邊坡變形監(jiān)測方法綜述

曹 峰 曹 仲 龍劉陽

（中交公路養(yǎng)護工程技術有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

邊坡是道路工程中最常見的形式[1]。我國國土幅員遼闊，鐵路、公路建設不可避免會遇到復雜多樣的地質環(huán)境，會面臨多種地質災害風險[2]。高邊坡的變形與破壞直接威脅著公路、鐵路交通運輸安全。為及時發(fā)現(xiàn)并預測邊坡發(fā)生滑坡等地質災害，防止影響交通安全，開展邊坡變形監(jiān)測顯得尤為重要。確定邊坡滑體的具體周界、對滑體的滑動量做定期的檢測、主要滑動線的方向和滑動速度，是邊坡安全監(jiān)測需要解決的關鍵問題[3]。交通干線高邊坡穩(wěn)定性的預判和分析事關重大，合理科學精準的高邊坡變形監(jiān)測技術是幫助解決高邊坡失穩(wěn)的有效手段。因此，本文梳理并分析現(xiàn)有高邊坡變形監(jiān)測方法，對比各類方法的優(yōu)劣，并嘗試給出智能邊坡監(jiān)測的發(fā)展方向，具有重要的工程價值。

1 邊坡變形監(jiān)測的發(fā)展

蘇聯(lián)滑坡專家葉米里揚諾娃［4］在《滑坡作用的基本規(guī)律》一書中全面地論述了自然滑坡產(chǎn)生的條件、因素、機理和過程；日本學者Saito[5]提出了著名的“齋藤法”滑坡預報公式，并成功預報一起隧道滑坡；智利學者Hoek[6]提出根據(jù)滑坡變形曲線的形態(tài)和趨勢外推求滑動時間的外延法；崔政權[7]首次提出運用系統(tǒng)工程地質學（system engineering geology，SEG）法對邊坡穩(wěn)定性進行評價的思路；謝守益等[8]設計了降雨滑坡的典型閾值，并根據(jù)極值分布理論對典型滑坡降雨誘發(fā)概率進行了統(tǒng)計分析；馬莉等[9]、唐春艷等[10]先后運用灰色理論和交互多模算法對滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，并建立滑坡預測模型和一種卡爾曼平滑算法等。隨著邊坡監(jiān)測技術的快速發(fā)展，越來越多的高科技運用到邊坡監(jiān)測中，從而實現(xiàn)邊坡全天候安全監(jiān)測；特別是GPS技術、GI技術、遙感技術、三維激光掃描技術、時域反射技術、合成孔徑雷達干涉測量技術、分布式光纖傳感技術以及近景攝影測量技術等快速發(fā)展，使邊坡變形監(jiān)測手段更為便捷和精確。邊坡監(jiān)測技術的迅猛發(fā)展，促進了監(jiān)測范圍的擴大、自動化，數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和資料分析系統(tǒng)、邊坡監(jiān)測報警系統(tǒng)等的日益完善[11]。

2 邊坡變形監(jiān)測技術現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測技術

邊坡變形監(jiān)測通過觀測邊坡表面和深部的位移來掌握邊坡的變形情況。目前，傳統(tǒng)的邊坡變形監(jiān)測主要利用監(jiān)測儀器，其監(jiān)測方法以及特點如表1所示。

表1 傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測技術的方法和特點

2.2 智能邊坡變形監(jiān)測技術

為克服傳統(tǒng)邊坡變形監(jiān)測的局限性，學者們研制出了智能邊坡變形監(jiān)測技術，使邊坡變形監(jiān)測技術逐漸走向了多層次、多視角、多技術、自動化的立體體系，具體表現(xiàn)在以下方面：

（1）GPS全球定位系統(tǒng)

GPS是20世紀70年代美國國防部研制的全球定位系統(tǒng)[12]。GPS用于邊坡監(jiān)測的優(yōu)點的是監(jiān)測點選取比較方便、定位精度高、可以提供監(jiān)測點的三維坐標信息、操作簡單、可以全天候工作。但是也有不足之處，GPS接收器價格昂貴、無法滿足要求較高的工程、僅適用于地表變形監(jiān)測。

