邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在桐廬縣某工程中的應(yīng)用

余 忠，梅宗明，吳 博

（浙江省地礦建設(shè)有限公司，浙江·杭州 310012）

滑坡是我國(guó)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，浙江省地處東南沿海，由于各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)原因，滑坡地質(zhì)災(zāi)害危害較大[1-2]。近年來(lái)，浙江省發(fā)生多起重大滑坡災(zāi)害，均造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。2017年初，浙江省開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害隱患綜合治理“除險(xiǎn)安居”三年行動(dòng)，提出要積極完善地災(zāi)防控體系建設(shè)，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，強(qiáng)化避災(zāi)場(chǎng)所規(guī)范化建設(shè)管理，加強(qiáng)群眾基本生活保障措施[5]。

通常采用經(jīng)緯儀、全站儀等技術(shù)來(lái)實(shí)施對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)，然而傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法往往只能以人工方式間斷監(jiān)測(cè)，耗費(fèi)大量人力物力，受到氣候地形地貌等條件限制，而且數(shù)據(jù)處理工作量大，結(jié)果反饋滯后[6]。近年來(lái)，GPS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等飛速發(fā)展，使得邊坡監(jiān)測(cè)越來(lái)越向全天候、高精度、自動(dòng)化方向發(fā)展[7-8]。本文結(jié)合桐廬縣某地災(zāi)隱患治理工程施工過(guò)程中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹該系統(tǒng)的具體應(yīng)用并分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果。

1 工程概況

2015年3月，桐廬縣分水鎮(zhèn)城西村西塢后山出現(xiàn)滑坡隱患，坡腳擋土墻、格構(gòu)梁等變形，局部發(fā)生剪切破壞；邊坡后緣及兩側(cè)有斷續(xù)的拉張裂縫，坡腳多幢民房墻體開(kāi)裂、地面上拱開(kāi)裂，滑坡變形跡象明顯。后期在施工過(guò)程中，滑坡體局部也出現(xiàn)裂縫和垮塌。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件該滑坡在極端天氣引起的強(qiáng)降雨作用下，易發(fā)生失穩(wěn)下滑。該滑坡總方量26.73萬(wàn)m3，為中型滑坡，主滑方向140，正對(duì)著城西村，滑坡一旦失穩(wěn)，將威脅城西村56幢民居，村民62戶(hù)共計(jì)233人，直接威脅城西村小學(xué)，潛在經(jīng)濟(jì)損失在5000萬(wàn)元以上。在治理施工過(guò)程中，要監(jiān)測(cè)坡體的變形狀況，預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)坡體的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)為施工提供預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，保證人員的安全和治理工程的順利進(jìn)行，對(duì)可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保障坡下居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本滑坡采用：分級(jí)削坡減載+坡腳擋墻+墻后回填反壓+局部邊坡錨桿護(hù)坡+系統(tǒng)截排水工程+綠化生態(tài)防護(hù)。對(duì)滑坡體進(jìn)行削坡減載，自上而下共分為六級(jí)邊坡，削坡總方量20.44萬(wàn)m3，回填壓腳使用0.2萬(wàn)m3，外運(yùn)20.24萬(wàn)m3[9]。現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖1。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)圖片F(xiàn)ig.1 Aerial view (a) and picture (b) of construction site

2 項(xiàng)目自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)內(nèi)容為邊坡表面位移監(jiān)測(cè)、深部位移監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)以及邊坡裂縫監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目前期主要采用傳統(tǒng)的全站儀、測(cè)斜儀測(cè)量方法進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，但實(shí)踐表明，前期的人工監(jiān)測(cè)受天氣等因素影響大，需耗費(fèi)大量的人力物力，監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋滯后，監(jiān)測(cè)精度也不如自動(dòng)化監(jiān)測(cè)高。后期邊坡平臺(tái)形成后采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法[10]。

2.1 表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)

（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式對(duì)邊坡表面位移進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。其工作原理為：各GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與參考點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收GNSS信號(hào)，控制中心根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)算出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于：可不受地域限制隨時(shí)掌握滑坡體的監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)掌握滑坡體監(jiān)測(cè)預(yù)警信息；當(dāng)危險(xiǎn)源預(yù)警時(shí)，可通過(guò)手機(jī)接收預(yù)警信息，及時(shí)指揮應(yīng)急處置與救援；預(yù)留外網(wǎng)訪問(wèn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，如果需要可以開(kāi)放該端口，給上級(jí)安全監(jiān)督主管單位。

