邊坡應力遠程監測技術在山區公路中的應用研究

白寶君

(遼寧省新賓滿族自治縣交通運輸事業發展中心 撫順市 113200)

遼寧東部地區多山，公路依山而建，早期的公路邊坡監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展涌現了多種自動化的監測方法，如GPS位移監測法、合成孔徑雷達監測法、光纖光柵監測法、全站儀監測法等[1-3]。目前在交通領域較為常用的方法為GPS位移監測方法，其通過監測邊坡表層位移來實現對邊坡穩定性的監測。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。邊坡應力監測技術可以實時監測坡體內部應力變化情況，提早做出滑坡預警，彌補了GPS位移監測的缺點，適用于邊坡滑坡的中長期預警[4-6]。

1 邊坡應力遠程監測技術工作原理

邊坡內部應力可以超前于變形反映邊坡巖體穩定狀態的變化。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]。

根據力學原理，應力變化發生在物體變形之前，通過對邊坡內部的應力進行長期的實時的監測，可以及時反映邊坡內部的應力變化，從而預測到滑坡的產生。

系統監測模型如圖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，實現主動監測巖體應力。通過智能監測設備監測應力傳感器受到的應力，通過無線網絡將應力數據傳輸至監控中心。工作人員通過分析軟件進行分析，并對滑坡的發生進行預測[8]。

圖1 邊坡應力監測原理示意圖

2 邊坡應力遠程監測系統組成

邊坡遠程監測系統由錨固系統、應力監測與通信系統和信息處理系統三部分組成。系統組成示意圖如圖2所示。

圖2 系統組成示意圖

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

應力監測與通信系統：由監測主機、供電系統兩部分構成。監測主機具有接收指令，執行監測命令并把監測到的數據通過公用無線通信網絡傳輸給信息處理系統。供電系統由太陽能電池板和蓄電池組成。

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

3 邊坡遠程監測技術的實施

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，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(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部應力變化情況，需對錨索施加預應力。根據經驗，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 監測點的布置

監測點的布置根據邊坡坡體大小、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，將監測點布置在滑動影響范圍內的典型位置。通常每30m至50m設置一個監測點，多個監測點構成監測線。

3.4 智能監測設備安裝與數據處理

應力監測與通信系統采用多周期測量法測量應力傳感器的頻率值，根據廠家標定公式自動將頻率值轉換為應力值，并通過GSM網絡將測量數據發至服務器。系統采用太陽能系統供電，20W電池板及12V、7AH鉛酸蓄電池供電，可以實現充滿一次電，系統可正常工作15d。

數據的記錄和處理由監測軟件自動完成，通過對數據進行分析處理，計算出應力值和應力變化曲線，并進行預警分析，實現藍、黃、橙、紅四級預警。

4 邊坡應力遠程監測技術應用實例

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

圖3 錨索施工圖

圖4 現場點位圖

系統進行長時間滑坡監測，系統每8h測量一次數據，可以根據應力變化情況，遠程實時調整測量時間間隔，通過持續的監測，取得了大量的監測數據。

由圖5可以看出，4個監測點位的監測值有差異，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”即應力松弛現象導致的，屬于正常現象。總體來看，監測點運行較為平穩，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，表現的尤為明顯。3號監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，數據恢復正常。綜合考慮各點的監測曲線趨勢，可見，監測曲線平穩，曲線的波動符合客觀規律，該坡體目前處于較為穩定狀態，滑坡發生概率很低。

圖5 監測數據曲線圖

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

5 結論

邊坡應力遠程監測技術通過錨索獲得坡體內部應力變化的規律，具有遠程、自動采集、無線傳輸等優點，彌補了GPS位移監測的不足，可以實現滑坡的長期監測和預警。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測的效率和自動化、智能化水平，目前已經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，取得了較好的經濟效益和社會效益。

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