張桑高速某高坡自動化監(jiān)測預(yù)警與變形分析

劉東海，朱自強,2，李 濤,2，白冬鑫,2

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

1 工程概況

張桑高速是是湖南西北部的南北向通道之一，“七縱九橫三環(huán)”的重要組成部分。項目起于桑植縣接擬建龍桑高速，終于張家界市永定區(qū)接張花高速，途徑張家界桑植縣、永定區(qū)及武陵源區(qū)。張桑高速永定服務(wù)區(qū)4#滑坡體對應(yīng)建設(shè)期樁號為K23+269～K23+450段右側(cè)邊坡，位于桑植縣橋頭鄉(xiāng)橋頭村境內(nèi)，該段主線路線走向127°，場地原始地貌單元屬構(gòu)造剝蝕山體，山間沖溝相間，地形起伏較大,地面高程介于330～550 m之間，植被較發(fā)育。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，場地巖層平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層的主要產(chǎn)狀為：∠250°～∠310°、∠5°～∠15°，節(jié)理裂隙主要產(chǎn)狀為：∠85°～110°、∠55°～∠70°、∠10°～∠50°、∠50°～∠70°，基巖面形態(tài)在縱向上與邊坡傾向呈反向坡，對邊坡相對較為有利；邊坡上部存在厚度較大的第四系坡積物(厚度約為5～30 m)，其巖性成分主要為粉質(zhì)黏土和碎石夾粉質(zhì)黏土，為滑坡的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；同時，軟弱面的存在為滑坡的形成提供了較為良好的地質(zhì)環(huán)境，場地第四系碎石含較多黏性土，下伏泥質(zhì)粉砂巖為軟巖，其具有遇水易軟化崩解、泥化成土狀的特性，碎石為透水層，而泥質(zhì)粉砂巖為不透水層，在地表水和基巖裂隙水長期滲透下，地下水在碎石與泥質(zhì)粉砂巖界面匯聚，極易在土體、基巖面之間形成泥化夾層的滑動面。為了保證張桑高速公路相應(yīng)建設(shè)區(qū)域的施工以及后期的運營安全，需要實時地掌握場地邊坡變形特征，進行及時的監(jiān)控預(yù)警。

2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 監(jiān)測方案

根據(jù)設(shè)計圖紙及規(guī)范要求，本次監(jiān)測確定的主要監(jiān)測內(nèi)容為地表巡視、地表水平位移及沉降位移自動監(jiān)測(GPS)、深部位移監(jiān)測等。因該邊坡已開始進行施工抗滑樁處治施工，所以在原有監(jiān)測點的基礎(chǔ)上調(diào)整了地表水平及沉降位移監(jiān)測點位置，補充了三個深部位移監(jiān)測孔。

表1 監(jiān)測項目一覽表

GPS-DB1地表位移監(jiān)測點位于匝道起點100 m沿258°方向二級截排水溝附近，距坡腳約120 m；GPS-DB2地表位移監(jiān)測點位于一級截排水溝和二級截排水溝之間，距坡腳約80 m；GPS-DB3地表位移監(jiān)測點位于匝道+180 m二級平臺上；GPS-DB4地表位移監(jiān)測點位于鋼管樁(+110 m)平臺上方約10 m。CX1、CX2、CX3深部位移監(jiān)測孔位于一條剖面上，剖面方向為72°。CX1深部位移監(jiān)測孔位于GPS-DB2地表位移監(jiān)測點附近；CX2深部位移監(jiān)測孔位于一級截排水溝附近，與CX1呈72°方向連線；CX3深部位移監(jiān)測孔位于GPS-DB4地表位移監(jiān)測點上方約20 m。

2.2 設(shè)備選型與安裝

表2顯示了進行邊坡自動化監(jiān)測所選用的具體設(shè)備和數(shù)量，其中，深部位移監(jiān)測采用滑輪式固定測斜儀；使用5臺型號為華測H3型GNSS接收機來進行地表位移監(jiān)測，其中1臺作為基站，其余4臺被當(dāng)作監(jiān)測點。

