公路邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與工程應(yīng)用

周澤林 楊光清 徐峰

摘 要：本文采用智能監(jiān)測(cè)裝備及系統(tǒng)對(duì)西南地區(qū)某互通邊坡開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好的反應(yīng)邊坡的變形狀況并提前及時(shí)地發(fā)出預(yù)警信息，為撤出人員和重要物資爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間，研究表明滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能夠滿足公路工程監(jiān)測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：公路邊坡;監(jiān)測(cè);預(yù)警

0 引言

我國(guó)的公路建設(shè)近三十年得到跨越式的發(fā)展，截至2019年，全國(guó)公路總里程501.25萬(wàn)公里，公路密度52.21公里/百平方公里。隨著我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，公路建設(shè)向工程地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)延伸，由于山區(qū)地形地貌的復(fù)雜性，在公路建設(shè)過(guò)程中不可避免出現(xiàn)高填深挖的狀況，形成大量的高邊坡（填方邊坡或挖方邊坡），造成原有的地質(zhì)力學(xué)平衡條件被破壞，在各種自然和工程因素的擾動(dòng)下，時(shí)常引起公路邊坡的變形甚至破壞，給邊坡的施工和維護(hù)帶來(lái)了諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

由于干線公路在建設(shè)過(guò)程中受資金、工期等多方面的限制，邊坡災(zāi)害的防護(hù)工作不足，因此西南山區(qū)公路受災(zāi)害影響的數(shù)量最多、路段最長(zhǎng)、隱患最大。如在四川綿竹境內(nèi)鮑竹路上行駛的一輛大客車(chē)被十余噸突然掉落的巨石砸毀，導(dǎo)致18名乘客死亡的慘劇;在重慶彭（水）-石（柱）公路約5公里處突然發(fā)生的山體滑坡，一輛路過(guò)的客運(yùn)汽車(chē)恰好被滾落的巨石砸中，導(dǎo)致7名乘客當(dāng)場(chǎng)死亡;重慶已經(jīng)運(yùn)營(yíng)7年的公路突然發(fā)生大型的順層滑坡，導(dǎo)致該段公路受堵，10余天不通暢;貴州省思南縣青杠坡鎮(zhèn)在2013年4月22日突然發(fā)生山體滑坡，造成了11人死亡，2人受傷。

1 工程概況

該互通為峰林谷地巖溶地貌單元，區(qū)內(nèi)地勢(shì)海拔高程2 071.0 m～1 835.0 m，最大高差約236 m。勘察區(qū)上部多被開(kāi)墾為耕地，呈階梯狀，坡度約為25°～35°下部為高速公路施工開(kāi)挖邊坡，總體坡度約20°～35°，局部坡度較陡，約50°。

該區(qū)域出露第四系碎石土，灰?guī)r巨型塊石堆積體，下伏二疊系下統(tǒng)棲霞組第一段灰?guī)r、砂巖、泥灰?guī)r及煤系地層。煤系地層因雨水沖蝕抗剪強(qiáng)度較低，下部灰?guī)r、砂巖及泥灰?guī)r多處存在互層現(xiàn)象，巖性特征分述如下：

1.1 第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl+el）

碎石土：黃褐色，稍濕，松散～稍密，碎石成分為石灰?guī)r，多呈次棱角狀、碎片狀，排列無(wú)序，一般塊徑3 cm～8 cm，最大15 cm，充填粉質(zhì)黏土，其中碎石含量在50%～60%之間。厚度一般為0.50 m～2.0 m，分布于滑坡體上部表層。

塊石堆積體：青灰色，稍濕，塊石成分為灰?guī)r，塊徑巨大，據(jù)開(kāi)挖斷面觀察，粒徑多為0.3 m～10 m不等，最大可達(dá)15 m，為原山體斷層時(shí)形成的滾落堆積塊石，排列無(wú)序，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，塊體接觸面巖溶強(qiáng)烈，多見(jiàn)溶孔。巖石堆積體分布范圍從BK0+600～BK0+750至CK0+800～CK1+420，兩端厚度較小，趨于尖滅，中間CK0+980～CK1+300段厚度較大，中間一段距離后緣陡崖較近，厚度較大，且粒徑較大，也符合此巖石堆積體為崩塌或錯(cuò)落成因的特征關(guān)系。

1.2 二疊系下統(tǒng)棲霞組第一段

巖性為灰?guī)r、砂巖、泥灰?guī)r及薄層煤質(zhì)層，巖層受構(gòu)造作用影響，表層較破碎，總體產(chǎn)狀為89～92°∠19～21°。

灰?guī)r：青灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分方解石，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部巖溶發(fā)育嚴(yán)重，巖芯呈短柱及碎塊狀，風(fēng)化程度為中風(fēng)化。

砂巖：淺黃色-灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分石英，長(zhǎng)石，裂隙發(fā)育，巖芯多碎塊狀及短柱狀，一般塊徑5 cm～12 cm，最大20 cm，裂隙面多見(jiàn)鐵質(zhì)浸染，采取率80%，RQD=30。該層主要揭露于滑坡體下部，風(fēng)化程度為中風(fēng)化。

