紅黏土邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測及預(yù)警應(yīng)用研究

嚴世濤 鄒一強 唐忠國

摘要：文章針對各類邊坡監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點，提出一種針對廣西地區(qū)常見的紅黏土邊坡監(jiān)測預(yù)警方案，并結(jié)合工程實例，基于灰色系統(tǒng)理論建立了紅黏土邊坡大變形預(yù)測的GM（1，N）模型，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。研究表明，提出的方案精度較高、收斂較快，在快速分析邊坡穩(wěn)定問題上具有很強的適用性。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性;邊坡監(jiān)測;變形預(yù)測;灰色系統(tǒng)理論

中圖分類號：U416.1+4文獻標識碼：A DOI： 10.1 3282/j. cnki. wccst. 201 9. 12.01 3

文章編號：1673 - 4874（2019）12 - 0044 - 04

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問題是公路工程最常見的地質(zhì)問題，邊坡失穩(wěn)、滑塌具有突發(fā)性強、危害性大、人工巡查發(fā)現(xiàn)難度高等特點。對于運營階段的高速公路而言，突發(fā)性的邊坡滑塌易對通行車輛造成損害，給人民群眾生命財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。及時、準確地掌握邊坡穩(wěn)定情況，提前發(fā)出災(zāi)害預(yù)警，是保障公路邊坡安全，最大限度減少因邊坡滑塌造成的財產(chǎn)損失和人員傷亡的有效措施。

1 邊坡監(jiān)測技術(shù)概述

根據(jù)監(jiān)測項目及監(jiān)測方式分類[1]，目前的邊坡監(jiān)測技術(shù)可分為以下幾類：

（1）傳統(tǒng)監(jiān)測法。這是一種單一參數(shù)（位移）監(jiān)測法，通過在邊坡地表監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置量測點，由監(jiān)測人員通過全站儀、經(jīng)緯儀等儀器定期到位測量，是最早的邊坡及結(jié)構(gòu)物監(jiān)控量測技術(shù)。這種方法對設(shè)備要求低、一次性投入小，可根據(jù)邊坡的實際地貌任意布置加密量測點，但由于存在采用傳統(tǒng)儀器操作復(fù)雜、監(jiān)測耗時長、監(jiān)測頻率較低、時效性差以及長期監(jiān)測費用較高等不足，且無法在惡劣天氣下實施，因此常用于施工過程現(xiàn)場監(jiān)測，是其他監(jiān)測手段的輔助技術(shù)。近年來隨著高精度監(jiān)測機器人[2]的應(yīng)用，實現(xiàn)了監(jiān)測自動化，對于高密度測點的情況，監(jiān)測效率提升明顯，但仍需監(jiān)測人員到現(xiàn)場觀測。

（2）綜合監(jiān)測法。這是一種多參數(shù)監(jiān)測法，通過布設(shè)各類傳感器和測點，對地表變形、深部變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、環(huán)境因素（降雨量、土體含水率等）等進行連續(xù)綜合監(jiān)測的一種方法。這類方法的監(jiān)測對象是巖土力學(xué)及環(huán)境的各類參數(shù)，適應(yīng)性強，對不同性質(zhì)類型邊坡可有針對性地選取不同的監(jiān)測項目，監(jiān)測結(jié)果更接近于邊坡滑塌的本質(zhì)，但由于監(jiān)測項目一般較多，因此通常還需同時構(gòu)建數(shù)據(jù)分析模型，挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，設(shè)立科學(xué)的預(yù)警模型。與傳統(tǒng)監(jiān)測法相比，綜合監(jiān)測法一次投入較大，但具有可實現(xiàn)較高頻率的自動化數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測過程費用低、安全可靠等優(yōu)勢，在工程實踐中得到廣泛應(yīng)用。

（3）新型監(jiān)測技術(shù)。近年來，自動化、智能化、高精度已經(jīng)成為國內(nèi)外邊坡監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用的熱點，主要有“3S”技術(shù)[3]、分布式光纖傳感技術(shù)[4]、地面激光掃描技術(shù)[5]、雷達干涉測量技術(shù)等。以上技術(shù)在自動化、智能化、高精度方面都取得了長足的發(fā)展，但由于一般也是針對單一因素進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，且其技術(shù)應(yīng)用難度較大、費用較高，直接推廣應(yīng)用受到了限制。

2 紅黏土邊坡監(jiān)測預(yù)警方案

結(jié)合上文所述各類監(jiān)測方案的優(yōu)缺點，在對技術(shù)可行性及經(jīng)濟性進行綜合分析的基礎(chǔ)上，提出一種針對廣西地區(qū)常見的紅黏土邊坡監(jiān)測預(yù)警方案。

