普蘭機場施工期高邊坡位移智能監(jiān)測與預(yù)警分析

文｜西部機場集團青海機場有限公司 魏成存

1 引言

普蘭機場地處西藏阿里地區(qū)，屬于高高原機場，絕大部分邊坡高度超過20m，最大填方邊坡高度約120m，最大挖方邊坡高度約74m。機場區(qū)域存在著不良地質(zhì)條件，邊坡穩(wěn)定性問題突出，成為影響機場建設(shè)施工與運行安全的重要因素之一。高填方邊坡在填筑過程中下部土層會在上部土層的重力作用下產(chǎn)生過量壓縮變形，隨著填筑高度的增加，邊坡失穩(wěn)風(fēng)險也明顯增大[1]，一般要重點關(guān)注邊坡坡面位移、深部位移、地下水位和孔隙水壓力等。邊坡位移量能直觀反映坡體的變形狀態(tài)，是高邊坡監(jiān)測的重點指標(biāo)。根據(jù)不同的監(jiān)測位置，可將邊坡位移監(jiān)測分為坡面表面位移和深部位移監(jiān)測等。目前我國高邊坡機場在建設(shè)期均要求采用精密大地測量技術(shù)來測量邊坡位移，該方法應(yīng)用廣泛，但多限于施工期人工觀測，測量效率低、難以沿用至運營期長期監(jiān)測。為了開展跟蹤監(jiān)測，我國自上世紀(jì)80年代起開始引進國外的先進監(jiān)測技術(shù)，并自主研發(fā)了監(jiān)測儀器，90年代我國邊坡變形監(jiān)測技術(shù)進入了逐漸成熟的應(yīng)用階段。李振東[2]通過測斜儀監(jiān)測高邊坡不同深度處的變形位移情況，掌握邊坡潛在的滑面及滑面的貫通性，對判斷機場高填方邊坡的穩(wěn)定性有重要意義。李洪磊[3]等人利用鉆孔測斜儀法對山西呂梁機場典型高邊坡進行位移監(jiān)測，判斷位移變化速率隨時間的變化趨勢，科學(xué)預(yù)測邊坡在一定時期內(nèi)的穩(wěn)定狀態(tài)；李琨[4]總結(jié)了光纖傳感器在邊坡測量時的原理，提出了基于（BOTDR）的新型分布式邊坡監(jiān)測系統(tǒng)；田德中[7]設(shè)計了基于光譜解調(diào)的Michelson 干涉式光纖位移傳感器系統(tǒng)來監(jiān)測邊坡的位移。國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的監(jiān)測設(shè)備能初步實現(xiàn)監(jiān)測目的，但監(jiān)測的遠距離傳輸、便捷性、耐久性和長效性是發(fā)展的技術(shù)難點[5]。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的邊坡自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可快速分析問題，及時發(fā)現(xiàn)危險并預(yù)警，具有野外環(huán)境獨立監(jiān)測的優(yōu)勢[6]；以北斗測繪技術(shù)為核心的GNSS 監(jiān)測體系也逐漸在國內(nèi)推廣應(yīng)用?？梢?，在智能化技術(shù)不斷普及的背景下，高邊坡智能監(jiān)測預(yù)警的多樣化手段是重要的發(fā)展方向。本文依托普蘭機場智慧跑道項目，在高邊坡施工階段布設(shè)了GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)和無線深部測斜儀的智能監(jiān)測體系，實時監(jiān)測高填深挖邊坡全生命周期的坡面表面位移、深部水平位移數(shù)據(jù)等，為邊坡施工和服役狀態(tài)的穩(wěn)定性評價、失穩(wěn)風(fēng)險預(yù)測預(yù)警提供依據(jù)。

2 邊坡智能監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 傳感器選型

為了獲取普蘭機場高邊坡施工期和運營期的變形數(shù)據(jù)，為邊坡安全風(fēng)險識別和預(yù)警防護提供判斷依據(jù)，有必要在易發(fā)生大變形的高邊坡重點斷面布設(shè)無線傳輸、高精度、全深度的感知元件，構(gòu)建自主無人的高精度邊坡位移智能監(jiān)測體系。GNSS表面位移系統(tǒng)通過與衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)交互，能實時高精監(jiān)測邊坡的表面位移狀況，可取代傳統(tǒng)人工測量，適用于惡劣環(huán)境的長時監(jiān)測，降低了使用成本，縮短了監(jiān)測周期，在地災(zāi)預(yù)警和工程監(jiān)測領(lǐng)域具有很強的應(yīng)用價值。無線深部測斜儀通過鉆孔將傳感器埋設(shè)于高邊坡不同深度處，感知深部的水平位移發(fā)展規(guī)律，明確邊坡潛在的滑動面，可有效提高機場高邊坡監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確性和便捷性。因此，本文主要采用以上兩種手段對普蘭機場高邊坡和深挖方進行監(jiān)測分析。

