基于GPS位移和邊坡應力的滑坡監(jiān)測技術研究與應用

白寶君

(遼寧省新賓縣交通運輸事業(yè)發(fā)展中心 撫順市 113200)

0 引言

安全生產(chǎn)關系到國家經(jīng)濟發(fā)展和政治穩(wěn)定?！鞍踩谝唬A防為主，綜合治理”是我國安全生產(chǎn)基本方針。在交通領域，受限于自然條件，公路(鐵路)沿線存在大量的高陡邊坡和滑坡體，嚴重威脅著交通安全，對來往車輛造成安全隱患，為了及時掌握坡體的穩(wěn)定性，減輕滑坡帶來的危害，保障公路(鐵路)的安全暢通，有必要對公路(鐵路)沿線邊坡和滑坡體進行監(jiān)測。

早期的公路(鐵路)邊坡監(jiān)測主要依靠人員定期巡查，人工觀察坡體變形情況，費時費力。近年來涌現(xiàn)出很多自動化的監(jiān)測方法[1]，如表1所示。

表1 邊坡監(jiān)測的常用方法

單一的監(jiān)測手段存在誤報率高，預測精度差的問題，將邊坡應力監(jiān)測技術和GPS位移監(jiān)測法相結合，以提高監(jiān)測效率和預測精度。

1 邊坡應力遠程監(jiān)測技術

1.1 邊坡應力監(jiān)測原理

邊坡內(nèi)部應力監(jiān)測是根據(jù)應力超前于形變，即應力變化發(fā)生在物體變形之前，通過監(jiān)測邊坡內(nèi)部的應力變化反映邊坡巖體穩(wěn)定狀態(tài)的變化，進而預測到滑坡的產(chǎn)生。

系統(tǒng)監(jiān)測模型如圖1所示。在滑床上安裝錨索，錨索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，錨索錨固于穩(wěn)定的基巖中。對錨索施加一定的預應力并在水泥墩上的錨索安裝振弦式應力傳感器，通過智能監(jiān)測設備監(jiān)測應力傳感器的弦值，通過無線網(wǎng)絡將弦值傳輸至監(jiān)控中心。通過專業(yè)分析軟件進行解算出應力值，并預測滑坡的可能性[1]。

圖1 邊坡應力監(jiān)測原理圖

1.2 邊坡應力監(jiān)測的實現(xiàn)

(1)監(jiān)測點設計

監(jiān)測點的布置要考慮到巖體大小、巖石種類、坡體高度等地質條件，通過分析巖體變形及潛在滑坡區(qū)，將監(jiān)測點布置在滑動影響范圍內(nèi)的典型位置，多個監(jiān)測點就形成了監(jiān)測線。實際中通常每30～50m設置一個監(jiān)測點，多個監(jiān)測點構成監(jiān)測線。

錨索監(jiān)測的關鍵是當滑體有下滑趨勢時，錨索的應力有所變化，錨固段必須牢牢地錨固在滑床中，錨索施加預應力大小應該使錨索的應力能夠更好地反映邊坡內(nèi)部應力變化情況，根據(jù)經(jīng)驗，預應力值通常取錨索最大載荷的0.2～0.5倍。

(2)錨索施工與設備安裝

錨索施工時鉆孔直徑為120cm，6根鋼絞線同時鋪設，每個10m放置一個中心支架，鋼絞線中放置一個一寸塑料管用于注漿。打孔時鉆頭和巖石摩擦產(chǎn)生巖沫，會影響注漿效果，此時需要進行洗孔作業(yè)。如果鉆孔過程中遇到巖隙，可能導致流漿，解決辦法為注入石膏封住孔壁。

監(jiān)測設備為自動化程度很高的電子設備，具有通信功能。安裝時按照規(guī)定連接即可(如圖2所示)，由于系統(tǒng)采用太陽能系統(tǒng)供電，配有20W 單晶硅電池板及鉛酸蓄電池。安裝太陽能電池板時電池板板面要朝向南方并注意要遠離樹木、建筑物的遮光處。

圖2 邊坡應力監(jiān)測系統(tǒng)設備連接圖

(3)數(shù)據(jù)處理與分析

現(xiàn)場測量設備測得的是傳感器的頻率值，需要根據(jù)廠家標定公式自動將頻率值轉換為應力值，換算公式如下：

X=(F×F-f×f-A)×K

(1)

式中：X為荷載量(kN)；F為初始頻率(廠家傳感器標定表給出)；f為荷載頻率，為傳感器測量值；K為系數(shù)(廠家傳感器標定表給出)；A值廠家傳感器標定表給出。

