自动化监测预警系统在路基边坡中的应用

兰素恋，潘 前，张黎明

(1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023；2.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

广西地质环境条件复杂，是全国7个地质灾害多发省区之—。“十四五”期间，广西新建高速公路将会超过5 000 km，高速公路建设会维持一个高速发展的状态，新建高速公路不断向山区延伸，地质条件更加复杂，边坡规模不断增大，边坡坡度更加陡峻。如何有效地保证边坡的稳定，掌握边坡的发展状态，把边坡崩塌、滑坡产生的后果降到最小，最大可能地保护人民和过往车辆的安全，是岩土工程界的专家学者越来越重视的问题[1]。自然边坡的岩土体结构在施工前，其内部结构经过长期的沉积处于稳定状态，而高速公路施工中的放坡开挖必然导致边坡岩土体内部应力失衡，在雨水、风吹日晒和施工扰动作用下，容易诱发崩塌、滑坡等地质灾害，因此对开挖后的人工边坡及滑坡等地质灾害开展及时、有效的监测与预警是十分必要的[2]，对开挖形成的人工边坡采取高效科学的监测，及时反映坡面和坡体内部的真实应力及应变状态显得尤为关键[3]。

常规边坡变形监测主要通过一些比较成熟的非自动化监测仪器设备对边坡进行监测[4]，过去的几十年，我国的边坡监测技术发生了巨大的变化，由纯人工作业向自动化、智能化的方向发展。尽管国内外的学者、专家对边坡进行了大量的理论研究和探索[5-7]，但仍有许多边坡问题需要完善。公路和铁路呈线性带状结构穿行于地表及地壳浅表层[8]，其边坡具有沿路线呈点状分布、地质条件变化快、数量多的特点[9]，边坡的安全、稳定性与地表岩土体的工程特性、地质环境的改变和人为活动等因素密切相关。传统的日常巡查、测量等监测手段完全依赖人的能动性和专业能力，无法满足高速公路对于监测的精度和时效要求。如何针对广西特殊的地质条件和高速公路建设的特点，研发一套适合广西高速公路高边坡监测的预警系统，对“十四五”广西高速公路及相关工程建设而言意义重大。

鉴于边坡工程状态监测对其建设过程及运营风险控制具有重要意义，现有监测量以地表位移、深部位移及降雨量三者为主[10]，本文以在建的巴马至平果高速公路(以下简称巴平高速公路)为依托，采用位移自动监测机器人、GNSS及自动化深层位移监测获得开挖过程中边坡位移变化规律，建立全方位自动化智能边坡监测预警系统，并应用于巴平高速公路某特殊性岩土深挖边坡的监测与预警。

1 依托工程概况

巴平高速公路是《广西高速公路网规划(2018—2030年)》规划省际通道“纵10”的重要组成部分，属自治区重点建设项目。项目总投资约140亿元，主线里程长75.088 km，采用双向六车道高速公路标准，设计速度为120 km/h，路基宽度为34 m。线路穿越桂西南山岭重丘区，地形崎岖、地质条件复杂，具有密集高边坡的特点，实施技术难度大。

如下页图1所示，巴平高速公路K41+870～K42+290段右侧边坡地处剥蚀丘陵地貌，研究区海拔235～391 m，相对高差20～130 m，自然斜坡坡度约为35°～50°。边坡最大高度为57 m，上覆厚约6.4 m第四系坡残积黏土，下伏三叠系上统(T3)泥岩，薄-中厚层状构造，岩体破碎。岩层产状为80°NW∠25°。边坡分五级放坡，边坡坡率为1∶1.0～1∶1.25，以岩质坡为主，坡向约15°，岩层倾向与边坡坡向交角约25°，属顺向缓倾角域，对边坡稳定不利，且坡顶地形较陡，域体岩层破碎，结构面众多，完整性差。在强降雨、陡坡率或施工不当的情况下易出现沿顺向结构面(节理、裂隙)产生的局部楔形体破坏和掉块。

图1 K41+870～K42+290段右侧边坡平面图

2 自动化监测预警系统概况

自动化监测预警系统主要由以下三部分组成(见图2)：

(1)数据采集系统：由位移传感器、数据采集设备、数据传输模块及防雷供电系统组成。

(2)数据传输系统：将各个采集节点得到的数据通过北斗及GNSS通信模式汇聚到数据处理中心。

(3)数据平台系统：部署在云端的接收程序完成数据存取，并通过Geomos等数据处理软件完成数据整理。

图2 自动化监测预警方案框架图

2.1 主要的设备类型

监测中主要用到的设备为CX-03活动式测斜仪、Leica高精度监测仪器、软件Geomos、数显液塑限联合测定仪、GNSS远程自动化监测系统、水准仪和雨量计等。

2.2 监测内容

2.2.1 地表位移监测

既有研究指出，边坡坡脚、坡顶位移增量随逆作法逐级卸荷而增大，具备明显应力重分布特征[11]，因此绘制边坡整体位移监测图像，对评估边坡时空状态和应变状态较为重要，有利于指导边坡工程后续防护结构施工时机。位移监测分为一般点及关键点，具体布设位置如图3所示。一般点(编号为JC0-1～JC3-3)在边坡平台上设置固定防水高强反射棱镜，并使用Leica高精度监测机器人(见图3)进行观测，数据结果由Geomos软件进行数据处理分析，在关键的变形监测点HS1、HS2、HS3采用GNSS远程自动化监测进行24 h不间断监测。

