公路邊坡變形監(jiān)測工作存在的問題與建議

■吳維義 楊 珩 姬同旭

（1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽 550081；2.貴陽環(huán)城高速公路營運有限公司，貴陽 550025）

監(jiān)測是了解邊坡變形的有效手段，特別是隨著近年來科學(xué)技術(shù)的進步，自動化監(jiān)測得到了長足發(fā)展，在天—空—地監(jiān)測方面均取得了技術(shù)突破。 其中，王天宇等[1]、王凱等[2]研究了InSAR 技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測工作中的應(yīng)用， 并提出了相應(yīng)的改進方法，且在實際工程項目中得到了驗證，取得了良好的工程效果；張青青等[3]結(jié)合廣東省山區(qū)營運高速公路邊坡病害特點和典型案例，對無人機航拍技術(shù)的應(yīng)用狀況進行分析，并就無人機航拍的效率與精度進行了討論；梁苗等[4]依托基于LoRa 技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳畈课灰票O(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對山區(qū)某高速公路邊坡變形遠程自動化監(jiān)測，獲取了邊坡應(yīng)急加固處治前后的深部變形數(shù)據(jù)。 此外，相關(guān)規(guī)范[5-8]對邊坡監(jiān)測工作也做出了相應(yīng)的要求。 但在實際工程應(yīng)用中，雖然學(xué)界對監(jiān)測意義、監(jiān)測周期長短、監(jiān)測精度大小、預(yù)警閾值設(shè)定與預(yù)警方法等5 個問題討論較多，但觀點尚不統(tǒng)一，因此本研究結(jié)合多個監(jiān)測項目實例，對上述問題進行分析，并提出相關(guān)思考與建議，以供參考。

1 監(jiān)測意義

為什么監(jiān)測？ 這是開展自動化監(jiān)測工作首先要回答的問題，針對該問題，學(xué)者劉代文等[9]總結(jié)得比較全面， 概況起來可分為病害前期的特征觀測與災(zāi)害預(yù)警、處置措施實施期間的動態(tài)優(yōu)化與安全監(jiān)控、處置工后的效果驗證與長期變形規(guī)律研究幾類。 因此，針對不同的邊坡地質(zhì)病害特征，其監(jiān)測的目的與價值不盡相同，并不是某些業(yè)主單位認為的遇見邊坡問題，直接上處置措施，就可一勞永逸的。 自動化監(jiān)測雖然可以實現(xiàn)邊坡變形數(shù)據(jù)的自動化采集、傳輸、分析與預(yù)警，但是監(jiān)測只是分析巖土變形規(guī)律的技術(shù)手段之一， 并不是現(xiàn)場安裝自動化設(shè)備后就可“放心”，無論哪一種監(jiān)測手段，都無法全范圍、準(zhǔn)確地掌握邊坡的變形規(guī)律。 基于地質(zhì)知識理論的調(diào)查與分析永遠是解決巖土體變形問題的基礎(chǔ)， 在監(jiān)測期間不定期的現(xiàn)場巡視是掌握邊坡現(xiàn)場情況的有效手段，也是驗證自動化監(jiān)測可靠性的主要方法。

2 監(jiān)測周期

關(guān)于公路邊坡監(jiān)測周期的規(guī)定，主要相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)如下：GB50026-2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，“邊坡監(jiān)測點在3 年內(nèi)變形不顯著并預(yù)計若干年內(nèi)周邊環(huán)境無重大變化時，可適當(dāng)延長監(jiān)測周期或結(jié)束監(jiān)測”；JTG D30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，“運營期監(jiān)測周期應(yīng)根據(jù)公路等級、 地質(zhì)復(fù)雜程度確定，要求高速公路路塹邊坡應(yīng)為公路建成運營不少于1 年”；JTG∕T3334-2018 《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》 規(guī)定，“監(jiān)測周期應(yīng)起于防治工程交工驗收，與施工安全監(jiān)測階段相銜接，止于公路運營后不少于1 個水文年。 勘察階段監(jiān)測周期不宜少于30 天”。由此可知， 不同階段的邊坡有不同的監(jiān)測周期要求，特別是隨著自動化監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，從安全角度出發(fā)，對監(jiān)測周期的要求也越來越長。 因此，對特定的邊坡變形問題，應(yīng)充分考慮邊坡特征，制定合理的監(jiān)測周期，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)科學(xué)地規(guī)劃監(jiān)測時長， 確保既能準(zhǔn)確掌握邊坡的變形規(guī)律，又不造成資源的浪費。

