沉降倾角综合测量仪在边坡自动化监测中的应用

陈建峰，刘哲宁

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

1 研究背景

传统的边坡稳定性监测方法主要是人工采集数据和巡逻，工作量大，效率低，人为误差不确定，不能够获得连续观测数据，而且在地震、暴雨等滑坡易发条件下，组织现场监测工作可能对工作人员的生命造成严重威胁[1-2]。随着网络技术和自动化监测仪器的发展，边坡监测技术开始向自动化和远程监测的方向发展[2-4]。边坡监测的主要内容包括变形监测、应力应变监测和环境监测。变形监测的内容有表面变形、深部变形和支护结构的变形，相应的监测仪器主要有沉降仪、测斜仪、位移计、全球导航卫星系统(GNSS)、全站仪、三维激光扫描、无人机系统、干涉孔径雷达(InSAR)、裂缝计等。应力应变监测的内容有支护结构的内力和应变、土压力和孔隙水压力，相应的监测仪器主要有应力计、应变片、土压力盒、孔隙水压计等。环境监测的内容有温度、雨量和地震，相应的监测仪器主要有温度传感器、雨量计、地震监测仪等。在对边坡进行自动化监测时，可以根据实际情况选择一至多项监测内容，并选择相应的监测仪器进行监测。

何满潮[5]基于监控锚索预紧力和滑体滑动力的关系开发了滑坡远程监测预报系统，成功预警了2处滑坡灾害。许强等[6]应用自主研发的自适应裂缝计，先后6次成功预警了黑方台地区的黄土滑坡。白洁等[7]应用GNSS和自适应裂缝计成功预警了贵州省兴义市马岭镇龙井村兴—马大道旁的一处山体顺层滑坡灾害。陈贺等[8]应用阵列式位移计成功预警了云南红河州蛮耗至金平二级公路路堑边坡的滑坡事故。Wang等[9]应用倾角仪成功预警了三峡地区和日本九州公路的滑坡灾害。范宣梅等[10]采用GNSS、裂缝计、雨量计和测斜仪成功预警了贵州省的大型岩体滑坡灾害。陶志刚等[11]研发了一种高恒阻滑坡监测锚索，成功对本溪露天矿山的滑坡全过程进行了监测预警。

本文采用一种新型的沉降倾角综合测量仪对某一高速公路路堑高边坡进行自动化监测，并成功预警了该边坡的滑坡灾害。

2 沉降倾角综合测量仪

TH-STC型沉降倾角综合测量仪由上海同禾工程科技股份有限公司研制，其由压差式沉降仪和倾角仪复合构成，如图1所示。

图1 TH-STC型沉降倾角综合测量仪Fig.1 TH-STC type comprehensive measuring instrument for settlement and dip angle

压差式沉降仪采用连通器原理，所有测点通过专用液体管道与液体容器连通，如图2所示。当某个测点的高程发生变化时，对应沉降仪内置的高精度压力传感器就能记录到液体静压强的变化，由此根据式(1)即可得到各测点相对基准点的高差，连续观测可获得各测点的沉降。

图2 压差式沉降仪工作原理Fig.2 Working principle diagram of differential pressure settlement instrument

(1)

式中：Pi为测点i的液体静压强；ρ为液体的密度；g为当地重力加速度；Δhi为测点i的压力传感器感压面至液体容器液面的高度；h0为基准传感器感压面至液体容器液面的高度。

由于液体密度随外界温度发生变化，故传统压差式沉降仪的压差会随温度产生波动。为消除温度对液体密度的影响，上海同禾工程科技股份有限公司在实验室测定了用于TH-STC型沉降仪的60%乙二醇水溶液(防冻液)密度-温度关系曲线(见图3)，然后通过沉降仪内置的温度传感器对压差进行自动修正。

图3 60%乙二醇水溶液密度-温度关系曲线Fig.3 Density-temperature curve of 60% ethylene glycol aqueous solution

TH-STC型沉降倾角综合测量仪内的倾角传感器采用“气体摆”式惯性元件，其由密封腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜时，热线的阻值发生变化，可以通过测读阻值的变化量换算出倾角[12]。

表1列出了TH-STC沉降倾角综合测量仪技术参数。

表1 TH-STC沉降倾角综合测量仪技术参数Table 1 Technical parameter of TH-STC type compre- hensive measuring instrument for settlement and dip angle