2.1 系統(tǒng)的組成

邊坡在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由硬件設(shè)備系統(tǒng)、配套軟件系統(tǒng)及預(yù)測模型組成。硬件設(shè)備系統(tǒng)可由高精度GNSS監(jiān)測站（可選）、數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)（包括測斜儀、裂縫傳感器、土壤水分傳感器、雨量計等）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成。配套軟件包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)、安全評價及預(yù)警系統(tǒng)等。預(yù)測模型采用改進的GM（1，N）灰色系統(tǒng)理論對數(shù)據(jù)進行分析、預(yù)測。系統(tǒng)組成見圖1。

2.2 監(jiān)測參數(shù)的選擇

選取合理的參數(shù)開展監(jiān)測，是正確分析邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。選擇的參數(shù)應(yīng)與邊坡穩(wěn)定性變化相關(guān)，相關(guān)參數(shù)的數(shù)量應(yīng)適中，參數(shù)單一會影響預(yù)報結(jié)果的準確性，而參數(shù)過多會增加問題的復(fù)雜性。針對廣西地域范圍內(nèi)常見的紅黏土邊坡特性，本文在應(yīng)用中選取了邊坡內(nèi)部位移、地下水壓力、土壓力、土壤溫度濕度、降雨量等作為監(jiān)測參數(shù)，其中選定地表位移、內(nèi)部位移為主要監(jiān)測參數(shù)，其余參數(shù)為關(guān)聯(lián)監(jiān)測參數(shù)。

2.3 監(jiān)測設(shè)備的選用

（1）地表位移監(jiān)測：采用北斗監(jiān)測站進行地表位移監(jiān)測，其主要由高精度GNSS接收機和天線等配套設(shè)備構(gòu)成。地表位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實時監(jiān)測傳輸，具有很高的實時性和準確性。同時由于北斗監(jiān)測站監(jiān)測的范圍較為有限，一般僅對其基座下半徑3 m內(nèi)的邊坡位移敏感，大范圍應(yīng)用不經(jīng)濟，因此僅在影響邊坡穩(wěn)定的控制點、較大挖填方量位置進行布設(shè)。

（2）內(nèi)部位移監(jiān)測：內(nèi)部位移監(jiān)測的目的不僅是獲得內(nèi)部位移的數(shù)據(jù)，更重要的是可以通過內(nèi)部位移的變化，獲得滑動面的發(fā)展情況。內(nèi)部位移監(jiān)測采用鉆孔測斜法對土體內(nèi)部位移進行監(jiān)測。在邊坡上向下鉆出測斜孔，在孔內(nèi)放置導(dǎo)輪固定式測斜儀，按一定的深度間距設(shè)置傳感器，得到傳感器所在深度的水平位移量后，通過數(shù)據(jù)擬合可得到測斜孔內(nèi)任一深度的位移狀態(tài)。在坡面上合理布設(shè)一定密度的測斜孔，測斜孔間的土體內(nèi)部位移可以通過測斜孔位移差值得出，理論上可以得到待監(jiān)測邊坡整個邊坡內(nèi)部的近似位移場。

（3）地下水壓力監(jiān)測：地下水壓力監(jiān)測孔可與測斜孔共用孔位，在水量富集區(qū)域或接近滑動面區(qū)域布置，一般在測斜孔孔底以上2m左右固定放置孔隙水壓計進行監(jiān)測。

（4）土壓力監(jiān)測：為監(jiān)測邊坡變形過程中的土壓力變化，在邊坡坡腳0.5～1.5 m范圍內(nèi)布置土壓力計，進而得到導(dǎo)致邊坡滑動的滑動力數(shù)據(jù)，作為分析判斷邊坡穩(wěn)定性的一個輔助分析參數(shù)。

（5）土壤濕度監(jiān)測：邊坡土壤濕度監(jiān)測采用土壤溫濕度計進行監(jiān)測，主要用于測量土壤溫度和含水率情況。通常將測得的土壤含水量和溫度數(shù)據(jù)與其他變形數(shù)據(jù)一起進行綜合性評估分析。

（6）降雨量監(jiān)測：采用雨量計對降雨量進行監(jiān)測，一個邊坡監(jiān)測區(qū)域僅需一個測點，布置在邊坡坡面無遮擋處。

2.4 GM（1，N）灰色系統(tǒng)理論

灰色理論由鄧聚龍[6]教授于1982年首次提出。GMci，N）模型是其中一種具有代表性的預(yù)測模型，通過對Ⅳ個變量建立一階微分方程組求解得到。在邊坡監(jiān)測中，變量可以取為邊坡位移、含水量、土壓力、降雨量等。其中，每個變量含有m個元素，這些變量元素分布是與時間相關(guān)的，且變量取值的時點應(yīng)基本保持一致，其表達式如下：