2.2 傳感器位置

本項目的重點監(jiān)測指標(biāo)為高填方的坡頂表面位移、深層水平位移，深挖方的坡頂表面位移等。擬將GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)于5 個監(jiān)測點，分別位于跑道北端的西北角高填方區(qū)域的1 個監(jiān)測點、跑道中部西側(cè)高填方的2 個監(jiān)測點、以及位于跑道中部東側(cè)深挖方的2 個監(jiān)測點。對于無線深部測斜儀，考慮在跑道北端的西北角和跑道中部的高填方區(qū)域分布布設(shè)監(jiān)測斷面1 和監(jiān)測斷面2，每個監(jiān)測斷面均在坡頂、坡中和坡腳分別布設(shè)無線深部測斜儀，用以監(jiān)測邊坡深層水平位移的變化情況。

圖1 邊坡監(jiān)測傳感器布置示意圖

2.3 安裝施工

（1）GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)

修建GNSS 監(jiān)測站觀測墩應(yīng)澆筑安裝強制對中標(biāo)志，并要嚴(yán)格整平，墩外部或內(nèi)部應(yīng)加裝適合線纜進出的硬制管道，起到保護作用，且GNSS 觀測墩采用鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑的施工方式，混凝土墩深度約50cm。

（2）無線深部測斜儀

在邊坡逐層填筑時，每層填筑后，在表面打孔、埋設(shè)固定式測斜儀，根據(jù)監(jiān)測需求相隔一定深度設(shè)置一個測點，實際測點設(shè)置位置根據(jù)現(xiàn)場情況確定；用無線固定式測斜儀測量測斜管的傾斜，同時測量測斜管的有效深度，根據(jù)孔深和管口高程計算孔底高程；在安裝儀器時使用安全鋼纜，保證儀器在進入測斜管內(nèi)意外脫落時可用安全繩將儀器拉回。在測斜管上端組件固定的同時，將另一組傳感器、滑輪組件和萬向節(jié)連接并降至同一方向；傳感器沉入鉆孔后，將電纜盤起，隨著儀器的下沉，逐漸放入，以免電纜相互干擾。

伴隨著施工進度，P90+15 和P172+5兩個斷面的邊坡監(jiān)測傳感器的施工安裝工作已完成，每個斷面分別埋設(shè)了一組GNSS表面位移監(jiān)測系統(tǒng)和一組無線深部測斜儀，安裝位置如表1所示。安裝完成后即開始施工期監(jiān)測分析。GNSS 的監(jiān)測日期為2021年11月20日至2022年2月27日，無線固定式測斜儀的監(jiān)測日期為2021年11月22日至2022年2月27日。監(jiān)測頻率均為1 次/小時。

表1 已安裝的邊坡監(jiān)測傳感器的位置信息

3 結(jié)果分析

通過高邊坡位移智能監(jiān)測體系初步獲取了施工期一段時間的邊坡位移數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析和挖掘研究，可以得出普蘭機場施工期內(nèi)高邊坡的穩(wěn)定性情況，為運營期全壽命周期監(jiān)測預(yù)警建立基礎(chǔ)。

3.1 GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果分析

以GNSS-2 為例，分析邊坡坡面的水平和垂直位移時程曲線（如圖2），其中disx 為測點正北方向位移，disy 為正東方向位移，disz 為垂直方向位移，disd 為平面合位移，disD 為空間合位移，計算公式如下：

圖2 GNSS-2 的位移時程圖（2021年11月-2022年2月）

由圖可知，disx 的變化相對平穩(wěn)，波動范圍為-3～10mm，監(jiān)測期間基本穩(wěn)定，累計位移量約8mm。disy 在-5mm 左右波動，監(jiān)測期間基本穩(wěn)定，累計位移量約-5mm。disz 隨著時間的推移，逐漸緩慢增長，截至2月底，累計位移量約15mm。

從GNSS-2 監(jiān)測點位的監(jiān)測結(jié)果可以得出，邊坡整體位移量較小，2 號監(jiān)測點的累計最大水平位移9.4mm，其中2022年2月份邊坡水平位移平均變化速率約為0.05mm/d。期間雖偶爾出現(xiàn)突變數(shù)據(jù)，但變形短時內(nèi)恢復(fù)，且異常數(shù)據(jù)數(shù)值也較小，分析可能的原因是施工期附近有車輛經(jīng)過或周邊土體堆載施工等因素引起。邊坡坡面的監(jiān)測位移基本保持平穩(wěn)，兩處邊坡整體保持穩(wěn)定。垂直位移量隨著時間推移緩慢增長，累計垂直位移量約為15mm，2022年2月份的邊坡垂直平均位移速率約0.11mm/d。

