邊坡變形監測研究與分析

徐 彤

（吉林省高速公路集團有限公司，吉林 長春 130000）

1 背景介紹

目前，我國交通基礎設施建設發展迅速，技術水平也在不斷提高。在建設交通基礎設施的重大工程結構過程中，堅持建設的同時還需要去適應自然環境的復雜和多變。在未來的一段時間里，中國交通基礎設施建設仍將處于快速發展時期，很多基礎設施結構的安全性與可靠性和我們每個人都是設施息息相關的。一些不可預料的自然災害、人為破壞或是設施結構自身存在的性能問題，經常會造成一些交通安全的突發事件。一旦造成了基礎設施結構的破壞，不僅會在經濟上造成嚴重損失，甚至人民的生命財產安全也會受到一定程度的威脅。因此對基礎設施結構的監控和監測也是國內外研究的重點之一。

1.1 研究目的

利用邊坡整體變形趨勢監測技術分析得到的高精準高質量的趨勢檢測分析結果，可以有效地對整個邊坡的整體變形發展情況進行準確及時掌握。此外，可以通過邊坡變形趨勢預測系統模型進行分析，還可以對整個邊坡的整體變形發展趨勢情況加以及時預測和準確掌握。

1.2 邊坡變形監測現狀

目前，我國已研制開發了較為完善的大型智能公路邊坡動態監控監測系統。這些監控系統主要包括智能溫度傳感器、智能有線數據采集、無線數據傳送控制模塊和供電控制系統等配套設備，為用戶提供一個完整的智能監測解決方案，可以實時顯示公路邊坡的變形情況。

2 邊坡工程監測基本理論

2.1 邊坡概述

邊坡包括天然和人工兩種邊坡。天然邊坡指在一定地質條件下，自然形成的河谷型岸坡、海岸坡地、大型山坡地和陡坡。人工邊坡指基于人類活動造成的不同規模、陡度的邊坡。

2.2 邊坡變形破壞的基本類型

邊坡坡體變形。這是指巖塊坡面巖體中的局部巖塊發生邊坡位移和微小的破裂，底部坡度變化輕微，無明顯巖塊剪切面的位移或坡體滾動，因此不會引起巖塊整體邊坡失穩。邊坡位移破壞。因邊坡失穩產生移動，隨之造成的破壞。常見的邊坡變形破壞類型包括：松弛張裂、蠕動變形、崩塌和滑坡等。

2.2.1 松弛張裂

邊坡在挖開后，坡體的表面部分會呈現一些和坡體方向一致或者反向的裂隙，巖體被縫隙斜向切割使之松動并產生一定的位移，這一過程和現象稱為松弛張裂。

2.2.2 蠕動變形

蠕變是指邊坡巖石土體主要在重力作用下發生持久且平緩的塑性變形現象，有表層和深層兩種蠕變種類。

2.2.3 崩塌

崩塌是一種指地質邊坡上部分的巖體被陡峭的地質裂隙不斷切割，在巨大重力運動作用下高速斷裂脫離于地母巖，快速巖體退化的現象。

2.2.4 滑坡

滑坡是指邊坡的部分巖體以特定的加速度沿某一滑動面發生的剪切滑動現象。

2.3 影響邊坡穩定性的因素

內因：地質結構、巖體性質、巖土結構和初始應力。外因：洪水作用、巖石風化、工程荷載條件及人工開挖等。

2.4 邊坡工程監測的作用

邊坡工程的檢測涉及我國多種建設領域，邊坡工程監測的作用如下：及時追蹤邊坡巖石內部實際情況，為施工者和監理提供實際有力數據，合理施工設計，調整有關的施工方案，在施工時依據提供的資料保證邊坡穩定，盡可能地避免塌方和滑坡發生，在信息化建設時代獲得最好的經濟利益；通過監測，預測可能出現位移和變形趨勢的位置；根據監測結果對已發生崩塌滑坡的區域在后期進行加固。因此，監測不僅是對崩塌和滑坡的調查研究，也是崩塌地質災害發生時防治的重要依據。監測后獲得的信息可以為相關部門提供有力的解決方案。由于巖土的特性不同，有些數據不能通過實驗直接獲得，通過實際監測可以為位移反分析提供有力的數據支持。

