基于空-地協(xié)同的公路邊坡施工監(jiān)測(cè)與策略調(diào)控探究

謝振文,巢萬(wàn)里，劉文劼，趙煉恒，潘世強(qiáng)

(1. 湖南省建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

花崗巖在我國(guó)南方地區(qū)分布廣泛，主要礦物成分有長(zhǎng)石、石英、角閃石和云母，多發(fā)育原生節(jié)理，由于長(zhǎng)石與石英的膨脹系數(shù)差異顯著，導(dǎo)致了熱脹冷縮后花崗巖表面極易產(chǎn)生裂縫，從而為物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化創(chuàng)造了有利條件[1]?；◢弾r邊坡由不同風(fēng)化程度的花崗巖風(fēng)化帶組成，表層往往為類(lèi)土質(zhì)的全—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，結(jié)構(gòu)松散，性質(zhì)受水的影響大，變形破壞機(jī)理復(fù)雜[2]。由于對(duì)全—強(qiáng)風(fēng)化花崗巖性質(zhì)尚缺乏全面深入的掌握，在降雨和施工擾動(dòng)作用下，該類(lèi)邊坡在施工過(guò)程容易發(fā)生失穩(wěn)滑塌，造成一定程度的人員傷亡、施工停滯、生態(tài)破壞和經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅[3]。

在施工期間對(duì)邊坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)并根據(jù)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)策略調(diào)控，是降低邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)避邊坡施工事故的有效手段。傳統(tǒng)的人工測(cè)量監(jiān)測(cè)手段雖然精度較高，但存在測(cè)點(diǎn)布設(shè)困難、監(jiān)測(cè)效率低、野外作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。隨著各種新型測(cè)繪和信息技術(shù)涌現(xiàn)，邊坡監(jiān)測(cè)正逐漸從傳統(tǒng)的點(diǎn)式監(jiān)測(cè)向面式監(jiān)測(cè)、體式監(jiān)測(cè)發(fā)展，其中代表性的方法包括衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)監(jiān)測(cè)[4-6]、無(wú)人機(jī)(UAV)航拍監(jiān)測(cè)[7-8]、雷達(dá)干涉測(cè)量(D-InSAR)[9]、長(zhǎng)距離三維激光掃描(TLS)[10]等。

上述方法擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表1)，由于風(fēng)化花崗巖邊坡這一類(lèi)的山區(qū)邊坡高度大、坡度陡、地質(zhì)條件復(fù)雜，影響因素眾多，其變形具有隱蔽、漸變、多階段、空間不均勻等特征，單一監(jiān)測(cè)方法已難以滿(mǎn)足當(dāng)今邊坡施工質(zhì)量和安全的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，多平臺(tái)、多手段聯(lián)合的空-地協(xié)同式甚至天-空-地協(xié)同監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)體系將成為發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)邊坡的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、策略調(diào)控中扮演重要角色。本文以湖南省平益高速公路某風(fēng)化花崗巖邊坡為工程背景，基于邊坡巖土特征、施工工序，在不同階段采用無(wú)人機(jī)航拍和GNSS定位進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)多源監(jiān)測(cè)信息開(kāi)展分析，提出了一系列基于安全和成本考慮的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略，有效保障了整個(gè)邊坡工程建設(shè)的順利開(kāi)展，可為類(lèi)似工程進(jìn)行安全保障、成本控制、工期安排等提供參考借鑒。

表1 基于新測(cè)繪技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法比較Table 1 Comparison between UAV aerial survey and GNSS monitoring監(jiān)測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)面式監(jiān)測(cè),位移場(chǎng)信息范圍大受天氣影響明顯,難以提供高頻連續(xù)數(shù)據(jù)GNSS+物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)精度高、響應(yīng)快,可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)、連續(xù)監(jiān)測(cè)成本較高、安裝困難、設(shè)備易損壞D-InSAR面式監(jiān)測(cè),精度高,位移場(chǎng)信息范圍大大變形時(shí)相位解纏困難地基TLS精度高、速度快存在掃描死角,軟件處理復(fù)雜

1 工程概況

工程案例位于湖南省在建的平江至益陽(yáng)高速公路平伍段(見(jiàn)圖1)，該路塹邊坡屬低山地貌，地形起伏較大，山體自然邊坡約為20°～40°，植被較發(fā)育，以喬木和灌木為主；邊坡縱切山頂，開(kāi)挖后后方山體地表匯水較大，邊坡最大高度為24.68 m。