3.2 無線固定式測斜儀監(jiān)測結(jié)果分析

以無線固定式測斜儀1 的數(shù)據(jù)分析為例，其監(jiān)測斷面為P90+15，其中1-1、1-2、1-3、1-4 分別表示距離傳感器所在位置坡面表面10m、20m、30m 和40m 的不同深度的截面。圖3 為無線固定測斜儀1 在2021年11月的位移時程曲線。由圖可知，水平的X 方向上，1-2 截面的位移量高于其他三個截面，1-2 截面的水平位移量隨著時間的推移略有增長，但位移量仍處于較小值。水平的Y方向上，4 個截面的位移量均極小，未發(fā)生水平位移。值得注意的是，水平的X 和Y方向上，感知的位移量均在第1 天出現(xiàn)一次突然波動，1-3 截面的Y 方向的值最大達到15mm，但迅速出現(xiàn)恢復(fù)。分析原因可能是邊坡土體堆載施工引發(fā)邊坡體的少量短時位移，但未對邊坡整體穩(wěn)定性造成影響。

圖3 深部測斜儀1 的位移時程圖（2021年11月）

為了更清晰的分析每個邊坡監(jiān)測點不同深度處的水平位移狀況，以無線深部測斜儀1 為例，提取不同深度處的每周的水平位移量，繪制圖4 為無線深部測斜儀1 的監(jiān)測斷面在不同深度處水平位移曲線。需要說明的是，對于施工期堆載等外部客觀因素引起的深部位移臨時突變，本分析認(rèn)為不影響整體穩(wěn)定而予以剔除。由圖4 可以分析得出X 方向截面1-2 水平位移隨著時間變大，位移量也大于其他截面，但位移絕對數(shù)值尚未超過1mm；Y 方向各深度截面的水平位移量均較小，不同深度均未發(fā)生水平位移。從圖4 數(shù)據(jù)分析可知，監(jiān)測點的不同深度的水平位移變動幅度較小，位移曲線無發(fā)散趨勢，施工期邊坡處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4 深部水平位移分布（無線深部測斜儀1）

4 邊坡位移預(yù)警分析

建立邊坡位移智能監(jiān)測系統(tǒng)后，可以實時獲得邊坡的位移數(shù)據(jù)，但同時還需要給出邊坡位移的預(yù)警值，才能實現(xiàn)風(fēng)險提前預(yù)警，降低風(fēng)險事故的發(fā)生概率。

國內(nèi)規(guī)范MH/T5025-2011《民航機場勘察規(guī)范》、GB50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》和GB51214-2017《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程監(jiān)測規(guī)范》均指出了邊坡工程的監(jiān)測項目，但未提出明確的預(yù)警值。本文在結(jié)合國內(nèi)主要邊坡監(jiān)測項目及預(yù)警值選擇的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合公路邊坡監(jiān)測的經(jīng)驗，初步提出機場高邊坡的施工期及運營期的監(jiān)測預(yù)警值，如表2所示。

表2 機場高邊坡的施工期及運營期的監(jiān)測推薦預(yù)警值

根據(jù)目前邊坡監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析可知，坡面水平位移累計值9.4mm、2月份平均變化速率0.05mm/d；坡面垂直位移累計值15mm、2月份平均變化速率0.11 mm/d；深部水平位移最大累計值0.5mm，2月份最大平均變化速率0.003mm/d ，三項指標(biāo)均未達到預(yù)警值，邊坡整體穩(wěn)定，無安全預(yù)警風(fēng)險。

5 結(jié)論與思考

本文依托于西藏普蘭機場智慧跑道項目，建立了GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)以及深部測斜儀系統(tǒng)，實時監(jiān)測高邊坡施工期表面及深層位移，以期實現(xiàn)機場邊坡施工期的穩(wěn)定評價和提前預(yù)警。本文介紹了以GNSS 表面位移監(jiān)測系統(tǒng)和無線深部測斜儀為主體的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)原理和安裝方式，利用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析施工期邊坡變形規(guī)律，并對比開展了風(fēng)險預(yù)警分析。得出以下結(jié)論：

（1）高邊坡的表面整體位移量較小，穩(wěn)定階段的累計最大水平位移均不超過15mm，本期施工階段的邊坡三向表面位移狀況穩(wěn)定。

（2）邊坡的深部水平位移量變動幅度均較小，不同深度的水平位移曲線均無顯著發(fā)散趨勢，邊坡深部水平向位移變形保持穩(wěn)定。

（3）總體而言，本期施工階段的邊坡穩(wěn)定性較好，監(jiān)測指標(biāo)未超過推薦閾值，未出現(xiàn)失穩(wěn)、滑坡等風(fēng)險狀況。后期將通過長效高頻的實時監(jiān)測，為后續(xù)施工和運管管理提供邊坡穩(wěn)定性評價和風(fēng)險預(yù)警。