亚热带季风气候条件下高边坡稳定性远程实时监测系统*

雷 鸣，陆仪启，周翠英，刘 镇，徐一鸣，夏 兼

(1.广东云梧高速公路有限公司，广东云浮527300;2.中山大学工学院，广东广州510275;3.中山大学海洋学院，广东广州510275)

粤西地处亚热带季风气候区，夏季高温多雨，高边坡稳定性进行人工监测不仅难度大，而且时效性差。因此，亟需对适应于亚热带季风气候区的高边坡稳定性远程实时监测技术进行研究。

国内外在高边坡监测技术上已经达到较高水平。由早期的地层和岩层地质测量技术，过渡到由光学和电学仪器等构成的比较先进的监测手段，进而发展到GPS导航、远景观测和近景拍摄同时应用到边坡监测中，现正向着自动化、远程、高精度以及无线监测系统发展［1－2］，主要有 GPS 测量［3－6］、光纤传感［7－9］、激光位移监测［10－12］、孔径雷 达 干 涉 测 量［13－14］、 声 发 射［15－16］、 时 域 反射［17－18］、微震量测［19－20］和摄动监测［21］等技术，均实现了数据的实时采集、远程传输与分析。上述监测手段在水电库区边坡、矿山边坡等工程中的应用研究已经达到较高水平，然而对于极端气候条件地区的高边坡，已有的监测设备尚不能满足其稳定性监测的需求。

本文针对粤西亚热带季风气候区夏季高温炎热、雨季长的特征，研发了一套高边坡稳定性监测系统。该系统在广东云罗高速高边坡稳定性远程实时监测上的成功应用，表明其适用性较好。

1 亚热带季风气候条件下高边坡稳定性监测难题

亚热带季风气候，分布在北纬25°～35°亚热带大陆东岸，在中国的典型分布区为秦岭淮河以南，青藏高原以东、热带季风气候以北的地带。该气候区域夏季太阳高度角大，气温较高，且南季风带来的降水丰沛，雨热同期，雨季持续时间长。此外，夏秋常受热带气旋的影响。

广东省内广泛分布红层等软弱岩体，遇水极易软化，加之部分地区属于亚热带季风气候区，夏季干湿交替频繁，导致该地区的高边坡稳定性问题突出［22－23］。粤西亚热带季风气候区内的高边坡监测存在以下问题:①夏季高温多雨，人工监测困难;②夏季太阳高度角大，太阳辐射强烈，使无线远程监测系统中太阳能电板输出的电压过高，容易导致监测电路因过压而停止工作;③雨季时间长，使无线远程监测系统面临长期供电问题;④边坡表面岩石易受风化、雨水冲刷的影响，表面位移不足表征边坡的稳定性。

针对上述问题，在已有的监测技术基础上开发一套有效适用的高边坡稳定性远程实时监测系统，对亚热带季风气候区内高边坡的稳定性监测具有重大意义。

2 亚热带季风气候条件下远程实时监测原理及其系统组成

2.1 监测原理

针对粤西亚热带季风气候区内高边坡人工监测困难的问题，开发了数据自采集与无线远程传输技术，实现高边坡稳定性的实时在线监测;采用太阳能供电技术，解决了监测系统的长期供电问题;以锚索拉力值为监测对象，克服了表面位移在边坡稳定性判别上的不足。

1)锚索拉力值监测原理。

使用振弦式力学传感器，其内部振弦为一根张紧的钢丝，当受到外界压力变化时，振弦上就会产生一定的张力。通过给激振原件一定的电量，传感器内固定的铁片就会在电磁力的作用下发生相对运动，此时振弦就会随着铁片的运动发生振动。当振弦的张力和振动同时存在时，振弦的固有振动频率和张力就有了一定量的关系，如式 (1)所示。这样就可以通过测量振弦的频率变化来间接测量外界力的变化。

式中:F为荷载值;f为中弦频率，即传感器内各振弦频率的均值;k为标定系数。

2)边坡稳定性判断原理。

根据监测得到的锚索拉力值，根据极限平衡条件得到潜在滑动面上的安全系数。边坡平面滑动分析如图1所示，这时可得到边坡的总滑动力为

总抗滑力为

由此可得潜在滑动面上的安全系数为

式中G为滑体的重力;P为锚索拉力值;α为滑动面倾角;θ为锚索与水平面交角;φ为滑动面的摩擦角;c为滑动面上的粘聚力;l为滑动面的长度。

通过式(4)可将监测到的锚索拉力值转化为潜在滑动面上的安全系数。若Fs＞1，则沿着此计算滑动面是稳定的;若Fs＜1，则是不稳定的。

图1 边坡平面滑动分析图Fig.1 The analysis diagram of slope plane sliding

3)无线传输原理。

基于GPRS/CDMA 1x移动数据通信技术，利用数据终端设备与DVB天线，实现了数据的无线远程实时传输。

4)太阳能供电原理。

太阳能供电系统如图2所示，通过太阳能电板将太阳能转换为电能，存储于锂电池中;太阳能电板和锂电池之间通过充电管理模块相连，该模块由稳压电路和反充电逻辑电路组成，稳压电路解决了太阳能输出电压过高问题，反充电逻辑电路可防止锂电池对太阳能电板的反充电。

