GNSS地表變形監測與內部傾斜監測在滑坡變形監測中的應用

李志鵬，李侑軍，巫雪瀟

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

監測技術是滑坡地質災害防治手段中的重要方法，滑坡監測方法按照監測內容來分主要包括地表變形監測、內部變形監測、環境因素監測及人工巡視監測等[1]。本文以廣西某公路滑坡為依托，運用GNSS(Global Navigation Satellite System全球衛星導航系統)地表變形監測及內部傾斜監測手段，對該公路滑坡開展變形監測及監測數據分析，并與滑坡地質勘察等資料相互驗證，為滑坡處置提供依據。

1 監測方法及原理

1.1 GNSS地表變形監測

GNSS地表變形監測是滑坡地表變形監測的常用方法，主要基于全球衛星導航系統提供連續、實時、高精度的定位，從而對地球表面的空間對象進行實時空間位置動態變化監測[1]。其工作原理是利用數據傳輸裝置將各監測點及參考點的GNSS實時信息發射到監測平臺控制中心進行實時差分解算獲得三維坐標信息，將其與初始坐標值進行對比，可得出監測點位移變化值，參照對比預警值即可進行預警[2]。GNSS地表變形監測相較于傳統大地測量法，具有投入快、觀測點中間不受地形通視條件限制以及選點方便等優勢，在滑坡不同變形階段均較適用，尤其對于突發滑坡地質災害，可快速投入應用進行應急監測，實時監測地表變形發展趨勢，及時預警。

1.2 內部傾斜監測

內部傾斜監測是滑坡內部變形監測方法之一，主要利用測斜儀逐段測量鉆孔各段斜率以獲得巖土體內部水平位移及其隨時間變化位移，進而分析滑體內各深度變形特征及判斷滑面位置，其主要應用于滑坡發生初期[1]。鉆孔傾斜監測系統主要包括傳感器探頭、測斜導管、測讀設備等[3]。其主要工作原理為：將內壁帶有2組凹槽的測斜管安置于待監測孔中，待回填灌注適當規格砂漿后與巖土體耦合，測斜導管將隨巖土體變形、位移而產生相應形變；測量時由電纜懸吊探頭隨導輪引導在測斜管凹槽內以固定測讀間距滑動，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，以底部為基準向上逐步累積變形即可獲得整個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測孔各深度處的合成矢量位移。每孔監測時將探頭旋轉180°反方向測量一次，取其平均值作為觀測數據以降低儀器誤差及溫差影響。

滑動式鉆孔測斜儀具有精度高、性能可靠、穩定性好、測讀方便等特點，其可利用勘察鉆孔布設，具有較大應用優勢。相較于滑坡地表位移監測，內部傾斜監測能更深層次地反映滑坡各深度變形特征，可較及時準確地判斷各級滑面深度，并先于地表變形監測觀測滑坡是否滑動，對綜合分析滑坡的穩定性有重要輔助作用。

2 滑坡地質災害概況

2018-08-04，廣西某公路在強降雨、施工開挖等因素影響下，公路上方不穩定斜坡出現較大變形，導致上方3戶民房出現基礎變形、墻體開裂和部分硬化村道下沉開裂等地質災害。據調查，滑坡區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)粉質黏土和三疊系中統(T2)全-中風化泥質粉砂巖，巖體較破碎，節理裂隙發育，主產狀260°∠27°。滑坡區東面100 m處發育一走向北東-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 監測方案及數據分析

該公路不穩定斜坡發生滑坡變形后，在應急處置階段即采用了GNSS地表變形監測觀測滑坡地表裂縫變形情況，并對滑坡初期變形發展趨勢進行分析預警；在后續勘察設計階段采用了內部傾斜監測，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地表變形監測

3.1.1 地表變形監測方案

監測點位：監測點布設選擇滑坡后緣帶附近房屋及道路側，沿后緣裂縫帶共布設5處，監測點編號為1#～5#。監測頻率：每日2次，逢降雨期間適當加密。監測周期：2018-08-08至2018-08-20，持續觀測約2周至地表變形趨緩。

3.1.2 監測數據分析

2018-08-08初次觀測5處監測點裂縫寬度分別為195 mm、50 mm、142 mm、200 mm、330 mm，以此為基準監測滑坡后緣裂縫新增位移，監測曲線如圖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日小雨轉晴[4]。

圖1 滑坡后緣裂縫新增位移累積曲線圖

根據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展規律。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，坡體處于基本穩定狀態。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，曲線表現出明顯階躍型特征，隨降雨后出現明顯的變形增長陡坡，坡體處于欠穩定狀態。觀測期內滑坡變形特征表現為由初始變形階段轉為等速變形階段，雖然變形速率趨于減緩，短期內無明顯較大新增位移，但斜坡總體為欠穩定狀態，為避免進一步發展為加速變形階段導致整體失穩，亟須加強相關應急處置措施并盡快開展滑坡詳細勘察。

