边坡变形自动监测方法及应用

李涛涛 张建雄 刘中华

（中交公路养护工程技术有限公司，广西 南宁 530200）

0 引言

人工开挖的边坡地质条件复杂，失稳和破坏难以控制、不易预测[1]，导致许多滑坡、坍塌等自然灾害的发生。目前，边坡监测和自然灾害的预防工作存在一定的不足，主要问题在于巡检工作量大，信息化程度低[2]。为给边坡日常养护、管理和突发事件提供可靠依据，保障人民的生命财产安全，有必要对高边坡无线远程自动监测技术进行研究和应用，并建立一套远程网络监控系统平台，最终实现工程监测的无人现场作业和监测数据的远程获取[3-4]。因此，本文提出一种基于深层水平位移的边坡变形自动监测技术，该技术可以对边坡的地表位移、深层水平位移变形、地下水位等指标进行全天候、不间断监测，实时数据采集，并能对边坡稳定进行预警。

1 工程概况

某工程现场边坡如图1 所示。某县道从该坡体上经过，居民房屋紧邻县道两侧分布。该边坡长约40m，宽约90m；坡向26°，边坡所在斜坡坡度为25°～55°，边坡上覆较厚松散含碎石粉质黏土，下伏志留系千枚岩。

图1 工程现场航拍图

2 边坡变形自动监测的关键技术

2.1 边坡变形相关研究

理论上将边坡划分为天然和人工两类形式，公路工程中所指的边坡即为人工边坡。受到人工影响，边坡附近原始地质地貌、应力平衡等受到破坏，容易引起边坡失稳现象，不利于公路的实际使用，严重情况下，会造成安全事故。为了深入了解边坡水平位移变化及稳定性的影响，需要对边坡变形情况进行监测。

黄润秋等学者开展了对边坡变形特征的监测分析工作，对边坡变形特征与时间关系进行探索，实现了对滑动机制、滑动面及变形特征的发展趋势的预测；李振东等科研人员将测斜仪、徕卡机器人等仪器应用于填方边坡、基坑边坡研究，对深部位移及水平位移改变特点及演变趋势进行了剖析；董文文等将北斗定位技术、GNSS 技术用于边坡监测，深入分析了蠕变型边坡、排土场边坡与时间关系的变化特征；魏恺泓等对存在支护结构的边坡进行研究与分析，研究结果表明施工作用会对边坡变形及其发展规律形成一定影响。很多科研成果只针对变形规律进行探索，还没有开展深层水平位移边坡自动监测的相关研究，也没有对边坡变形特征影响因素进行分析。

2.2 边坡变形监测设备布置

根据边坡灾害发生条件与灾害特征，以降雨和地表位移作为主要监测内容[5]，在滑坡体外稳定区域布设GNSS 基准点1 个，滑坡体主剖面强变形区域布设GNSS 监测点1 套，滑坡体内强变形区布设倾角加速度计监测点2 个，在滑坡体外稳定开阔位置布设降雨量监测点1 个，居民区附近安装声光报警器1 台，设备布设如图2 所示。以滑坡时间-位移曲线的切线角为主要判断依据，结合滑坡变形加速度特征、不同工况滑坡稳定性以及宏观变形特征，综合确定预警预报依据，及时分析研判、分级发布预警信息。

图2 边坡变形监测设备布设情况

根据平台数据显示，自监测系统安装以来，三级报警90 次、二级报警90 次、一级报警173 次。报警信息主要源于雨量计。

2.3 雨量预警以及边坡稳定性分析

自2021 年8 月28 日至10 月10 日，雨量计预警分析平台进行了多次报警，雨量报警期间降雨量统计见图3。

图3 隐患点雨量报警期间的降雨量统计

根据实时监测数据统计，雨量计数据显示从2021年8 月28 至10 月10 日，累计降雨量416.17mm。通过查询旬阳气象历史，该期间旬阳存在降雨过程，印证了雨量计的监测结果。此次监测点除雨量计，其他设备都没有报警，通过分析GNSS 和2 台倾角计的数据，评估灾害点的整体稳定性，GNSS 监测数据变化趋势见图4。通过分析GNSS 和倾角计的数据，边坡自监测以来，位移、倾角和加速度的数据平稳，无趋势性，9 月底降雨量趋弱，报告认为灾害点整体稳定，后续需继续加强观察GNSS 和2 台倾角计的数据和报警信息，对灾害进行预警分析。

图4 GNSS 数据稳定XYZ 三向的位移值稳定

2.4 预警分析

根据边坡监测标准规范，制定各指标相应预警阈值，依据不同范围值制定预警等级，对超出容许偏差的情况，进行实时系统报警或短信预警。根据采集数据自动比对分析，监测值超出设定的阈值会触发报警机制，用户可以在进入系统的第一时间看到报警数据提示。系统可以对所有历史预警数据汇总保存，具有处理闭合机制，方便用户随时查看和处理。

