普兰机场施工期高边坡位移智能监测与预警分析

文｜西部机场集团青海机场有限公司 魏成存

1 引言

普兰机场地处西藏阿里地区，属于高高原机场，绝大部分边坡高度超过20m，最大填方边坡高度约120m，最大挖方边坡高度约74m。机场区域存在着不良地质条件，边坡稳定性问题突出，成为影响机场建设施工与运行安全的重要因素之一。高填方边坡在填筑过程中下部土层会在上部土层的重力作用下产生过量压缩变形，随着填筑高度的增加，边坡失稳风险也明显增大[1]，一般要重点关注边坡坡面位移、深部位移、地下水位和孔隙水压力等。边坡位移量能直观反映坡体的变形状态，是高边坡监测的重点指标。根据不同的监测位置，可将边坡位移监测分为坡面表面位移和深部位移监测等。目前我国高边坡机场在建设期均要求采用精密大地测量技术来测量边坡位移，该方法应用广泛，但多限于施工期人工观测，测量效率低、难以沿用至运营期长期监测。为了开展跟踪监测，我国自上世纪80年代起开始引进国外的先进监测技术，并自主研发了监测仪器，90年代我国边坡变形监测技术进入了逐渐成熟的应用阶段。李振东[2]通过测斜仪监测高边坡不同深度处的变形位移情况，掌握边坡潜在的滑面及滑面的贯通性，对判断机场高填方边坡的稳定性有重要意义。李洪磊[3]等人利用钻孔测斜仪法对山西吕梁机场典型高边坡进行位移监测，判断位移变化速率随时间的变化趋势，科学预测边坡在一定时期内的稳定状态；李琨[4]总结了光纤传感器在边坡测量时的原理，提出了基于（BOTDR）的新型分布式边坡监测系统；田德中[7]设计了基于光谱解调的Michelson 干涉式光纤位移传感器系统来监测边坡的位移。国内外广泛应用的监测设备能初步实现监测目的，但监测的远距离传输、便捷性、耐久性和长效性是发展的技术难点[5]。无线网络技术的边坡自动监测预警系统可快速分析问题，及时发现危险并预警，具有野外环境独立监测的优势[6]；以北斗测绘技术为核心的GNSS 监测体系也逐渐在国内推广应用。可见，在智能化技术不断普及的背景下，高边坡智能监测预警的多样化手段是重要的发展方向。本文依托普兰机场智慧跑道项目，在高边坡施工阶段布设了GNSS 表面位移监测系统和无线深部测斜仪的智能监测体系，实时监测高填深挖边坡全生命周期的坡面表面位移、深部水平位移数据等，为边坡施工和服役状态的稳定性评价、失稳风险预测预警提供依据。

2 边坡智能监测系统的实现

2.1 传感器选型

为了获取普兰机场高边坡施工期和运营期的变形数据，为边坡安全风险识别和预警防护提供判断依据，有必要在易发生大变形的高边坡重点断面布设无线传输、高精度、全深度的感知元件，构建自主无人的高精度边坡位移智能监测体系。GNSS表面位移系统通过与卫星进行数据交互，能实时高精监测边坡的表面位移状况，可取代传统人工测量，适用于恶劣环境的长时监测，降低了使用成本，缩短了监测周期，在地灾预警和工程监测领域具有很强的应用价值。无线深部测斜仪通过钻孔将传感器埋设于高边坡不同深度处，感知深部的水平位移发展规律，明确边坡潜在的滑动面，可有效提高机场高边坡监测预警的准确性和便捷性。因此，本文主要采用以上两种手段对普兰机场高边坡和深挖方进行监测分析。

2.2 传感器位置

本项目的重点监测指标为高填方的坡顶表面位移、深层水平位移，深挖方的坡顶表面位移等。拟将GNSS 表面位移监测系统布设于5 个监测点，分别位于跑道北端的西北角高填方区域的1 个监测点、跑道中部西侧高填方的2 个监测点、以及位于跑道中部东侧深挖方的2 个监测点。对于无线深部测斜仪，考虑在跑道北端的西北角和跑道中部的高填方区域分布布设监测断面1 和监测断面2，每个监测断面均在坡顶、坡中和坡脚分别布设无线深部测斜仪，用以监测边坡深层水平位移的变化情况。

图1 边坡监测传感器布置示意图

2.3 安装施工

（1）GNSS 表面位移监测系统

修建GNSS 监测站观测墩应浇筑安装强制对中标志，并要严格整平，墩外部或内部应加装适合线缆进出的硬制管道，起到保护作用，且GNSS 观测墩采用钢筋混凝土现场浇筑的施工方式，混凝土墩深度约50cm。

（2）无线深部测斜仪

在边坡逐层填筑时，每层填筑后，在表面打孔、埋设固定式测斜仪，根据监测需求相隔一定深度设置一个测点，实际测点设置位置根据现场情况确定；用无线固定式测斜仪测量测斜管的倾斜，同时测量测斜管的有效深度，根据孔深和管口高程计算孔底高程；在安装仪器时使用安全钢缆，保证仪器在进入测斜管内意外脱落时可用安全绳将仪器拉回。在测斜管上端组件固定的同时，将另一组传感器、滑轮组件和万向节连接并降至同一方向；传感器沉入钻孔后，将电缆盘起，随着仪器的下沉，逐渐放入，以免电缆相互干扰。

伴随着施工进度，P90+15 和P172+5两个断面的边坡监测传感器的施工安装工作已完成，每个断面分别埋设了一组GNSS表面位移监测系统和一组无线深部测斜仪，安装位置如表1所示。安装完成后即开始施工期监测分析。GNSS 的监测日期为2021年11月20日至2022年2月27日，无线固定式测斜仪的监测日期为2021年11月22日至2022年2月27日。监测频率均为1 次/小时。

