自動化監測預警系統在邊坡監測工程中的應用

尹 萍

0 引言

我省地質構造復雜，具有地質災害多發易發的環境基礎，是全國地質災害最嚴重的省份之一，地質災害防治任務十分繁重。特別是由于地質災害的復雜性及氣候和季節的地區差異性，地質災害風險預警理論方法尚不成熟，較高的空報率已經成為地質災害預警預報研究的一個瓶頸，同時也制約了行政管理部門的監測預警和應急管理工作。為貫徹落實《湖南省人民政府關于進一步加強地質災害防治工作的意見》（湘政發〔2018〕12號）關于推動科技創新，鼓勵開展地質災害形成機理、成災模式、早期識別科學研究，加快研發地質災害天空地一體化、臨災快速監測、微形變監測預警技術的具體要求，因此，本文將開展研究自動化邊坡監測系統，隨時隨地掌握邊坡形變情況，根據監測數據結果及時分析邊坡穩定性并提前采取有效措施，為下一步邊坡治理設計提供重要的依據。

1 自動化監測系統概述

自動化監測邊坡系統是由數據采集裝置（視頻監測、水位監測、地表位移監測、應力應變監測、深部位移監測、雨量監測）、數據處理中心、監控中心等設施組成如圖1所示。

圖1

1.1 監測內容及方法

根據有關規范，結合及實際工程案例應建立以地表變形、地下水位的立體監測系統、深部位移、裂縫位錯，監控滑坡整體變形。按此原則，根據監測設計方案實際情況需要，本次監測的主要工作內容有：宏觀地質調查、地下水位監測、邊坡深部位移監測等。

1.1.1 地表位移監測

地表位移監測是指在能反應邊坡變形動態的位置布置地表位移監測點，可采用極坐標法、角度交會、邊角網、GPS等方法。通過采集數據、處理分析坡面幾何外觀的變化，繪制坡面各點水平向位移變化及豎直向位移變化情況，從而了解邊坡滑動范圍和滑動規模情況，及時提供預警信息，這是一種最直接的宏觀監測技術方法。地表位移監測內容包括邊坡地表的平面位移及沉降監測，變形速率，其中邊坡的地表位移監測采用GPS連續自動監測系統進行監測；為評價邊坡穩定性提供依據。

1.1.2 邊坡深部位移監測

采用滑移式測斜儀法可以對邊坡巖土體內部滑動面位移矢量的進行監測。在鉆孔內埋設測斜管設備，用測斜儀測量測斜管隨巖土體深部位移及方向，觀測巖土體深部位移隨鉆孔深度逐點連續的位移變化，由此生成位移-深度關系曲線圖，通過該曲線圖找到滑動面的準確位置，進一步判斷滑動面的位移、大小及位移速率，做到實時監控及合理指導施工。

1.1.3 地下水位動態監測

利用原有勘察鉆孔或監測工作增加的鉆孔中，對鉆孔地下水位進行測量，觀測地下水位變化、降雨及深部位移變化的關系，評價地下水位對位移的影響及邊坡排水系統的有效性。

1.1.4 地表裂縫位錯監測

對存在于地表的滑坡裂縫進行位錯監測，采用裂縫兩側埋設觀測樁，采用鋼尺定期測量的方法（也可采用裂縫計），最直觀和快速的監測技術手段，使用設備監測滑坡裂縫大小、方向，主要針對正在治理的邊坡，對施工安全監控起到預報作用。

