自動化變形監測在高填方路基病害處治中的應用

摘要：文章以南丹至天峨下老高速公路某高填方路基病害為例，通過自動化深層水平位移監測、GNSS地表位移監測準確判斷病害路基的滑動面深度、滑動變形特征及滑體狀態等信息，為病害路基處治設計提供依據，并通過處治施工期監測對處治效果進行評估驗證，可為復雜高填方路基病害機理研究及工程處治提供解決思路。

關鍵詞：高填方路基；滑坡；深部位移監測；地表位移監測；處治效果評估

U416.1A120384

0 引言

近年來，我國山區高速公路總里程在穩步提升。高填方路基是山區高速公路重要組成部分，但由于其填方較高，在地質條件、人類活動、氣象因素等共同作用下，路基失穩現象頻發，對高速公路的安全穩定造成了嚴重威脅［1-2］。自動化變形監測作為防災減災的重要手段，在高填方路基病害處治中能起到重要作用［3-4］。本文以南丹至天峨下老高速公路某高填方路基病害為例，通過綜合分析巖土體變形監測數據，為病害路基的處治設計與施工提供了準確的依據，并檢驗了病害路基處治措施的可靠性。

1 工程概況

南丹至天峨下老高速公路某高填方路基原地面橫坡坡率為1∶2.5，屬陡坡填方路基，路中心線最大填方高度約為17.463 m，填方坡腳到路面高度約為52.791 m。路基分三級填筑，底部第一級填筑坡比為1∶2，第二級填筑坡比為1∶1.75，第三級填筑坡比為1∶1.5，防護形式為拱形骨架+客土噴播+衡重式護腳墻，采用分層分段填筑。場地內地層主要由第四系人工堆積層（Qml）、第四系殘坡積層（Qel+dl）和三疊系中統板納組（T2b）組成。

2021年7月下旬，受持續降雨影響，填方路基坡腳擋土墻和拱形骨架開始出現前傾和開裂變形的跡象，病害在同年8～9月期間迅速惡化，坡腳擋墻前傾錯臺由最初的10～20 cm增大至50 cm，拱形骨架也由最初的開裂狀態變為斷裂、懸空狀態，后緣拉張裂縫逐漸增寬、貫通，拱形骨架坡腳多處滲水，水流量較大。

2 監測方案

2.1 監測目的

（1）對病害路基進行實時監測，并在監測數據達到預警閾值時及時預警，保障監測區域內的人員與財產的安全；

（2）動態了解病害路基的位移變形、滑動面深度等信息，為病害路基的治理設計與施工提供準確的依據，實現信息化施工和動態設計，達到保證工程質量，節約工程投資的目的；

（3）檢驗病害路基治理措施的可靠性，為日后的工作提供參考。

2.2 監測內容

（1）深部位移監測：采用固定式測斜儀測量監測孔內每段位置軸線與鉛垂線之間的夾角變化，從而計算出孔內相應位置的水平位移情況。可通過該種方法監測滑坡體的深部水平位移情況，確定滑動面位置，判斷滑坡的穩定情況，為滑坡監測預警、滑坡規模的估算和滑坡的治理提供依據；

（2）地表位移監測：采用GNSS（全球衛星導航定位系統）通過自動差分解算的方法實時測量基準站與監測站之間的相對位置［5］。可通過該種方法實時監測滑坡地表位移變形的發展情況，判斷主滑方向及滑坡的穩定狀況，為滑坡監測預警提供依據。

2.3 監測點布置

本病害路基在處治施工前和處治施工后分別采用不同的監測點布置方案，具體如下：

2.3.1 處治施工前（2021年10月至2022年3月）

根據病害路基的變形情況及可能出現危險的情況，共布設3條監測斷面，以監測線構建監測網。本階段監測網由5個深部位移監測點和10個地表位移監測點（含基準點）組成，監測點布置見圖1：

2.3.2 處治施工后（2022年4月至2022年9月）

病害路基于2023年3月上旬開始處治施工，處治施工前布置的監測點受滑動破壞及施工影響已基本拆除，僅保留后緣未受影響的2-CX1監測點，隨后根據施工進度逐步布置監測點以保障施工安全及驗證處治效果。本階段監測網由1個深部位移監測點和8個地表位移監測點（含基準點）組成，監測點布置見圖2。

3 監測成果

3.1 深部位移監測成果

3.1.1 滑動面確定

監測周期內各深部位移監測孔的累積位移-深度-時間曲線圖見圖3～6。由圖3～6可知，2-CX1、2-CX2的累積位移-深度-時間曲線緊貼于豎軸或在豎軸兩側無規律小幅波動，說明2-CX1、2-CX2監測孔無明顯滑動面，深部位移處于基本穩定狀態。2-CX3、2-CX4的累積位移-深度-時間曲線均在19.0 m深度處發生明顯彎折，曲線呈向外側鼓起狀，說明2-CX3、2-CX4監測孔出現深層滑動變形，滑動面深度均在19.0 m處。2-CX5在成孔后于短時間內被剪斷，尚未來得及獲取監測數據，根據監測孔剪斷位置大致推測出滑動面深度在9.5 m深度處。將各深部位移監測孔的滑動深度相連可得到病害路基的滑動面，其監測斷面綜合分析圖見圖7。