圖1 地形地貌與典型橫斷面設(shè)計(jì)圖

邊坡巖層主要為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，自上而下依次為：①粉質(zhì)黏土：黃褐色，硬塑狀，含砂礫石，厚度3.6 m；②全風(fēng)化花崗巖：黃褐色，巖芯呈散體狀，夾強(qiáng)風(fēng)化碎塊，厚度31.1 m；③強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：黃褐色，巖芯碎塊狀。邊坡采用板樁墻進(jìn)行防護(hù)，抗滑樁截面尺寸2 m×3 m，縱向間距5 m，樁長(zhǎng)20 m，外懸臂8 m；2樁之間設(shè)置擋土板。坡面采用錨索框架梁錨固，錨索采用4φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度25 m，傾角25°。

整個(gè)邊坡地表水不發(fā)育，在旱季地下水貧乏，但由于后方匯水面積較大，地下水位受季節(jié)性降雨影響明顯，整個(gè)邊坡施工期長(zhǎng)達(dá)1 a左右，期間經(jīng)歷春季梅雨期和夏季暴雨期，在降水下滲、坡面沖刷、施工擾動(dòng)的綜合作用下，全～強(qiáng)風(fēng)化巖邊坡容易在施工過(guò)程中發(fā)生不同規(guī)模的失穩(wěn)滑塌；邊坡施工按照坡面開(kāi)挖→抗滑樁施工→路基土石方開(kāi)挖→坡面錨固的施工工序進(jìn)行，抗滑樁逆作法施工面臨路基一側(cè)的土石方開(kāi)挖，減少了樁前土體抗力，也增加了施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)前期施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，整個(gè)邊坡施工風(fēng)險(xiǎn)屬于Ⅲ級(jí)(高度風(fēng)險(xiǎn))，在整個(gè)施工過(guò)程中需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況制定針對(duì)性的策略措施。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)方案

考慮到該邊坡施工初期，許多監(jiān)測(cè)元器件難以埋設(shè)，故首先采用了低空無(wú)人機(jī)(UAV)航拍監(jiān)測(cè)手段，在UAV上搭載光學(xué)相機(jī)，依據(jù)攝影測(cè)量學(xué)中的共線(xiàn)方程原理[見(jiàn)圖2和式(1)]， 約束物點(diǎn)、 像點(diǎn)和投影中心(對(duì)像片而言通常是鏡頭中心)3點(diǎn)位置關(guān)系，定期或不定期地獲取該邊坡的高分辨率影像，再根據(jù)圖3所示流程建立數(shù)字模型，精確恢復(fù)場(chǎng)景三維點(diǎn)云，通過(guò)前后對(duì)比各期固定測(cè)點(diǎn)的空間位置變化，獲取相對(duì)變形值，為邊坡變形態(tài)勢(shì)評(píng)估提供依據(jù)，詳細(xì)的無(wú)人機(jī)航拍建模原理可參照文獻(xiàn)[11]。

圖2 UAV航測(cè)共線(xiàn)方程原理

圖3 UAV航測(cè)數(shù)字建模流程

(1)

式中：S代表圖2中的投影中心點(diǎn)，在地面投影坐標(biāo)系中，它的坐標(biāo)為(Xs，Ys，Zs)；物點(diǎn)A是坐標(biāo)(X，Y，Z)在地表測(cè)量坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)；a是其在影像上的構(gòu)像，其在像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x，y，-f)，a、A、S這3點(diǎn)在同一直線(xiàn)上。

綜合對(duì)比續(xù)航時(shí)間、分辨率、信號(hào)控制等因素，選擇DJI Phantom系列無(wú)人機(jī)作為使用機(jī)型，該邊坡具體建模過(guò)程如圖4所示。

圖4 風(fēng)化花崗巖邊坡數(shù)字化建模過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)一共開(kāi)展了7期航拍飛行，時(shí)間依次為2020年9月、2020年12月(先后2期)、2021年1月、2021年3月、2020年5月、2021年8月，建立了7組數(shù)字模型，其中2021年8月模型如圖5所示。

(a)白膜模型

2.2 GNSS+物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)方案

為避免監(jiān)測(cè)元器件的損壞，根據(jù)邊坡施工位置的變化，逐步布設(shè)監(jiān)測(cè)元器件開(kāi)展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖6)，以基于GNSS的邊坡深部位移和坡體表面位移為監(jiān)測(cè)核心，額外增加了雨量監(jiān)測(cè)和水位監(jiān)測(cè)，具體包括：地表位移監(jiān)測(cè)設(shè)備4套(WY1-1、WY1-2、WY2-1、WY2-2)、固定測(cè)斜儀2套(GDCX01、GDCX02)、雨量計(jì)1個(gè)(YL01)，考慮到該邊坡匯水面積極大，同時(shí)布設(shè)了水位計(jì)(SW01)進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳送至智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)(見(jiàn)圖7)，作為邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和策略調(diào)控的另一依據(jù)。

