GNSS地表變形監(jiān)測與內(nèi)部傾斜監(jiān)測在滑坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

李志鵬，李侑軍，巫雪瀟

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

監(jiān)測技術(shù)是滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治手段中的重要方法，滑坡監(jiān)測方法按照監(jiān)測內(nèi)容來分主要包括地表變形監(jiān)測、內(nèi)部變形監(jiān)測、環(huán)境因素監(jiān)測及人工巡視監(jiān)測等[1]。本文以廣西某公路滑坡為依托，運(yùn)用GNSS(Global Navigation Satellite System全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))地表變形監(jiān)測及內(nèi)部傾斜監(jiān)測手段，對(duì)該公路滑坡開展變形監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，并與滑坡地質(zhì)勘察等資料相互驗(yàn)證，為滑坡處置提供依據(jù)。

1 監(jiān)測方法及原理

1.1 GNSS地表變形監(jiān)測

GNSS地表變形監(jiān)測是滑坡地表變形監(jiān)測的常用方法，主要基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的定位，從而對(duì)地球表面的空間對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)空間位置動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測[1]。其工作原理是利用數(shù)據(jù)傳輸裝置將各監(jiān)測點(diǎn)及參考點(diǎn)的GNSS實(shí)時(shí)信息發(fā)射到監(jiān)測平臺(tái)控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算獲得三維坐標(biāo)信息，將其與初始坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，可得出監(jiān)測點(diǎn)位移變化值，參照對(duì)比預(yù)警值即可進(jìn)行預(yù)警[2]。GNSS地表變形監(jiān)測相較于傳統(tǒng)大地測量法，具有投入快、觀測點(diǎn)中間不受地形通視條件限制以及選點(diǎn)方便等優(yōu)勢，在滑坡不同變形階段均較適用，尤其對(duì)于突發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害，可快速投入應(yīng)用進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測地表變形發(fā)展趨勢，及時(shí)預(yù)警。

1.2 內(nèi)部傾斜監(jiān)測

內(nèi)部傾斜監(jiān)測是滑坡內(nèi)部變形監(jiān)測方法之一，主要利用測斜儀逐段測量鉆孔各段斜率以獲得巖土體內(nèi)部水平位移及其隨時(shí)間變化位移，進(jìn)而分析滑體內(nèi)各深度變形特征及判斷滑面位置，其主要應(yīng)用于滑坡發(fā)生初期[1]。鉆孔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器探頭、測斜導(dǎo)管、測讀設(shè)備等[3]。其主要工作原理為：將內(nèi)壁帶有2組凹槽的測斜管安置于待監(jiān)測孔中，待回填灌注適當(dāng)規(guī)格砂漿后與巖土體耦合，測斜導(dǎo)管將隨巖土體變形、位移而產(chǎn)生相應(yīng)形變；測量時(shí)由電纜懸吊探頭隨導(dǎo)輪引導(dǎo)在測斜管凹槽內(nèi)以固定測讀間距滑動(dòng)，逐段測量測斜管與鉛垂線夾角，獲得各段水平方向的位移量，以底部為基準(zhǔn)向上逐步累積變形即可獲得整個(gè)測斜管不同深度水平位移量[3]。通常測量2組相互垂直方向(OA、OB)的位移，通過矢量疊加可獲得監(jiān)測孔各深度處的合成矢量位移。每孔監(jiān)測時(shí)將探頭旋轉(zhuǎn)180°反方向測量一次，取其平均值作為觀測數(shù)據(jù)以降低儀器誤差及溫差影響。

滑動(dòng)式鉆孔測斜儀具有精度高、性能可靠、穩(wěn)定性好、測讀方便等特點(diǎn)，其可利用勘察鉆孔布設(shè)，具有較大應(yīng)用優(yōu)勢。相較于滑坡地表位移監(jiān)測，內(nèi)部傾斜監(jiān)測能更深層次地反映滑坡各深度變形特征，可較及時(shí)準(zhǔn)確地判斷各級(jí)滑面深度，并先于地表變形監(jiān)測觀測滑坡是否滑動(dòng)，對(duì)綜合分析滑坡的穩(wěn)定性有重要輔助作用。