泥灰?guī)r：深灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分黏土礦物，方解石，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯多碎塊及短柱狀，一般塊徑3 cm～8 cm，最大15 cm，采取率80%，RQD=30。該層主要揭露于滑坡體下部，風(fēng)化程度為中風(fēng)化，局部夾有煤層。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及布設(shè)

2.1 監(jiān)測(cè)裝備及系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要采用“招商交科云眼”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，監(jiān)測(cè)過(guò)程中選用了邊坡表面裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)物傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、圖像智能捕獲系統(tǒng)以及配套的數(shù)據(jù)分析和智能預(yù)警平臺(tái)等。

2.1.1 邊坡表面裂縫監(jiān)測(cè)裝備

主要用于邊坡表面位移的直接監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)利用高精度大量程位移計(jì)監(jiān)測(cè)邊坡主斷面的裂縫變化情況，首尾傳感器布設(shè)于邊坡區(qū)域外的相對(duì)固定點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡主要斷面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)度1 mm。

2.1.2 結(jié)構(gòu)物傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝備

結(jié)構(gòu)傾斜狀態(tài)采用結(jié)構(gòu)物傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，此系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)及其它結(jié)構(gòu)物的傾斜情況，傳感器可同時(shí)監(jiān)測(cè)x、y兩個(gè)軸向，量程為正負(fù)30°，精度為0.01°，分辨率為0.001°。

2.1.3 圖像智能捕獲裝備

圖像智能捕獲系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程獲取邊坡災(zāi)變體的圖像，幫助分析其實(shí)時(shí)狀態(tài)，此系統(tǒng)集采集、無(wú)線傳輸、太陽(yáng)能供電于一體，安裝方便，基本無(wú)需人員維護(hù)，可根據(jù)用戶需求，定時(shí)上傳現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)。

2.1.4 數(shù)據(jù)分析與預(yù)警平臺(tái)

該系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)自動(dòng)撥打相關(guān)人員電話或發(fā)送報(bào)警信息，調(diào)節(jié)設(shè)備的監(jiān)測(cè)參數(shù)，并自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。

2.2 布設(shè)方式

2014年6月，該高速公路互通段在邊坡開(kāi)挖與持續(xù)降雨作用下，后緣山體出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生滑坡。2015年6月10日前后，在原有滑坡體的小樁號(hào)側(cè)又產(chǎn)生了新的滑坡。

課題組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察，開(kāi)展如下監(jiān)測(cè)：

（1）在滑坡體后緣合適位置選擇2個(gè)斷面上的6個(gè)點(diǎn)位（1個(gè)斷面3個(gè)點(diǎn)位）采用“邊坡表面裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”對(duì)坡面變形及裂縫發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖所示。

（2）在主線橋上選擇4根橋墩柱，在C匝道上選擇2根橋墩柱，在柱頂采用“結(jié)構(gòu)物傾斜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”對(duì)整個(gè)墩柱傾斜狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（3）在滑坡范圍以外選擇合適位置，安裝“圖像智能捕獲系統(tǒng)”，對(duì)整個(gè)滑坡體、主線橋與匝道的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)。

3 數(shù)據(jù)分析

2015年8月17日-2015年8月31日節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)增長(zhǎng)，其中點(diǎn)“1-2”在該監(jiān)測(cè)周期變形量較緩，約為4 mm，點(diǎn)“3-2”在該周期變形量已經(jīng)達(dá)到28 mm，該周期的監(jiān)測(cè)圖像上并未發(fā)現(xiàn)明顯的變形特征。

2015年8月31日-2015年9月16日點(diǎn)“1-2”在變形速率變化不明顯，變形總量約為7 mm，點(diǎn)“3-2”在該周期變形速率變緩，變形量約10 mm。

2015年9月16日-2015年10月8日，在10月1日之前裂縫位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)逐步穩(wěn)定增長(zhǎng)，但10月1日之后，邊坡進(jìn)入加速變形階段，監(jiān)測(cè)曲線符合土質(zhì)邊坡塌方的典型曲線。其中點(diǎn)“1-2”在國(guó)慶七天變形量已經(jīng)高達(dá)25 mm，點(diǎn)“3-2”變形量高達(dá)32 mm。并在監(jiān)測(cè)圖像上能夠識(shí)別出坡體局部的變形，課題組立即向建設(shè)單位和施工單位發(fā)出預(yù)警預(yù)報(bào)，建議立即撤出人員和重要物資。

2015年10月8日-2015年10月12日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繼續(xù)快速增長(zhǎng)，并在10月12日出現(xiàn)塌方。

4 結(jié)論

綜上所說(shuō)，公路邊坡尤其是高風(fēng)險(xiǎn)邊坡施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行安全管控是保障安全和降低風(fēng)險(xiǎn)的重要舉措，“招商交科云眼”公路邊坡病害監(jiān)測(cè)設(shè)備精度、預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定性等能夠滿足工程環(huán)境的應(yīng)用條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]老關(guān).“云眼”邊坡智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2016（3）：57.