與GPS 類似的還有GNSS 也應用于了邊坡監(jiān)測，GNSS在測量效率和精度方面都有了顯著提升。相對于常規(guī)的邊角測量技術來說，GNSS定位技術主要有測站無需通視、定位精度高、觀測時間短、同時獲取三維坐標、操作簡便、全天候操作、性價比高等優(yōu)點[13]。目前，GNSS方法主要應用于大面積、監(jiān)測點不多的高邊坡變形監(jiān)測項目。RS技術在滑坡監(jiān)測領域可以快速獲得大范圍研究區(qū)域的動態(tài)滑坡信息，并可以同步進行滑坡監(jiān)測。具有覆蓋范圍廣、獲取信息快、受地面障礙限制小，并能連續(xù)反復進行觀測等優(yōu)點[14]。

（2）光纖傳感技術

用光作為載體光纖作為媒介把外部檢查到的物理、化學等參數(shù)傳遞到目的地稱為光纖傳導技術[15]。光纖傳感器技術具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、響應快、重量輕和體積小等優(yōu)點，從施工方便性來看，基于BOTDR的方案更具簡便性，且后期維護更加方便簡單[16]。

（3）其他邊坡變形監(jiān)測技術

聲發(fā)射技術：聲發(fā)射現(xiàn)象越明顯，其可靠性比較好。聲發(fā)射技術不僅可以從表面看出位移變化，更能觀測邊坡內部裂隙的變化。

三維激光掃描技術：其非接觸式快速獲取點云數(shù)據(jù)，受外界環(huán)境影響低，操作簡單可靠，不僅保留了全站儀的高精度優(yōu)點，而且在很大程度上解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方式周期長、效率低及易受外界因素影響等問題。

合成孔徑雷達技術：合成孔徑雷達干涉測量技術為解決區(qū)域地表三維信息提供了有效途徑[17]，該技術具有全天時、全天候、高精度、低成本等優(yōu)勢，多用于解決大面積的滑坡監(jiān)測。

3 邊坡變形監(jiān)測中存在的問題

3.1 資源消耗過大

隨著邊坡監(jiān)測手段的增多，人力財力物力消耗也隨之增多。從表1可知，常用的監(jiān)測方法一般有大地監(jiān)測法、測斜法以及測縫法等多種邊坡監(jiān)測方法，這類監(jiān)測方式都需要消耗大量的人工去現(xiàn)場執(zhí)行。如若在監(jiān)測過程中發(fā)生崩塌和滑坡等地質災害問題，不僅會對監(jiān)測儀器帶來損害造成經(jīng)濟損失，甚至會對監(jiān)測人員的生命造成威脅。雖然智能化遠程監(jiān)控儀器可以實時進行遠程監(jiān)測，省去人力的同時還增加了監(jiān)測效率，但這類監(jiān)測儀器造價成本過于昂貴，難以進行大范圍的使用。

3.2 受外界影響因素制約

大部分的邊坡監(jiān)測方法都會受到地形以及氣象方面的干擾，如大地測量法對通視要求較高；GPS的信號定位極易被環(huán)境遮擋，導致無法準確定位。大部分的邊坡監(jiān)測儀器在野外難以進行良好的保養(yǎng)，傳感器受到雨水浸泡后容易產(chǎn)生腐蝕，并且容易被周圍的環(huán)境電磁干擾，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性受到影響。一部分的監(jiān)測方法局限性較強，例如TDR技術通過對電纜的變形程度進行監(jiān)測，如若電纜的形變量較小并未出現(xiàn)變形損壞，就無法對邊坡的變形進行準確地監(jiān)測。而近景攝影測量自身的監(jiān)測精度較低，只適合對一些變形較大的邊坡監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測連續(xù)性較差