3 位移及其变化速率基本特征

边坡位移存在水平、垂直两个方向，水平位移正值为坡面水平向外，垂直位移负值为沿坡高方向下降。监测初期，以水平位移变化为主，随着时间的增长水平变形量变小，此后该发展趋势更为明显。第1 阶边坡顶端变形在短时间内的增加量并不明显。重直变形方面，第1 阶边坡顶端存在着顺着坡高方向形成沉降位移，随着监测时间的增长，垂直位移会不断变大，表明该阶边坡顶端水平位移及垂直位移均在相同测点。从地质剖面角度进行分析，表明该地质覆盖层内监测点附近存在圆弧滑动面。从第2 阶测点的监测情况中可以发现，水平和垂直方向位移随着时间增长，位移量也逐渐增长，每个监测点位移累积拐点在相同月份，位移累积量基本为0。位移变形速率变化规律方面，第1 阶测点、第2 阶测点基本一致，进入雨季后，变形速率会随着时间增长而变小。垂直位移变形会随着时间先变小后变大，进入雨季后变形速率会不断变小，非雨季变形速率基本为0。第1 阶、第2 阶监测点的水平和垂直方向变形速率均比较大，随着时间增长，水平和垂直方向位移变形会不断变小，最终变成0mm。这就表明水平和垂直方向位移累积量和变形速率规律基本相符。从其他监测点数据中可以发现，水平位移最大累积值比较大，表明该监测点的地质条件比较差，存在着整体滑移现象，岩体容易破碎而存在潜在滑动面，位移变化趋向于向外发展。

4 边坡水平位移变形特征影响因素

从上述分析中可以发现，边坡在雨季存在明显的水平变形和垂直变形，这是由于存在潜在滑动面，影响边坡变形主要有内、外两方面因素。

4.1 内部因素

边坡变形会受到地质构造及山体岩性影响。从边坡地质构造来看，岩层倾向于坡外，为顺向边坡形式。受到重力影响，土层会顺着滑动面造成一定变形，随着时间不断推移，水平和垂直位移会不断增大。边坡顶部为较厚的松散含碎石粉质黏土，下层是下伏志留系千枚岩，由于此岩体节理、裂隙发育，山体岩石易于破碎，存在着潜在的滑动面，受到重力影响会形成滑动位移。

4.2 外部因素

山体边坡位移变形，会受到公路工程施工及支护结构作用的影响。在开挖施工阶段，第1 阶坡顶上松散土层受到重力影响，会形成面对坡面外向的水平位移，随着开挖工程的不断开展，第2 阶边坡岩体土层也会受到重力影响，形成面向边坡开挖方向的水平位移。受到锚杆等支护结构施工的影响，会对山体自然边坡形成一定的扰动，边坡位移变形率会不断变大。当支护结构施工完成以后，会对边坡产生一定程度的约束，限制边坡水平和垂直位移的形成，边坡位移变形量和变形速率会不断变小。边坡位移量变小，土层和基岩接触面内会存在软弱特性的夹层，也会生成潜在滑动面。

边坡位移及支护结构两者间会重新达到应力和位置的平衡。边坡开挖阶段，边坡变形速率会不断变大，但受到边坡自稳作用的影响，变形速率会不断变小。在支护施工阶段，山体边坡会受到扰动变形影响，变形速率不断变大，边坡支护结构完成和边坡建立新的应力平衡，变形速率会不断变小，边坡位移累积量会达到稳定状态。

5 边坡变形自动监测技术难点与对策

5.1 技术难点

（1）设备安装问题。导轮式固定测斜仪要严格控制开孔位置，使开孔位置与设计偏差不超过±10cm。

（2）边坡自动化监测的准确度及精度问题。自动化监测过程中难免会产生误差，怎么样才能有效地减少误差。

（3）基于物联网的公路高边坡监控预警系统的设计。系统的设计应满足一定的原则，尽量做到可靠、经济、合理，既要满足综合的展示预警功能，又要提供良好的人机交互界面，便于使用者操作。

（4）如何确定影响边坡稳定性的降雨量、地理位置信息、边坡位移形变量等关键数据。

5.2 解决措施

（1）钻具就位后，严格控制钻头垂直度，钻进过程中，每进尺1m，对钻具垂直度进行一次纠正，考虑到施工的可操作性，如果监测点在放样的过程中，可以对监测点进行适当移位。

（2）采用模型改正法和求差法等，可以实现误差减弱或消除，促进误差源分析取得成效；研发新型变形监测传感器装置，如基于无线射频技术的危岩变形监测报警装置、边坡微变形雷达等，提高边坡自动化监测的准确度及精度。

（3）系统采用分层B/S 体系结构，以NET 为开发平台，以ASP.NET 和ADO.NET 为技术核心，统一流程规范、统一技术标准、统一数据管理、统一角色管理、统一用户登陆、统一界面风格，构成一个开放统一的平台，构建分层的在线安全监测系统。使整个系统有一个清晰的逻辑结构，减轻使用难度。

（4）在滑坡体主剖面强变形区域布设GNSS 监测点1 套，监测落石、滑坡、裂缝病害；在滑坡体内强变形区布设倾角加速度计监测点2 个，监测滑坡内部变化；在滑坡体外稳定开阔位置布设降雨量监测点1 个，监测降雨量；在居民区附近安装声光报警器1 台。

6 结束语

该边坡体自2021 年8 月28 日至10 月10 日，系统多次雨量预警，地表位移数据均正常。通过查询该期间旬阳历史天气，存在降雨过程，印证了雨量计的监测结果。自监测以来，位移、倾角和加速度的数据平稳，无趋势性，进入10 月后，降雨量趋弱，据此，可认为灾害点目前整体稳定。后续需继续加强监测，对灾害及时预警。可见该系统对提高边坡稳定性水平有较大帮助作用。