2.5 邊坡監測的目的

（1）能夠及時判斷邊坡滑動趨勢的范圍，觀察邊坡是否有坍塌的可能性。（2）監測邊坡修復及修復效果是否符合標準要求。（3）為新邊坡的施工和舊邊坡的修復提供有效可靠的信息，從而改進施工設計方案，提高施工的效率。（4）記錄邊坡的數據，當邊坡發生滑坡時可以根據專業力學理論，及時找到有效的處理措施。

2.6 邊坡監測的特點

由于巖土的性質和結構非常復雜多變，需要在整個施工過程中實時觀測邊坡。由于監測和觀測范圍較廣，所以隨著邊坡的形成，要時刻注意改變監測點的位置。邊坡變形的發展有著不同階段，且不同階段的特征也不盡相同。通過監測發現邊坡變形的發展不會停止，主要具有速率大小不相同、間歇性和連續性的特點。不同時間段的變形速率差距較大，就是說從變形時間曲線得到的斜率值較大。數值曲線中有幾個平緩的部分，表現出變形的間歇性特征。

3 邊坡變形監測的內容和方法

3.1 邊坡監測的內容

在邊坡監測實施中，安全監測主要是施工安全監測和處理效果監測，施工安全監測是對邊坡、應力和地下水的位置進行監測，是指導施工、反饋設計的一個重要基礎[1]，是信息化建設工程的重要組成部分，施工安全監測是一種實時檢測方式，可以實時掌握工程施工對邊坡產生的影響，從而指導施工，若出現較大影響，則對施工方式進行及時調整。

邊坡治理效果監測是對治理成果的監測，同時它也是判定邊坡治理成果穩定性的一個重要手段。這種監測不但可以掌握邊坡破壞的特點，還可以監測預應力錨索、抗滑樁的變形和排水系統過流性等，從而對整個工程實施的效果進行一個直接的監測，同時將長期監測與施工安全結合起來，用來了解施工后邊坡變形的特征[2]，為項目的竣工驗收提供了科學基礎，邊坡治理效果的監測通常不少于1 a，數據的采集間隔時間通常為70 d左右。當外部擾動比較大的時候，如暴雨等觀測數據可以進行加密。

在防治完成后對邊坡進行長期的動態跟蹤，從而觀測它的穩定性或者變化的特點。監測的內容主要有滑動帶深度移位監測，地下水位和變形地面監測等。

3.2 邊坡監測的方法

3.2.1 地表大地變形監測

地面形變監測是地表大地變形邊坡監測中的一個常用方法；地表位移監測是在穩定斷面上的一個常用測量標準（參考點）[3]，在被測斷面上設置若干監測點（觀測樁）或帶傳感器的監測點，通過儀器定期監測觀測點和考察點的位移變化情況。

3.2.2 邊坡表面裂縫監測

邊坡表面拉伸裂縫的出現通常是邊坡巖土即將失穩的征兆信號，因此一旦邊坡發生裂縫，就必須對其進行監測。監測內容包括兩端擴展速率和裂縫擴張速率，如果速率突然升高或者裂口外部巖土松動產生位移，則意味邊坡已經被破壞失衡。表面裂紋的位錯監測可以用位錯計或千分卡直接測量，適用于小范圍和簡單坡度。

3.2.3 邊坡深部位移監測

深坡位移監測是邊坡全面變形監測的重要形式，它可以指導邊坡的治理，同時也可以對防治的效果進行檢驗。傳統地面測量和裂縫監測都存在著不可克服的缺點，那就是邊坡巖土中的蠕變沒有辦法進行測量，因此沒有辦法預測滑動控制面的變化。但深部位移監測則可以實現這一需求。

邊坡巖內部的位移監測有很多方法。目前，鉆孔引伸儀和鉆孔測斜器在我國得到了廣泛的應用，鉆孔引伸儀是一種較為傳統的用來測量巖石體沿著鉆孔橫向及縱向移動的設備，用于大位移滑體的監測[4]。這類檢測儀器性能穩定，但鉆入較深時安裝困難，孔內較復雜，最大的缺點是對于滑動面無法進行十分精確的定位。

3.2.4 邊坡內部應力監測

邊坡內部應力監測可測量滑帶承載力、抗滑力等。通過壓力箱可以了解坡體向支擋傳遞的壓力大小。壓力箱根據試驗原理可分為兩種：液壓式和電子式。液壓式結構簡潔可靠，現場直讀，使用方便；電子式的優勢是測量精確度高，可以遠距離觀察。

