巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張平樂 楊 仙

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 武岡 422400; 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

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巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張平樂1楊 仙2*

(1.湖南省武靖高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 武岡 422400; 2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

根據(jù)某巖質(zhì)高邊坡的具體情況，設(shè)計(jì)了巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),通過監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷，監(jiān)測(cè)邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

巖質(zhì)高邊坡，穩(wěn)定性，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

0 引言

滑坡監(jiān)測(cè)是滑坡防治工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工過程中不可缺少的重要組成部分。邊坡長期監(jiān)測(cè)一般在防治工程后期開始，對(duì)邊坡體進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，以掌握處治邊坡穩(wěn)定性的變化情況和特征，據(jù)此評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)處治后的邊坡長期穩(wěn)定性。對(duì)于巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，采用常規(guī)人工監(jiān)測(cè)手段有如下弊端：

第一，人工數(shù)據(jù)采集風(fēng)險(xiǎn)大，人身安全難以保障。

第二，工作周期長，往往需要持續(xù)幾年的時(shí)間，數(shù)據(jù)的采集和處理工作量大，人力成本大，還容易出現(xiàn)因信息反饋不及時(shí)而影響對(duì)災(zāi)害的處理效率。如采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這兩大弊端都可以得到很好的解決。

目前邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)中，TCA2003全站儀、GPS[3,4]等地表監(jiān)測(cè)手段使用較多。該類監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用高，對(duì)于長期監(jiān)測(cè)而言，如果直接放置于室外容易損壞或丟失，否則仍需要人工每天進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、開機(jī)關(guān)機(jī)，并未真正解放人力。在長期監(jiān)測(cè)中，更傾向于使用埋入式儀器，進(jìn)行深部監(jiān)測(cè)。AGI邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)邊坡監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，能接入TDR、滲壓計(jì)、固定式測(cè)斜儀、雨量計(jì)等獲取邊坡監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。該系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，能方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。但是該系統(tǒng)十分昂貴，導(dǎo)致其在國內(nèi)的使用受到限制。

根據(jù)某巖質(zhì)高邊坡的具體情況，設(shè)計(jì)了巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)利用已成熟市場(chǎng)產(chǎn)品來集成，軟件系統(tǒng)為自主開發(fā)。該軟件系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，并根據(jù)三級(jí)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。

1 工程概述

該巖質(zhì)高邊坡所在地為深切中高山峽谷地貌，地勢(shì)陡峭，場(chǎng)區(qū)構(gòu)造發(fā)育、成因復(fù)雜。邊坡巖體受構(gòu)造、卸荷、風(fēng)化、層面等因素影響，節(jié)理多發(fā)育，坡表隨處可見可能發(fā)生楔形體破壞及崩塌破壞的危巖。該處施工一橋梁跨越工程，橋梁工程的承載樁基和隧道錨位于兩岸邊坡中部，承載基巖中發(fā)育多條節(jié)理裂隙密集帶，帶內(nèi)巖體較破碎，局部巖塊溶蝕較嚴(yán)重，巖質(zhì)軟硬不均。考慮到場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜性以及山區(qū)橋梁隧道錨設(shè)計(jì)特殊性，為確保工程安全，對(duì)跨越工程兩岸邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，以避免邊坡失穩(wěn)對(duì)于跨越工程造成嚴(yán)重影響。圖1為邊坡監(jiān)測(cè)儀器布置平面圖。

2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)儀器

1)邊坡深部測(cè)斜。

本工程中主要考慮隧道錨區(qū)域以及橋塔樁基圍巖的整體穩(wěn)定性，采用測(cè)斜儀來監(jiān)測(cè)巖體變形。在錨硐開挖平臺(tái)設(shè)置鉆機(jī)，分別進(jìn)行鉆孔，孔深40m。在鉆孔內(nèi)埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管內(nèi)每間隔5m距離安裝測(cè)斜探頭。在橋塔施工平臺(tái)設(shè)置鉆機(jī)，分別進(jìn)行鉆孔，孔深50m。在鉆孔內(nèi)埋設(shè)測(cè)斜管，測(cè)斜管內(nèi)每間隔6m距離安裝測(cè)斜探頭。定期測(cè)量測(cè)斜管各測(cè)斜點(diǎn)處位移大小、方向，以此觀測(cè)巖土體深部位移沿鉆孔深度的位移變化。

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

在錨索注漿體固結(jié)之后，在兩個(gè)隧道錨硐軸線上選取2個(gè)斷面，每個(gè)斷面選取4根錨索，安裝錨索計(jì)，監(jiān)測(cè)錨索實(shí)際受力狀況。

3)地表裂縫位錯(cuò)監(jiān)測(cè)。

采用測(cè)縫計(jì)對(duì)存在于地表邊坡的裂縫進(jìn)行位錯(cuò)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范，本次邊坡監(jiān)測(cè)的變形邊坡按其危害性分級(jí)屬于一級(jí)，監(jiān)測(cè)主要任務(wù)是通過各種測(cè)量手段，建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)跨越工程邊坡進(jìn)行系統(tǒng)、可靠的長期變形監(jiān)測(cè)，以便于預(yù)測(cè)邊坡失穩(wěn)的可能性和滑坡的危險(xiǎn)性，提出相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施，保證跨域工程的長期安全性。

