边坡应力远程监测技术在山区公路中的应用研究

白宝君

(辽宁省新宾满族自治县交通运输事业发展中心 抚顺市 113200)

辽宁东部地区多山，公路依山而建，早期的公路边坡监测主要依靠人员定期巡查，人工观察坡体变形情况，费时费力。近年来随着电子通信技术的发展涌现了多种自动化的监测方法，如GPS位移监测法、合成孔径雷达监测法、光纤光栅监测法、全站仪监测法等[1-3]。目前在交通领域较为常用的方法为GPS位移监测方法，其通过监测边坡表层位移来实现对边坡稳定性的监测。但这种方法仅能在边坡坡体变形之后才进行预判，具有一定的滞后性，适用于中短期预警。边坡应力监测技术可以实时监测坡体内部应力变化情况，提早做出滑坡预警，弥补了GPS位移监测的缺点，适用于边坡滑坡的中长期预警[4-6]。

1 边坡应力远程监测技术工作原理

边坡内部应力可以超前于变形反映边坡岩体稳定状态的变化。当滑体中的剪切力大于滑床对其抗剪强度边坡就会产生变形。随着滑体与滑床之间的裂隙逐步加深，滑体积聚的能量增多，产生的剪切力逐渐增大，当该力超过滑动面处岩体的抗剪强度时，滑体就会沿滑动面下滑，形成滑坡[7]。

根据力学原理，应力变化发生在物体变形之前，通过对边坡内部的应力进行长期的实时的监测，可以及时反映边坡内部的应力变化，从而预测到滑坡的产生。

系统监测模型如图1所示。首先在滑床上安装锚索，锚索一端固定在滑床上，另一端伸出地面，用水泥墩固定，锚索牢牢地锚固于稳定的基岩中，确保锚固端固定。一旦滑体有下滑趋势，锚索中的应力将发生变化。锚索的另外一端安装应力传感器，并进行锚索张拉，给锚索施加一定的预应力，实现主动监测岩体应力。通过智能监测设备监测应力传感器受到的应力，通过无线网络将应力数据传输至监控中心。工作人员通过分析软件进行分析，并对滑坡的发生进行预测[8]。

图1 边坡应力监测原理示意图

2 边坡应力远程监测系统组成

边坡远程监测系统由锚固系统、应力监测与通信系统和信息处理系统三部分组成。系统组成示意图如图2所示。

图2 系统组成示意图

锚固系统：锚固系统包括锚索和锚具两部分组成，边坡应力远程监测系统在传统的锚固系统的基础上增加了应力传感器。

应力监测与通信系统：由监测主机、供电系统两部分构成。监测主机具有接收指令，执行监测命令并把监测到的数据通过公用无线通信网络传输给信息处理系统。供电系统由太阳能电池板和蓄电池组成。

信息处理系统根据用户的设定参数对数据进行采集，对数据进行分析处理，计算出应力值和应力变化曲线，通过数据或曲线图的方式进行显示。信息处理系统由计算机和通信终端组成。计算机上安装数据接收软件和系统分析软件，对接收到的数据进行存储、分析并提供预警。

3 边坡远程监测技术的实施

3.1 锚固长度的确定

锚索由固定在滑床中的锚固段和位于滑体中的自由段组成。锚索监测的前提是:当滑体有下滑趋势时，锚索的应力有所变化，因而要求锚固段必须牢牢地锚固在滑床中。

锚索锚固长度由式(1)和式(2)计算得到，锚索锚固长度选择二者的最大值[9]。

(1)

(2)

式中:La—按照砂浆与预应力筋粘结强度计算的锚固段长度(单位:mm);

K—锚索安全系数，取值范围1.5～2.0;

Nt—锚索设计荷载(单位:N);

d—预应力筋外径(单位:mm);

n—预应力筋根数(单位:根);

τa—砂浆与预应力筋粘结强度(单位:MPa);

Lb—按锚固体砂浆与孔壁岩石粘结强度计算的锚固段长度(单位:mm);

