土壓力計在滑坡監測中的應用研究

王蘇婭

(西安鐵路職業技術學院 機電工程學院，陜西 西安 710026)

0 引 言

在以往的滑坡治理工程監測中，主要采用人工觀測、巡查記錄等方法[1]。隨著科技的發展，北斗在線監測滑坡系統開始逐步推廣應用[2-5]。北斗在線監測滑坡系統現場核心設備包括表面位移傳感器、深孔位移傳感器、水位監測儀和雨量監測儀，通過對采集的數據進行監測與綜合分析，實時監測滑坡體的穩定性。目前，在北斗在線監測滑坡系統中布設土壓力盒，利用土壓力數據進行滑坡監測的工程極少。

1 北斗在線監測滑坡系統

北斗在線監測滑坡系統主要分為以下3個部分：數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據分析及管理子系統。其中，數據采集子系統主要是安裝在現場的儀器；數據傳輸子系統采用光纖、無線網絡搭建形成；數據分析及管理子系統能夠實現智能化解算、分析、處理、預警。

由于土壓力盒在北斗在線監測滑坡系統中應用極少，因此本項目在安裝表面位移傳感器、深孔位移傳感器、水位監測儀、雨量監測儀的基礎上增加土壓力盒，依靠土壓力數據對滑坡進行監測，并與位移設備監測結果進行對比，驗證土壓力數據監測在北斗在線監測滑坡系統中的可靠性。

2 工程應用

2.1 工程概況

湫坡頭(陜甘界)至旬邑高速公路支黨河特大橋位于黃土溝壑地區。且經過滑坡區，為保證橋梁施工及成橋后的安全，采用北斗在線監測系統對滑坡體的變形及位移進行實時監控，并以土壓力盒作為主要的監測儀器設備。

2.2 土壓力盒及其布設

土壓力盒能夠用于長期測量路堤或者其他結構物等內部土體的壓應力，可以監測土壓力的變化，同時還可以測量埋設點的溫度。土壓力盒結構簡單(圖1)，測值穩定，方便安裝在需要長期監測土類物質壓應力的任何場合，其技術指標如表1所示。

圖1 土壓力盒

表1 土壓力盒的技術指標

土壓力計需要埋設在擋土墻或者橋墩受力面，因此本項目將土壓力計分別安裝于10#墩臺和11#墩臺南面，每個墩位各4個。具體情況如下：11#墩臺的土壓力計分別位于東側下方、東側上方、西側下方、西側上方；10#墩臺的土壓力計分別位于東側下方、東側上方、西側下方、西側上方。土壓力盒及附件安裝如圖2、3所示。

圖2 土壓力盒安裝

圖3 采集模塊等附件安裝

2.3 供電及通訊等系統安裝

由于滑坡監測點在山區位置較高的地方，采用市電施工難度及成本非常大，故本監測系統的監測點設備采用太陽能供電方式。

按統一規劃，將設備安裝在設備箱中，為其提供12 V電源，數據接口與監測主機相連，若有其他數據需要傳輸時，只需要將設備的網口和相應設備的網口連接即可。由于設備箱具有信號屏蔽作用，需要將設備的天線通過SMA口引到設備箱外部，并固定在設備頂部，完成安裝，如圖4所示。

圖4 3G/4G路由器連接

由于基站的安裝位置都比較高，因此在天線的上端安裝避雷針進行防護是十分必要的。如果基站周圍已經安裝能夠有效保護基站的避雷針，則無須再安裝。

3 土壓力監測情況及數據分析

土壓力計作為監測設備，為監測區內出現異常情況時提供有力的數據支撐。選取10#墩臺2020年5月的監測數據進行分析。部分數據如表2所示，土壓力監測曲線如圖5所示。

表2 10#墩臺土壓力監測值統計

圖5 10#墩臺土壓力監測曲線

分析上述圖表數據可知，10#墩臺的4個土壓力計監測值比較穩定。

從2020年5月的數據可以看出，10#墩臺的土壓力計數據穩定，但是單月數據還不足以說明該滑坡體的穩定性，因此選取10#墩臺2018年8月至2020年5月的土壓力監測曲線進行分析(圖6)。

