土压力计在滑坡监测中的应用研究

王苏娅

(西安铁路职业技术学院 机电工程学院，陕西 西安 710026)

0 引 言

在以往的滑坡治理工程监测中，主要采用人工观测、巡查记录等方法[1]。随着科技的发展，北斗在线监测滑坡系统开始逐步推广应用[2-5]。北斗在线监测滑坡系统现场核心设备包括表面位移传感器、深孔位移传感器、水位监测仪和雨量监测仪，通过对采集的数据进行监测与综合分析，实时监测滑坡体的稳定性。目前，在北斗在线监测滑坡系统中布设土压力盒，利用土压力数据进行滑坡监测的工程极少。

1 北斗在线监测滑坡系统

北斗在线监测滑坡系统主要分为以下3个部分：数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析及管理子系统。其中，数据采集子系统主要是安装在现场的仪器；数据传输子系统采用光纤、无线网络搭建形成；数据分析及管理子系统能够实现智能化解算、分析、处理、预警。

由于土压力盒在北斗在线监测滑坡系统中应用极少，因此本项目在安装表面位移传感器、深孔位移传感器、水位监测仪、雨量监测仪的基础上增加土压力盒，依靠土压力数据对滑坡进行监测，并与位移设备监测结果进行对比，验证土压力数据监测在北斗在线监测滑坡系统中的可靠性。

2 工程应用

2.1 工程概况

湫坡头(陕甘界)至旬邑高速公路支党河特大桥位于黄土沟壑地区。且经过滑坡区，为保证桥梁施工及成桥后的安全，采用北斗在线监测系统对滑坡体的变形及位移进行实时监控，并以土压力盒作为主要的监测仪器设备。

2.2 土压力盒及其布设

土压力盒能够用于长期测量路堤或者其他结构物等内部土体的压应力，可以监测土压力的变化，同时还可以测量埋设点的温度。土压力盒结构简单(图1)，测值稳定，方便安装在需要长期监测土类物质压应力的任何场合，其技术指标如表1所示。

图1 土压力盒

表1 土压力盒的技术指标

土压力计需要埋设在挡土墙或者桥墩受力面，因此本项目将土压力计分别安装于10#墩台和11#墩台南面，每个墩位各4个。具体情况如下：11#墩台的土压力计分别位于东侧下方、东侧上方、西侧下方、西侧上方；10#墩台的土压力计分别位于东侧下方、东侧上方、西侧下方、西侧上方。土压力盒及附件安装如图2、3所示。

图2 土压力盒安装

图3 采集模块等附件安装

2.3 供电及通讯等系统安装

由于滑坡监测点在山区位置较高的地方，采用市电施工难度及成本非常大，故本监测系统的监测点设备采用太阳能供电方式。

按统一规划，将设备安装在设备箱中，为其提供12 V电源，数据接口与监测主机相连，若有其他数据需要传输时，只需要将设备的网口和相应设备的网口连接即可。由于设备箱具有信号屏蔽作用，需要将设备的天线通过SMA口引到设备箱外部，并固定在设备顶部，完成安装，如图4所示。

图4 3G/4G路由器连接

由于基站的安装位置都比较高，因此在天线的上端安装避雷针进行防护是十分必要的。如果基站周围已经安装能够有效保护基站的避雷针，则无须再安装。

3 土压力监测情况及数据分析

土压力计作为监测设备，为监测区内出现异常情况时提供有力的数据支撑。选取10#墩台2020年5月的监测数据进行分析。部分数据如表2所示，土压力监测曲线如图5所示。

表2 10#墩台土压力监测值统计

图5 10#墩台土压力监测曲线

分析上述图表数据可知，10#墩台的4个土压力计监测值比较稳定。

从2020年5月的数据可以看出，10#墩台的土压力计数据稳定，但是单月数据还不足以说明该滑坡体的稳定性，因此选取10#墩台2018年8月至2020年5月的土压力监测曲线进行分析(图6)。