（2）設(shè)備選型

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況及所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并參照《全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量規(guī)范》，表面位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇上海某公司產(chǎn)監(jiān)測(cè)專(zhuān)用接收機(jī)和配套天線罩。該設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，能夠最大限度地滿足滑坡體、水庫(kù)大壩、尾礦壩、沉降等變形監(jiān)測(cè)的需要。

（3）施工安裝

開(kāi)挖基礎(chǔ)：在選定地址開(kāi)挖到堅(jiān)實(shí)土層（根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r確定），具體施工嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和規(guī)范要求施工。

鋼筋籠綁扎：鋼筋的加工、連接及安裝應(yīng)按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工；底座框架的尺寸為：高0.5m 1.2m見(jiàn)方的長(zhǎng)方體，底座鋼筋籠為兩層結(jié)構(gòu)，間距為30cm。

主體澆筑：觀測(cè)墩采用現(xiàn)澆混凝土加315mm高強(qiáng)度PVC套管施工工藝，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，水泥、石子、砂、水等須符合要求。

設(shè)備安裝：立柱澆筑結(jié)束時(shí)要安裝強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，并嚴(yán)格整平，并且預(yù)埋PVC管要貫通。立柱澆筑一周時(shí)間凝固后，進(jìn)行GNSS和機(jī)柜的安裝，采用全封閉式GNSS專(zhuān)用天線罩。觀測(cè)墩頂部裝強(qiáng)制對(duì)中器，頂端加工有5/8英制螺旋以固定GNSS天線。在機(jī)柜中，按數(shù)據(jù)傳輸路徑，分別安裝天線轉(zhuǎn)換器、GNSS接收機(jī)、串口服務(wù)器等。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成效果見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.2 Monitoring equipment

2.2 深部位移監(jiān)測(cè)

（1）深部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

深部位移采用全自動(dòng)化觀測(cè)，由多支固定式測(cè)斜儀（由測(cè)桿、導(dǎo)向輪、連接軟纜、傳輸電纜等組成）串聯(lián)裝在測(cè)斜管內(nèi)，通過(guò)裝在每個(gè)高程上的傾斜傳感器，測(cè)量出被測(cè)結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，以此將結(jié)構(gòu)物的變形曲線描述出來(lái)。同時(shí)其測(cè)值可計(jì)算出測(cè)桿標(biāo)距長(zhǎng)度500mm范圍內(nèi)的水平位移。固定式測(cè)斜儀可多支串聯(lián)組裝，亦可布設(shè)為一個(gè)測(cè)量單元獨(dú)立工作，并可回收重復(fù)使用。固定式測(cè)斜儀能方便地實(shí)現(xiàn)傾斜測(cè)量自動(dòng)化。軟件亦接入華測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)。

（2）施工安裝

測(cè)斜管的埋設(shè)的方法采用鉆機(jī)鉆孔。鉆孔：采用工程鉆探機(jī)，采用φ108mm鉆頭鉆孔，為了使管子順利地完裝到位一般都需比安裝深度深一些，它的原則是每10m多鉆深0.5m，以此類(lèi)推。

清孔：鉆頭鉆到預(yù)定位置后，不要立即提鉆，需把泵接到清水里向下灌清水，直至泥漿水變成清混水為止，再提鉆后立即安裝。

測(cè)斜管埋設(shè)：測(cè)斜管的安裝質(zhì)量是測(cè)試效果的關(guān)鍵，管子一般長(zhǎng)度為2m/根，連接的方法是采用插入連接法。管子安裝到位后，需要調(diào)正方向后才能回填。露在地表上的測(cè)斜管要注意做好保護(hù)，蓋上管蓋，防止物體落入。安裝完成后的測(cè)斜管要先用模擬測(cè)斜儀試放，保證模擬測(cè)斜儀順測(cè)斜管能順暢通過(guò)。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)軟件是由上海某公司針對(duì)滑坡、泥石流特征開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件。該監(jiān)測(cè)軟件web端為B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)即可查詢(xún)監(jiān)測(cè)情況；軟件功能多樣化，有表面位移監(jiān)測(cè)、內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)等19個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，用戶(hù)可根據(jù)具體情況在系統(tǒng)管理中選擇功能項(xiàng)目；軟件中監(jiān)測(cè)變化數(shù)據(jù)將直觀的用曲線的顯示出來(lái)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、變形自動(dòng)分析、自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警、自動(dòng)給出單次和累計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線圖及變形速率變化動(dòng)態(tài)曲線圖，并可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史回放、趨勢(shì)分析等。