2.2.2 深层位移监测

测斜仪器选用CX-03活动式测斜仪，采用测倾角变化的钻孔测斜法，主要监测边坡水平方向的深层变形。K41+870～K42+290段右侧边坡测斜孔垂直布置在边坡最大开挖面中后缘，CX1-1钻孔孔底进入路基底标高(深度为33 m)，CX1-2钻孔孔底进入潜在滑动面以下3 m(深度为30 m)。边坡监测方案如图3所示。

2.3 监测精度要求

根据《工程测量通用规范》(GB55018-2021)中土质边坡监测的精度要求，边坡监测水平位移监测点中误差为±12 mm；垂直位移监测的高程中误差为±10 mm；对刚性结构的部位，相应精度提高一倍。

图3 K41+870～K42+290段右侧边坡监测方案示例图

2.4 监测频率

施工开挖阶段地表监测点每日观测1次，完成施工后坡面相对稳定后逐渐减小监测频率。深层测斜监测的频率为10～15 d 观测1次，遇强降雨及突发性暴雨或出现监测异常值时应增加观测次数。高精度监测机器人的频率为每周观测1次，遇强降雨及突发性暴雨应增加观测次数，若变形明显加大，应持续监测。GNSS远程自动化监测为24 h不间断观测。对施工过程中有失稳危险的边坡，应持续观测至工程运营后1年。

2.5 监测标准

监控标准为最大位移速率<5 mm/d、累积位移<6 cm，坡面、坡顶无开裂。实际监测过程中如果出现位移速率大于指标或出现裂缝，应及时对各项监测内容作综合分析，讨论边坡的稳定性，以便及早发现安全隐患情况，采取相应的补救措施。

3 监测结果分析

3.1 地表位移预警标准

边坡监测点预警标准如表1所示，边坡监测点橙色警戒标准为：最大位移速率7.2 mm/d≤V<1.44H/500 mm/d(H为坡高)，路面、坡面、周边基础设施出现新的裂缝。

表1 边坡监测点预警标准表

3.2 地表位移监测结果

截至2021-07-31，日平面变形速率最高达2.7 mm/d(2021-03-19)，日垂直变形速率最高达-1.0 mm/d(2021-04-08)，平面最大累积变形量为18.0 mm(JC0-1)，垂直最大累积变形量为-10.0 mm(JC0-1，JC2-1)，各监测点地表监测平面累积变化量、地表监测高程累积变化量分别如下页图4、图5所示。

3.3 深层位移监测结果

CX1-2孔6月份的监测数据波动较大，且在埋深12 m 位置出现位移突变，但突变量较小，仅为4 mm，CX1-1、CX1-2孔累计位移分别如下页图6、图7所示。

3.4 监测结果分析

由图4和图5可知，K 41+870～K 42+290段右侧边坡平面累积变化量均<20.0 mm，其中7月上旬坡体位移相对稳定，位移速率最大为2.24 mm/d；7月下旬坡体位移变化较明显，结合现场施工情况及天气状况可知，该阶段变化的原因主要是降雨，地表高程累积变化量均<10.0 mm，且相对稳定。

由图6和图7可知，深层位移监测曲线的变化幅度均较小(≤10 mm)，最大变形速率<0.6 mm/d，CX1-2孔6月份的监测数据波动较大且出现位移突变，分析原因应是测斜管周围填埋的砂土由于雨水渗入出现松动，导致数据出现小幅度波动。

水平、深层位移波动范围在允许值范围内，说明边坡现阶段处于稳定状态，基本没有滑动趋势。建议对该边坡及时进行防护，做到开挖一级、防护一级、监测一级，局部水毁的边坡可喷射混凝土，在雨季时应增加监测频率。

3.5 雨量监测结果

“十滑九水”，水会加剧边坡崩塌、滑坡等灾害的发生，因此需要对边坡周围降雨量进行在线监测，以此来判断边坡变形灾变的可能性[12]。

根据2021年7月份降雨量监测结果，降雨量<0.25 mm/h，降雨未造成岩体抗滑力的下降，由此判定边坡施工阶段的工作状态安全可靠。

图4 地表监测平面累积位移变化量曲线图(mm)

图5 地表监测高程累积位移变化量曲线图(mm)

图6 CX1-1孔累积位移曲线图(mm)

图7 CX1-2孔累积位移曲线图(mm)

4 结语

本文提出了一套全新的自动化监测预警方案，并在广西巴平高速公路边坡进行了实践应用，主要研究结论如下：

(1)搭建的自动化监测预警系统成功对地表位移、深层位移和降雨量进行了记录，数据可靠度高，可用于边坡稳定性分析。

(2)地表和深层位移的监测数据均在安全预警值范围以内，该高速公路边坡处于稳定状态。

(3)降雨极易引发边坡地质灾害，该监测系统对降雨进行了实时监测，系统稳定性高。

(4)该系统仅监测了路基边坡施工期的各个变形与降雨指标，后期将继续监测运营期间的各个技术指标，为高速公路安全运营提供技术支持。