邊坡變形監測方法綜述

曹 峰 曹 仲 龍劉陽

（中交公路養護工程技術有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

邊坡是道路工程中最常見的形式[1]。我國國土幅員遼闊，鐵路、公路建設不可避免會遇到復雜多樣的地質環境，會面臨多種地質災害風險[2]。高邊坡的變形與破壞直接威脅著公路、鐵路交通運輸安全。為及時發現并預測邊坡發生滑坡等地質災害，防止影響交通安全，開展邊坡變形監測顯得尤為重要。確定邊坡滑體的具體周界、對滑體的滑動量做定期的檢測、主要滑動線的方向和滑動速度，是邊坡安全監測需要解決的關鍵問題[3]。交通干線高邊坡穩定性的預判和分析事關重大，合理科學精準的高邊坡變形監測技術是幫助解決高邊坡失穩的有效手段。因此，本文梳理并分析現有高邊坡變形監測方法，對比各類方法的優劣，并嘗試給出智能邊坡監測的發展方向，具有重要的工程價值。

1 邊坡變形監測的發展

蘇聯滑坡專家葉米里揚諾娃［4］在《滑坡作用的基本規律》一書中全面地論述了自然滑坡產生的條件、因素、機理和過程；日本學者Saito[5]提出了著名的“齋藤法”滑坡預報公式，并成功預報一起隧道滑坡；智利學者Hoek[6]提出根據滑坡變形曲線的形態和趨勢外推求滑動時間的外延法；崔政權[7]首次提出運用系統工程地質學（system engineering geology，SEG）法對邊坡穩定性進行評價的思路；謝守益等[8]設計了降雨滑坡的典型閾值，并根據極值分布理論對典型滑坡降雨誘發概率進行了統計分析；馬莉等[9]、唐春艷等[10]先后運用灰色理論和交互多模算法對滑坡監測數據進行處理，并建立滑坡預測模型和一種卡爾曼平滑算法等。隨著邊坡監測技術的快速發展，越來越多的高科技運用到邊坡監測中，從而實現邊坡全天候安全監測；特別是GPS技術、GI技術、遙感技術、三維激光掃描技術、時域反射技術、合成孔徑雷達干涉測量技術、分布式光纖傳感技術以及近景攝影測量技術等快速發展，使邊坡變形監測手段更為便捷和精確。邊坡監測技術的迅猛發展，促進了監測范圍的擴大、自動化，數據傳輸、數據處理和資料分析系統、邊坡監測報警系統等的日益完善[11]。

2 邊坡變形監測技術現狀

2.1 傳統邊坡變形監測技術

邊坡變形監測通過觀測邊坡表面和深部的位移來掌握邊坡的變形情況。目前，傳統的邊坡變形監測主要利用監測儀器，其監測方法以及特點如表1所示。

表1 傳統邊坡變形監測技術的方法和特點

2.2 智能邊坡變形監測技術

為克服傳統邊坡變形監測的局限性，學者們研制出了智能邊坡變形監測技術，使邊坡變形監測技術逐漸走向了多層次、多視角、多技術、自動化的立體體系，具體表現在以下方面：

（1）GPS全球定位系統

GPS是20世紀70年代美國國防部研制的全球定位系統[12]。GPS用于邊坡監測的優點的是監測點選取比較方便、定位精度高、可以提供監測點的三維坐標信息、操作簡單、可以全天候工作。但是也有不足之處，GPS接收器價格昂貴、無法滿足要求較高的工程、僅適用于地表變形監測。

與GPS 類似的還有GNSS 也應用于了邊坡監測，GNSS在測量效率和精度方面都有了顯著提升。相對于常規的邊角測量技術來說，GNSS定位技術主要有測站無需通視、定位精度高、觀測時間短、同時獲取三維坐標、操作簡便、全天候操作、性價比高等優點[13]。目前，GNSS方法主要應用于大面積、監測點不多的高邊坡變形監測項目。RS技術在滑坡監測領域可以快速獲得大范圍研究區域的動態滑坡信息，并可以同步進行滑坡監測。具有覆蓋范圍廣、獲取信息快、受地面障礙限制小，并能連續反復進行觀測等優點[14]。

（2）光纖傳感技術

用光作為載體光纖作為媒介把外部檢查到的物理、化學等參數傳遞到目的地稱為光纖傳導技術[15]。光纖傳感器技術具有抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、響應快、重量輕和體積小等優點，從施工方便性來看，基于BOTDR的方案更具簡便性，且后期維護更加方便簡單[16]。

（3）其他邊坡變形監測技術

聲發射技術：聲發射現象越明顯，其可靠性比較好。聲發射技術不僅可以從表面看出位移變化，更能觀測邊坡內部裂隙的變化。

三維激光掃描技術：其非接觸式快速獲取點云數據，受外界環境影響低，操作簡單可靠，不僅保留了全站儀的高精度優點，而且在很大程度上解決了傳統監測方式周期長、效率低及易受外界因素影響等問題。