根據(jù)監(jiān)測(cè)體的類(lèi)型、設(shè)計(jì)限差等設(shè)置不同級(jí)別的報(bào)警參數(shù)，自動(dòng)評(píng)估監(jiān)測(cè)體的安全狀況，按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)生成各監(jiān)測(cè)手段的報(bào)表，同時(shí)通過(guò)短信、郵件等方式自動(dòng)發(fā)給相關(guān)人員。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 表面位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況結(jié)合設(shè)計(jì)方案布設(shè)點(diǎn)位，共設(shè)計(jì)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)+1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址應(yīng)滿足監(jiān)測(cè)要求。由于施工階段影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在已成型平臺(tái)上。現(xiàn)階段已完成3個(gè)地表自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集（114m平臺(tái)一個(gè)，90m平臺(tái)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），編號(hào)分別為GNSS1、GNSS2、GNSS3，并在滑坡區(qū)外布設(shè)了一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（JZ01），如圖3所示。

圖3 表面位移與深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖Fig.3 Arrangement diagram of monitoring points of surface displacement and deep displacement

（2）數(shù)據(jù)及分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)GNSS1、GNSS2、GNSS3于2017年11月4日開(kāi)始取得數(shù)據(jù)，每間隔一小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，截至2018年1月12日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)GNSS1 GNSS2 GNSS3水平方向累計(jì)位移分別為1.2mm 0.8mm 1.4mm，垂直方向累計(jì)位移為1.0mm 0.6mm -1.6mm。總的來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)變化值較小，很多變化點(diǎn)可能是由于設(shè)備的系統(tǒng)誤差形成的。

從地表自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移—時(shí)間曲線（水平位移）來(lái)看（見(jiàn)圖4a），監(jiān)測(cè)期間最大水平位移量不超過(guò)8mm，數(shù)據(jù)最大值未超過(guò)預(yù)警值（設(shè)計(jì)報(bào)警值為30mm）。從地表自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移—時(shí)間曲線（垂直位移）來(lái)看（見(jiàn)圖4b），數(shù)據(jù)在曲線水平軸上下擺動(dòng)，監(jiān)測(cè)期間最大垂直位移量不超過(guò)14mm。

圖4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移-時(shí)間曲線（垂直位移）Fig.4 Surface monitoring points displacement - time curve

3.2 深部位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

根據(jù)邊坡的主滑方向，共布設(shè)2個(gè)深部位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)位于66平臺(tái)，另一個(gè)點(diǎn)位于58平臺(tái)下部，編號(hào)分別為：Inmv4，Inmv1，于2017年10月24日組網(wǎng)成功，并開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位布置如圖3。

（2）數(shù)據(jù)及分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)Inmv1，Inmv4每間隔一小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)，截止2018年1月12日20:00，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Inmv1最大累計(jì)位移出現(xiàn)在20m孔深處，最大位移量為-2.3mm，監(jiān)測(cè)點(diǎn)Inmv4最大累計(jì)位移均較小，這些數(shù)據(jù)均未超過(guò)報(bào)警值(監(jiān)測(cè)報(bào)警值為±5mm·15m-1)。見(jiàn)表1。

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)Inmv1、Inmv4時(shí)間—位移曲線看（圖5）：12月中旬開(kāi)始，深部位移孔Inmv1在10m深度開(kāi)始出現(xiàn)較小的位移，位移量均未超過(guò)4mm，其余深度在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)均未出現(xiàn)明顯位移；位移孔Inmv1在10m、20m深度有較小位移量。

表1 深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同深度位移量Table 1 Displacement of deep displacement monitoring point in different depth

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同深度時(shí)間—位移曲線Fig.5 Time-displacement curve of different depth in monitoring points

4 結(jié)語(yǔ)

邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在本項(xiàng)目中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全天候監(jiān)測(cè)預(yù)警，大大減輕了測(cè)量人員的工作量，減少數(shù)據(jù)處理等過(guò)程中的錯(cuò)誤。

總體來(lái)看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)較為穩(wěn)定，表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，位移無(wú)整體變大，曲線無(wú)明顯上翹，滑坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后其他山體滑坡施工及監(jiān)測(cè)提出如下建議：（1）在山體滑坡施工過(guò)程中，即使采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，遇到臺(tái)風(fēng)或強(qiáng)降雨天氣或出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)山體巡視、觀察，繼續(xù)開(kāi)展對(duì)滑坡的群測(cè)群防工作，密切關(guān)注滑坡體的變形趨勢(shì)；（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果的輸出表現(xiàn)形式需要進(jìn)一步優(yōu)化，特別是需要減少系統(tǒng)誤差對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，或者通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的處理減少曲線圖上的微小波動(dòng)；（3）在山體滑坡施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)監(jiān)測(cè)單位布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)，以免使變形值產(chǎn)生人為因素影響，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能真正反映坡體變形實(shí)際狀況。