3 邊坡監(jiān)測在高速公路運營管理中的應(yīng)用實例

3.1 工程概況

崇左至靖西高速公路于201 6年5月通車，位于其上行（崇左至靖西方向）的K272+100段上邊坡坡長約100 m，坡高14.6 m，坡率約為1：0.75。邊坡以紅黏土夾雜頁巖碎屑組成，坡面植物防護不充分，坡面裂隙較發(fā)育。該邊坡在連續(xù)強降雨作用下于201 6年6月、201 8年9月均發(fā)生不同規(guī)模的溜方?？紤]到紅黏土有弱膨脹性，具有典型的吸水膨脹失水收縮的特性，且上述兩次邊坡塌方發(fā)生的時間均不是處于降雨量最大的時期，在對邊坡實施監(jiān)測設(shè)計時，將土壤含水率而不是降雨量作為觀測因素，最終根據(jù)本文提出的理論選取內(nèi)部位移、地下水壓力、土壓力、土壤溫度濕度為監(jiān)測參數(shù)，其中土體內(nèi)部位移為主控監(jiān)測參數(shù)。在邊坡上設(shè)置測斜孔 3處共9個測點、孔隙水壓力計測點3個、土壓力盒測點6個、溫濕度傳感測點10個，數(shù)據(jù)采集頻率均為1次/30 min。監(jiān)測設(shè)施布設(shè)如圖2所示。

3.2 監(jiān)測情況

監(jiān)測系統(tǒng)于201 8年12月正式運行，并接入運營管理單位綜合應(yīng)急指揮信息平臺，提供電子郵件、短信息的實時預(yù)警信息推送。圖3為2019 - 01 - 09至2019 -01-11該邊坡測斜儀CX-3監(jiān)測曲線，分析該曲線發(fā)現(xiàn)位移呈現(xiàn)陡升趨勢，測斜儀隨深度方向測得的水平位移數(shù)據(jù)表明，邊坡內(nèi)部約4m深度向坡面產(chǎn)生較大貫穿裂縫，裂縫產(chǎn)狀呈內(nèi)寬外窄，坡面上可見約2 cm寬裂縫。管理單位及時采取封閉措施，避免了邊坡大規(guī)模塌方的產(chǎn)生。圖4為2019 - 05 - 31至2019 - 06 - 02邊坡測斜儀CX-3監(jiān)測曲線，分析該曲線走向可知，邊坡坡面以下4m范圍產(chǎn)生較大水平位移，存在失穩(wěn)風(fēng)險，隨后邊坡實際滑塌3 000余m3。由于管理單位提前采取防護支檔措施，最大程度降低了邊坡塌方造成的經(jīng)濟損失和社會影響。

3.3 數(shù)據(jù)分析

上述實例驗證了監(jiān)測系統(tǒng)在邊坡發(fā)生大變形失穩(wěn)時的準確性。人們希望在邊坡尚未發(fā)生影響穩(wěn)定的大位移時，通過對邊坡變形歷史、土壤含水率、土壓力等因素進行聯(lián)合分析，獲得對邊坡變形的預(yù)測值，從而更早地發(fā)出預(yù)警。本文基于GM（1，N）灰色模型，以邊坡內(nèi)部位移為預(yù)測變量，以含水率、土壓力、時間（迭代步）為相關(guān)因素，編制了基于MATLAB的程序，較準確預(yù)測了邊坡大位移的發(fā)生。以2019 -05 -31監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果列于表1及圖5中。

由圖5可知，在預(yù)測剛開始時（即第2步預(yù)測），由于用于預(yù)測的數(shù)據(jù)信息有限，預(yù)測值與真實值偏差較大。隨著監(jiān)測真實數(shù)據(jù)的不斷加入，預(yù)測值逐漸接近真實值，當(dāng)參與預(yù)測的數(shù)據(jù)序列項數(shù)達到5項時，預(yù)測值與真實值的誤差達到了在運營管理中邊坡預(yù)測的精度要求。

4 結(jié)語

（1）本文針對高速公路運營管理過程中紅黏土邊坡的穩(wěn)定性問題，提出了邊坡監(jiān)測預(yù)警方案，根據(jù)所在地區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、氣候及工程實施條件靈活選用邊坡監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)對影響邊坡穩(wěn)定的主要因素進行監(jiān)控及預(yù)測的目的。

（2）通過監(jiān)測項目的實施，驗證預(yù)警方案的可行性，并對邊坡失穩(wěn)隱患進行了成功預(yù)報。

（3）將灰色系統(tǒng)GM（1，N）模型應(yīng)用于邊坡變形預(yù)測中，具有預(yù)測精度較高、收斂較快、操作簡單等優(yōu)點，尤其適用于遇到突發(fā)惡劣天氣時的邊坡穩(wěn)定性短期預(yù)測工作。

參考文獻

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作者簡介：嚴世濤（1986-），工程師，從事高速公路養(yǎng)護管理及研究工作。