高邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)及安全預警技術研究

張華

（中交二航院工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430060）

航道高邊坡自動化監(jiān)測及安全預警指的是該工程領域的技術人員，為了避免高邊坡地質(zhì)災害的發(fā)生提前做出的有效應對，即先在高邊坡現(xiàn)場設置自動化監(jiān)測設備，然后根據(jù)安全監(jiān)測預警平臺分析現(xiàn)場的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷高邊坡是否達到了預警標準，并對高邊坡的未來情況做出預測，發(fā)揮提前預警作業(yè)，保障現(xiàn)場的人員生命及財產(chǎn)安全。由于該自動化監(jiān)測及安全預警技術涉及邊坡穩(wěn)定性分析、監(jiān)測方案設計以及預警指標等方面的內(nèi)容，所以不僅得到了國內(nèi)外學者的廣泛研究，且廣泛應用在具體工程項目中。

1 航道高邊坡的分類

1.1 按照物質(zhì)組成劃分

按照航道高邊坡內(nèi)部組成物質(zhì)的不同，航道高邊坡可以分為土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡以及土-巖二元邊坡3種不同的類型。其中，土質(zhì)邊坡又可以分為黏性土邊坡、黃土邊坡等；巖質(zhì)邊坡可以分為硬質(zhì)巖類邊坡、軟硬巖互層邊坡等；土-巖二元邊坡可以細化為接觸面形態(tài)、接觸面產(chǎn)狀、上覆層厚度等的邊坡。

1.2 按照坡體結(jié)構(gòu)劃分

航道高邊坡按照坡體結(jié)構(gòu)的不同，其分類的方案也不盡相同，如谷德振（中國科學院院士，工程地質(zhì)學家、構(gòu)造地質(zhì)學與地質(zhì)力學家）教授提出的五類分類方案和黃潤秋教授（成都理工大學）提出的三級分類方案，以上兩種方案在適用范圍上略有不同，前者更適用于對航道高邊坡穩(wěn)定性的研究。除此以外，其他的學者和專家也有自己的見解，但大部分是在此基礎上進行優(yōu)化和補充，常見的有整體狀結(jié)構(gòu)邊坡、塊狀結(jié)構(gòu)邊坡、層狀結(jié)構(gòu)邊坡、碎裂結(jié)構(gòu)邊坡等。

1.3 按照風化程度劃分

關于航道高邊坡中巖質(zhì)類的邊坡，根據(jù)其風化程度需要考慮巖體結(jié)構(gòu)的破壞，使其巖體的抗剪強度逐漸變低，裂隙逐步擴大以及透水性不斷增加等。所以，按照風化程度劃分，航道高邊坡可以分為全風化巖石邊坡、強風化巖石邊坡、中風化巖石邊坡等。

2 航道高邊坡的破壞模式

由于航道高邊坡破壞機理的復雜性和多樣性，僅僅通過理論研究很難全面地描述所有的變形破壞模式，需要根據(jù)工程項目的實際情況進行調(diào)研，在經(jīng)過總結(jié)和分析的基礎上才能得到科學合理的結(jié)論。因此，通過查閱前人文獻和工程實例，以下就航道高邊坡的破壞模式進行分析。

2.1 崩塌

崩塌，指的是邊坡上的巖土在重力作用和雨水的侵蝕下突然脫離坡體向下崩落的現(xiàn)象，其規(guī)模和數(shù)量相差較大，其在傾倒、翻滾和撞擊后會全部堆積在坡腳，這一破壞模式的發(fā)生速度較快，且具有極強的破壞力，甚至有時還會造成人員的傷亡。而這一破壞模式的發(fā)生原因主要有以下幾個方面：（1）高邊坡在分化作用下其節(jié)理間的黏結(jié)力降低；（2）雨水滲入裂隙內(nèi)，在裂隙水水壓力的作用下造成的巖塊崩落；（3）高邊坡上的巖土受氣候變化的影響，其自身的抗拉強度變低，導致巖塊松動。

2.2 剝落

剝落指的是高邊坡的外部巖體在長時間風化作用的影響下，表層結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞而產(chǎn)生的一些巖屑或者是小塊的巖石不斷滾落并堆積在坡腳，這一破壞模式對高邊坡穩(wěn)定性的影響較小。也就是說，即使是發(fā)生了這一現(xiàn)象，也不會導致邊坡失穩(wěn)。但需要特別注意的是，對于軟硬相間的巖石邊皮，其軟弱層會因風化而破裂，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，使得原本堅硬的巖體變得更加突出，進而引發(fā)剝落的發(fā)生。