图2 太阳能供电系统Fig.2 The solar energy system

5)信息化管理平台工作原理。

根据智能数据仓库原理，利用SQL数据库和ASP网页设计及flash技术，建立边坡监测信息化管理平台，对数据进行运算处理，并通过flash技术将数据转换为图表。

2.2 系统组成

高边坡稳定性远程实时监测系统主要包括:力学传感器、数据采集与处理器、无线传输装置、太阳能供电系统以及信息化管理平台等五部分，如图3所示。

图3 高边坡稳定性监测系统Fig.3 The high slope stability monitoring system

1)力学传感器:将锚索拉力值转换为可直接测量的振动频率信号。

2)数据采集与处理器:包括力学信息采集模块与计算处理模块。力学信息采集模块对力学传感器中振弦的振动频率进行自动采集，具有休眠和脉冲启动功能。计算处理模块包括数据处理模块和数据存储模块，数据处理模块将采集到的振动频率通过均值计算，并按照式 (1)转换成锚索拉力值。数据存储模块对计算后的锚索拉力值进行储存，并对监测频率进行记录。

3)无线传输装置:将数据采集与处理器中得到的数据通过无线网络传输至信息管理平台。

4)太阳能供电系统:为现场设备提供电源，有效解决了亚热带季风气候区无线远程实时监测系统的能源自给问题。

5)信息化管理平台与集成:包括数据接收工作站、中心数据库和数据处理工作站三部分。高边坡远程监测设备实时采集的监测数据通过无线网络发送至系统的数据接收工作站，工作站将数据整理后发送至中心数据库入库备份，数据处理工作站通过相应的应用软件对数据进行运算处理，并将数据转换为图表，增加数据统计的直观性。

3 高边坡稳定性远程实时监测系统的建立

本文以广东云罗高速公路为依托，建立了高边坡监测选择标准与断面布设原则，选择了监测高边坡与监测断面，并安装了监测设备，构建了高边坡稳定性远程实时监测系统。

3.1 依托工程概况

广东云浮至罗定高速公路起于云浮市郁南县东坝镇双凤管理区，止于罗定市双东镇的大步塘，路线全长32.457 km。全线路堑边坡共计192段，其中坡高≥30 m的高边坡有39段，其加固防护措施有锚索框梁、锚杆框梁、拱形骨架挂三维网生态防护三种。沿线以侵蚀丘陵为主，地形起伏较大，路堑高边坡可分为土质边坡、类土质边坡和岩质边坡三类，主要地层分别由砂岩、泥质粉砂岩、灰岩、片麻岩及花岗岩组成。路线区属亚热带季风气候，气候温和、雨量充沛。

3.2 高边坡监测选择标准与断面布设原则

通过现场踏勘和野外调研，收集整理了沿线高边坡的岩层组合、岩体结构类型、岩土体性质、风化程度、地表与地下水作用及切坡、加固方式以及周边人类工程活动等资料。依此概化了边坡典型结构模式与主要类型，建立了高边坡监测选择标准及其断面布设原则:选择岩体破碎、地质构造面发育、坡体较陡、下滑力大、安全系数低的高陡边坡进行稳定性监测，选择风险较大的断面作为稳定性监测断面。

在调研的基础上，选取坡高大于50 m的高边坡，按照高边坡监测断面布设原则对每个边坡的危险断面进行稳定性分析。基于瑞典条分法原理，采用数值模拟方法，结合表1中的岩体力学参数，研究了各边坡的稳定性，确定了其潜在滑动面及安全系数。经过对比分析，最终选定云罗高速公路K57+020～K57+235高边坡工程作为依托工程，进行稳定性监测。

表1 岩体力学参数表Table 1 The rock mechanics parameter list

3.3 边坡概况及锚索与深部位移监测点布置

1)边坡概况。

本监测边坡位于里程桩号K57+020～K57+235右侧，坡长215 m，最大坡高为62.0 m，最大坡角约55°，开挖方量大，地应力调整大，易形成较大松弛区;加之，边坡范围内残坡积粉质黏土及全风化层厚度较大，构成本边坡岩体主要为全～微风化花岗岩，风化程度差异大，边坡开挖后，岩体受水及风化作用，强度降低;上述二者叠加该易使边坡稳定性降低。