2 滑坡地質(zhì)災(zāi)害概況

2018-08-04，廣西某公路在強(qiáng)降雨、施工開挖等因素影響下，公路上方不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)較大變形，導(dǎo)致上方3戶民房出現(xiàn)基礎(chǔ)變形、墻體開裂和部分硬化村道下沉開裂等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)調(diào)查，滑坡區(qū)域所處地貌類型為中低山斜坡地貌，坡體地層巖性為第四系殘坡積(Qel+dl)粉質(zhì)黏土和三疊系中統(tǒng)(T2)全-中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，主產(chǎn)狀260°∠27°。滑坡區(qū)東面100 m處發(fā)育一走向北東-南西向壓扭性斷層，傾向北西，傾角約45°～60°。滑坡體長200 m，寬70～110 m，面積約12 500 m2，滑體平均厚度為15～20 m，前后緣高差為110 m，潛在滑坡體積約25萬m2，屬中型滑坡[4]。

3 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

該公路不穩(wěn)定斜坡發(fā)生滑坡變形后，在應(yīng)急處置階段即采用了GNSS地表變形監(jiān)測觀測滑坡地表裂縫變形情況，并對(duì)滑坡初期變形發(fā)展趨勢進(jìn)行分析預(yù)警；在后續(xù)勘察設(shè)計(jì)階段采用了內(nèi)部傾斜監(jiān)測，利用鉆孔測斜儀觀測滑坡體由淺到深的位移量、變形速率等，綜合分析判斷滑面位置。

3.1 GNSS地表變形監(jiān)測

3.1.1 地表變形監(jiān)測方案

監(jiān)測點(diǎn)位：監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)選擇滑坡后緣帶附近房屋及道路側(cè)，沿后緣裂縫帶共布設(shè)5處，監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)為1#～5#。監(jiān)測頻率：每日2次，逢降雨期間適當(dāng)加密。監(jiān)測周期：2018-08-08至2018-08-20，持續(xù)觀測約2周至地表變形趨緩。

3.1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2018-08-08初次觀測5處監(jiān)測點(diǎn)裂縫寬度分別為195 mm、50 mm、142 mm、200 mm、330 mm，以此為基準(zhǔn)監(jiān)測滑坡后緣裂縫新增位移，監(jiān)測曲線如圖1所示。8月8日至8月20日，坡體累積新增位移量為分別為95 mm、60 mm、53 mm、105 mm、105 mm，其中8月8日至8月13日為48～100 mm，8月14至8月15日為0 mm，8月16日為5～10 mm，8月17至8月20日為0 mm。此外，觀測期間8月8日、8月11日、8月12日大雨，8月16日小雨轉(zhuǎn)晴[4]。

圖1 滑坡后緣裂縫新增位移累積曲線圖

根據(jù)新增位移累積曲線變化趨勢，其變形特征基本符合蠕變型滑坡三階段變形發(fā)展規(guī)律。8月8日至8月13日為初始變形階段，坡體變形從無到有，曲線斜率趨于變緩，具有減速變形特點(diǎn)，坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。8月14日至8月20日為等速變形階段，坡體受周期性降雨影響，曲線表現(xiàn)出明顯階躍型特征，隨降雨后出現(xiàn)明顯的變形增長陡坡，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。觀測期內(nèi)滑坡變形特征表現(xiàn)為由初始變形階段轉(zhuǎn)為等速變形階段，雖然變形速率趨于減緩，短期內(nèi)無明顯較大新增位移，但斜坡總體為欠穩(wěn)定狀態(tài)，為避免進(jìn)一步發(fā)展為加速變形階段導(dǎo)致整體失穩(wěn)，亟須加強(qiáng)相關(guān)應(yīng)急處置措施并盡快開展滑坡詳細(xì)勘察。