3 工程应用

3.1 工程概况

某高速公路路堑高边坡最大挖方高度49.8 m，该处地形较起伏，植被发育，坡面种植有茶树。边坡表面分布含碎石粉质黏土覆盖层，厚度1～2 m，棕黄色，中密状。下伏基岩为强风化和中风化的砂岩与石英砂岩。强风化砂岩呈灰黄色，坚硬，裂隙发育且裂隙面内多见铁锰等矿物，岩心基本呈碎石、碎块状，含少量中等风化碎块；中风化砂岩呈浅灰黄色，较硬，裂隙较发育，岩心呈碎块状。另外，边坡所在地区过去5 a年均降雨量超过1 000 mm。

边坡分为5级，自上而下第一至第四级边坡坡率均为1∶1，第五级边坡坡率为1∶1.25。除第一级边坡外，第二至第五级边坡高度均为10.0 m，各级平台宽2.0 m，采用锚杆框格梁护坡。

3.2 自动化监测系统

本监测工作建立的滑坡自动化监测系统一方面可以实现沉降倾角数据的自动采集存储，另一方面可以实现数据的实时远距离传输和分析等功能。滑坡自动化监测系统自下而上由数据采集层、数据传输层和数据管理层组成，如图4所示。

图4 滑坡自动化监测系统组成结构Fig.4 Composition and structure of automatic monitoring system for landslide

数据采集层主要由现场测点及辅助的连接装置组成。测点仪器采用的是TH-STC型沉降倾角综合测量仪，基准点采用的是恒液位系统的基准点，量程和精度能够满足工程要求。测点的最大数据采集频率为1 s/次，正常情况下按照系统默认的数据采集频率1 h/次进行监测。当监测数据达到报警值或监测数据变化较大、变化速率加快时，数据采集频率相应提高。

数据传输层由数据采集远传系统和传输导线组成。数据采集远传系统负责管理本地测点网络和传输数据，系统与测点间通过传输导线进行连接，能将采集的数据实时保存在本地；系统与远程数据管理平台间通过移动网络传输数据，使用内置的3/4G通讯模块进行通讯，且支持方便、灵活的智能断点续传。此外，数据采集远传系统具有不锈钢外壳和IP67的防水等级，有较高的防护能力。

为确保供电的稳定性，数据采集远传系统配备一套太阳能供电系统和一个备用胶体蓄电池。考虑到监测区域位于山区，雷电频繁，电子设备极易遭受雷击，不仅对系统造成严重威胁，也对测量精度有一定的影响，因此数据采集远传系统布设防雷装置，现场电子设备加装防雷模块。

数据管理层为定制开发的边坡监测数据管理平台，布设于远程服务器上，工程管理人员可跨应用、跨系统地使用浏览器查阅监测设备分布情况和监测数据等。平台整合了地理信息系统(GIS)视图功能，可以直观显示边坡的地理位置和监测设备分布情况。监测数据可实时更新，能自动生成日报、周报、月报等电子报表，并且支持导出为Excel、Word，方便回溯分析。平台从高到低分为6个角色权限，系统管理员可以进行权限分级调整。

另外，平台具有自动报警功能，且建立了监测工作Ⅲ级预警措施，当现场采集数据达到预设报警值的60%(Ⅰ 级)、80%(Ⅱ 级)、100%(Ⅲ 级)时，平台可自动以短信、微信、邮件的形式通知相关单位和人员。

本滑坡自动化监测系统利用现代通信技术进行组网传输，是区域规模化、综合集成化的信息处理网络。该系统不受气候和复杂地形、地质条件影响，且精度高、易安装、使用人性化、防护程度高、成本低，适用于边坡大面积监测预警。

3.3 拟布置的测点与安装

本项目测点分成若干测线进行布置，测线沿等高线布设于每级边坡的台阶上，相邻测线高差约10 m，并在坡顶位置适当增设测线。每条测线各布置一个基准点，测点按照约20～25 m的水平间距布置于测线上。

该边坡计划布设6条测线，共计6个基准点、27个测点，如图5所示。

图5 边坡测点布置Fig.5 Planned layout of slope measuring points

按以下10个步骤安装测点：

(1)确定测线。在边坡上沿等高线确定测线，测线应穿越稳定区域与风险区域。

(2)开挖沟槽。沟槽分为测点安装槽和线槽，线槽开挖深度300 mm，宽度100 mm，开挖完成后底部铺设细砂；测点安装槽表面呈正方形，宽度300 mm，深度800 mm。