表1 已安装的边坡监测传感器的位置信息

3 结果分析

通过高边坡位移智能监测体系初步获取了施工期一段时间的边坡位移数据，通过对数据的分析和挖掘研究，可以得出普兰机场施工期内高边坡的稳定性情况，为运营期全寿命周期监测预警建立基础。

3.1 GNSS 表面位移监测系统结果分析

以GNSS-2 为例，分析边坡坡面的水平和垂直位移时程曲线（如图2），其中disx 为测点正北方向位移，disy 为正东方向位移，disz 为垂直方向位移，disd 为平面合位移，disD 为空间合位移，计算公式如下：

图2 GNSS-2 的位移时程图（2021年11月-2022年2月）

由图可知，disx 的变化相对平稳，波动范围为-3～10mm，监测期间基本稳定，累计位移量约8mm。disy 在-5mm 左右波动，监测期间基本稳定，累计位移量约-5mm。disz 随着时间的推移，逐渐缓慢增长，截至2月底，累计位移量约15mm。

从GNSS-2 监测点位的监测结果可以得出，边坡整体位移量较小，2 号监测点的累计最大水平位移9.4mm，其中2022年2月份边坡水平位移平均变化速率约为0.05mm/d。期间虽偶尔出现突变数据，但变形短时内恢复，且异常数据数值也较小，分析可能的原因是施工期附近有车辆经过或周边土体堆载施工等因素引起。边坡坡面的监测位移基本保持平稳，两处边坡整体保持稳定。垂直位移量随着时间推移缓慢增长，累计垂直位移量约为15mm，2022年2月份的边坡垂直平均位移速率约0.11mm/d。

3.2 无线固定式测斜仪监测结果分析

以无线固定式测斜仪1 的数据分析为例，其监测断面为P90+15，其中1-1、1-2、1-3、1-4 分别表示距离传感器所在位置坡面表面10m、20m、30m 和40m 的不同深度的截面。图3 为无线固定测斜仪1 在2021年11月的位移时程曲线。由图可知，水平的X 方向上，1-2 截面的位移量高于其他三个截面，1-2 截面的水平位移量随着时间的推移略有增长，但位移量仍处于较小值。水平的Y方向上，4 个截面的位移量均极小，未发生水平位移。值得注意的是，水平的X 和Y方向上，感知的位移量均在第1 天出现一次突然波动，1-3 截面的Y 方向的值最大达到15mm，但迅速出现恢复。分析原因可能是边坡土体堆载施工引发边坡体的少量短时位移，但未对边坡整体稳定性造成影响。

图3 深部测斜仪1 的位移时程图（2021年11月）

为了更清晰的分析每个边坡监测点不同深度处的水平位移状况，以无线深部测斜仪1 为例，提取不同深度处的每周的水平位移量，绘制图4 为无线深部测斜仪1 的监测断面在不同深度处水平位移曲线。需要说明的是，对于施工期堆载等外部客观因素引起的深部位移临时突变，本分析认为不影响整体稳定而予以剔除。由图4 可以分析得出X 方向截面1-2 水平位移随着时间变大，位移量也大于其他截面，但位移绝对数值尚未超过1mm；Y 方向各深度截面的水平位移量均较小，不同深度均未发生水平位移。从图4 数据分析可知，监测点的不同深度的水平位移变动幅度较小，位移曲线无发散趋势，施工期边坡处于较为稳定的状态。

图4 深部水平位移分布（无线深部测斜仪1）

4 边坡位移预警分析

建立边坡位移智能监测系统后，可以实时获得边坡的位移数据，但同时还需要给出边坡位移的预警值，才能实现风险提前预警，降低风险事故的发生概率。

国内规范MH/T5025-2011《民航机场勘察规范》、GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》和GB51214-2017《煤炭工业露天矿边坡工程监测规范》均指出了边坡工程的监测项目，但未提出明确的预警值。本文在结合国内主要边坡监测项目及预警值选择的研究基础上，结合公路边坡监测的经验，初步提出机场高边坡的施工期及运营期的监测预警值，如表2所示。

表2 机场高边坡的施工期及运营期的监测推荐预警值

根据目前边坡监测的数据分析可知，坡面水平位移累计值9.4mm、2月份平均变化速率0.05mm/d；坡面垂直位移累计值15mm、2月份平均变化速率0.11 mm/d；深部水平位移最大累计值0.5mm，2月份最大平均变化速率0.003mm/d ，三项指标均未达到预警值，边坡整体稳定，无安全预警风险。

5 结论与思考

本文依托于西藏普兰机场智慧跑道项目，建立了GNSS 表面位移监测系统以及深部测斜仪系统，实时监测高边坡施工期表面及深层位移，以期实现机场边坡施工期的稳定评价和提前预警。本文介绍了以GNSS 表面位移监测系统和无线深部测斜仪为主体的边坡监测系统的布设原理和安装方式，利用实时监测数据分析施工期边坡变形规律，并对比开展了风险预警分析。得出以下结论：

（1）高边坡的表面整体位移量较小，稳定阶段的累计最大水平位移均不超过15mm，本期施工阶段的边坡三向表面位移状况稳定。

（2）边坡的深部水平位移量变动幅度均较小，不同深度的水平位移曲线均无显著发散趋势，边坡深部水平向位移变形保持稳定。

（3）总体而言，本期施工阶段的边坡稳定性较好，监测指标未超过推荐阈值，未出现失稳、滑坡等风险状况。后期将通过长效高频的实时监测，为后续施工和运管管理提供边坡稳定性评价和风险预警。