張桑高速某高坡自動化監測預警與變形分析

劉東海，朱自強,2，李 濤,2，白冬鑫,2

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

1 工程概況

張桑高速是是湖南西北部的南北向通道之一，“七縱九橫三環”的重要組成部分。項目起于桑植縣接擬建龍桑高速，終于張家界市永定區接張花高速，途徑張家界桑植縣、永定區及武陵源區。張桑高速永定服務區4#滑坡體對應建設期樁號為K23+269～K23+450段右側邊坡，位于桑植縣橋頭鄉橋頭村境內，該段主線路線走向127°，場地原始地貌單元屬構造剝蝕山體，山間沖溝相間，地形起伏較大,地面高程介于330～550 m之間，植被較發育。根據野外地質調查，場地巖層平緩，節理裂隙較發育，巖層的主要產狀為：∠250°～∠310°、∠5°～∠15°，節理裂隙主要產狀為：∠85°～110°、∠55°～∠70°、∠10°～∠50°、∠50°～∠70°，基巖面形態在縱向上與邊坡傾向呈反向坡，對邊坡相對較為有利；邊坡上部存在厚度較大的第四系坡積物(厚度約為5～30 m)，其巖性成分主要為粉質黏土和碎石夾粉質黏土，為滑坡的形成提供了物質基礎；同時，軟弱面的存在為滑坡的形成提供了較為良好的地質環境，場地第四系碎石含較多黏性土，下伏泥質粉砂巖為軟巖，其具有遇水易軟化崩解、泥化成土狀的特性，碎石為透水層，而泥質粉砂巖為不透水層，在地表水和基巖裂隙水長期滲透下，地下水在碎石與泥質粉砂巖界面匯聚，極易在土體、基巖面之間形成泥化夾層的滑動面。為了保證張桑高速公路相應建設區域的施工以及后期的運營安全，需要實時地掌握場地邊坡變形特征，進行及時的監控預警。

2 監測系統構成

2.1 監測方案

根據設計圖紙及規范要求，本次監測確定的主要監測內容為地表巡視、地表水平位移及沉降位移自動監測(GPS)、深部位移監測等。因該邊坡已開始進行施工抗滑樁處治施工，所以在原有監測點的基礎上調整了地表水平及沉降位移監測點位置，補充了三個深部位移監測孔。

表1 監測項目一覽表

GPS-DB1地表位移監測點位于匝道起點100 m沿258°方向二級截排水溝附近，距坡腳約120 m；GPS-DB2地表位移監測點位于一級截排水溝和二級截排水溝之間，距坡腳約80 m；GPS-DB3地表位移監測點位于匝道+180 m二級平臺上；GPS-DB4地表位移監測點位于鋼管樁(+110 m)平臺上方約10 m。CX1、CX2、CX3深部位移監測孔位于一條剖面上，剖面方向為72°。CX1深部位移監測孔位于GPS-DB2地表位移監測點附近；CX2深部位移監測孔位于一級截排水溝附近，與CX1呈72°方向連線；CX3深部位移監測孔位于GPS-DB4地表位移監測點上方約20 m。

2.2 設備選型與安裝

表2顯示了進行邊坡自動化監測所選用的具體設備和數量，其中，深部位移監測采用滑輪式固定測斜儀；使用5臺型號為華測H3型GNSS接收機來進行地表位移監測，其中1臺作為基站，其余4臺被當作監測點。

表2 設備選型與數量

2.3 系統構建

圖1所示為邊坡穩定性自動化監測系統的主要組成部分和工作流程。

圖1 系統構建

供電部分主要是通過設置在站點上的太陽能電池板進行太陽能發電，同時運用蓄電池儲存剩余電量，以此來為監測系統全天不間斷的提供供電支持；位移傳感器以及其他相關輔助接收設備共同組成了數據采集的核心部分傳感器模塊，全天候對邊坡進行監測；然后通過數據傳輸網絡對傳感器所接收到的大量數據進行實時采集轉換傳送；當接收到傳輸的數據后，數據中心的計算處理功能會自動地對數據進行解析處理并儲存；最后通過云平臺來分析所監測邊坡變形情況，相關人員可通過移動終端設備進行實時查看并接收告警信息。

3 監測數據分析

此站點從2018年1月23日安裝完畢后即開始進行數據采集和相應的位移監測，其中，深部位移點的間隔時間設置為15 min，地表位移觀測點數據接收的間隔時間設置為1 h。以2019年8月6日～2019年8月25日觀測數據為例。

圖2為GPS-DB2地表位移監測點時間-位移曲線圖，2019年8月6日～8月10日，監測點的水平位移變化量-7.83 mm，水平位移速率為-1.85 mm/d；沉降位移變化量為5.02 mm，沉降位移無明顯變化；8月6日至8月26日，水平位移變化量為22.26 mm，水平位移速率1.39 mm/d；沉降位移變化量為-0.59 mm；沉降位移速率-0.04 mm/d；累計水平位移為445.02 mm，累計沉降位移為37.52 mm。

圖2 GPS-DB2地表位移監測點時間-位移曲線圖

圖(2a～2c)顯示了CX1監測點三個不同深部范圍的位移監測點所對應的時間-位移曲線，8月6日～8月26日，4 m深水平位移變化量為23.26 mm,水平位移速率為1.25 mm/d,8 m深水平位移變化量為14.32 mm,水平位移速率為0.75 mm/d,12 m深水平位移變化量為10.32 mm,水平位移速率為0.54 mm/d，變換幅度較為明顯。

如圖3所示，在經過現場地表巡視后，發現邊坡處治施工單位進場施工，邊坡一級坡面垮塌范圍擴大，邊坡裂縫、錯臺持續發育，與數據表現基本一致，建議滑坡處治施工單位注意邊坡情況，若發現有滑坡跡象時應及時撤離。同時這也驗證了此自動化監測系統在實際的高速公路施工和運營中滿足邊坡穩定性監測預警的要求。

圖3 深部位移監測點時間-位移曲線圖

4 結 論

以張桑高速K23+269～K23+450段右側邊坡變形失穩問題為例，利用邊坡自動化監測預警系統，根據場地情況設計出合適的監測方案，通過對系統傳感器所接收到的實時數據進行自動處理，預警了可能存在的邊坡失穩變形情況，通過在現場的巡視驗證，說明了該自動化智能監測系統在高速公路邊坡穩定性分析中的實用性和可靠性。