3 監(jiān)測精度

關(guān)于公路邊坡監(jiān)測精度，不同監(jiān)測對象、不同監(jiān)測階段、不同監(jiān)測手段都有不同要求，目前主要的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）GB50026-2020《工程測量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，邊坡的監(jiān)測精度要求如表1 所示；（2）JTG∕T3334-2018《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，邊坡地表變形監(jiān)測中高程誤差的觀測精度應(yīng)控制在±2 mm 以內(nèi)； 地表裂縫觀測精度應(yīng)為0.1～1.0 mm； 地下深部位移誤差要求不得超過±5 mm/15.0 m； 地下水監(jiān)測精度要求在±35 mm～±10 mm。從監(jiān)測實際工程來看，監(jiān)測的精度往往與監(jiān)測目的直接相關(guān)，如對某一邊坡，在專項評估后認為其存在安全風(fēng)險，但邊坡又未出現(xiàn)明顯變形跡象，只是為了監(jiān)測邊坡是否變化，此時監(jiān)測精度可適當(dāng)降低，尤其適用于土質(zhì)邊坡或二元結(jié)構(gòu)邊坡。 該方法對運營期的公路邊坡來說可有效降低監(jiān)測成本費用。

表1 邊坡監(jiān)測精度要求 （單位：mm）

4 預(yù)警閾值

關(guān)于公路邊坡預(yù)警閾值的設(shè)定，一直是困擾工程界的技術(shù)難題， 總結(jié)起來有定性與定量2 種方法，而對于自動化監(jiān)測來說，只有定量才有利于實施；其中，JTG∕T3334-2018《公路滑坡防治設(shè)計規(guī)范》建議，“警戒值采用深部位移5 mm/d（連續(xù)變形3～5 d）、前緣剪出裂縫的危險位移量10 mm/d 較為合適”；GB50330-2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：“土質(zhì)邊坡支護結(jié)構(gòu)坡頂?shù)淖畲笏轿灰拼笥谶吰麻_挖深度的1/500 或20 mm， 以及其水平位移速度連續(xù)3 d 大于2 mm/d 應(yīng)預(yù)警”；但實際工程中邊坡變形與上述的預(yù)警閾值關(guān)聯(lián)性存在一定差異。

如某公路邊坡路基面與坡頂高差127.4 m，為九級邊坡，上覆第四系殘坡積層（Qel+dl）含碎石粉質(zhì)粘土及碎石土； 下伏基巖為二疊系龍?zhí)督M （P2l）砂巖、泥巖、夾層煤，邊坡的支護措施主要為坡腳采用錨索抗滑樁+擋板，坡面為格構(gòu)錨索、鋼管樁與掛網(wǎng)支護；為掌握邊坡的變形情況，在邊坡主斷面上布設(shè)了7 個深部位移監(jiān)測孔，并在坡面布設(shè)了大量的地表位移監(jiān)測點。 下面以主斷面的1 個監(jiān)測孔數(shù)據(jù)與布設(shè)在抗滑樁頂?shù)牡乇砦灰票O(jiān)測點數(shù)據(jù)為例，說明項目的監(jiān)測預(yù)警情況。 BJCK6 孔監(jiān)測深度為23.5 m，位于一級平臺抗滑樁之上，于2016 年4 月8 日第一次監(jiān)測， 監(jiān)測日期為2016 年4 月8 日—2018 年3 月1 日，累計監(jiān)測167 次，合成方向的累計相對位移如圖1 所示。 從圖中可知，孔口處累計相對位移最大，為97.95 mm。 在深部位移孔未實施前，為掌握邊坡的變形情況，在一級平臺抗滑樁樁頂布設(shè)了多個地表位移監(jiān)測點，然后利用全站儀定期測量各監(jiān)測點的位移，其中b18、b20、a7、c7、c8 等監(jiān)測點的累計位移如圖2 所示，可知樁頂?shù)淖畲笪灰屏考s為1.4 m，監(jiān)測期間發(fā)布預(yù)警多次，治理完成后，抗滑樁呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)（圖3）。 從該實例可知，邊坡實際變形量遠大于規(guī)范規(guī)定預(yù)警閾值， 因此，在采用預(yù)警閾值控制的同時， 應(yīng)充分考慮變形速率，利用變形量與變形速率的雙控指標(biāo)來實現(xiàn)邊坡的預(yù)警將是有效的解決方案。

