邊坡應力遠程監(jiān)測技術在山區(qū)公路中的應用研究

白寶君

(遼寧省新賓滿族自治縣交通運輸事業(yè)發(fā)展中心 撫順市 113200)

遼寧東部地區(qū)多山，公路依山而建，早期的公路邊坡監(jiān)測主要依靠人員定期巡查，人工觀察坡體變形情況，費時費力。近年來隨著電子通信技術的發(fā)展涌現(xiàn)了多種自動化的監(jiān)測方法，如GPS位移監(jiān)測法、合成孔徑雷達監(jiān)測法、光纖光柵監(jiān)測法、全站儀監(jiān)測法等[1-3]。目前在交通領域較為常用的方法為GPS位移監(jiān)測方法，其通過監(jiān)測邊坡表層位移來實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測。但這種方法僅能在邊坡坡體變形之后才進行預判，具有一定的滯后性，適用于中短期預警。邊坡應力監(jiān)測技術可以實時監(jiān)測坡體內(nèi)部應力變化情況，提早做出滑坡預警，彌補了GPS位移監(jiān)測的缺點，適用于邊坡滑坡的中長期預警[4-6]。

1 邊坡應力遠程監(jiān)測技術工作原理

邊坡內(nèi)部應力可以超前于變形反映邊坡巖體穩(wěn)定狀態(tài)的變化。當滑體中的剪切力大于滑床對其抗剪強度邊坡就會產(chǎn)生變形。隨著滑體與滑床之間的裂隙逐步加深，滑體積聚的能量增多，產(chǎn)生的剪切力逐漸增大，當該力超過滑動面處巖體的抗剪強度時，滑體就會沿滑動面下滑，形成滑坡[7]。

根據(jù)力學原理，應力變化發(fā)生在物體變形之前，通過對邊坡內(nèi)部的應力進行長期的實時的監(jiān)測，可以及時反映邊坡內(nèi)部的應力變化，從而預測到滑坡的產(chǎn)生。

系統(tǒng)監(jiān)測模型如圖1所示。首先在滑床上安裝錨索，錨索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，錨索牢牢地錨固于穩(wěn)定的基巖中，確保錨固端固定。一旦滑體有下滑趨勢，錨索中的應力將發(fā)生變化。錨索的另外一端安裝應力傳感器，并進行錨索張拉，給錨索施加一定的預應力，實現(xiàn)主動監(jiān)測巖體應力。通過智能監(jiān)測設備監(jiān)測應力傳感器受到的應力，通過無線網(wǎng)絡將應力數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。工作人員通過分析軟件進行分析，并對滑坡的發(fā)生進行預測[8]。

圖1 邊坡應力監(jiān)測原理示意圖

2 邊坡應力遠程監(jiān)測系統(tǒng)組成

邊坡遠程監(jiān)測系統(tǒng)由錨固系統(tǒng)、應力監(jiān)測與通信系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

錨固系統(tǒng)：錨固系統(tǒng)包括錨索和錨具兩部分組成，邊坡應力遠程監(jiān)測系統(tǒng)在傳統(tǒng)的錨固系統(tǒng)的基礎上增加了應力傳感器。

應力監(jiān)測與通信系統(tǒng)：由監(jiān)測主機、供電系統(tǒng)兩部分構成。監(jiān)測主機具有接收指令，執(zhí)行監(jiān)測命令并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過公用無線通信網(wǎng)絡傳輸給信息處理系統(tǒng)。供電系統(tǒng)由太陽能電池板和蓄電池組成。

信息處理系統(tǒng)根據(jù)用戶的設定參數(shù)對數(shù)據(jù)進行采集，對數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出應力值和應力變化曲線，通過數(shù)據(jù)或曲線圖的方式進行顯示。信息處理系統(tǒng)由計算機和通信終端組成。計算機上安裝數(shù)據(jù)接收軟件和系統(tǒng)分析軟件，對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析并提供預警。

3 邊坡遠程監(jiān)測技術的實施

3.1 錨固長度的確定

錨索由固定在滑床中的錨固段和位于滑體中的自由段組成。錨索監(jiān)測的前提是:當滑體有下滑趨勢時，錨索的應力有所變化，因而要求錨固段必須牢牢地錨固在滑床中。

錨索錨固長度由式(1)和式(2)計算得到，錨索錨固長度選擇二者的最大值[9]。

(1)

(2)

式中:La—按照砂漿與預應力筋粘結強度計算的錨固段長度(單位:mm);

K—錨索安全系數(shù)，取值范圍1.5～2.0;

Nt—錨索設計荷載(單位:N);

d—預應力筋外徑(單位:mm);

n—預應力筋根數(shù)(單位:根);

τa—砂漿與預應力筋粘結強度(單位:MPa);

Lb—按錨固體砂漿與孔壁巖石粘結強度計算的錨固段長度(單位:mm);

