基于GPS位移和邊坡應(yīng)力的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

白寶君

(遼寧省新賓縣交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 撫順市 113200)

0 引言

安全生產(chǎn)關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政治穩(wěn)定?！鞍踩谝?，預(yù)防為主，綜合治理”是我國(guó)安全生產(chǎn)基本方針。在交通領(lǐng)域，受限于自然條件，公路(鐵路)沿線存在大量的高陡邊坡和滑坡體，嚴(yán)重威脅著交通安全，對(duì)來往車輛造成安全隱患，為了及時(shí)掌握坡體的穩(wěn)定性，減輕滑坡帶來的危害，保障公路(鐵路)的安全暢通，有必要對(duì)公路(鐵路)沿線邊坡和滑坡體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

早期的公路(鐵路)邊坡監(jiān)測(cè)主要依靠人員定期巡查，人工觀察坡體變形情況，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來涌現(xiàn)出很多自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)方法[1]，如表1所示。

表1 邊坡監(jiān)測(cè)的常用方法

單一的監(jiān)測(cè)手段存在誤報(bào)率高，預(yù)測(cè)精度差的問題，將邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)和GPS位移監(jiān)測(cè)法相結(jié)合，以提高監(jiān)測(cè)效率和預(yù)測(cè)精度。

1 邊坡應(yīng)力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理

邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)是根據(jù)應(yīng)力超前于形變，即應(yīng)力變化發(fā)生在物體變形之前，通過監(jiān)測(cè)邊坡內(nèi)部的應(yīng)力變化反映邊坡巖體穩(wěn)定狀態(tài)的變化，進(jìn)而預(yù)測(cè)到滑坡的產(chǎn)生。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模型如圖1所示。在滑床上安裝錨索，錨索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，錨索錨固于穩(wěn)定的基巖中。對(duì)錨索施加一定的預(yù)應(yīng)力并在水泥墩上的錨索安裝振弦式應(yīng)力傳感器，通過智能監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)應(yīng)力傳感器的弦值，通過無線網(wǎng)絡(luò)將弦值傳輸至監(jiān)控中心。通過專業(yè)分析軟件進(jìn)行解算出應(yīng)力值，并預(yù)測(cè)滑坡的可能性[1]。

圖1 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)原理圖

1.2 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置要考慮到巖體大小、巖石種類、坡體高度等地質(zhì)條件，通過分析巖體變形及潛在滑坡區(qū)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在滑動(dòng)影響范圍內(nèi)的典型位置，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)就形成了監(jiān)測(cè)線。實(shí)際中通常每30～50m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)測(cè)線。

錨索監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是當(dāng)滑體有下滑趨勢(shì)時(shí)，錨索的應(yīng)力有所變化，錨固段必須牢牢地錨固在滑床中，錨索施加預(yù)應(yīng)力大小應(yīng)該使錨索的應(yīng)力能夠更好地反映邊坡內(nèi)部應(yīng)力變化情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力值通常取錨索最大載荷的0.2～0.5倍。

(2)錨索施工與設(shè)備安裝

錨索施工時(shí)鉆孔直徑為120cm，6根鋼絞線同時(shí)鋪設(shè)，每個(gè)10m放置一個(gè)中心支架，鋼絞線中放置一個(gè)一寸塑料管用于注漿。打孔時(shí)鉆頭和巖石摩擦產(chǎn)生巖沫，會(huì)影響注漿效果，此時(shí)需要進(jìn)行洗孔作業(yè)。如果鉆孔過程中遇到巖隙，可能導(dǎo)致流漿，解決辦法為注入石膏封住孔壁。

監(jiān)測(cè)設(shè)備為自動(dòng)化程度很高的電子設(shè)備，具有通信功能。安裝時(shí)按照規(guī)定連接即可(如圖2所示)，由于系統(tǒng)采用太陽能系統(tǒng)供電，配有20W 單晶硅電池板及鉛酸蓄電池。安裝太陽能電池板時(shí)電池板板面要朝向南方并注意要遠(yuǎn)離樹木、建筑物的遮光處。

圖2 邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備連接圖

(3)數(shù)據(jù)處理與分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備測(cè)得的是傳感器的頻率值，需要根據(jù)廠家標(biāo)定公式自動(dòng)將頻率值轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，換算公式如下：

X=(F×F-f×f-A)×K

(1)

式中：X為荷載量(kN)；F為初始頻率(廠家傳感器標(biāo)定表給出)；f為荷載頻率，為傳感器測(cè)量值；K為系數(shù)(廠家傳感器標(biāo)定表給出)；A值廠家傳感器標(biāo)定表給出。

每個(gè)傳感器F值、A值、K值都不同，傳感器廠家出廠時(shí)對(duì)每個(gè)傳感器逐一進(jìn)行了修訂，因此具體換算需結(jié)合該傳感器標(biāo)定表中的F值、A值、K值進(jìn)行。