图6 2018年8月至2020年5月10#墩台土压力监测

从图6曲线走势能够发现，该时段内土压力监测曲线整体较平缓，未出现较大波动，说明该滑坡体比较稳定。

综上分析可以得出：土压力数据比较稳定，未见特殊情况，表明滑坡体整体稳定。

4 可靠性对比分析

土压力计首次应用于北斗在线监测滑坡系统中，其可靠性还需要通过与位移比较进行验证。该系统在布设过程中同步设置了表面位移计。

表面位移监测在2020年5月的监测天数为31 d。位移由X轴、Y轴、H轴组成，月变化量由2020年5月31日的累计变化量减去2020年4月30日的累计变化量所得。

4.1 X轴方向数据分析

X轴方向的监测数据以日为单位，变化值为纵坐标，时间为横坐标。变化量为正表示向北，为负表示向南。表面位移监测点X轴方向的监测数据如图7所示。

根据X轴监测数据，GC04由4月底的3.75 mm变为5月底的6.93 mm，月变化量为3.18 mm，日变化率为0.103 0 mm·d-1(4月份为0.075 7 mm·d-1)，小于规范要求(4 mm·d-1)；GC01由4月底的-3.82 mm变为-2.46 mm，月变化量为1.36 mm，处于稳定状态。各监测点变化速率都很小，可以认定边坡稳定，结论为：表面位移计X轴方向稳定，无异常。

4.2 Y轴方向数据分析

Y轴方向的监测数据以日为单位，时间为横坐标，变化值为纵坐标。变化量为正表示向东，为负表示向西。表面位移监测点Y轴方向日变形量监测数据如图8所示。

图7 表面位移监测点X轴方向日累计变化量

图8 表面位移监测点Y轴方向日累计变化量

根据Y轴监测数据，GC04点由4月底的-12.16 mm变为-11.13 mm，月变化量为1.03 mm，日变化率为0.033 mm·d-1(4月份为0.034 mm·d-1)，小于规范要求，GC07点由4月底的4.10 mm变为1.74 mm，月变化量为-2.36 mm，处于稳定状态。各监测点变化速率不大，可以认定边坡稳定，结论为：表面位移计Y轴方向稳定，无异常。

4.3 H轴方向数据分析

H轴方向的监测数据以日为单位，时间为横坐标，变化值为纵坐标。表面位移监测点Y轴方向的日变化量监测数据如图9所示。

图9 表面位移监测点H轴方向日累计形变量

由以上数据变化，各监测点H轴方向累计变化量均小于60 mm，变化速率均小于6 mm·d-1，没有超过预警值的情况。其中GC05的累计变化量为-24.88 m，月变化量为0.78 mm(4月为4.26 mm)，变化速率为0.025 mm·d-1；GC01的累计变化量为-13.51 mm，月变化量为3.88 mm(4月为3.54 mm)，变化速率为0.125 mm·d-1；GC07的累计变化量为8.30 mm，月变化量为-4.41 mm(4月为3.78 mm)，变化速率为0.142 mm·d-1。GC05、GC01和GC07的水平位移没有明显变化，后续继续观察该点位。通过分析铅垂方向位移数据，得出边坡体未见异常。

4.4 点位偏移及变形速率

2018年5月至2020年5月表面位移监测水平方向的日累计变化量监测曲线如图10所示。

图10 2018年5月至2020年5月表面位移监测

GPS设备本身的标称精度导致测量存在微小误差，但是从上面数据可以看出，各监测点水平累计变化量均小于40 mm；水平位移变化速率最大为0.108 mm·d-1，其次为0.091 mm·d-1，经过后续继续观察，各监测点均远小于规范中要求的4 mm·d-1。通过表面位移分析，得出结论：边坡体表面未见异常或滑动迹象。

土压力计监测结果和表面位移监测结果基本一致，该滑坡体稳定，说明土压力计在北斗在线监测滑坡系统中的可靠性较好。

5 结 语

(1)通过布设土压力计，对滑坡体的安全稳定性进行监测，结果表明，该滑坡体表面未见异常或滑动迹象。

(2)采用土压力计对滑坡体安全稳定性进行监测，其结果与表面位移监测结果基本一致，可靠性较好。

(3)建议将土压力监测结果与深部位移等数据进行对比分析，进一步验证土压力计监测的可靠性。