1.1.5 宏觀地質調查

宏觀地質調查法是采用常規的邊坡變形形跡追蹤地質調查方法，該調查法是在變化明顯位置設固定點，定期現場巡查。

2 監測數據處理及分析

2.1 地表巡視情況

圖2 CX02的X方向累積位移-深度曲線

圖3 CX02的Y方向累積位移-深度曲線

2019年9月6日開始進場進行該邊坡監測工作，9月5日，在地表巡視過程中發現，ZK5附近順路基方向一米處發現一條裂縫，后緣滑壁貫通較好，呈弧形連續，長達約120 m，大里程端與垮塌坡口貫通，寬約15 cm，錯高10 cm，剪出口位于B匝道范圍內，沿剪出口上緣地面見有明顯的扇形裂縫與鼓脹裂縫，勘察時見到該剪出口與隆起呈明顯發展趨勢。9月18日，在滑坡壁后約18 m地帶，又發現有新的牽引裂縫產生，當時觀測縫寬僅2-3 mm，可見長度僅3 m，說明滑坡中上部具有牽引式滑坡特征，且仍在發展過程中。9月28日，滑坡后壁變化明顯，裂縫已寬約30 cm，錯高約10-40 cm，剪出口發生明顯鼓脹及反翹剪出，該滑坡前緣具有推移式特征。

2.2 深部位移監測結果

測斜管底部置于穩定地層，該點作為水平位移為零點，各點累積位移即相對于孔底位移的累積值，根據測斜管測槽的方向，將位移分為X方向（主滑方向）位移和Y方向位移及合位移方向（X、Y方向的矢量和）。位移方向規定如下：滑移式深部位移監測點，X方向為垂直線路方向，正方向指向坡體下方，為主滑方向，Y方向為平行線路走向，正方向指向起點方向，根據這兩個方向的位移可計算合位移方向的累積位移。根據X、Y、合位移方向位移，可推測滑動面深度、位移大小及位移速率。根據深部位移監測數據分析，可得到各個深部位移監測孔的累積位移位移—深度曲線圖。以2019-9-1作為初始日期，計算至2019-9-30本次監測期間的各監測孔各周期的累積位移，繪制累積深部位移-深度時間曲線圖如下。

2.3 深部位移監測結果分析

監測初期滑坡周界以內監測孔CX02由于坡體位移速度快，滑動變形過大而在成孔后不久即相繼被破壞，CX02監測孔于2019年9月5日開始深部位移監測，監測深部位移數據顯示在孔深15m位置發生位移突變，可推斷該處的滑動面深度為15 m，至2019年9月10日，該孔X方向累積位移最大為131 mm，Y方向累積位移最大為68.19 mm，累積合位移量為147.7 mm，平均位移速度達24.3 mm/d。

圖4 CX02的U方向累積位移-深度曲線

2.4 結合地表巡視、深部位移監測結果、地下水位監測及現有地質資料綜合分析

（1）滑坡機理：邊坡上部開挖，卸荷松動，開挖的路塹邊坡向臨空面方向位移變形；邊坡開挖揭露到泥巖部位，泥巖暴露大氣后，強度易衰變，并且泥巖層面為外傾的順層面，開挖的路塹邊坡開始蠕滑并逐步發展為順泥巖層面的局部滑坡，前緣局部滑坡牽引上部坡體變形，形成更大滑坡；滑坡產生的巨大推力，推擠前部巖土體，在前面滑坡的前緣地帶形成推移式滑坡，滑坡由目前開挖的前部最低地面反翹剪出。前緣推移滑坡的滑動，導致后緣原牽引淺滑坡前緣支撐急劇減弱，反過來加劇了后緣牽引滑坡。綜上所述，該滑坡首先為牽引式滑坡，而后對前緣形成推移式滑坡，之后牽引-推移相互推進，造成滑坡的迅速發展。

（2）該邊坡的穩定性極差，現狀滑坡仍處在快速的變形階段。

3 結束語

本文基于自動化監測系統、多傳感器監測等關鍵技術，利用現代監測數據傳輸體系建立自動化邊坡監測系統，可以對邊坡變形數據進行對比分析，及時反映出變形部位，并推斷出滑動面深度位置，確保了邊坡及周邊安全，實現了滑坡監測的智能化管理。本系統解決了傳統的監測效率，精度低的問題，有效提高了監測效率，保障了監測人員的人身財產安全，通過工程案例監測數據驗證了系統監測數據可靠，信號穩定，能夠有效指導工程施工及合理設計，達到資源充分合理利用。