2.3 滑動

滑動，指的是航道高邊坡內(nèi)部的巖土在自重的作用下沿著斜坡滑動面向下滑移的現(xiàn)象，常見的有平面滑動、圓弧滑動以及楔形體滑動三種不同的模式。

（1）平面滑動。平面滑動，指的是滑動面好比平面的滑動模式，一般大聲在結(jié)構(gòu)面比較發(fā)育的地帶，如斷層、節(jié)理面等，平面滑動由于抗剪強度小，巖體在自重作用下產(chǎn)生的剪應力較大，滑體容易向著地質(zhì)的軟弱面移動。

（2）圓弧滑動。顧名思義，圓弧滑動是指高邊坡的破壞滑動呈現(xiàn)圓弧形，此時巖體中的單個顆粒小于坡體尺寸且顆粒之間不全是相互咬合的。但是，如果坡體的結(jié)構(gòu)為軟弱巖層或是破碎的情況下，這類破壞的發(fā)生比較常見。

（3）楔形體滑動。楔形體滑動，指的是當兩組以上的結(jié)構(gòu)面切割巖體時形成的不穩(wěn)定的楔形體，如果此時發(fā)生滑動，則滑體必然會沿組合交線下滑，這一破壞形式又被稱為“v”型破壞，也是航道高邊坡中一種常見的破壞模式。此外，在航道高邊坡的開挖過程中，其表面的巖體會在卸荷的作用下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動的現(xiàn)象，加上開挖表面的不平整，十分容易出現(xiàn)這種類型的破壞。

3 航道高邊坡自動化監(jiān)測

3.1 案例概況

廣西田林縣那比水電站樞紐位于田林縣境內(nèi)馱娘江與西洋江匯合口上游16.3km處的西洋江上，本工程正常蓄水位355m，對大壩和邊坡進行GNSS全天候24h變形智能監(jiān)測，通過智能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得護坡局部和整體變形及變形趨勢，檢驗護坡穩(wěn)定狀況，在施工期間智能實時監(jiān)測護坡的地形地物實際變形及變形趨勢，提前預警。

3.2 坡體地表位移監(jiān)測

坡體地表位移監(jiān)測的方法多種多樣，如大地監(jiān)測、全息攝影、遙感以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等。其中，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是業(yè)內(nèi)人士著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展的實際需求，自主研發(fā)和獨立運行的一種衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），其能夠24小時，360°無死角為不同的用戶在全世界范圍內(nèi)提供精度高、可靠性高以及安全性高的定位和導航服務，十分適合航道高邊坡地表位移監(jiān)測。其原理是利用北斗衛(wèi)星測量基準站于監(jiān)測點之間的定位獲得各個監(jiān)測點不同時間中的位置信息，然后根據(jù)合理的算法對位置信息進行解算，剔除各種不利的影響因素，在與初始信息進行對比后，得到毫米級的坡體地表位移監(jiān)測信息。

3.3 深部土體位移監(jiān)測

深部土體位移監(jiān)測也是航道高邊坡自動化監(jiān)測中最有效的方法之一，通過深部土體位移監(jiān)測可以獲得滑動面的位置、位移量以及位移速度等數(shù)據(jù)。因此，對于航道高邊坡深部土體位移的監(jiān)測，除了坡體地表位移外，為了更加準確的反映高邊坡的穩(wěn)定性和安全性，還需要對坡體內(nèi)的位移進行監(jiān)測，檢測結(jié)果隨著航道高邊坡滑動體結(jié)構(gòu)而改變，在滑動體密實、含水量較少的情況下，多呈現(xiàn)整體式滑動，此時，滑動體內(nèi)的位移與地面處的位移不同，需要采用固定式鉆孔測斜儀法、活動式測斜儀法等方法進行監(jiān)測。

本工程項目以鉆孔測斜儀為主要對象進行介紹：鉆孔測斜儀由測頭、測讀儀、電纜、測斜管等部分組成，原理是當航道高邊坡深部的土體發(fā)生位移時，傳感器的探頭就會偏離基準線，二者之間會形成一個角度，然后借助儀器內(nèi)部獲得的數(shù)據(jù)，獲得被監(jiān)測點的位量X。

3.4 結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測

航道高邊坡結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測主要包括錨索應力監(jiān)測、錨桿應力監(jiān)測、抗滑樁內(nèi)力監(jiān)測等，在具體的自動化監(jiān)測過程中，需要根據(jù)航道高邊坡支護結(jié)構(gòu)的不同而選擇不同的監(jiān)測方式。

3.4.1 錨索應力監(jiān)測

錨索應力監(jiān)測需要使用的設備主要為錨索測力計，原理是在測力鋼筒上均勻設置數(shù)量相等的弦式應變計，隨著錨索傳遞的荷載會使得測力的鋼筒產(chǎn)生軸向變形，隨之應變計也會發(fā)生變形，進而改變應變計內(nèi)振弦的振動頻率，此時，在采用電磁線圈激振并測量獲得振弦的振動頻率，得到引起測力鋼筒變形的應變量，代入標定系數(shù)后就可以計算出錨索測力計的荷載值，計算公式如下：