大部分的邊坡監(jiān)測缺少持續(xù)性，難以獲得完整準確的邊坡變形規(guī)律。地表變形監(jiān)測受到天氣以及衛(wèi)星周期的影響，導致邊坡在連續(xù)監(jiān)測過程中受到影響。在邊坡監(jiān)測中，如若在滑坡監(jiān)測中“臨滑階段”的監(jiān)測數(shù)據(jù)鏈不完整，將會導致之前的準備工作功虧一簣。深部監(jiān)測方法對錨索和錨桿的應用較為常見，當出現(xiàn)滑坡情況，下滑的力度遠超過錨索的抗拉力和導致錨索出現(xiàn)拉斷的情況，會使整個監(jiān)測系統(tǒng)失效。并且TDR和鉆孔測斜儀等監(jiān)測方式皆存在“一孔之見”的弊端，雖然可以對滑坡面進行定位，但邊坡在發(fā)生較大錯動時，監(jiān)測設備則被剪斷，導致連續(xù)監(jiān)測被迫終止。

4 邊坡變形監(jiān)測方法的對策建議

4.1 降低成本消耗

隨著社會的快速發(fā)展，應針對邊坡監(jiān)測技術開發(fā)經(jīng)濟、簡單并且可以適應各種惡劣氣候和環(huán)境的監(jiān)測設備，將人力投入降到最低的同時，增加其抗外界因素干擾的能力。在滑坡監(jiān)測過程中，不同的階段可使用不同的監(jiān)測技術，針對性使用監(jiān)測方式可以大幅度降低成本的消耗。例如在監(jiān)測發(fā)育初期，坡體處于比較穩(wěn)定的情況下，可使用周期性的監(jiān)測方式，將監(jiān)測成本控制到最低。

4.2 選取適宜的監(jiān)測方法

為保證邊坡監(jiān)測的連續(xù)性不被中斷，應根據(jù)當?shù)氐牡刭|環(huán)境、氣象條件、成因機制、變形階段以及誘發(fā)原因等方面進行全面考慮，采用適合的監(jiān)測方法。通過對各種監(jiān)測方法的實際運用，可分析出非接觸型監(jiān)測方法更為方便有效，但會被氣象條件所干擾，所以在氣象條件不好時，可選擇接觸型監(jiān)測方法，并且滑坡進入變形階段時，可采用自動變頻功能的設備進行監(jiān)測。在數(shù)據(jù)采集過程中根據(jù)邊坡變形速率的加快，以此對邊坡變形進行完整的監(jiān)測，并對“臨滑階段”的數(shù)據(jù)進行不間斷收集，為邊坡預警提供有效數(shù)據(jù)。

4.3 改善監(jiān)測方法

由于滑坡機理具有的復雜程度較高，所以在滑坡監(jiān)測過程中應從多方面進行考量。“十滑九水”是無數(shù)工作者從實踐中總結出來的經(jīng)驗，內部的地下水是導致邊坡失穩(wěn)的關鍵，所以應加強對氣象水文以及地質水文進行重點監(jiān)測，并且應通過多種監(jiān)測方式進行組合監(jiān)測，以此達到取長補短的效果，從而可以得到更加準確的邊坡參考信息。同時，可以在邊坡表面位移、深部位移、孔隙水壓以及地下水位等方面建立一個多種參數(shù)完善的監(jiān)測體系，以此可以保證監(jiān)測的準確性以及效率。對監(jiān)測網(wǎng)的鋪設要根據(jù)地質情況，形成三維立體的監(jiān)測網(wǎng)結構，可以有效地對邊坡變形進行監(jiān)測，通過準確有效的監(jiān)測，真正地達到預警的效果，保證設備以及人員的安全。

5 結束語

總之，隨著科技的發(fā)展，邊坡監(jiān)測技術發(fā)展得越來越多樣化，涌現(xiàn)出各種各樣的方式方法，傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測技術工作量大，效率低，新型監(jiān)測技術具備自動化遠程實時監(jiān)測功能，省了不少人力，提高了監(jiān)測效率，但由于成本過高，難以得到大范圍推廣與應用[18]。需要充分認識當前邊坡變形監(jiān)測領域中監(jiān)測技術、監(jiān)測理論、監(jiān)測過程中所存在的問題，進而根據(jù)實際情況選擇所需的技術方法，以便更好地完成邊坡變形監(jiān)測。