D—錨索鉆孔直徑(單位:mm)；

τb—砂漿與孔壁巖石粘結強度(單位:MPa)。

工程中，通常取K為2.0，τa為3.25MPa，τb為0.66MPa，錨索鋼絞線選用Ф15.24mm低松弛鋼絞線，其標準抗拉強度為1860MPa，若錨索由6根鋼絞線組成，d為15.24mm，n取6，D取100mm。計算得La≈2m，Lb≈8.8m。根據(jù)計算結果，本設計錨固段長度為8.5m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下應不小于10m。

3.2 錨索預應力大小的確定

為了能夠使錨索的應力能夠更好地反映邊坡內(nèi)部應力變化情況，需對錨索施加預應力。根據(jù)經(jīng)驗，預應力值通常取錨索最大載荷的0.2～0.5倍。

即：po=(0.25～0.5)pmax

(3)

式中：po—錨索預應力(單位:kN);

pmax—錨索最大載荷(單位:kN);

工程中，pmax為應力傳感器的最大量程，通常分為1000kN和800kN兩種，錨索初始施加的預應力設計為300kN至400kN。

3.3 監(jiān)測點的布置

監(jiān)測點的布置根據(jù)邊坡坡體大小、巖石種類、坡體高度以及地質條件等實際情況靈活設置，并結合分析巖體變形及潛在滑坡區(qū)，將監(jiān)測點布置在滑動影響范圍內(nèi)的典型位置。通常每30m至50m設置一個監(jiān)測點，多個監(jiān)測點構成監(jiān)測線。

3.4 智能監(jiān)測設備安裝與數(shù)據(jù)處理

應力監(jiān)測與通信系統(tǒng)采用多周期測量法測量應力傳感器的頻率值，根據(jù)廠家標定公式自動將頻率值轉換為應力值，并通過GSM網(wǎng)絡將測量數(shù)據(jù)發(fā)至服務器。系統(tǒng)采用太陽能系統(tǒng)供電，20W電池板及12V、7AH鉛酸蓄電池供電，可以實現(xiàn)充滿一次電，系統(tǒng)可正常工作15d。

數(shù)據(jù)的記錄和處理由監(jiān)測軟件自動完成，通過對數(shù)據(jù)進行分析處理，計算出應力值和應力變化曲線，并進行預警分析，實現(xiàn)藍、黃、橙、紅四級預警。

4 邊坡應力遠程監(jiān)測技術應用實例

在某地安裝了應力監(jiān)測系統(tǒng)，設置監(jiān)測點4個，在坡底每80m布置1個監(jiān)測點，構成監(jiān)測線，錨索施工如圖3所示，現(xiàn)場點位如圖4所示。

圖3 錨索施工圖

圖4 現(xiàn)場點位圖

系統(tǒng)進行長時間滑坡監(jiān)測，系統(tǒng)每8h測量一次數(shù)據(jù)，可以根據(jù)應力變化情況，遠程實時調(diào)整測量時間間隔，通過持續(xù)的監(jiān)測，取得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出，4個監(jiān)測點位的監(jiān)測值有差異，原因是不同的點位預應力設置值不同，而且預應力施加后，不同的點位存在不同的“掉噸”即應力松弛現(xiàn)象導致的，屬于正常現(xiàn)象。總體來看，監(jiān)測點運行較為平穩(wěn)，在冬季(11月至3月)應力值變低，原因是冬季邊坡中水分連接泥土形成凍土，邊坡滑動力變小。其中3號點附近有水系，表現(xiàn)的尤為明顯。3號監(jiān)測點圖中的直線部分是由于設備故障，受疫情影響，人員無法前去維修導致，2020年5月份維修后，數(shù)據(jù)恢復正常。綜合考慮各點的監(jiān)測曲線趨勢，可見，監(jiān)測曲線平穩(wěn)，曲線的波動符合客觀規(guī)律，該坡體目前處于較為穩(wěn)定狀態(tài)，滑坡發(fā)生概率很低。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

如果應力值出現(xiàn)緩慢上升，說明邊坡內(nèi)部應力在聚集，需要加大監(jiān)測頻率；如果應力曲線出現(xiàn)快速上升，而且加速度越來越大，則說明邊坡穩(wěn)定程度下降，滑坡概率增加，需要結合現(xiàn)場裂縫等現(xiàn)象做出滑坡預警。

5 結論

邊坡應力遠程監(jiān)測技術通過錨索獲得坡體內(nèi)部應力變化的規(guī)律，具有遠程、自動采集、無線傳輸?shù)葍?yōu)點，彌補了GPS位移監(jiān)測的不足，可以實現(xiàn)滑坡的長期監(jiān)測和預警。該技術涉及地質、土木工程、電子、通信、計算機等諸多學科，是多種技術交叉融合應用的成果，該技術的應用提高了邊坡監(jiān)測的效率和自動化、智能化水平，目前已經(jīng)在阜新市海州礦國家地質公園和撫順市西露天礦等地應用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

以邊坡應力遠程監(jiān)測技術為實踐主體的“面向特定環(huán)境下工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控的無線網(wǎng)絡關鍵技術研究與實踐”項目獲得中國商業(yè)聯(lián)合會2020年科技進步二等獎，該技術應用有助于提高公路邊坡監(jiān)測水平，在山區(qū)公路邊坡治理中有廣闊的應用前景。