永吉高速邊坡自動化監(jiān)測預(yù)警及變形分析

聞愛祥,朱自強(qiáng),魯光銀,王李昌

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué)),湖南 長沙 410083;2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410083;3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,湖南 長沙 410083;4.浙江吉寧高速公路有限公司,浙江 湖州 313399)

截至2019年底,湖南省高速公路里程達(dá)到6 802 km[1],且逐漸向西部山區(qū)覆蓋。在山區(qū)修建高速公路不可避免地要進(jìn)行切坡,導(dǎo)致坡體自身穩(wěn)定性遭到破壞進(jìn)而造成滑坡,從而危及下側(cè)高速公路的施工和運(yùn)營[2]。近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的快速發(fā)展,對不穩(wěn)定斜坡的自動化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)逐漸成熟[3-8]。以永吉高速DK0+585～DK0+780段右側(cè)滑坡為研究對象,根據(jù)地質(zhì)情況設(shè)計監(jiān)測方案并建立了自動化的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),之后根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析邊坡變形特征并結(jié)合現(xiàn)場巡查情況綜合評價其穩(wěn)定性。

1 工程概況

湖南永順至吉首高速公路(以下簡稱永吉高速)起于湘西永順縣,止于吉首市區(qū),全長84.492 km,是湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“七縱九橫”中第七縱重要組成部分。其DK0+585～DK0+780段右側(cè)滑坡位于湖南省湘西土家族苗族自治州的古丈縣境內(nèi)。2015年10月3日受降雨影響,滑坡產(chǎn)生多條裂縫,2015年10月9日,受暴雨的影響,滑坡體裂縫繼續(xù)發(fā)展,前緣發(fā)生大面積滑塌,滑塌土方量約1 500 m3。事后根據(jù)滑坡勘察成果,已對滑坡采用了抗滑樁與錨索處治,但仍然存在下滑變形。坡腳1級邊坡上出現(xiàn)明顯的滑移開裂,裂縫從坡腳新增的31#抗滑樁開始一直斜向延伸到6級邊坡平臺的1#抗滑樁,長度約70 m,裂縫寬度5～30 cm。

滑坡前緣以1級坡上開裂縫為界到大樁號微裂縫為界,寬約90 m,后緣以拉張裂縫變形消失處為界,縱深約160 m,滑坡體平均厚度約12.0 m,體積173 000 m3,屬中型滑坡,滑動面深度7.0～15.0 m不等,屬中層工程滑坡。

該滑坡滑動面主要位于強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化砂質(zhì)板巖界面,屬于強(qiáng)風(fēng)化軟質(zhì)巖順層牽引式工程滑坡。主滑方向?yàn)?70°,與路線走向呈小角度斜交。根據(jù)山坡巖土性質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,該滑坡仍處在滑移當(dāng)中,向上牽引發(fā)展的趨勢仍存在。為保障下側(cè)高速公路的運(yùn)營安全,需要為其建立自動化的監(jiān)測系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)全天候的預(yù)警。

2 監(jiān)測預(yù)警方案及實(shí)施

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

滑坡的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用中南大學(xué)與湖南致力工程科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的“致力云”平臺,該平臺主要包括感知層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層四部分,平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 “致力云”平臺架構(gòu)

感知層主要包括現(xiàn)場各類現(xiàn)場的監(jiān)測傳感器和支持設(shè)備。支持設(shè)備主要包括為現(xiàn)場各類設(shè)備提供供電(太陽能板、蓄電池)、保護(hù)(機(jī)箱、立桿)、通信(DTU)等支撐功能的相關(guān)設(shè)備。數(shù)據(jù)層主要針對性現(xiàn)場傳回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、存儲和提供訪問接口?，F(xiàn)場各類傳感器采集的數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心的接收與解析服務(wù)首先對原始監(jiān)測數(shù)據(jù)報進(jìn)行解析,然后將解析后的數(shù)據(jù)通過消息隊(duì)列進(jìn)行廣播和分發(fā),并采用分布式的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲,同時提供了多種數(shù)據(jù)訪問接口。服務(wù)層是系統(tǒng)的核心,主要有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各個服務(wù)構(gòu)成,主要包括控制數(shù)據(jù)管理服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、預(yù)警預(yù)報服務(wù)、用戶管理服務(wù)、項(xiàng)目管理服務(wù)等。最后便是終端層,主要用于為用戶提供交互終端,對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化,主要包括PC端、手機(jī)APP和監(jiān)控大屏。