圖6 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖7 監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面

3 監(jiān)測(cè)分析與策略調(diào)整

3.1 抗滑樁施工期監(jiān)測(cè)分析與策略調(diào)控

無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)盡管在精度上與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)還有差距，但基本可以反映cm級(jí)別的變形[12]?；鶞?zhǔn)點(diǎn)設(shè)在相對(duì)穩(wěn)定的位置，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示，在數(shù)字模型上布置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集各期數(shù)字模型上監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)總相對(duì)距離與水平相對(duì)距離的變化，并繪制相對(duì)距離隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，從而了解邊坡總體的變形趨勢(shì)。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置和編號(hào)

圖9為部分測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)距離的變化情況，可以看出，樁體施工期(2020年9月—2020年12月)，相對(duì)位移變化量很小。根據(jù)施工計(jì)劃進(jìn)度，從2020年12月下旬開(kāi)始，進(jìn)行樁前反壓土的開(kāi)挖，最初未對(duì)開(kāi)挖速率進(jìn)行控制，在2020年12月5日和2021年12月31日分別進(jìn)行了2次無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)距離都有不同程度的變化，從圖9可以看出，在此期間總距離最大變化值為約為-4.9 cm(測(cè)點(diǎn)5)，水平距離最大變化值約為-4.3 cm(測(cè)點(diǎn)5)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)平均距離變化值為-2.7 cm，平均水平距離變化值為-2.1 cm。排除UAV航測(cè)本身的誤差影響，可以看出坡面各個(gè)測(cè)點(diǎn)總體上有向基準(zhǔn)點(diǎn)移動(dòng)的趨勢(shì)，說(shuō)明挖土后抗滑力減小已經(jīng)引起邊坡發(fā)生一定的變形，方向主要垂直或大角度相交于路線(xiàn)方向，而豎向變形分量較小。

(a) 總相對(duì)距離變化

樁體施工完成后，及時(shí)完成了固定測(cè)斜儀的埋設(shè)，上述無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)得到的變形趨勢(shì)同樣在測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中得到了體現(xiàn)。圖10為2020年12月20日—2021年1月13日采集的測(cè)斜數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)GDCX1和GDCX2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從2020年12月24日—2020年12月30日發(fā)生了顯著變化，與現(xiàn)場(chǎng)快速挖土情況相吻合。其中GDCX1頂部垂直路線(xiàn)方向增加了1.7 cm的位移，而對(duì)于GDCX2該值為2.0 cm，位移明顯增加的深度超過(guò)15 m，2個(gè)測(cè)斜儀平行于線(xiàn)路方向的位移變化都不大。根據(jù)計(jì)算復(fù)核[圖10(a)]，樁前土開(kāi)挖后邊坡的安全系數(shù)將由1.28降至1.17。

(a)GDCX1平行線(xiàn)路

結(jié)合UAV和GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出樁前土的開(kāi)挖使邊坡發(fā)生了一定變形，并有可能進(jìn)一步發(fā)展。將通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的安全風(fēng)險(xiǎn)和異常狀態(tài)及時(shí)報(bào)送，經(jīng)過(guò)會(huì)審，制定了如下安全保障策略：①目前邊坡位移主要為土開(kāi)挖后樁前被動(dòng)土壓力減小所致，變化速率未超過(guò)預(yù)警指標(biāo)，暫時(shí)不對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整；②控制樁前挖土速率至0.5 m/d；③現(xiàn)場(chǎng)安排人員每日進(jìn)行巡查，重點(diǎn)觀(guān)察邊坡后緣開(kāi)裂、樁體開(kāi)裂情況；④2021年1月補(bǔ)充1次無(wú)人機(jī)航拍，掌握邊坡整體變形情況。

采取上述措施后，從圖11可以看出，2020年12月31日—2021年1月10日間測(cè)點(diǎn)的距離變化速率放緩，根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)，2020年12月30日—2021年1月4日兩個(gè)測(cè)斜儀頂部位移僅增加約1～2 mm，隨后基本維持不變直至挖土結(jié)束，說(shuō)明工程策略調(diào)控得當(dāng)，邊坡整體變形趨勢(shì)減弱。2021年3月，再次進(jìn)行一次無(wú)人機(jī)航拍，發(fā)現(xiàn)邊坡總體上沒(méi)有大的后續(xù)變形，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果[圖10(b)]和監(jiān)測(cè)結(jié)果，將原設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力錨索方案調(diào)整為錨桿方案，成功為該工點(diǎn)節(jié)省建安費(fèi)30萬(wàn)元。