3.2 內(nèi)部傾斜監(jiān)測

3.2.1 內(nèi)部傾斜監(jiān)測方案

在滑坡勘察設(shè)計(jì)階段，根據(jù)初期鉆孔資料分析判斷，滑坡滑面存在三種可能：(1)土-巖分界面滑動(dòng)，誘因?yàn)榻涤陾l件導(dǎo)致分界面抗剪強(qiáng)度降低，抗滑力小于下滑力后發(fā)生滑坡，現(xiàn)場土體反射裂縫、邊緣剪切錯(cuò)動(dòng)裂縫均說明其存在可能性；(2)強(qiáng)-中風(fēng)化分界面滑動(dòng)，在滑坡場區(qū)為松散堆積體、村屯道路錯(cuò)臺(tái)、舊路回頭彎路基下沉說明該滑面可能性存在；(3)強(qiáng)風(fēng)化層或中風(fēng)化層中存在軟弱夾層，該夾層張開度、錯(cuò)動(dòng)高度未知，在風(fēng)化巖層中無法采用干鉆成孔，且滑面大部分厚度較薄，通過常規(guī)勘探手段難以準(zhǔn)確判斷滑面位置[5]。

為進(jìn)一步確認(rèn)滑面埋深位置，探查滑坡深層滑動(dòng)情況及變形活動(dòng)特征，結(jié)合滑坡形態(tài)特征，在前期勘察基礎(chǔ)上沿主滑剖面布設(shè)4個(gè)監(jiān)測孔(JC1-1～JC1-4)，采用鉆孔測斜儀監(jiān)測坡體深部位移變形，監(jiān)測孔布置如圖2所示，監(jiān)測孔概況如表1所示。

表1 測斜孔概況表

圖2 滑坡內(nèi)部傾斜監(jiān)測平面圖

監(jiān)測設(shè)備采用CX03S便攜式測斜儀；監(jiān)測頻率為初期每日1～2次，后期根據(jù)變形情況調(diào)整為1～2周一次，逢降雨天氣加大監(jiān)測頻率；受鉆孔施工工期及公路施工交叉等影響，監(jiān)測周期為2018年11月至2019年2月。

3.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在鉆探成孔并安裝測斜管后，進(jìn)行初次測斜作為初始位移基準(zhǔn)值。

JC1-1號(hào)孔累積位移最大處為深度13 m、17 m處，約6.2～6.5 mm，平均位移速率為0.01 mm/d，全孔位移變形量整體較小，監(jiān)測曲線近似呈“D”型[6]，在10～18 m處出現(xiàn)相對(duì)凸峰，18 m以下巖土體基本穩(wěn)定。次級(jí)滑面深度為10 m，主滑面深度為18 m。

JC1-2號(hào)孔深度23 m、24 m、25 m處累積位移分別為34.0 mm、8 mm、13.32 mm，平均位移速率分別為0.57 mm/d、0.00 mm/d、0.00 mm/d，整體在23 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)；監(jiān)測曲線近似呈“B”型[6]，0～4 m、4～18 m、18～23 m、23～35 m處形成了較明顯的多級(jí)次變形，分別對(duì)應(yīng)多級(jí)滑面，上下滑塊變形速率各有差異，表現(xiàn)出多層滑動(dòng)特征。滑坡整體處于蠕變-滑移階段，其中18～24 m處為主滑移變形區(qū)，23～35 m處為蠕變變形區(qū)，次級(jí)滑面深度為4 m、18 m，主滑面深度為23 m，推測蠕變變形區(qū)潛在滑面深度為35 m。

JC1-3號(hào)孔累積位移最大處為深度12 m處，為7.5 mm，平均位移速率為0.02 mm/d，30 m以下巖土體進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)。曲線10～12 m處出現(xiàn)凸峰，12 m以下為蠕變變形區(qū)，27～30 m處為略微凹變點(diǎn)，主滑面深度為12 m，推測蠕變變形區(qū)潛在滑面深度為30 m。

JC1-4號(hào)孔深度10 m處累積位移200 mm，平均位移速率為10.5 mm/d；25～35 m處累積位移40～55 mm，平均位移速率為3.05 mm/d。監(jiān)測曲線近似呈“V”型[6]，底部基本無位移，上部位移逐漸增大，整體無明顯波峰波谷形態(tài)，深部尚未貫通形成完整滑面，坡體處于剪切蠕變階段。監(jiān)測期間11月17日開始前緣反壓施工，3條監(jiān)測曲線顯示巖土體向滑坡反向位移，表明前緣反壓施工對(duì)推移變形有一定延緩，而后又恢復(fù)正向位移。若變形進(jìn)一步發(fā)展，滑坡仍可能在巖土體結(jié)構(gòu)薄弱處(如軟弱夾層或順傾結(jié)構(gòu)面處)形成貫通滑面，結(jié)合地形、地質(zhì)條件，滑體通過軟弱夾層從坡腳最低點(diǎn)處剪出可能性較大，推測蠕變變形區(qū)潛在滑面深度為27 m。