(3)浇筑混凝土及安装底座。测点安装槽开挖完成后底部500 mm需浇筑C20细石混凝土，浇筑的同时将测点安装底座预埋于混凝土墩内。同一条测线上安装底座的顶面标高应基本处于同一高程，误差≤10 mm。

(4)安装测点。测点用螺丝固定于预埋安装底座上，并用测点上的调平螺丝调平，确保水准气泡居中。

(5)安装基准点。基准点安装于稳定基岩上，用膨胀螺丝固定。

(6)安装管线。测点与基准点间用水管、气管与电缆相连，管线外套DN25PVC管进行保护，并沿着开挖的线槽进行铺设。考虑到边坡可能出现滑动，每个测点旁的管线均预留50 cm长度，防止边坡很小的滑动就将管线和测点损坏。

(7)注水排气。在水管中注入60%乙二醇水溶液，排出管内的气体。

(8)安装数据采集远传系统。数据采集远传系统安装于稳定基岩上，安装完成后进行系统调试。

(9)系统保护。系统调试完成后，用细砂回填沟槽，并在测点外喷涂一层发泡材料和加装铁质保护壳，起到保温和保护作用，回填完成后在边坡设立警示标志。

(10)数据管理平台安装及调试。现场测点及数据采集远传系统安装完成后，在远程服务器上安装数据管理平台，并进行平台调试，观察是否有异常情况。

3.4 监测结果及分析

本监测中边坡的预警主要根据以下3个变化进行综合评判：累计沉降>50 mm，沉降速率>3 mm/d；多测点发生倾角异常变化；沉降速率未出现收敛趋势。当出现其中1个或几个变化时，自动化监测系统报警，提示监测人员核实并采取应对措施。

测点的安装是从坡顶到坡底分批进行的，由于边坡滑坡发生得很突然，故在滑坡发生前仅有测线1和测线2的测点记录到了数据。边坡的沉降、倾角监测数据如图6所示，其中X方向角度为俯仰角，Y方向角度为横滚角。由图6可知，从2017年11月30日监测开始至2018年1月2日，边坡的沉降和倾角数据基本稳定，日均沉降不足1 mm，倾角变化率<0.1°/d，从监测数据分析边坡处于稳定状态。2018年1月2日起，边坡所在地出现连续降雨天气，期间还伴随有霜冻天气，测点2-1首先监测到边坡沉降速率开始变大，监测平台发出了沉降速率超限报警。2018年1月2日至1月10日，沉降速率超限的测点数不断增加，系统均发出了沉降速率超限报警，到1月11日凌晨，除测点1-1外，其余测点沉降速率均达到了10～20 mm/d。2018年1月11日8时，测点1-2和测点2-1累计沉降均超过了50 mm报警值，且测线1和测线2上的测点均出现了X、Y方向角度的异常变化，现场勘查发现边坡右侧截水沟出现裂缝、框格梁下方脱空等滑坡前兆现象，判断边坡处于加速下滑状态。此时系统数据采集频率提高至2 min/次，并通知施工单位及业主边坡随时可能滑塌，要求进行坡脚围挡并禁止人员车辆进入。

图6 测线1和测线2测点沉降、X方向角度、 Y方向角度变化Fig.6 Changes in settlement, X-direction angle and Y- direction angle of measuring points along line 1 and line 2

2018年1月11日17时开始沉降速率再次变大，测点1-2和测点2-1沉降速率达到了100 mm/d，23时更是达到了100 mm/h。1月12日00时04分，管理平台数据中断，分析认为是滑坡的发生导致信号传输线缆被拉断。1月12日早前往现场巡查，发现滑坡已经发生，自动监测系统已被损坏，如图7所示。

图7 滑坡情况Fig.7 Landslide’s situation

4 结 论

边坡自动化监测技术省时、省力，且能实时和全天候工作，是今后边坡监测的发展方向。目前国内外已有不少案例阐述了多种类型的边坡自动化监测技术及其应用。本文介绍了一种仅采用沉降倾角综合测量仪的边坡自动化监测技术，将其应用于某高速公路路堑高边坡的监测，提前16 h成功预警了滑坡灾害。沉降倾角综合测量仪精度很高且价格相对低廉，既可以监测地表面沉降，又可以监测地表面倾斜，能适用于各种类型的边坡监测，值得在今后边坡自动化监测中推广应用。

沉降倾角综合测量仪不能监测坡体内的变形，因此其不能直接确定滑动面的位置和及时准确地预估滑坡规模，在特定情况下需要结合其他监测手段进行边坡自动化监测。