基于实时位移监测的风化花岗岩边坡安全风险动态调控技术

刘桂强， 李宏文， 谭 玲， 阎宗岭

(1.广州市高速公路有限公司， 广州 510288； 2.广东和立土木工程有限公司， 广州 511430； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

花岗岩在我国南方地区分布广泛，风化花岗岩边坡变形破坏机理复杂，施工安全风险影响因素多，其中边坡岩土性质、水和人类活动是边坡安全敏感性主要因素[1-3]。风化花岗岩边坡变形破坏形式有圆弧滑动破坏、崩塌和坡面冲刷等[4-5]，岩土力学试验和有限元分析表明，降雨和施工对该类边坡安全有较大影响[6-8]。目前，既有研究主要通过对边坡进行自动化安全监测，研究边坡安全要素的变化趋势，以评价边坡的安全状态[9-10]。这些研究多集中于边坡安全监测和灾害预警，对基于监测信息的实时分析、挖掘而实施边坡开挖、加固工艺的动态调整研究不足。

本文以广州某高速公路风化花岗岩路堑高边坡为例，结合风化花岗岩边坡施工安全风险预评估和边坡自动化安全监测，通过对安全监测信息的深度挖掘、分析，实现了基于安全监测的边坡安全风险动态评估，并提出了基于安全属性的边坡施工安全风险动态调控思路，建立了基于安全监测的边坡施工安全风险调控技术流程。

1 风化花岗岩边坡施工安全自动化监测

1.1 工程概况

广州某高速公路K20+880～K21+080 段左侧高边坡为风化花岗岩土岩混合边坡，高56.3 m，原地面坡度15°～32°，边坡上部以残积粘性土为主，中下部多为砂土状和碎块状强风化花岗岩。岩土条件及边坡设计条件如图1(a)所示。边坡处治设计采用放坡结合坡面绿化防护、截排水措施和监测预警综合治理方案进行。边坡按台阶式设计开挖，第1级和第2级分级高度为10 m，其余分级高度为8 m；第1级边坡坡率1∶1，其余坡率均为1∶1.25。第1级边坡采用客土喷播植草防护，最顶一级边坡采用挂三维网喷播植草防护，其余各级边坡根据岩性情况采用网格型骨架或客土喷播植草防护，平台均采用浆砌片石封闭。各级平台和堑顶均设置截水沟。边坡开挖后，视地下水情况设置仰斜式排水孔。经专项风险评估，该边坡施工安全风险评估等级为Ⅲ，为高度风险。

由于所在地区气候炎热多雨、多台风和暴雨等恶劣天气，边坡开挖后，在雨季和台风季节出现集中降雨情况下，坡面冲刷严重，易产生局部坍滑、垮塌等失稳现象。从边坡物质结构特点可知，该边坡强弱风化界线较陡，在连续降雨情况下，强弱风化界面易成为潜在滑面，继而出现沿强弱风化界线滑移问题。

1.2 边坡施工期安全监测

在边坡K20+880～K21+080段开挖施工开始，就同步实施了自动化安全监控，且以边坡深部位移和坡体表面位移、坡表土体倾斜为监测核心，能较全面监控边坡宏观变形发展趋势。该段共设置地表位移监测点7个(2-1～2-7)，深部位移监测孔5个(3-1～3-5)，地表倾斜监测点7个(5-1～5-7)，孔隙水压监测点计1个，测点布置如图1(b)所示。同时实施了孔隙水压力监测，以掌握坡体中孔隙水压力变化情况，为边坡稳定性动态评价提供参考，也可作为边坡开挖控制的依据。

2 基于位移监测信息的边坡动态安全风险

2.1 边坡位移监测信息

自对边坡K20+880～K21+080段开展自动监控以来，监测数据可实时反映边坡的变形动态。在2017年11月1日—12月15日期间，边坡正处于放坡开挖施工中，该地区持续大风及暴雨天气对边坡造成不利影响。边坡变形监测曲线如图2所示。由图2(a)测点2-2、2-6和2-7的监测数据表明，边坡表面无明显变形。图2(b)显示在降雨作用下，深部位移变形出现明显增大趋势，在X轴正方向(倾向坡外)及Y轴正方向(倾向边坡左侧)均产生了位移，且坡体深部位移发展比表面位移和坡表土体倾斜明显，表明在降雨和施工扰动作用下，边坡内部产生了倾向公路的变形趋势。

2.2 边坡安全风险动态反馈

图2边坡位移监测信息表明，在11月3日降雨后边坡稳定状态出现了变化，而现场巡查并未发现坡体表面和防护结构的变形、开裂等现象。现场监测方与设计、监理及施工等单位共同分析后，认为在边坡表面未出现变形迹象时，不宜立即采取工程调控措施。在2017年11月15日—20日期间，坡体变形开始显现，11月22日现场人工巡查发现，边坡3、4、5级平台截水沟、格子梁及边坡表面均出现了明显裂缝，如图3所示，边坡右侧边缘坡体裂缝和格子梁裂缝在竖向已贯通。