2.2 監(jiān)測方案

根據(jù)滑坡的地質(zhì)特征和已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫、錯臺等宏觀特征,各監(jiān)測站位置設(shè)計如圖2所示,主要包括6個GNSS監(jiān)測站(其中包括1個GNSS監(jiān)測基站)和1個降雨量監(jiān)測站。DB01點(diǎn)位于主滑剖面上部的ZK102鉆孔旁,DB02點(diǎn)位于DB01以下支擋結(jié)構(gòu)以上的主滑剖面上,DB03、DB04、DB05三個監(jiān)測站分別位于第15、10、5號抗滑樁旁邊,降雨量監(jiān)測站也位于DB05監(jiān)測站旁,GNSS基站位于下側(cè)高速公路對面?；卤O(jiān)測采用的GNSS設(shè)備和數(shù)據(jù)采集儀為中南大學(xué)與湖南致力工程科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的SNS-PR2型GNSS解算接收機(jī)和DAQ-GUX01型通用數(shù)據(jù)采集儀,雨量計采用JFZ-01型數(shù)字雨量計,最終安裝效果如圖2左上角所示。

圖2 滑坡監(jiān)測傳感器位置分布

2.3 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)于2019年4月21日完成系統(tǒng)現(xiàn)場部分的調(diào)試,并于當(dāng)日在云端平臺收到了第一條監(jiān)測數(shù)據(jù),截至2020年10月1日,共采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)94 194條,其中GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)72 697條、降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)21 497條。各個GNSS監(jiān)測站和雨量監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測系統(tǒng)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析和計算,準(zhǔn)確識別了滑坡的每一次變形加速過程,并及時、自動地通過短信等方式通知了相關(guān)負(fù)責(zé)人員,起到了預(yù)警的作用,有效保障了下側(cè)高速公路的運(yùn)營安全。

3 變形特征與安全評價

3.1 滑坡變形特征

從圖3中可以看出,各個GNSS監(jiān)測站均發(fā)生了明顯的變形,其中DB01、DB02監(jiān)測站變形最明顯,累計變形量達(dá)2 m,表明DB01、DB02所在剖面為主滑剖面。從變形過程來看,主要包括四個變形過程。

第一個變形過程起始于2019年6月26日18時左右,于7月24日變形趨于穩(wěn)定。在此期間DB01、DB02監(jiān)測站累計變形均超過1 m,其余GNSS監(jiān)測站也均發(fā)生了60～120 mm的變形。7月24日現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)滑坡體多處出現(xiàn)裂縫和局部垮塌,排水溝出現(xiàn)嚴(yán)重變形。

第二個變形過程起始于2019年8月24日,在9月4日之后趨于穩(wěn)定,在這期間DB01和DB02變形分別增長了620 mm和500 mm,累計變形量增長到了1 800 mm左右,其他點(diǎn)變形不明顯,增長了20～30 mm。

第三個變形過程起始于2020年3月21日,在4月10日之后趨于穩(wěn)定,在這期間DB01和DB02變形分別增長了450 mm和350 mm,累計變形量增長到了2 100 mm左右,其他點(diǎn)變形不明顯,增長了20～30 mm。本次變形發(fā)生后于3月31日到滑坡現(xiàn)場進(jìn)行了巡查,坡腳已經(jīng)剪出,擋土墻已經(jīng)嚴(yán)重傾斜,多處出現(xiàn)新的裂縫和局部垮塌。