圖6 2018年8月至2020年5月10#墩臺土壓力監測

從圖6曲線走勢能夠發現，該時段內土壓力監測曲線整體較平緩，未出現較大波動，說明該滑坡體比較穩定。

綜上分析可以得出：土壓力數據比較穩定，未見特殊情況，表明滑坡體整體穩定。

4 可靠性對比分析

土壓力計首次應用于北斗在線監測滑坡系統中，其可靠性還需要通過與位移比較進行驗證。該系統在布設過程中同步設置了表面位移計。

表面位移監測在2020年5月的監測天數為31 d。位移由X軸、Y軸、H軸組成，月變化量由2020年5月31日的累計變化量減去2020年4月30日的累計變化量所得。

4.1 X軸方向數據分析

X軸方向的監測數據以日為單位，變化值為縱坐標，時間為橫坐標。變化量為正表示向北，為負表示向南。表面位移監測點X軸方向的監測數據如圖7所示。

根據X軸監測數據，GC04由4月底的3.75 mm變為5月底的6.93 mm，月變化量為3.18 mm，日變化率為0.103 0 mm·d-1(4月份為0.075 7 mm·d-1)，小于規范要求(4 mm·d-1)；GC01由4月底的-3.82 mm變為-2.46 mm，月變化量為1.36 mm，處于穩定狀態。各監測點變化速率都很小，可以認定邊坡穩定，結論為：表面位移計X軸方向穩定，無異常。

4.2 Y軸方向數據分析

Y軸方向的監測數據以日為單位，時間為橫坐標，變化值為縱坐標。變化量為正表示向東，為負表示向西。表面位移監測點Y軸方向日變形量監測數據如圖8所示。

圖7 表面位移監測點X軸方向日累計變化量

圖8 表面位移監測點Y軸方向日累計變化量

根據Y軸監測數據，GC04點由4月底的-12.16 mm變為-11.13 mm，月變化量為1.03 mm，日變化率為0.033 mm·d-1(4月份為0.034 mm·d-1)，小于規范要求，GC07點由4月底的4.10 mm變為1.74 mm，月變化量為-2.36 mm，處于穩定狀態。各監測點變化速率不大，可以認定邊坡穩定，結論為：表面位移計Y軸方向穩定，無異常。

4.3 H軸方向數據分析

H軸方向的監測數據以日為單位，時間為橫坐標，變化值為縱坐標。表面位移監測點Y軸方向的日變化量監測數據如圖9所示。

圖9 表面位移監測點H軸方向日累計形變量

由以上數據變化，各監測點H軸方向累計變化量均小于60 mm，變化速率均小于6 mm·d-1，沒有超過預警值的情況。其中GC05的累計變化量為-24.88 m，月變化量為0.78 mm(4月為4.26 mm)，變化速率為0.025 mm·d-1；GC01的累計變化量為-13.51 mm，月變化量為3.88 mm(4月為3.54 mm)，變化速率為0.125 mm·d-1；GC07的累計變化量為8.30 mm，月變化量為-4.41 mm(4月為3.78 mm)，變化速率為0.142 mm·d-1。GC05、GC01和GC07的水平位移沒有明顯變化，后續繼續觀察該點位。通過分析鉛垂方向位移數據，得出邊坡體未見異常。

4.4 點位偏移及變形速率

2018年5月至2020年5月表面位移監測水平方向的日累計變化量監測曲線如圖10所示。

圖10 2018年5月至2020年5月表面位移監測

GPS設備本身的標稱精度導致測量存在微小誤差，但是從上面數據可以看出，各監測點水平累計變化量均小于40 mm；水平位移變化速率最大為0.108 mm·d-1，其次為0.091 mm·d-1，經過后續繼續觀察，各監測點均遠小于規范中要求的4 mm·d-1。通過表面位移分析，得出結論：邊坡體表面未見異常或滑動跡象。

土壓力計監測結果和表面位移監測結果基本一致，該滑坡體穩定，說明土壓力計在北斗在線監測滑坡系統中的可靠性較好。

5 結 語

(1)通過布設土壓力計，對滑坡體的安全穩定性進行監測，結果表明，該滑坡體表面未見異常或滑動跡象。

(2)采用土壓力計對滑坡體安全穩定性進行監測，其結果與表面位移監測結果基本一致，可靠性較好。

(3)建議將土壓力監測結果與深部位移等數據進行對比分析，進一步驗證土壓力計監測的可靠性。