表2 設(shè)備選型與數(shù)量

2.3 系統(tǒng)構(gòu)建

圖1所示為邊坡穩(wěn)定性自動化監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分和工作流程。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建

供電部分主要是通過設(shè)置在站點上的太陽能電池板進行太陽能發(fā)電，同時運用蓄電池儲存剩余電量，以此來為監(jiān)測系統(tǒng)全天不間斷的提供供電支持；位移傳感器以及其他相關(guān)輔助接收設(shè)備共同組成了數(shù)據(jù)采集的核心部分傳感器模塊，全天候?qū)吰逻M行監(jiān)測；然后通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)對傳感器所接收到的大量數(shù)據(jù)進行實時采集轉(zhuǎn)換傳送；當(dāng)接收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)中心的計算處理功能會自動地對數(shù)據(jù)進行解析處理并儲存；最后通過云平臺來分析所監(jiān)測邊坡變形情況，相關(guān)人員可通過移動終端設(shè)備進行實時查看并接收告警信息。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

此站點從2018年1月23日安裝完畢后即開始進行數(shù)據(jù)采集和相應(yīng)的位移監(jiān)測，其中，深部位移點的間隔時間設(shè)置為15 min，地表位移觀測點數(shù)據(jù)接收的間隔時間設(shè)置為1 h。以2019年8月6日～2019年8月25日觀測數(shù)據(jù)為例。

圖2為GPS-DB2地表位移監(jiān)測點時間-位移曲線圖，2019年8月6日～8月10日，監(jiān)測點的水平位移變化量-7.83 mm，水平位移速率為-1.85 mm/d；沉降位移變化量為5.02 mm，沉降位移無明顯變化；8月6日至8月26日，水平位移變化量為22.26 mm，水平位移速率1.39 mm/d；沉降位移變化量為-0.59 mm；沉降位移速率-0.04 mm/d；累計水平位移為445.02 mm，累計沉降位移為37.52 mm。

圖2 GPS-DB2地表位移監(jiān)測點時間-位移曲線圖

圖(2a～2c)顯示了CX1監(jiān)測點三個不同深部范圍的位移監(jiān)測點所對應(yīng)的時間-位移曲線，8月6日～8月26日，4 m深水平位移變化量為23.26 mm,水平位移速率為1.25 mm/d,8 m深水平位移變化量為14.32 mm,水平位移速率為0.75 mm/d,12 m深水平位移變化量為10.32 mm,水平位移速率為0.54 mm/d，變換幅度較為明顯。

如圖3所示，在經(jīng)過現(xiàn)場地表巡視后，發(fā)現(xiàn)邊坡處治施工單位進場施工，邊坡一級坡面垮塌范圍擴大，邊坡裂縫、錯臺持續(xù)發(fā)育，與數(shù)據(jù)表現(xiàn)基本一致，建議滑坡處治施工單位注意邊坡情況，若發(fā)現(xiàn)有滑坡跡象時應(yīng)及時撤離。同時這也驗證了此自動化監(jiān)測系統(tǒng)在實際的高速公路施工和運營中滿足邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警的要求。

圖3 深部位移監(jiān)測點時間-位移曲線圖

4 結(jié) 論

以張桑高速K23+269～K23+450段右側(cè)邊坡變形失穩(wěn)問題為例，利用邊坡自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)場地情況設(shè)計出合適的監(jiān)測方案，通過對系統(tǒng)傳感器所接收到的實時數(shù)據(jù)進行自動處理，預(yù)警了可能存在的邊坡失穩(wěn)變形情況，通過在現(xiàn)場的巡視驗證，說明了該自動化智能監(jiān)測系統(tǒng)在高速公路邊坡穩(wěn)定性分析中的實用性和可靠性。