通過綜合分析勘察資料及深孔位移監(jiān)測資料可知，滑坡存在多級(jí)滑面，滑面深度位置見表2。滑坡后緣及中部以滑移變形為主，局部為蠕變-滑移變形，后緣滑面與后緣裂縫相接，中后部滑面位置與強(qiáng)-中風(fēng)化分界面近似重合；滑坡前緣變形以剪切蠕變?yōu)橹鳎瑴\表局部溜滑，深部滑面尚未完全貫通，推測潛在滑面位置位于中風(fēng)化層軟弱夾層中，潛在剪出口位于斜坡坡腳最低點(diǎn)處。滑坡變形破壞模式為蠕滑-拉裂，經(jīng)采取相關(guān)應(yīng)急處置措施，監(jiān)測期間滑坡體處于緩慢勻速變形階段。經(jīng)宏觀分析，滑坡整體處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，在不利工況下可能進(jìn)一步發(fā)展為加速變形階段而整體失穩(wěn)。

表2 滑面深度綜合分析表(m)

綜上所述，該滑坡存在較深層次滑動(dòng)，滑面位置部分位于強(qiáng)-中風(fēng)化分界面，部分深入中風(fēng)化層軟弱結(jié)構(gòu)面。后續(xù)可據(jù)此滑面位置運(yùn)用傳遞系數(shù)法進(jìn)行原始地面線狀態(tài)下參數(shù)反演分析確定滑面強(qiáng)度參數(shù)(c、φ值)，并開展滑坡各不利工況穩(wěn)定性分析及永久防治方案設(shè)計(jì)。建議滑坡重點(diǎn)防治區(qū)為已發(fā)生明顯滑移面的中后部坡體，并適當(dāng)兼顧考慮預(yù)防潛在滑面發(fā)展。同時(shí)，由于現(xiàn)狀滑面及潛在滑面位置均較深，考慮工程經(jīng)濟(jì)性，建議以中后部削方減載、前部回填壓腳為主，并結(jié)合局部支擋、坡面防護(hù)等開展綜合防治方案設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

(1)GNSS地表位移監(jiān)測效果直觀，對(duì)地表變形自動(dòng)化程度高，觀測連續(xù)，適用滑坡各變形階段，用于滑坡變形初期應(yīng)急監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測預(yù)警效果良好。

(2)復(fù)雜滑坡變形初期通過常規(guī)勘探手段難以準(zhǔn)確判斷潛在滑面位置，勘察階段采用內(nèi)部傾斜監(jiān)測手段可較直觀觀測滑坡內(nèi)部變形特征。監(jiān)測結(jié)果與地表位移監(jiān)測、地質(zhì)勘探等資料相互驗(yàn)證、補(bǔ)強(qiáng)，可綜合分析滑坡發(fā)展趨勢及滑面深度位置，避免錯(cuò)判深層滑動(dòng)影響，為滑坡處置提供依據(jù)。

(3)鉆孔測斜用于內(nèi)部變形監(jiān)測尚存在一定的局限性，如測程有限，變形量過大時(shí)監(jiān)測孔即失效，或易遭遇場地施工擾動(dòng)破壞而監(jiān)測失效。需結(jié)合滑坡處置全周期觀測需求考慮監(jiān)測孔的選址布設(shè)，同時(shí)改進(jìn)監(jiān)測手段，加強(qiáng)監(jiān)測孔保護(hù)。

(4)監(jiān)測期間，應(yīng)加強(qiáng)觀測并記錄場地天氣、施工干擾等影響因素，數(shù)據(jù)分析處理階段應(yīng)注意加強(qiáng)擾動(dòng)分析，剔除相關(guān)影響。