基于坡体位移变形监测的路堑高边坡稳定性分析

阿不力克木·马合木提

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

引言

随着我国交通工程的快速发展，山区高速公路大量兴建，路堑施工产生大量的高边坡工程，路堑高边坡的稳定直接关乎工程施工及后期运营的安全问题［1-3］。为了客观真实地掌握路堑高边坡的变形特征、稳定性等信息并及时预警，需要对路堑高边坡进行实时监测。近年来，国内学者基于边坡的位移变形监测数据，大量研究了边坡的变形规律及安全性。魏恺泓等［4］采用地形微变监测仪对边坡变形进行了监测，得出边坡支护结构变形总体上具有明显的区域性差异。刘龙武等［5］通过对某膨胀土开挖边坡近1 a 的跟踪观测，观测到了边坡变形的发展阶段，推测出了潜在滑动面并归纳出该类滑坡的变形发展特点。冯振等［6］对红砂岩顺层边坡进行了长期监测，发现边坡支护后的变形主要由高强度持续性降雨及滑动面向深部发展造成。

1 工程概况

某高速公路ZK57+523—ZK57+705 段左侧路堑高边坡长度为141.3 m。边坡高度最大为39.2 m。此路段为丘陵形态，山体植被发育良好，地形有较大变化，最小坡角约35 °，最大坡角约边坡50 °，边坡分三级开挖。根据现有的地质勘探资料，此路堑边坡地层主要为砂质板岩，其风化程度从中风化、强风化至全风化。地下水埋藏较深，砂质板岩虽有较发达的裂隙，但裂隙大多被泥质物所填充，裂隙间连通性较差，地下水影响较小，但该地区常年阴雨天气较多，雨水充沛，边坡区水源主要来自于自然降雨。

2 坡体位移监测方案及位移计算方法

为了实时连续地掌握路堑边坡的变形特征，确保边坡开挖及后续施工的安全，需对坡体位移进行连续监测，采用水准仪和全站仪对边坡的水平位移和竖向位移进行监测。

2.1 坡体位移监测方案

选取此路段中某高度＞25 m 且坡底长度＞60 m的高边坡作为主监测剖面，边坡分三级开挖，每级边坡平台设定1 个监测点，设在边坡平台中部。边坡监测方案见图1，共设有JCD1、JCD2、JCD3 3 个测点，监测周期为140 d。

图1 边坡监测点布置

2.2 位移计算方法

利用全站仪测出监测点初始坐标（x0，y0）及后续变化坐标（xi，yi），然后求得累计水平位移及水平位移变化率：

式中：ΔS—累计水平位移，mm；（xi，yi）—监测点第i 次测量平面坐标，mm；ΔSt—水平位移变化率，mm/d；t—监测天数，d。

利用水准仪测出监测点初始坐标z0及后续变化坐标zi，然后求得累计竖向位移及竖向位移变化率：

式中：ΔZt—竖向位移变化率，mm/d；Zi—监测点第i 次测量竖向坐标，mm；t—监测天数，d。

3 边坡变形规律及边坡稳定性分析

路堑高边坡为一级，路堑高边坡变形预警值依据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）及工程概况确定，水平位移和竖向位移预警值见表1。路堑高边坡施工过程中及监测期间变形量超过预警值，监测人员需立刻发出预警信号，以便及时采取处理方案。

表1 一级边坡监测参数

3.1 坡体水平位移变化规律及边坡稳定性分析

3.1.1 坡体累计水平位移

路堑高边坡监测点JCD1、JCD2、JCD3 坡体累计水平位移随时间的变化关系见图2。

图2 监测点坡体累计水平位移随时间的变化关系

由图2 可以看出，3 个监测点累计水平位移随时间呈现相近的变化规律，前期累计水平位移近似线性增加，中期累计水平位移增加略快，后期变形趋于平缓稳定。前期坡中累计水平位移JCD2 ＞坡顶累计水平位移JCD1 ＞坡底累计水平位移JCD3，中后期坡顶累计水平位移JCD1 ＞坡中累计水平位移JCD2 ＞坡底累计水平位移JCD3。最终坡顶累计水平位移JCD1=22.48 mm，坡中累计水平位移JCD2=21.96 mm，坡底累计水平位移JCD3=20.82 mm。