D—锚索钻孔直径(单位:mm)；

τb—砂浆与孔壁岩石粘结强度(单位:MPa)。

工程中，通常取K为2.0，τa为3.25MPa，τb为0.66MPa，锚索钢绞线选用Ф15.24mm低松弛钢绞线，其标准抗拉强度为1860MPa，若锚索由6根钢绞线组成，d为15.24mm，n取6，D取100mm。计算得La≈2m，Lb≈8.8m。根据计算结果，本设计锚固段长度为8.5m，自由段在滑面以下不小于1.5m，故滑面以下应不小于10m。

3.2 锚索预应力大小的确定

为了能够使锚索的应力能够更好地反映边坡内部应力变化情况，需对锚索施加预应力。根据经验，预应力值通常取锚索最大载荷的0.2～0.5倍。

即：po=(0.25～0.5)pmax

(3)

式中：po—锚索预应力(单位:kN);

pmax—锚索最大载荷(单位:kN);

工程中，pmax为应力传感器的最大量程，通常分为1000kN和800kN两种，锚索初始施加的预应力设计为300kN至400kN。

3.3 监测点的布置

监测点的布置根据边坡坡体大小、岩石种类、坡体高度以及地质条件等实际情况灵活设置，并结合分析岩体变形及潜在滑坡区，将监测点布置在滑动影响范围内的典型位置。通常每30m至50m设置一个监测点，多个监测点构成监测线。

3.4 智能监测设备安装与数据处理

应力监测与通信系统采用多周期测量法测量应力传感器的频率值，根据厂家标定公式自动将频率值转换为应力值，并通过GSM网络将测量数据发至服务器。系统采用太阳能系统供电，20W电池板及12V、7AH铅酸蓄电池供电，可以实现充满一次电，系统可正常工作15d。

数据的记录和处理由监测软件自动完成，通过对数据进行分析处理，计算出应力值和应力变化曲线，并进行预警分析，实现蓝、黄、橙、红四级预警。

4 边坡应力远程监测技术应用实例

在某地安装了应力监测系统，设置监测点4个，在坡底每80m布置1个监测点，构成监测线，锚索施工如图3所示，现场点位如图4所示。

图3 锚索施工图

图4 现场点位图

系统进行长时间滑坡监测，系统每8h测量一次数据，可以根据应力变化情况，远程实时调整测量时间间隔，通过持续的监测，取得了大量的监测数据。

由图5可以看出，4个监测点位的监测值有差异，原因是不同的点位预应力设置值不同，而且预应力施加后，不同的点位存在不同的“掉吨”即应力松弛现象导致的，属于正常现象。总体来看，监测点运行较为平稳，在冬季(11月至3月)应力值变低，原因是冬季边坡中水分连接泥土形成冻土，边坡滑动力变小。其中3号点附近有水系，表现的尤为明显。3号监测点图中的直线部分是由于设备故障，受疫情影响，人员无法前去维修导致，2020年5月份维修后，数据恢复正常。综合考虑各点的监测曲线趋势，可见，监测曲线平稳，曲线的波动符合客观规律，该坡体目前处于较为稳定状态，滑坡发生概率很低。

图5 监测数据曲线图

如果应力值出现缓慢上升，说明边坡内部应力在聚集，需要加大监测频率；如果应力曲线出现快速上升，而且加速度越来越大，则说明边坡稳定程度下降，滑坡概率增加，需要结合现场裂缝等现象做出滑坡预警。

5 结论

边坡应力远程监测技术通过锚索获得坡体内部应力变化的规律，具有远程、自动采集、无线传输等优点，弥补了GPS位移监测的不足，可以实现滑坡的长期监测和预警。该技术涉及地质、土木工程、电子、通信、计算机等诸多学科，是多种技术交叉融合应用的成果，该技术的应用提高了边坡监测的效率和自动化、智能化水平，目前已经在阜新市海州矿国家地质公园和抚顺市西露天矿等地应用，取得了较好的经济效益和社会效益。

以边坡应力远程监测技术为实践主体的“面向特定环境下工业监测监控的无线网络关键技术研究与实践”项目获得中国商业联合会2020年科技进步二等奖，该技术应用有助于提高公路边坡监测水平，在山区公路边坡治理中有广阔的应用前景。