邊坡變形自動監測方法及應用

李濤濤 張建雄 劉中華

（中交公路養護工程技術有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

人工開挖的邊坡地質條件復雜，失穩和破壞難以控制、不易預測[1]，導致許多滑坡、坍塌等自然災害的發生。目前，邊坡監測和自然災害的預防工作存在一定的不足，主要問題在于巡檢工作量大，信息化程度低[2]。為給邊坡日常養護、管理和突發事件提供可靠依據，保障人民的生命財產安全，有必要對高邊坡無線遠程自動監測技術進行研究和應用，并建立一套遠程網絡監控系統平臺，最終實現工程監測的無人現場作業和監測數據的遠程獲取[3-4]。因此，本文提出一種基于深層水平位移的邊坡變形自動監測技術，該技術可以對邊坡的地表位移、深層水平位移變形、地下水位等指標進行全天候、不間斷監測，實時數據采集，并能對邊坡穩定進行預警。

1 工程概況

某工程現場邊坡如圖1 所示。某縣道從該坡體上經過，居民房屋緊鄰縣道兩側分布。該邊坡長約40m，寬約90m；坡向26°，邊坡所在斜坡坡度為25°～55°，邊坡上覆較厚松散含碎石粉質黏土，下伏志留系千枚巖。

圖1 工程現場航拍圖

2 邊坡變形自動監測的關鍵技術

2.1 邊坡變形相關研究

理論上將邊坡劃分為天然和人工兩類形式，公路工程中所指的邊坡即為人工邊坡。受到人工影響，邊坡附近原始地質地貌、應力平衡等受到破壞，容易引起邊坡失穩現象，不利于公路的實際使用，嚴重情況下，會造成安全事故。為了深入了解邊坡水平位移變化及穩定性的影響，需要對邊坡變形情況進行監測。

黃潤秋等學者開展了對邊坡變形特征的監測分析工作，對邊坡變形特征與時間關系進行探索，實現了對滑動機制、滑動面及變形特征的發展趨勢的預測；李振東等科研人員將測斜儀、徠卡機器人等儀器應用于填方邊坡、基坑邊坡研究，對深部位移及水平位移改變特點及演變趨勢進行了剖析；董文文等將北斗定位技術、GNSS 技術用于邊坡監測，深入分析了蠕變型邊坡、排土場邊坡與時間關系的變化特征；魏愷泓等對存在支護結構的邊坡進行研究與分析，研究結果表明施工作用會對邊坡變形及其發展規律形成一定影響。很多科研成果只針對變形規律進行探索，還沒有開展深層水平位移邊坡自動監測的相關研究，也沒有對邊坡變形特征影響因素進行分析。

2.2 邊坡變形監測設備布置

根據邊坡災害發生條件與災害特征，以降雨和地表位移作為主要監測內容[5]，在滑坡體外穩定區域布設GNSS 基準點1 個，滑坡體主剖面強變形區域布設GNSS 監測點1 套，滑坡體內強變形區布設傾角加速度計監測點2 個，在滑坡體外穩定開闊位置布設降雨量監測點1 個，居民區附近安裝聲光報警器1 臺，設備布設如圖2 所示。以滑坡時間-位移曲線的切線角為主要判斷依據，結合滑坡變形加速度特征、不同工況滑坡穩定性以及宏觀變形特征，綜合確定預警預報依據，及時分析研判、分級發布預警信息。

圖2 邊坡變形監測設備布設情況

根據平臺數據顯示，自監測系統安裝以來，三級報警90 次、二級報警90 次、一級報警173 次。報警信息主要源于雨量計。

2.3 雨量預警以及邊坡穩定性分析

自2021 年8 月28 日至10 月10 日，雨量計預警分析平臺進行了多次報警，雨量報警期間降雨量統計見圖3。

圖3 隱患點雨量報警期間的降雨量統計

根據實時監測數據統計，雨量計數據顯示從2021年8 月28 至10 月10 日，累計降雨量416.17mm。通過查詢旬陽氣象歷史，該期間旬陽存在降雨過程，印證了雨量計的監測結果。此次監測點除雨量計，其他設備都沒有報警，通過分析GNSS 和2 臺傾角計的數據，評估災害點的整體穩定性，GNSS 監測數據變化趨勢見圖4。通過分析GNSS 和傾角計的數據，邊坡自監測以來，位移、傾角和加速度的數據平穩，無趨勢性，9 月底降雨量趨弱，報告認為災害點整體穩定，后續需繼續加強觀察GNSS 和2 臺傾角計的數據和報警信息，對災害進行預警分析。

圖4 GNSS 數據穩定XYZ 三向的位移值穩定

2.4 預警分析

根據邊坡監測標準規范，制定各指標相應預警閾值，依據不同范圍值制定預警等級，對超出容許偏差的情況，進行實時系統報警或短信預警。根據采集數據自動比對分析，監測值超出設定的閾值會觸發報警機制，用戶可以在進入系統的第一時間看到報警數據提示。系統可以對所有歷史預警數據匯總保存，具有處理閉合機制，方便用戶隨時查看和處理。