式中，P為待測錨索荷載值（kN）；K為為儀器的標定系數(shù)；f1為測試頻率（Hz）；f0為初始頻率（Hz）。

3.4.2 錨桿應力監(jiān)測

錨桿應力監(jiān)測指的是振弦式鋼筋計安裝在錨桿上，當錨桿在受力的情況下發(fā)生變形時，儀器內(nèi)的鋼弦也會產(chǎn)生變形改變其振動頻率，通過測量該振動頻率得出錨桿的應力值。

3.4.3 抗滑樁內(nèi)力監(jiān)測

抗滑樁內(nèi)力監(jiān)測與錨桿應力監(jiān)測有許多相似之處，不同的是該監(jiān)測方式的振弦式鋼筋計設置在抗滑樁的豎向鋼筋上，主要用來檢測滑坡與抗滑樁在相互作用下的受力特點。

4 航道高邊坡安全預警技術

近年來，有很多關于航道高邊坡的安全預警被相繼提出，它們均具有自身的特點和適用性，但針對某一實際的工程而言，僅僅采取一種安全預警技術難免過于片面，且很有可能導致漏預警現(xiàn)象的發(fā)生，進而導致災難性后果。因此，很有必要采取多指標聯(lián)合安全預警，以下就改進切線角模型邊坡位移加速度預警、降雨預警進行介紹。

4.1 改進切線角模型

改進切線角模型是一種基于航道高邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全預警方法，其與傳統(tǒng)的切線角模型相比，通過坐標進行無量綱化的處理方式，有效地提升了模型的適用性，無量綱化處理主要是根據(jù)高邊坡的累計位移與等速變形階段的速率相除得出的，公式如下：

式中，Ti為時刻邊坡位移經(jīng)無量綱化處理后的縱坐標值；Si為時刻邊坡的累計位移；V為邊坡在臨滑前等速變形階段時的位移速率。

在無量綱化處理后，便可以計算改進切線角的數(shù)值，公式如下：

式中，ai為改進切線角；Tl為邊坡位移經(jīng)無量綱化處理后的縱坐標值；tl為相應的邊坡監(jiān)測時刻。

在得到了改進切線角后，即可根據(jù)切線角的大小進行預警。

4.2 邊坡位移加速度預警

航道邊坡變形過大或者發(fā)生的速度過快往往是發(fā)生失穩(wěn)、坍塌的前兆。因此，還可以綜合考慮通過邊坡位移加速度預警。事實上，目前已經(jīng)有很多的學者和專家做過這方面的嘗試，他們通過對各類航道高邊坡安全事故的分析，確定了加速度是高邊坡失穩(wěn)評價指標。但是，由于受航道高邊坡地質(zhì)地形條件的限制，既有的高邊坡位置加速度臨界值不能直接用于航道高邊坡的安全預警。本項目航道高邊坡在發(fā)生失穩(wěn)前，其位移加速度呈現(xiàn)直線上升的態(tài)勢，此時，就需要引起相關人員的高度重視，及時對高邊坡的安全性和穩(wěn)定性進行仔細的確認，必要的時候，可制定監(jiān)測措施或者加固處理等方式保證高邊坡的安全。

4.3 降雨預警

除了改進切線角模型，邊坡位移加速度作為航道高邊坡安全預警指標，還需借助輔助指標如降雨預警，以實現(xiàn)更全面的安全保障。降雨是航道高邊坡失穩(wěn)、坍塌的重要因素，對社會穩(wěn)定和人員財產(chǎn)安全產(chǎn)生影響，具體影響因素包括巖土體自重增加，邊坡結(jié)構(gòu)改變（侵蝕坡腳、坡體破壞），和雨水滲入后巖體強度減弱。降雨機理復雜，但在滑移面剪應力增加和抗剪強度降低的情況下，失穩(wěn)、坍塌的風險增加。通過降雨預警，可提前進行安全風險提示，預警技術主要通過監(jiān)測區(qū)域內(nèi)降雨量進行分析，并根據(jù)等級提醒維護航道高邊坡。

5 結(jié)語

綜上所述，本文首先對航道高邊坡的分類、破壞模式進行了分析，然后以實際工程為主要研究對象，提出了高邊坡自動化監(jiān)測計安全預警技術，對于經(jīng)過上述處理后可供分析的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行高邊坡位移預測及預警，若該邊坡有失穩(wěn)趨勢，則采取速度倒數(shù)法對其失穩(wěn)時間做出預測，保證高邊坡的安全性。