圖1 BJCK6 合成方向累計相對位移

圖2 一級平臺抗滑樁監(jiān)測點累計位移

圖3 治理完成后的邊坡現(xiàn)場

5 預(yù)警方法

預(yù)警閾值的設(shè)置是影響邊坡預(yù)警的關(guān)鍵因素。其中對邊坡坡面布設(shè)的多種監(jiān)測設(shè)備，是某一設(shè)備監(jiān)測值超過預(yù)警值就預(yù)警，還是同時多種設(shè)備共同觸發(fā)預(yù)警值時預(yù)警，是需要解決的關(guān)鍵問題。 針對這一問題，結(jié)合實例研究認為，對只有單一設(shè)備觸發(fā)預(yù)警值的情況，首先應(yīng)分析監(jiān)測所在部位是否存在局部變形的可能；其次應(yīng)考慮巖土體變形規(guī)律下監(jiān)測數(shù)據(jù)特征，判斷是監(jiān)測設(shè)備問題還是邊坡變形問題，如邊坡某一監(jiān)測設(shè)備觸發(fā)預(yù)警，同時其他布設(shè)在坡面的設(shè)備也均顯示數(shù)據(jù)異常，此時應(yīng)高度警惕此為邊坡整體變形因素所致， 及時啟動應(yīng)急預(yù)案。 對于邊坡在暴雨、夜間等特殊時段出現(xiàn)預(yù)警情況如何分析判斷的問題， 建議結(jié)合現(xiàn)有視頻技術(shù)，在邊坡特殊部位布設(shè)適當(dāng)?shù)囊曨l監(jiān)測點，這樣當(dāng)邊坡出現(xiàn)不必要的人為或其他因素引起的變形時，可第一時間排除，有效提高監(jiān)測工作效率，同時視頻也是對現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)變形的驗證手段之一。

如某運營期公路邊坡為一級開挖，最大開挖高度約24 m，坡率為1∶0.75，坡面設(shè)計采用鋼管樁與SNS 主動防護網(wǎng)進行防護， 坡后順接高約65 m 的自然坡； 在地質(zhì)災(zāi)害隱患排查時發(fā)現(xiàn)坡面有裂縫，存在潛在的安全隱患。 經(jīng)論證，對后緣裂縫采用拉繩式監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測，并在坡面主斷面布設(shè)2 個深部側(cè)向位移監(jiān)測孔，在孔內(nèi)埋設(shè)地下水位計，在監(jiān)測期內(nèi)，靠近路基的深部側(cè)向位移監(jiān)測孔數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4、5 所示。 從圖4、5 可知，在5 月4 日23∶00 左右時，16 m 監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)突變，相對前一監(jiān)測時間點，平均位移增大20 mm左右，后續(xù)數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)。 為此，監(jiān)測人員及時查看了該監(jiān)測孔的地下水位監(jiān)測情況，發(fā)現(xiàn)地下水位平穩(wěn)， 同時坡面布設(shè)的其他監(jiān)測點數(shù)據(jù)未見異常，排查了邊坡整體失穩(wěn)的可能；并根據(jù)巖土體變形規(guī)律分析，坡體變形是一個漸進過程，不可能一蹴而就（數(shù)據(jù)的采集頻率為0.5 h）， 因此排查了邊坡變形的可能；為了進一步驗證分析的可靠性，組織相應(yīng)人員對邊坡坡面進行巡視，重點查看了該監(jiān)測孔附近的結(jié)構(gòu)物與巖土體情況， 未見異常情況出現(xiàn)，因此該突變情況不是邊坡變形所致，后續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)也印證了分析的可靠性， 而對于該突變的原因，初步推測為傳感器與測斜管或測斜管與巖土體不耦合所致。

圖5 深部側(cè)向時間相對位移曲線（孔深3.5 m 處）

6 結(jié)語

（1）基于地質(zhì)理論知識的調(diào)查是分析巖土體變形問題的基礎(chǔ)，監(jiān)測只是分析巖土變形規(guī)律的技術(shù)手段之一，在監(jiān)測期間不定期的巡視是掌握邊坡現(xiàn)場情況的有效手段，是驗證自動化監(jiān)測可靠性的主要方法。 （2）監(jiān)測工作中，應(yīng)充分結(jié)合邊坡特征制定合理的監(jiān)測周期，并應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)科學(xué)地規(guī)劃監(jiān)測時長， 確保能準(zhǔn)確掌握邊坡的變形規(guī)律，又不造成資源的浪費。 （3）邊坡預(yù)警閾值的設(shè)定是世界性難題，監(jiān)測工作中，巖土工程師應(yīng)充分根據(jù)實際情況設(shè)定合理的預(yù)警閾值，目前采用變形量與變形速率的雙控方案是有效的解決途徑之一。 （4）多監(jiān)測數(shù)據(jù)的同臺分析是判斷邊坡整體是否變形的有效方法，對于某一監(jiān)測點或監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)突變問題，應(yīng)結(jié)合實際情況逐一排查原因。