分析监测数据可知，与上一监测周期(10月1日—30日)对比，11月内边坡变形较大，且变形速率较大，呈持续增长趋势。边坡位移变化量如表1所示。由表1可知， 11月14日是最大降雨量日，此次降雨后，地表位移及深部位移均出现了最大值，其中深部位移于11月16日达到0.47°，地表位移在11月20日达到日最大变形量34 mm。由于该地区12月持续降雨，边坡仍处于蠕动变形中，地表位移于12月9日达到79 mm。经人工巡视发现，该边坡各处裂缝较11月均在变大，且格子梁多处有新裂缝产生。

这一动态监测信息变化充分表明边坡变形动态监测系统能较好地反映边坡开挖和支护过程，由于受降雨的影响，对边坡下部造成严重冲刷，减小了边坡的抗滑力，同时加速了降雨在坡体内的入渗，下滑力增大，加剧了边坡的变形破坏。由此可见，监测数据较完整地反映了因降雨造成边坡体应力变化而形成的坡体位移变化，且位移由坡体内部逐渐发展到表面，最终影响到防护结构这一动态过程。

3 基于位移监测信息的边坡安全风险评估

边坡稳定状态与其变形、破坏的宏观迹象密切相关，根据现场调查、监测的宏观表征，可以基本判定边坡所处的安全状态和发展趋势，实现稳定性动态评估，为边坡施工过程控制提供依据。基于边坡安全监测数据反馈，结合对现场的巡查和专家的经验判断，可确定边坡当前的稳定状态，综合当前施工措施及施工工序的有效性和适宜性，根据边坡支护需求和施工条件对现场施工进行综合调控，包括支护措施方案、施工时间、施工工序等。

(a) K21+040典型横断面示意

(b) 边坡安全监测点布置示意

边坡K20+880～K21+080挖方顶部以残积粘性土为主，中下部多为砂土状和碎块状强风化花岗岩。根据2017年11月—12月期间对边坡的监测信息反馈，受降雨影响边坡已出现明显变形，尤其是边坡右侧区域，裂缝贯通，支护结构出现裂缝，施工风险增大。考虑到接下来还将有降雨影响，对本边坡的安全风险作出评估，提出加强施工工序布置，严格控制边坡分级分段开挖，及时实施分级，分段完善坡面防护措施和截排水措施。

4 风化花岗岩边坡安全动态调控

4.1 风化花岗岩边坡施工安全调控措施

针对边坡变形特点，采取了以下风险调控工程措施：

1) 在第3级边坡平台上下3 m范围内，采用钢花管注浆加固(1.5 m×1.5 m)；在第4、5级边坡平台附近，采用锚杆格子梁加固(3 m×3 m)。

2) 调整边坡防护施工工序，由原先的自上而下支护调整为先实施边坡下部防护结构再实施上部结构。

3) 修复边坡截水沟和平台截水沟，并连通平台截水沟与边坡截水沟。

实施安全风险调控措施后，2017年12月16日—2018年1月18日的监测数据结果如图4所示。图4显示数据变化趋于正常，尽管在降雨和施工的影响下，变形监测数据产生了一定波动，但边坡体和支护结构物均无新的变形。

采取调控措施后，现场巡查也未发现边坡防护结构和边坡体既有裂缝的继续发展迹象，边坡的施工安全风险得到有效控制。

(a) 边坡表面位移监测

(b) 边坡深部位移监测

(c) 边坡地表倾斜监测

(a) 边坡格子梁裂缝

(b) 边坡截水沟裂缝

4.2 基于位移监测边坡安全风险调控流程

边坡安全风险调控的核心是边坡自动化安全监测以及基于安全监测信息对边坡施工安全进行动态评估。根据边坡施工过程中的安全风险和异常状态，实施信息化设计和施工工序、施工工艺的动态调整，达到边坡施工安全风险动态调控的目的，其技术流程如图5所示。

表1 边坡位移变化量

(a) 边坡表面位移监测

(b) 边坡深部位移监测

(c) 边坡地表倾斜监测

图5 边坡施工安全风险调控技术流程

5 结论

采用基于自动化安全监测的边坡施工安全风险调控，可实现风化花岗岩边坡施工安全风险的动态管理，为边坡动态安全风险评估和管控提供技术支撑，主要认识如下：

1) 边坡安全风险调控的核心是构建边坡施工期安全自动化监测系统，并基于安全监测信息反馈开展边坡施工安全的动态评估。

2) 边坡施工期自动化安全监测系统的构建，应结合边坡开挖与防护、加固方法和施工工艺，确定重点监测项目和监测区域。

3) 边坡安全风险的自动化监测信息可及时反映出边坡内部应力调整和位移变形趋势，比现场巡视发现的边坡表面变形早2周左右，可为边坡安全风险的动态评估和动态设计提供重要的基础信息。

4) 边坡安全风险调控措施决策应以安全监测反馈的动态风险评估为主，结合现场巡查时坡体变形或结构物裂缝显现，为边坡安全调控提供决策依据，可避免传统上单一的以现场查看到破裂迹象为依据的滞后决策方法，为尽早进行安全动态评估争取宝贵时间。