2)监测点布置。

根据其地质与环境条件及高边坡监测断面布设原则，确定该区间监测断面为K57+092与K57+170。在K57+020～K57+235高边坡稳定性分析的基础上，确定了其潜在滑动面位置，布设了锚索拉力监测点，设计锚索深度为20 m，超出潜在滑动面约9 m，如图4(a)、(b)所示。

图4 K57+020～K57+235间右侧边坡监测点布置示意图Fig.4 The schematic diagram anchor cable monitoring point on the right side of the slope between K57+020 and K57+235

3.4 监测设备安装

在K57+092与K57+170两断面监测点处布设力学传感器、数据采集与处理器、无线传输装置、太阳能供电系统等。根据实际情况，锚索的张拉力设置为约200 kN，以满足监测需求。安装时，先依次将力学传感器下垫板、高精度力学传感器、传感器上垫板、锚头穿过锚索装上，然后进行张拉调试，设备安装后如图5所示。

图5 监测点布设与监测设备安装Fig.5 The layout of monitoring point and the installation of monitoring equipment

3.5 云罗高速公路高边坡安全远程智能监控系统

根据智能数据仓库原理，利用Structured Query Language(SQL)数据库和Active Server Page(ASP)网页设计及flash技术，建立了云罗高速公路高边坡安全远程智能监控系统，系统包括数据接收工作站、中心数据库和数据处理工作站三部分。高边坡远程监测设备实时采集的监测数据通过无线网络发送至系统的数据接收工作站，工作站将数据整理后发送至中心数据库入库备份，数据处理工作站通过相应的应用软件对数据进行运算处理，并通过flash技术将数据转换为图表，增加了数据统计的直观性。系统页面如图6所示。

图6 系统页面图Fig.6 The figures of the system pages

4 边坡稳定性远程实时在线分析

4.1 监测数据分析

根据该高边坡稳定性监测系统的监测结果，绘制了1－1与2－2观测点锚索拉力随时间的变化曲线，如图7所示。由图7可知，两监测点锚索拉力值基本是在150～250 kN范围内波动，且趋势平稳。观测点1－1与观测点2－2的锚索拉力在2013年4月—8月时间段内有频繁的小范围波动，观测点1－1在2014年3月31日—4月3日有较大波动，然均在波动后恢复平稳状态。

图7 锚索拉力变化图Fig.7 The variation diagram of anchor cable tension

4.2 锚索拉力波动原因分析

根据当地气象统计资料，2013年4月—8月时间段内共有90 d属于雨天，边坡岩体由于长时间受水作用，稳定性降低;此外，此段时间内边坡一、二级边坡正在进行开挖施工，对边坡整体稳定产生了一定的扰动。上述两者导致了两观测点锚索拉力值的频繁小范围波动。

2013年9月—2014年1月，当地共降雨29次，边坡受水作用不显著，且边坡已经施工完毕，整体稳定性较好，故此段时间内观测点锚索拉力值一直保持平稳态势。

2014年3月云浮开始进入梅雨季节，连绵的小雨使得边坡岩体变得潮湿而逐渐软化，3月31日—4月3日，边坡所在地连续降大到暴雨，边坡岩体受水浸泡进一步软化，边坡稳定性恶化，导致观测点1－1处的锚索拉力波动幅度较大。而观测点2－2处锚索拉力维持平稳，原因在于该断面地层有反倾存在 (如图8)，可以在一定程度上降低岩体下滑的风险。

图8 观测点2－2断面地层示意图Fig.8 The formation diagram at point 2－2

4.3 边坡稳定性分析

通过上述分析，两观测点锚索拉力虽有波动，但波动后都恢复平稳趋势，可知边坡处于相对稳定状态。根据监测得到的锚索拉力值，使用瑞典条分法计算出两断面对应潜在滑动面上的安全系数，计算结果表明两潜在滑动面上的安全系数均大于1。此外，根据深部位移监测得到的各断面附近的最大变形速率和最大位移值如表2所示，可知两者均未超出警戒值。综上，可知边坡整体处于相对稳定状态。

5 结论

1)本文所开发的太阳能供电系统在云罗高速高边坡监测系统运用一年余，保证了监测设备供电的稳定性和长期性，充分证明了该系统能适应亚热带季风气候区雨季长、夏季晴天太阳辐射强的特点。

2)通过对监测结果分析，可知锚索拉力基本在150～250 kN范围内波动，边坡整体处于相对稳定状态。

3)由监测数据的波动与当地降雨以及工程施工的相关性可知，该系统对降雨和工程扰动具有较高的敏感性。

4)通过与其他监测手段，如深部位移监测相配合，可更加有效地对边坡稳定性进行监控，避免滑坡事故的发生，可广泛推广用于边坡、隧道等工程的安全监控中。

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