計(jì)算出應(yīng)力值后，即可繪制應(yīng)力隨著時(shí)間變化曲線，根據(jù)曲線的斜率進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性預(yù)警分析。

2 GPS位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 GPS位移監(jiān)測(cè)原理

GPS位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖3，工作原理為：各GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GPS信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到控制中心，控制中心服務(wù)器GPS數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量，同時(shí)分析軟件根據(jù)事先設(shè)定的預(yù)警值而進(jìn)行報(bào)警[2]。

圖3 GPS位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GPS是一種三維的空間定位技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高，高精度的優(yōu)點(diǎn)，常用的GPS接收機(jī)表面位移監(jiān)測(cè)的誤差水平為±2mm+1ppm，高程方向?yàn)椤?mm+1ppm。

2.2 GPS位移監(jiān)測(cè)的實(shí)施

(1) GPS 位移系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以邊坡區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境等因素為依據(jù)，選擇具有代表性的位置布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 GPS位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置需要形成橫向剖面，即垂直于主滑方向。根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)立及現(xiàn)場(chǎng)條件將GNSS地表監(jiān)測(cè)設(shè)備形成X縱X橫的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用于分析邊坡沿主滑方向的位移趨勢(shì)，同時(shí)使用橫向剖面進(jìn)行位移修正，從而達(dá)到整個(gè)坡體表面的監(jiān)測(cè)。觀測(cè)標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動(dòng)。視野開闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°。

GPS 點(diǎn)位一般由基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的選擇在遠(yuǎn)離滑坡區(qū)域的穩(wěn)定巖體上，且周圍開闊，適宜于GPS觀測(cè)[3]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)即為每個(gè)滑坡體的監(jiān)測(cè)點(diǎn), 因此應(yīng)根據(jù)滑坡體的形態(tài)特征、變形特征、動(dòng)力因素及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等具體要素(變形方位、變形量、變形速率、時(shí)空動(dòng)態(tài)、施工動(dòng)態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)等) 確定點(diǎn)位, 且這些點(diǎn)位能真實(shí)地反映災(zāi)害地質(zhì)體變形敏感部位，如抗滑樁柱頭等部位及阻滑段前緣、下滑段前后緣、索引段前緣和滑坡體的剪出口等位置[4]?；鶞?zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)都應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如高壓電線、移動(dòng)信號(hào)塔電臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200m[5]。

(2)數(shù)據(jù)分析與處理

采用測(cè)地型靜態(tài) GPS 進(jìn)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)工作，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)一般不小于 2h，監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)視滑坡的活躍程度及季節(jié)變化等情況而定。如發(fā)生滑速增快，或遇暴雨、解凍等情況，應(yīng)及時(shí)增加觀測(cè)次數(shù)[6]。

3 基于GPS位移和邊坡應(yīng)力的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

在北方某地根據(jù)坡體的實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)需求，決定采用GPS位移和邊坡應(yīng)力的滑坡監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方案，邊坡應(yīng)力用于長(zhǎng)期預(yù)警，GPS位移用于中短期預(yù)警。在滑坡坡體底部設(shè)置邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)4個(gè)，每80m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成監(jiān)測(cè)線。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上方區(qū)域設(shè)置GPS位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每4小時(shí)測(cè)量一次數(shù)據(jù)。GPS位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每1小時(shí)獲取一次位移數(shù)據(jù)。

從圖5中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線較為平穩(wěn)，說明坡體總體較穩(wěn)定，近期發(fā)生大規(guī)?；碌母怕瘦^低。如果應(yīng)力曲線出現(xiàn)快速上升，而且加速度較大，則說明邊坡穩(wěn)定程度下降，滑坡概率增加。從圖6中發(fā)現(xiàn)2018年7月份以來位移監(jiān)測(cè)曲線成明顯下降曲線，原因?yàn)檫M(jìn)入汛期坡體表面下沉明顯。進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域檢查發(fā)現(xiàn)滑坡體呈現(xiàn)明顯沉降，產(chǎn)生較大裂縫，考慮會(huì)發(fā)生局部滑塌和落石，建議附近施工人員和設(shè)備暫時(shí)撤離。

圖5 應(yīng)力變化曲線圖

圖6 位移變化曲線圖

4 結(jié)語

GPS 位移監(jiān)測(cè)具有全天時(shí)、全天候、監(jiān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，適合進(jìn)行滑坡的中短期預(yù)警，邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)通過預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)能夠很好獲悉巖體中應(yīng)力變化的規(guī)律，適合進(jìn)行滑坡的長(zhǎng)期預(yù)警，二者結(jié)合，相互補(bǔ)充，可以形成多源立體監(jiān)測(cè)，提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。多源監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用有助于提高公路(鐵路)邊坡監(jiān)測(cè)水平，在交通領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。