以進行加密。

在防治完成后對邊坡進行長期的動態(tài)跟蹤，從而觀測它的穩(wěn)定性或者變化的特點。監(jiān)測的內(nèi)容主要有滑動帶深度移位監(jiān)測，地下水位和變形地面監(jiān)測等。

3.2 邊坡監(jiān)測的方法

3.2.1 地表大地變形監(jiān)測

地面形變監(jiān)測是地表大地變形邊坡監(jiān)測中的一個常用方法；地表位移監(jiān)測是在穩(wěn)定斷面上的一個常用測量標準（參考點）[3]，在被測斷面上設(shè)置若干監(jiān)測點（觀測樁）或帶傳感器的監(jiān)測點，通過儀器定期監(jiān)測觀測點和考察點的位移變化情況。

3.2.2 邊坡表面裂縫監(jiān)測

邊坡表面拉伸裂縫的出現(xiàn)通常是邊坡巖土即將失穩(wěn)的征兆信號，因此一旦邊坡發(fā)生裂縫，就必須對其進行監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括兩端擴展速率和裂縫擴張速率，如果速率突然升高或者裂口外部巖土松動產(chǎn)生位移，則意味邊坡已經(jīng)被破壞失衡。表面裂紋的位錯監(jiān)測可以用位錯計或千分卡直接測量，適用于小范圍和簡單坡度。

3.2.3 邊坡深部位移監(jiān)測

深坡位移監(jiān)測是邊坡全面變形監(jiān)測的重要形式，它可以指導(dǎo)邊坡的治理，同時也可以對防治的效果進行檢驗。傳統(tǒng)地面測量和裂縫監(jiān)測都存在著不可克服的缺點，那就是邊坡巖土中的蠕變沒有辦法進行測量，因此沒有辦法預(yù)測滑動控制面的變化。但深部位移監(jiān)測則可以實現(xiàn)這一需求。

邊坡巖內(nèi)部的位移監(jiān)測有很多方法。目前，鉆孔引伸儀和鉆孔測斜器在我國得到了廣泛的應(yīng)用，鉆孔引伸儀是一種較為傳統(tǒng)的用來測量巖石體沿著鉆孔橫向及縱向移動的設(shè)備，用于大位移滑體的監(jiān)測[4]。這類檢測儀器性能穩(wěn)定，但鉆入較深時安裝困難，孔內(nèi)較復(fù)雜，最大的缺點是對于滑動面無法進行十分精確的定位。

3.2.4 邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測

邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測可測量滑帶承載力、抗滑力等。通過壓力箱可以了解坡體向支擋傳遞的壓力大小。壓力箱根據(jù)試驗原理可分為兩種：液壓式和電子式。液壓式結(jié)構(gòu)簡潔可靠，現(xiàn)場直讀，使用方便；電子式的優(yōu)勢是測量精確度高，可以遠距離觀察。

3.2.5 巖石邊坡地應(yīng)力監(jiān)測

邊坡地應(yīng)力監(jiān)測主要適用于大型邊坡工程，主要是在工程進行中對邊坡應(yīng)力或地應(yīng)力進行監(jiān)測工作[5]。地應(yīng)力監(jiān)測包括絕對應(yīng)力測量和地應(yīng)力變化監(jiān)測。邊坡開挖前、中、后均應(yīng)進行一次應(yīng)力的測量，用來了解3個不同斷面的地應(yīng)力場，采用的方法為深孔卸壓法，地應(yīng)力變化監(jiān)測是在開挖前，利用原有的地質(zhì)勘探平洞埋設(shè)應(yīng)力監(jiān)測儀器，了解整個開挖過程中地應(yīng)力變化的全過程[6]。