3.1.2 監測數據分析

根據深部位移監測孔采集到的滑動面深度與峰值深度變形量及變形速率進行統計，統計結果見下頁表1。各深部位移監測點位移-時間曲線圖及位移速率-時間曲線圖見下頁圖8～9。由圖8～9可知，2-CX1、2-CX2監測孔無明顯滑動面，其峰值深度位移-時間曲線及速率-時間曲線無明顯波動，變化趨勢穩定，說明其深部位移處于基本穩定狀態。2-CX3監測孔滑動面深度為19.0 m，自開始監測起，累積位移隨時間不斷增長，峰值深度速率為54.80～163.32 mm/d，直至4 d后變形量超過439.36 mm導致儀器受損失效。2-CX4滑動面深度為19.0 m，自開始監測起，累積位移隨時間不斷增長，峰值深度速率為54.72～197.10 mm/d，直至4 d后變形量超過504.55 mm導致儀器受損失效。

從滑動面深度來看，滑動面主要沿路基填筑界面及粉質黏土層與下伏基巖界面發生滑動，后緣位于高速公路路基左幅的拉張錯臺處，前緣剪出口位于填方坡腳處原擋墻區域。從變形速率來看，滑坡區域整體處于高速變形中，且滑坡中部2-CX4的變形速率大于滑坡上部2-CX3的變形速率，符合牽引式滑動破壞的特點。

3.2 地表位移監測成果

3.2.1 滑動方向確定

根據地表位移監測點采集的位移方向（典型地表位移方位角散點圖見圖10）可知，各地表位移監測點的位移方位角為185°～200°，邊坡坡向為190°，兩者基本一致，說明邊坡整體沿坡向滑動。

3.2.2 監測數據分析

根據地表位移監測點采集的累積位移及位移速率進行統計，統計結果見表2～3。各地表位移監測點平面位移-時間曲線圖及平面位移速率-時間曲線圖見圖11～14。根據地表位移監測數據可將本病害路基分為四個監測階段，分別是處治施工前的急劇變形期（2021-10-28至2022-01-14）、滑動破壞期（2022-01-15至2022-03-08）和處治施工后的工后蠕變期（2022-05-25至2022-08-15）、基本穩定期（2022-08-16至2022-09-30）。

急劇變形期階段，核心變形區監測點平面位移速率為51.27～62.05 mm/d，后緣區域暫無明顯位移，本階段路基已處于高速滑移狀態，但滑移尚未牽引至后緣區域。滑動破壞期階段，核心變形區監測點平面位移速率為141.33～160.59 mm/d（加速至上階段的255%～303%），后緣牽引區監測點平面位移速率為78.51 mm/d（上階段無明顯位移），本階段位移速率較急劇變形期階段大幅增長，且變形區域不斷向后緣牽引擴大。兩階段中下部監測點的位移速率均大于上部監測點的位移速率，與深部位移監測數據一致，符合牽引式滑動破壞的特點。根據滑坡的滑動面深度和變形特征制定了開挖卸載大部分滑體+坡腳設置樁基承臺擋墻支擋的處治方案。

工后蠕變期階段，各監測點平面位移速率為0.19～0.27 mm/d，本階段路基受施工加載影響處于蠕動變形狀態，但變形量在容許范圍內，屬正常的工后變形。基本穩定期階段，各監測點均無明顯位移，本階段處治施工已基本完成，位移-時間曲線斜率逐漸減緩，最終趨向于水平，說明路基已處于基本穩定狀態，處治施工取得顯著效果。

4 結語

（1）自動化變形監測可通過高頻實時監測，在較短時間內采集到病害路基的滑動面深度、滑動變形特征、滑體狀態等關鍵信息，為處治設計提供了準確依據。

（2）處治施工期變形監測可以保障施工安全和驗證處治效果。

（3）在變形監測的基礎上，若增加地下水位監測、降雨量監測等環境監測手段，可以更加準確地了解滑坡誘因。

參考文獻：

［1］李丹丹.高填方路基變形監測與穩定性分析［D］.天津：河北工業大學，2019.

［2］張 勤，白正偉，黃觀文，等.GNSS滑坡監測預警技術進展［J］.測繪學報，2022（5）：1 985-2 000.

［3］許 強.對滑坡監測預警相關問題的認知與思考［J］.工程地質學報，2020，28（2）：360-374.

［4］魚安卿，陳 川，羅安民.變形監測在滑坡處治中的應用［J］.西部交通科技，2022（5）：66-69.

［5］王念秦，申輝輝，魯興生.邊坡變形監測技術發展現狀及問題對策［J］.科學技術與工程，2021，21（19）：7 845-7 855.