2.2 自動(dòng)采集與無線遙測(cè)

為了提高監(jiān)測(cè)效率，減少長期監(jiān)測(cè)過程中的人力成本，以及提高數(shù)據(jù)管理與處理的質(zhì)量，本監(jiān)測(cè)方案選取自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本方案選取的自動(dòng)采集系統(tǒng)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)量，擴(kuò)展輸入通道數(shù)量。數(shù)據(jù)采取無線傳輸方式，適用于遙測(cè)，可以直接把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至總部進(jìn)行處理。無線遙測(cè)為上網(wǎng)手機(jī)模塊的形式，利用GPRS上互聯(lián)網(wǎng)的功能，通過約定域名的方式，建立現(xiàn)場(chǎng)上網(wǎng)手機(jī)模塊(以下簡(jiǎn)稱DTU)與安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件的上網(wǎng)電腦間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理軟件系統(tǒng)圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)處理模塊分4個(gè)子模塊，其中單點(diǎn)分析處理模塊、剖面分析處理模塊以及空間綜合分析模塊都采取三級(jí)預(yù)警。預(yù)警主要以位移量作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，錨索應(yīng)力作為輔助判斷手段。

單點(diǎn)和剖面分析處理模塊：?jiǎn)吸c(diǎn)模塊將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息進(jìn)行變化量、變化速率的分析，并與三級(jí)預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比。剖面分析處理模塊將同剖面所有傳感器的監(jiān)測(cè)信息集成于對(duì)比分析模塊中，方便對(duì)同剖面的同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

空間綜合分析模塊：該模塊將立體空間內(nèi)某一監(jiān)測(cè)時(shí)間所有深部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，來判斷邊坡穩(wěn)定性。該方法不僅能抵消個(gè)別數(shù)據(jù)異常引起的誤判，而且可以把多個(gè)空間數(shù)據(jù)綜合成一個(gè)數(shù)據(jù)，使用方便。該模塊基本思路是：設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)，按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的空間距離以及兩者之間的相關(guān)性對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行權(quán)重分配，得到綜合權(quán)重值，通過此值與三級(jí)預(yù)警值對(duì)比，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性綜合判斷。

預(yù)警值選取：本項(xiàng)目采用FLAC3D數(shù)值模擬來選取預(yù)警值。根據(jù)強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，得到邊坡處于極限狀態(tài)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的極限位移量。根據(jù)監(jiān)測(cè)值權(quán)重分配方法，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的極限位移量進(jìn)行權(quán)重分配，得出綜合極限位移量U，分別選取0.6U,0.75U以及0.9U作為三級(jí)預(yù)警值。該方法簡(jiǎn)單易行，而且綜合考慮了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置影響，避免了直接使用最大變形量作為預(yù)警指標(biāo)產(chǎn)生的問題。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

該邊坡穩(wěn)定性綜合空間分析結(jié)果如圖3所示，由圖可見，監(jiān)測(cè)點(diǎn)綜合值均未超出警戒值，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

1)巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)利用已成熟市場(chǎng)產(chǎn)品來集成。根據(jù)巖質(zhì)高邊坡的具體情況，建立了由邊坡深部監(jiān)測(cè)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及地表裂縫監(jiān)測(cè)形成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，能夠?qū)缭焦こ踢吰逻M(jìn)行系統(tǒng)、可靠的長期變形監(jiān)測(cè)。

2)巖質(zhì)高邊坡長期穩(wěn)定性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)為自主開發(fā)。該軟件系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)空流數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)、剖面以及空間立體的全面分析，并根據(jù)三級(jí)預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警。通過數(shù)據(jù)處理軟件得到監(jiān)測(cè)處理結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)期間，該邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]張衛(wèi)中,尹光志,李東偉，等.失穩(wěn)路塹邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2008,17(3):69-74.

[2]張加穎,麻鳳海,徐 佳.基于TCA[3]2003全站儀的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究.中國礦業(yè),2005,14(4):67-69.

[4]李遠(yuǎn)寧,馮曉亮.GPS[5]在三峽水庫區(qū)云陽縣滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2007,18(1):124-127.

[6]裴世建,王祖軍.GPS在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.工程勘察,2007(10):55-57，61.

[7]沈細(xì)中.AGI邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用與開發(fā).北京：中國水利水電出版社,2010:35-37.

Automaticmonitoringsystemforlongtermstabilityofrockhighslope

ZhangPingle1YangXian2*

(1.Hunan Province, Wu-Jing Expressway Construction Development Co., Ltd, Wugang 422400, China；2.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Accordingtothespecificsituationofarockhighslope,automaticmonitoringsystemforthelongtermstabilityoftheslopewasdesigned.Thesystemincludeshardwareandsoftwaresystem.Basedonthemonitoringresults,theslopeisinthesteadystate.

rockhighslope,stability,automaticmonitoringsystem,monitoringdata

1009-6825(2015)21-0038-02

2015-05-15

張平樂(1979- )，男，工程師

楊 仙(1982- )，女，博士，講師

TU

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