3.1.2 坡体水平位移变化速率

路堑高边坡监测点JCD1、JCD2、JCD3 水平位移变化速率随时间的变化关系见图3。

图3 监测点坡体水平位移变化速率随时间的变化关系

由图3 可以看出，3 个监测点水平位移变化速率随时间呈现相近的“M”型增—减—增—减变化规律，前中期变化较大，后期变化率趋于零。坡顶水平位移变化速率JCD1 最大为0.27 mm/d，坡中水平位移变化速率JCD2 最大为0.29 mm/d，坡底水平位移变化速率JCD3 最大为0.29 mm/d。综上，3 个监测点的累计水平位移均略大于路堑高边坡累计水平位移预警值，最大水平位移变化速率均略大于路堑高边坡水平位移变化速率预警值，说明此时边坡已出现或局部出现失稳风险，对比现场情况，发现坡体表面了局部细小裂缝，此时应加强巡检，若裂缝有发育倾向应及时采取处理措施。

3.2 坡体竖向位移变化规律及边坡稳定性分析

3.2.1 坡体累计竖向位移

路堑高边坡监测点JCD1、JCD2、JCD3 累计竖向位移随时间的变化关系，见图4。

图4 监测点坡体累计竖向位移随时间的变化关系

由图4 可以看出，3 个监测点累计竖向位移随时间的变化关系随时间呈现相近的变化规律，前期累计竖向位移近似线性增加，中期累计竖向位移增加略快，后期竖向位移趋于平缓稳定。监测周期内坡顶累计竖向位移JCD1 ＞坡中累计竖向位移JCD2 ＞坡底累计竖向位移JCD3。最终坡顶累计竖向位移JCD1=16.51 mm，坡中累计竖向位移JCD2=15.68 mm，累计竖向位移JCD3=15.04 mm。

3.2.2 坡体竖向位移变化率

路堑高边坡监测点JCD1、JCD2、JCD3 竖向位移变化率随时间的变化关系，见图5。

图5 监测点坡体竖向位移变化速率随时间的变化关系

由图5 可以看出，3 个监测点竖向位移变化率绝对值随时间呈现相近的“W”型增—减—增—减变化规律，前中期变化较大，后期变化率趋于零。坡顶竖向位移变化率JCD1 最大为0.37 mm/d，坡中竖向位移变化率JCD2 最大为0.27 mm/d，坡底竖向位移变化率JCD3 最大为0.22 mm/d。综上，3 个监测点的最大累计竖向位移均未超过路堑高边坡累计竖向位移预警值，但最大竖向位移变化速率均超过了路堑高边坡竖向位移变化速率预警值，且早于累计水平位移或水平位移变化速率预警值出现时刻，说明此时边坡已出现或局部出现失稳风险，因此，在判断边坡稳定性状况时，应重点关注竖向位移变化速率。

4 结语

（1）累计水平位移和累计竖向位移在前期近似线性增加，中期增加略快，后期竖向位移趋于平缓稳定，整体趋于“S”形变化规律。（2）水平位移变化速率随时间呈现近似“M”型增—减—增—减变化规律，竖向位移变化率绝对值随时间呈现相近的“W”型增—减—增—减变化规律，前中期变化较大，后期变化率趋于零。水平位移变化速率在中后期达到峰值，竖向位移变化率在中期达到峰值。（3）最大累计竖向位移未超过路堑高边坡累计竖向位移预警值，但累计水平位移、最大水平位移变化速率及最大竖向位移变化速率均超过了路堑高边坡预警值，且最大竖向位移变化速率预警值出现最早，因此，在判断边坡稳定性状况时，应重点关注竖向位移变化率。