4 邊坡監(jiān)測的技術(shù)設(shè)計

4.1 設(shè)計前準備

邊坡監(jiān)測技術(shù)包括：項目概況了解，監(jiān)測內(nèi)容確定，監(jiān)測點布置，監(jiān)測儀器儀表的選擇，監(jiān)測方法和精確度的定義，監(jiān)測頻率和時間確定，預(yù)警值與報警系統(tǒng)制定等多個方面。技術(shù)設(shè)計之前，應(yīng)該做好下列幾個方面：（1）通過個人接觸或者參加會議，與設(shè)計單位、施工單位和監(jiān)理單位進行探討和協(xié)調(diào)，參考他們的意見。（2）及時搜集與工程邊坡建設(shè)有關(guān)的信息，邊坡建筑工程建設(shè)主體組織結(jié)構(gòu)設(shè)計、邊坡建筑工程高層建筑主體組織結(jié)構(gòu)設(shè)計等，并積極組織相關(guān)技術(shù)人員對問題進行調(diào)查分析、研究。（3）進行實地勘察，了解邊坡地形和山體的土壤結(jié)構(gòu)特征，分析監(jiān)測可能發(fā)生坍塌的大型危巖山體位置，邊坡山體滑動坡度方向，考慮實地監(jiān)測點合理布置，根據(jù)所實施涉及的實地監(jiān)測任務(wù)來確定實地監(jiān)察實施方法。

4.2 監(jiān)測內(nèi)容和方法的確定

監(jiān)測的內(nèi)容主要取決于設(shè)計要求、地質(zhì)條件、規(guī)模和管理部門的要求等。通過對邊坡地質(zhì)情況和工程的深入了解，初步確定邊坡變形的范圍、方向和深度，確定監(jiān)測內(nèi)容。然后根據(jù)地形、地質(zhì)條件和監(jiān)測環(huán)境，確定監(jiān)測方法和監(jiān)測儀器。一般來說，高精度儀器適用于監(jiān)測變形較小的邊坡。對于正在形成的滑坡，處于快速變化和即將滑動的狀態(tài)，可以根據(jù)具體情況適當放寬儀器的精度。

4.3 外部變形監(jiān)測點的布設(shè)

在設(shè)置監(jiān)測點之前，必須明確邊坡產(chǎn)生位移的范圍與方向。之后根據(jù)位移方向和范圍確定測線的位置，最后在測線上確定主要的觀測點[7]。測線可采用交叉十字形布設(shè)、放射狀布設(shè)和網(wǎng)格布設(shè)[8]。十字形布設(shè)，主要適用于變形范圍和滑動方向確定的邊坡。在垂直于滑動方向的方向布置若干條測線，沿測線布置監(jiān)測點?；鲁蕩顣r也可沿測線布設(shè)測站和觀測點視測線等，可據(jù)此進行監(jiān)測。放射狀布設(shè)，適用于變形范圍和滑動方向不明顯的邊坡，從兩個測站呈放射狀布置，交角為30~150°，兩條測線的交點為監(jiān)測點。這種布局方式更適合面積小、視野廣的斜坡。網(wǎng)格布設(shè)，適用于大面積邊坡變形監(jiān)測，布設(shè)方法與放射狀布設(shè)相同，但需適當增加測站和觀測點。

4.4 變形監(jiān)測周期和頻率的確定

不同的邊坡工程由于邊坡規(guī)模、類別、所處時期和變形速率的不同，監(jiān)測周期與頻度設(shè)置也不相同[9]。在施工初期和大規(guī)模爆破階段，一般主要對巖質(zhì)邊坡進行爆破振動監(jiān)測，在完成爆破后，以地下位移和地表監(jiān)測為主，早期測量一般每天監(jiān)測1次或每兩天監(jiān)測1次，施工期間每3~7 d監(jiān)測1次[7]。在運行期間，變形量控制在允許范圍內(nèi)時，若出現(xiàn)下雨天半個月或者1個月左右監(jiān)測1次，干旱時1個半月左右監(jiān)測1次。對于變形增加和變形速率加快的邊坡，或在地震、暴雨、冰雪融化等情況下，應(yīng)增加監(jiān)測頻率，必要時應(yīng)每天監(jiān)測1次。

4.5 預(yù)警值和報警制度的制定

預(yù)警值制定應(yīng)參考當下所實行的規(guī)范，設(shè)計預(yù)估值是根據(jù)經(jīng)驗來確定，從變形量和變形率2方面考慮[10]。每次監(jiān)測時，密切觀察滑動前的跡象，監(jiān)測結(jié)束后及時整理相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制監(jiān)測點滑動曲線。發(fā)現(xiàn)異常變形時，應(yīng)結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，必要時應(yīng)及時報警[11]。

4.6 監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與分析

工程監(jiān)測的內(nèi)容較多，監(jiān)測前應(yīng)該根據(jù)不同的監(jiān)測內(nèi)容，設(shè)計不同的外業(yè)記錄表格，后期結(jié)合監(jiān)測的數(shù)據(jù)資料進行有關(guān)反分析和對數(shù)值計算方法進行驗證。