3.2 內部傾斜監測

3.2.1 內部傾斜監測方案

在滑坡勘察設計階段，根據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，誘因為降雨條件導致分界面抗剪強度降低，抗滑力小于下滑力后發生滑坡，現場土體反射裂縫、邊緣剪切錯動裂縫均說明其存在可能性；(2)強-中風化分界面滑動，在滑坡場區為松散堆積體、村屯道路錯臺、舊路回頭彎路基下沉說明該滑面可能性存在；(3)強風化層或中風化層中存在軟弱夾層，該夾層張開度、錯動高度未知，在風化巖層中無法采用干鉆成孔，且滑面大部分厚度較薄，通過常規勘探手段難以準確判斷滑面位置[5]。

為進一步確認滑面埋深位置，探查滑坡深層滑動情況及變形活動特征，結合滑坡形態特征，在前期勘察基礎上沿主滑剖面布設4個監測孔(JC1-1～JC1-4)，采用鉆孔測斜儀監測坡體深部位移變形，監測孔布置如圖2所示，監測孔概況如表1所示。

表1 測斜孔概況表

圖2 滑坡內部傾斜監測平面圖

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

3.2.2 監測數據分析

在鉆探成孔并安裝測斜管后，進行初次測斜作為初始位移基準值。

JC1-1號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，監測曲線近似呈“D”型[6]，在10～18 m處出現相對凸峰，18 m以下巖土體基本穩定。次級滑面深度為10 m，主滑面深度為18 m。

JC1-2號孔深度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處出現拐點；監測曲線近似呈“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次變形，分別對應多級滑面，上下滑塊變形速率各有差異，表現出多層滑動特征。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，23～35 m處為蠕變變形區，次級滑面深度為4 m、18 m，主滑面深度為23 m，推測蠕變變形區潛在滑面深度為35 m。

JC1-3號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以下巖土體進入基本穩定狀態。曲線10～12 m處出現凸峰，12 m以下為蠕變變形區，27～30 m處為略微凹變點，主滑面深度為12 m，推測蠕變變形區潛在滑面深度為30 m。

JC1-4號孔深度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，深部尚未貫通形成完整滑面，坡體處于剪切蠕變階段。監測期間11月17日開始前緣反壓施工，3條監測曲線顯示巖土體向滑坡反向位移，表明前緣反壓施工對推移變形有一定延緩，而后又恢復正向位移。若變形進一步發展，滑坡仍可能在巖土體結構薄弱處(如軟弱夾層或順傾結構面處)形成貫通滑面，結合地形、地質條件，滑體通過軟弱夾層從坡腳最低點處剪出可能性較大，推測蠕變變形區潛在滑面深度為27 m。

通過綜合分析勘察資料及深孔位移監測資料可知，滑坡存在多級滑面，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-中風化分界面近似重合；滑坡前緣變形以剪切蠕變為主，淺表局部溜滑，深部滑面尚未完全貫通，推測潛在滑面位置位于中風化層軟弱夾層中，潛在剪出口位于斜坡坡腳最低點處。滑坡變形破壞模式為蠕滑-拉裂，經采取相關應急處置措施，監測期間滑坡體處于緩慢勻速變形階段。經宏觀分析，滑坡整體處于欠穩定～基本穩定狀態，在不利工況下可能進一步發展為加速變形階段而整體失穩。

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，滑面位置部分位于強-中風化分界面，部分深入中風化層軟弱結構面。后續可據此滑面位置運用傳遞系數法進行原始地面線狀態下參數反演分析確定滑面強度參數(c、φ值)，并開展滑坡各不利工況穩定性分析及永久防治方案設計。建議滑坡重點防治區為已發生明顯滑移面的中后部坡體，并適當兼顧考慮預防潛在滑面發展。同時，由于現狀滑面及潛在滑面位置均較深，考慮工程經濟性，建議以中后部削方減載、前部回填壓腳為主，并結合局部支擋、坡面防護等開展綜合防治方案設計。

4 結語

(1)GNSS地表位移監測效果直觀，對地表變形自動化程度高，觀測連續，適用滑坡各變形階段，用于滑坡變形初期應急監測時，監測預警效果良好。

(2)復雜滑坡變形初期通過常規勘探手段難以準確判斷潛在滑面位置，勘察階段采用內部傾斜監測手段可較直觀觀測滑坡內部變形特征。監測結果與地表位移監測、地質勘探等資料相互驗證、補強，可綜合分析滑坡發展趨勢及滑面深度位置，避免錯判深層滑動影響，為滑坡處置提供依據。

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

(4)監測期間，應加強觀測并記錄場地天氣、施工干擾等影響因素，數據分析處理階段應注意加強擾動分析，剔除相關影響。