第四個變形過程起始于2020年6月6日,在6月14日之后趨于穩(wěn)定,此次變形過程相對于前三次變形過程不明顯,僅有DB01和DB02產(chǎn)生了60 mm左右的變形,其他點(diǎn)都未產(chǎn)生變形。

從這幾次變形過程看,每一次變形過程開始之前,均伴隨著持續(xù)性的、強(qiáng)度較高的降雨事件,因此推斷降雨是導(dǎo)致滑坡破壞的主要誘發(fā)因素。

3.2 滑坡安全綜合評價

從滑坡現(xiàn)場宏觀巡查情況看:滑坡現(xiàn)場出現(xiàn)多處錯臺和裂縫,裂縫寬度約在5～25 cm之間,可見深度0.5 m左右,寬大裂縫主要集中出現(xiàn)在滑坡頂部ZK101和ZK102鉆孔之間的坡面,并形成多處錯臺,錯臺高度0.3～1.5 m不等,呈弧形,長度達(dá)70 m。表明滑坡當(dāng)前仍處于蠕動變形過程。

從監(jiān)測結(jié)果看:各個地表GNSS監(jiān)測點(diǎn)在監(jiān)測期間均發(fā)生了較大的變形,其中主滑剖面上的DB01和DB02監(jiān)測點(diǎn)變形幅度最大。該滑坡的變形過程和降雨呈現(xiàn)明顯相關(guān)性,如不采取處置措施,推測未來的某些降雨事件仍會引起滑坡變形。

從巖土專業(yè)分析角度來看:滑坡為順層滑坡,巖土工程性質(zhì)不良,地質(zhì)環(huán)境較為脆弱。邊坡總體巖層產(chǎn)狀170°∠35°,線路走向210°,邊坡巖層走向與線路走向小夾角斜交。前期高速公路路塹邊坡施工開挖,在山腰形成人工邊坡,造成臨空面,加之坡體強(qiáng)風(fēng)化層厚度大,適逢雨季,經(jīng)雨水軟化與風(fēng)化作用使巖體強(qiáng)度下降產(chǎn)生塑性變形,在土層與強(qiáng)風(fēng)化界面產(chǎn)生位移形成土層滑坡;后期隨著下級邊坡進(jìn)一步開挖,臨空面加大,卸荷作用加劇,巖石節(jié)理裂隙面產(chǎn)生松動,塊體松弛呈松散碎塊狀,在強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)板與中風(fēng)化砂質(zhì)板巖間產(chǎn)生蠕滑,加之節(jié)理裂隙面連通,在雨水的作用下,層面巖石進(jìn)一步軟化,抗滑強(qiáng)度降低,產(chǎn)生位移形成較大規(guī)模的牽引式順層巖石滑坡。

綜上所述:該滑坡目前仍處于滑移變形階段,未來受降雨事件影響很可能加速變形過程,為保證下側(cè)高速公路的安全運(yùn)營,需要采取適宜的工程治理措施。

4 結(jié) 論

針對永吉高速DK0+585～DK0+780段右側(cè)滑坡建立了自動化的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),介紹了該監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成,設(shè)計了現(xiàn)場傳感器布設(shè)方案,系統(tǒng)通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時分析和計算,并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,得出以下結(jié)論。

(1)該邊坡的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、自動化的監(jiān)測預(yù)警,系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定、預(yù)警及時準(zhǔn)確,有效地保障了高速公路的運(yùn)營安全。

(2)該邊坡目前仍處于不穩(wěn)定狀態(tài),且主要誘發(fā)因素為降雨,如不進(jìn)行處置,未來受降雨事件影響仍會發(fā)生變形,在繼續(xù)開展監(jiān)測預(yù)警的同時,需要進(jìn)行適宜的工程治理。