每個傳感器F值、A值、K值都不同，傳感器廠家出廠時對每個傳感器逐一進行了修訂，因此具體換算需結合該傳感器標定表中的F值、A值、K值進行。

計算出應力值后，即可繪制應力隨著時間變化曲線，根據(jù)曲線的斜率進行邊坡穩(wěn)定性預警分析。

2 GPS位移監(jiān)測技術

2.1 GPS位移監(jiān)測原理

GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)見圖3，工作原理為：各GPS監(jiān)測點與參考點接收機實時接收GPS信號，并通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務器GPS數(shù)據(jù)處理軟件實時差分解算出各監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量，同時分析軟件根據(jù)事先設定的預警值而進行報警[2]。

圖3 GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)結構

GPS是一種三維的空間定位技術，具有自動化程度高，高精度的優(yōu)點，常用的GPS接收機表面位移監(jiān)測的誤差水平為±2mm+1ppm，高程方向為±4mm+1ppm。

2.2 GPS位移監(jiān)測的實施

(1) GPS 位移系統(tǒng)設計

以邊坡區(qū)域現(xiàn)場環(huán)境和該區(qū)域地質環(huán)境等因素為依據(jù)，選擇具有代表性的位置布設監(jiān)控點，如圖4所示。

圖4 GPS位移監(jiān)測點

監(jiān)測點布置需要形成橫向剖面，即垂直于主滑方向。根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)設立及現(xiàn)場條件將GNSS地表監(jiān)測設備形成X縱X橫的網(wǎng)狀結構，用于分析邊坡沿主滑方向的位移趨勢，同時使用橫向剖面進行位移修正，從而達到整個坡體表面的監(jiān)測。觀測標志應遠離震動。視野開闊，視場內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°。

GPS 點位一般由基準點和監(jiān)測點組成。基準點的選擇在遠離滑坡區(qū)域的穩(wěn)定巖體上，且周圍開闊，適宜于GPS觀測[3]。監(jiān)測點即為每個滑坡體的監(jiān)測點, 因此應根據(jù)滑坡體的形態(tài)特征、變形特征、動力因素及監(jiān)測預報等具體要素(變形方位、變形量、變形速率、時空動態(tài)、施工動態(tài)、發(fā)展趨勢等) 確定點位, 且這些點位能真實地反映災害地質體變形敏感部位，如抗滑樁柱頭等部位及阻滑段前緣、下滑段前后緣、索引段前緣和滑坡體的剪出口等位置[4]。基準點和監(jiān)測點都應遠離大功率無線電發(fā)射源(如高壓電線、移動信號塔電臺、微波站等)，其距離不小于200m[5]。

(2)數(shù)據(jù)分析與處理

采用測地型靜態(tài) GPS 進行監(jiān)測網(wǎng)點的監(jiān)測工作，監(jiān)測時長一般不小于 2h，監(jiān)測頻率應視滑坡的活躍程度及季節(jié)變化等情況而定。如發(fā)生滑速增快，或遇暴雨、解凍等情況，應及時增加觀測次數(shù)[6]。

3 基于GPS位移和邊坡應力的滑坡監(jiān)測技術應用實例

在北方某地根據(jù)坡體的實際情況和監(jiān)測需求，決定采用GPS位移和邊坡應力的滑坡監(jiān)測技術相結合的監(jiān)測方案，邊坡應力用于長期預警，GPS位移用于中短期預警。在滑坡坡體底部設置邊坡應力監(jiān)測點4個，每80m布置1個監(jiān)測點，構成監(jiān)測線。在監(jiān)測點上方區(qū)域設置GPS位移監(jiān)測點2個。應力監(jiān)測系統(tǒng)每4小時測量一次數(shù)據(jù)。GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)每1小時獲取一次位移數(shù)據(jù)。

從圖5中發(fā)現(xiàn)應力監(jiān)測曲線較為平穩(wěn)，說明坡體總體較穩(wěn)定，近期發(fā)生大規(guī)模滑坡的概率較低。如果應力曲線出現(xiàn)快速上升，而且加速度較大，則說明邊坡穩(wěn)定程度下降，滑坡概率增加。從圖6中發(fā)現(xiàn)2018年7月份以來位移監(jiān)測曲線成明顯下降曲線，原因為進入汛期坡體表面下沉明顯。進入現(xiàn)場區(qū)域檢查發(fā)現(xiàn)滑坡體呈現(xiàn)明顯沉降，產(chǎn)生較大裂縫，考慮會發(fā)生局部滑塌和落石，建議附近施工人員和設備暫時撤離。

圖5 應力變化曲線圖

圖6 位移變化曲線圖

4 結語

GPS 位移監(jiān)測具有全天時、全天候、監(jiān)測精度高等優(yōu)點，適合進行滑坡的中短期預警，邊坡應力監(jiān)測技術通過預應力錨索技術能夠很好獲悉巖體中應力變化的規(guī)律，適合進行滑坡的長期預警，二者結合，相互補充，可以形成多源立體監(jiān)測，提高預測的準確性。多源監(jiān)測技術的應用有助于提高公路(鐵路)邊坡監(jiān)測水平，在交通領域有廣闊的應用前景。