(a) 挖去樁前土后(安全系數(shù)1.17)

3.2 錨固施工期監(jiān)測(cè)分析與策略調(diào)控

邊坡錨桿施工期大致為2021年4月—2021年8月，經(jīng)歷了春季梅雨期和夏季暴雨期，該風(fēng)化花崗巖邊坡穩(wěn)定性與安全施工迎來(lái)了新一輪的考驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出的月降雨量、地下水位、地表位移3者(WY1-2，位于樁頂，垂直于線(xiàn)路方向)的關(guān)系如圖12所示。

圖12 雨量-地下水位-地表位移關(guān)系

可以看出，水位變化與降雨量具有較好的相關(guān)性。2021年梅雨季節(jié)該邊坡區(qū)域月降雨量不大，基本在150 mm以?xún)?nèi)，地下水位無(wú)明顯變化，但在7月和8月，月降雨量高達(dá)403和318 mm，地下水位出現(xiàn)了明顯的2次陡增，同時(shí)，從7月開(kāi)始，地表水平位移也相應(yīng)地開(kāi)始明顯增加，增幅達(dá)到0.6 cm左右，根據(jù)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)情況(見(jiàn)圖9)，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在5月—8月也有-0.5～-1.0 cm的總相對(duì)距離變化，與GNSS監(jiān)測(cè)結(jié)果相呼應(yīng)，這說(shuō)明邊坡在降雨入滲和地下水位提升的雙重作用下，巖土體有所軟化，而下滑力有所增加，加之錨固工程尚未完工，邊坡又開(kāi)始產(chǎn)生一定的變形趨勢(shì)。

考慮到接下來(lái)還將有強(qiáng)降雨影響，在2021年8月中旬采取了如下策略：①修復(fù)一些已經(jīng)破壞截水溝，并連通平臺(tái)截水溝與邊坡環(huán)形截水溝；②加快綠化覆蓋，減少雨水入滲；③施做深層排水管，增強(qiáng)排水。實(shí)施調(diào)控策略后，2021年9月變形又逐漸趨于穩(wěn)定，2021年9月的降雨量仍然達(dá)到了近300 mm，但地下水位未再次出現(xiàn)陡增情況，可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)防排水措施發(fā)揮了作用。

4 結(jié)論

本文利用UAV和GNSS+物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行公路邊坡空-地協(xié)同監(jiān)測(cè)，得到了如下認(rèn)識(shí)與結(jié)論：

a.在抗滑樁施工期，樁前開(kāi)始挖土后，基于UAV和GNSS的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均有明顯增加，兩者相互印證，說(shuō)明挖土后抗滑力減小已經(jīng)引起邊坡發(fā)生一定的變形，采用減緩?fù)谕了俾实却胧┖?，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性計(jì)算，最終將預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)變更為錨桿支護(hù)，降低了工程成本。

b.在錨固施工期，水位變化與降雨量具有較好的相關(guān)性，暴雨后出現(xiàn)明顯的水位陡增，相應(yīng)的UAV和GNSS位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有所增加，采用了修復(fù)排水、施做深層排水管等措施后，9月份的強(qiáng)降雨未引起水位陡增，位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也趨于穩(wěn)定。

c.證明了UAV+GNSS空-地協(xié)同在公路邊坡施工監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性，2種方法可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，UAV監(jiān)測(cè)可以比GNSS監(jiān)測(cè)更早進(jìn)場(chǎng)，不受開(kāi)挖施工破壞的影響，可以花較低成本實(shí)現(xiàn)大量測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，宏觀(guān)掌握邊坡總體變形趨勢(shì)，而GNSS+物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)提供的數(shù)據(jù)更有實(shí)時(shí)連續(xù)性，與智能監(jiān)測(cè)云平臺(tái)具有更好的兼容性。兩者結(jié)合使用可及時(shí)反映出邊坡變形趨勢(shì)，比現(xiàn)場(chǎng)巡視更早發(fā)現(xiàn)隱患，避免以查看失穩(wěn)破壞先兆跡象為依據(jù)的滯后決策手段，為盡早進(jìn)行邊坡動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工策略調(diào)控、安全隱患排查提供重要的基礎(chǔ)信息。

d.隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)的進(jìn)步，后續(xù)UAV監(jiān)測(cè)的精度問(wèn)題、GNSS+物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的信號(hào)干擾問(wèn)題還可進(jìn)一步深入研究。