合成孔徑雷達技術：合成孔徑雷達干涉測量技術為解決區域地表三維信息提供了有效途徑[17]，該技術具有全天時、全天候、高精度、低成本等優勢，多用于解決大面積的滑坡監測。

3 邊坡變形監測中存在的問題

3.1 資源消耗過大

隨著邊坡監測手段的增多，人力財力物力消耗也隨之增多。從表1可知，常用的監測方法一般有大地監測法、測斜法以及測縫法等多種邊坡監測方法，這類監測方式都需要消耗大量的人工去現場執行。如若在監測過程中發生崩塌和滑坡等地質災害問題，不僅會對監測儀器帶來損害造成經濟損失，甚至會對監測人員的生命造成威脅。雖然智能化遠程監控儀器可以實時進行遠程監測，省去人力的同時還增加了監測效率，但這類監測儀器造價成本過于昂貴，難以進行大范圍的使用。

3.2 受外界影響因素制約

大部分的邊坡監測方法都會受到地形以及氣象方面的干擾，如大地測量法對通視要求較高；GPS的信號定位極易被環境遮擋，導致無法準確定位。大部分的邊坡監測儀器在野外難以進行良好的保養，傳感器受到雨水浸泡后容易產生腐蝕，并且容易被周圍的環境電磁干擾，導致監測數據的準確性受到影響。一部分的監測方法局限性較強，例如TDR技術通過對電纜的變形程度進行監測，如若電纜的形變量較小并未出現變形損壞，就無法對邊坡的變形進行準確地監測。而近景攝影測量自身的監測精度較低，只適合對一些變形較大的邊坡監測。

3.3 監測連續性較差

大部分的邊坡監測缺少持續性，難以獲得完整準確的邊坡變形規律。地表變形監測受到天氣以及衛星周期的影響，導致邊坡在連續監測過程中受到影響。在邊坡監測中，如若在滑坡監測中“臨滑階段”的監測數據鏈不完整，將會導致之前的準備工作功虧一簣。深部監測方法對錨索和錨桿的應用較為常見，當出現滑坡情況，下滑的力度遠超過錨索的抗拉力和導致錨索出現拉斷的情況，會使整個監測系統失效。并且TDR和鉆孔測斜儀等監測方式皆存在“一孔之見”的弊端，雖然可以對滑坡面進行定位，但邊坡在發生較大錯動時，監測設備則被剪斷，導致連續監測被迫終止。

4 邊坡變形監測方法的對策建議

4.1 降低成本消耗

隨著社會的快速發展，應針對邊坡監測技術開發經濟、簡單并且可以適應各種惡劣氣候和環境的監測設備，將人力投入降到最低的同時，增加其抗外界因素干擾的能力。在滑坡監測過程中，不同的階段可使用不同的監測技術，針對性使用監測方式可以大幅度降低成本的消耗。例如在監測發育初期，坡體處于比較穩定的情況下，可使用周期性的監測方式，將監測成本控制到最低。

4.2 選取適宜的監測方法

為保證邊坡監測的連續性不被中斷，應根據當地的地質環境、氣象條件、成因機制、變形階段以及誘發原因等方面進行全面考慮，采用適合的監測方法。通過對各種監測方法的實際運用，可分析出非接觸型監測方法更為方便有效，但會被氣象條件所干擾，所以在氣象條件不好時，可選擇接觸型監測方法，并且滑坡進入變形階段時，可采用自動變頻功能的設備進行監測。在數據采集過程中根據邊坡變形速率的加快，以此對邊坡變形進行完整的監測，并對“臨滑階段”的數據進行不間斷收集，為邊坡預警提供有效數據。

4.3 改善監測方法

由于滑坡機理具有的復雜程度較高，所以在滑坡監測過程中應從多方面進行考量。“十滑九水”是無數工作者從實踐中總結出來的經驗，內部的地下水是導致邊坡失穩的關鍵，所以應加強對氣象水文以及地質水文進行重點監測，并且應通過多種監測方式進行組合監測，以此達到取長補短的效果，從而可以得到更加準確的邊坡參考信息。同時，可以在邊坡表面位移、深部位移、孔隙水壓以及地下水位等方面建立一個多種參數完善的監測體系，以此可以保證監測的準確性以及效率。對監測網的鋪設要根據地質情況，形成三維立體的監測網結構，可以有效地對邊坡變形進行監測，通過準確有效的監測，真正地達到預警的效果，保證設備以及人員的安全。

5 結束語

總之，隨著科技的發展，邊坡監測技術發展得越來越多樣化，涌現出各種各樣的方式方法，傳統邊坡監測技術工作量大，效率低，新型監測技術具備自動化遠程實時監測功能，省了不少人力，提高了監測效率，但由于成本過高，難以得到大范圍推廣與應用[18]。需要充分認識當前邊坡變形監測領域中監測技術、監測理論、監測過程中所存在的問題，進而根據實際情況選擇所需的技術方法，以便更好地完成邊坡變形監測。