3.2.5 巖石邊坡地應力監測

邊坡地應力監測主要適用于大型邊坡工程，主要是在工程進行中對邊坡應力或地應力進行監測工作[5]。地應力監測包括絕對應力測量和地應力變化監測。邊坡開挖前、中、后均應進行一次應力的測量，用來了解3個不同斷面的地應力場，采用的方法為深孔卸壓法，地應力變化監測是在開挖前，利用原有的地質勘探平洞埋設應力監測儀器，了解整個開挖過程中地應力變化的全過程[6]。

4 邊坡監測的技術設計

4.1 設計前準備

邊坡監測技術包括：項目概況了解，監測內容確定，監測點布置，監測儀器儀表的選擇，監測方法和精確度的定義，監測頻率和時間確定，預警值與報警系統制定等多個方面。技術設計之前，應該做好下列幾個方面：（1）通過個人接觸或者參加會議，與設計單位、施工單位和監理單位進行探討和協調，參考他們的意見。（2）及時搜集與工程邊坡建設有關的信息，邊坡建筑工程建設主體組織結構設計、邊坡建筑工程高層建筑主體組織結構設計等，并積極組織相關技術人員對問題進行調查分析、研究。（3）進行實地勘察，了解邊坡地形和山體的土壤結構特征，分析監測可能發生坍塌的大型危巖山體位置，邊坡山體滑動坡度方向，考慮實地監測點合理布置，根據所實施涉及的實地監測任務來確定實地監察實施方法。

4.2 監測內容和方法的確定

監測的內容主要取決于設計要求、地質條件、規模和管理部門的要求等。通過對邊坡地質情況和工程的深入了解，初步確定邊坡變形的范圍、方向和深度，確定監測內容。然后根據地形、地質條件和監測環境，確定監測方法和監測儀器。一般來說，高精度儀器適用于監測變形較小的邊坡。對于正在形成的滑坡，處于快速變化和即將滑動的狀態，可以根據具體情況適當放寬儀器的精度。

4.3 外部變形監測點的布設

在設置監測點之前，必須明確邊坡產生位移的范圍與方向。之后根據位移方向和范圍確定測線的位置，最后在測線上確定主要的觀測點[7]。測線可采用交叉十字形布設、放射狀布設和網格布設[8]。十字形布設，主要適用于變形范圍和滑動方向確定的邊坡。在垂直于滑動方向的方向布置若干條測線，沿測線布置監測點。滑坡呈帶狀時也可沿測線布設測站和觀測點視測線等，可據此進行監測。放射狀布設，適用于變形范圍和滑動方向不明顯的邊坡，從兩個測站呈放射狀布置，交角為30~150°，兩條測線的交點為監測點。這種布局方式更適合面積小、視野廣的斜坡。網格布設，適用于大面積邊坡變形監測，布設方法與放射狀布設相同，但需適當增加測站和觀測點。

4.4 變形監測周期和頻率的確定

不同的邊坡工程由于邊坡規模、類別、所處時期和變形速率的不同，監測周期與頻度設置也不相同[9]。在施工初期和大規模爆破階段，一般主要對巖質邊坡進行爆破振動監測，在完成爆破后，以地下位移和地表監測為主，早期測量一般每天監測1次或每兩天監測1次，施工期間每3~7 d監測1次[7]。在運行期間，變形量控制在允許范圍內時，若出現下雨天半個月或者1個月左右監測1次，干旱時1個半月左右監測1次。對于變形增加和變形速率加快的邊坡，或在地震、暴雨、冰雪融化等情況下，應增加監測頻率，必要時應每天監測1次。

4.5 預警值和報警制度的制定

預警值制定應參考當下所實行的規范，設計預估值是根據經驗來確定，從變形量和變形率2方面考慮[10]。每次監測時，密切觀察滑動前的跡象，監測結束后及時整理相關數據，繪制監測點滑動曲線。發現異常變形時，應結合其他監測數據進行綜合分析，必要時應及時報警[11]。

4.6 監測數據整理與分析

工程監測的內容較多，監測前應該根據不同的監測內容，設計不同的外業記錄表格，后期結合監測的數據資料進行有關反分析和對數值計算方法進行驗證。