3 位移及其變化速率基本特征

邊坡位移存在水平、垂直兩個方向，水平位移正值為坡面水平向外，垂直位移負值為沿坡高方向下降。監測初期，以水平位移變化為主，隨著時間的增長水平變形量變小，此后該發展趨勢更為明顯。第1 階邊坡頂端變形在短時間內的增加量并不明顯。重直變形方面，第1 階邊坡頂端存在著順著坡高方向形成沉降位移，隨著監測時間的增長，垂直位移會不斷變大，表明該階邊坡頂端水平位移及垂直位移均在相同測點。從地質剖面角度進行分析，表明該地質覆蓋層內監測點附近存在圓弧滑動面。從第2 階測點的監測情況中可以發現，水平和垂直方向位移隨著時間增長，位移量也逐漸增長，每個監測點位移累積拐點在相同月份，位移累積量基本為0。位移變形速率變化規律方面，第1 階測點、第2 階測點基本一致，進入雨季后，變形速率會隨著時間增長而變小。垂直位移變形會隨著時間先變小后變大，進入雨季后變形速率會不斷變小，非雨季變形速率基本為0。第1 階、第2 階監測點的水平和垂直方向變形速率均比較大，隨著時間增長，水平和垂直方向位移變形會不斷變小，最終變成0mm。這就表明水平和垂直方向位移累積量和變形速率規律基本相符。從其他監測點數據中可以發現，水平位移最大累積值比較大，表明該監測點的地質條件比較差，存在著整體滑移現象，巖體容易破碎而存在潛在滑動面，位移變化趨向于向外發展。

4 邊坡水平位移變形特征影響因素

從上述分析中可以發現，邊坡在雨季存在明顯的水平變形和垂直變形，這是由于存在潛在滑動面，影響邊坡變形主要有內、外兩方面因素。

4.1 內部因素

邊坡變形會受到地質構造及山體巖性影響。從邊坡地質構造來看，巖層傾向于坡外，為順向邊坡形式。受到重力影響，土層會順著滑動面造成一定變形，隨著時間不斷推移，水平和垂直位移會不斷增大。邊坡頂部為較厚的松散含碎石粉質黏土，下層是下伏志留系千枚巖，由于此巖體節理、裂隙發育，山體巖石易于破碎，存在著潛在的滑動面，受到重力影響會形成滑動位移。

4.2 外部因素

山體邊坡位移變形，會受到公路工程施工及支護結構作用的影響。在開挖施工階段，第1 階坡頂上松散土層受到重力影響，會形成面對坡面外向的水平位移，隨著開挖工程的不斷開展，第2 階邊坡巖體土層也會受到重力影響，形成面向邊坡開挖方向的水平位移。受到錨桿等支護結構施工的影響，會對山體自然邊坡形成一定的擾動，邊坡位移變形率會不斷變大。當支護結構施工完成以后，會對邊坡產生一定程度的約束，限制邊坡水平和垂直位移的形成，邊坡位移變形量和變形速率會不斷變小。邊坡位移量變小，土層和基巖接觸面內會存在軟弱特性的夾層，也會生成潛在滑動面。

邊坡位移及支護結構兩者間會重新達到應力和位置的平衡。邊坡開挖階段，邊坡變形速率會不斷變大，但受到邊坡自穩作用的影響，變形速率會不斷變小。在支護施工階段，山體邊坡會受到擾動變形影響，變形速率不斷變大，邊坡支護結構完成和邊坡建立新的應力平衡，變形速率會不斷變小，邊坡位移累積量會達到穩定狀態。

5 邊坡變形自動監測技術難點與對策

5.1 技術難點

（1）設備安裝問題。導輪式固定測斜儀要嚴格控制開孔位置，使開孔位置與設計偏差不超過±10cm。

（2）邊坡自動化監測的準確度及精度問題。自動化監測過程中難免會產生誤差，怎么樣才能有效地減少誤差。

（3）基于物聯網的公路高邊坡監控預警系統的設計。系統的設計應滿足一定的原則，盡量做到可靠、經濟、合理，既要滿足綜合的展示預警功能，又要提供良好的人機交互界面，便于使用者操作。

（4）如何確定影響邊坡穩定性的降雨量、地理位置信息、邊坡位移形變量等關鍵數據。

5.2 解決措施

（1）鉆具就位后，嚴格控制鉆頭垂直度，鉆進過程中，每進尺1m，對鉆具垂直度進行一次糾正，考慮到施工的可操作性，如果監測點在放樣的過程中，可以對監測點進行適當移位。

（2）采用模型改正法和求差法等，可以實現誤差減弱或消除，促進誤差源分析取得成效；研發新型變形監測傳感器裝置，如基于無線射頻技術的危巖變形監測報警裝置、邊坡微變形雷達等，提高邊坡自動化監測的準確度及精度。

（3）系統采用分層B/S 體系結構，以NET 為開發平臺，以ASP.NET 和ADO.NET 為技術核心，統一流程規范、統一技術標準、統一數據管理、統一角色管理、統一用戶登陸、統一界面風格，構成一個開放統一的平臺，構建分層的在線安全監測系統。使整個系統有一個清晰的邏輯結構，減輕使用難度。

（4）在滑坡體主剖面強變形區域布設GNSS 監測點1 套，監測落石、滑坡、裂縫病害；在滑坡體內強變形區布設傾角加速度計監測點2 個，監測滑坡內部變化；在滑坡體外穩定開闊位置布設降雨量監測點1 個，監測降雨量；在居民區附近安裝聲光報警器1 臺。

6 結束語

該邊坡體自2021 年8 月28 日至10 月10 日，系統多次雨量預警，地表位移數據均正常。通過查詢該期間旬陽歷史天氣，存在降雨過程，印證了雨量計的監測結果。自監測以來，位移、傾角和加速度的數據平穩，無趨勢性，進入10 月后，降雨量趨弱，據此，可認為災害點目前整體穩定。后續需繼續加強監測，對災害及時預警。可見該系統對提高邊坡穩定性水平有較大幫助作用。