永吉高速邊坡自動化監測預警及變形分析

聞愛祥,朱自強,魯光銀,王李昌

(1.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學),湖南 長沙 410083;2.有色資源與地質災害探查湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410083;3.中南大學 地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083;4.浙江吉寧高速公路有限公司,浙江 湖州 313399)

截至2019年底,湖南省高速公路里程達到6 802 km[1],且逐漸向西部山區覆蓋。在山區修建高速公路不可避免地要進行切坡,導致坡體自身穩定性遭到破壞進而造成滑坡,從而危及下側高速公路的施工和運營[2]。近年來隨著物聯網、傳感器等技術的快速發展,對不穩定斜坡的自動化監測預警技術逐漸成熟[3-8]。以永吉高速DK0+585～DK0+780段右側滑坡為研究對象,根據地質情況設計監測方案并建立了自動化的監測預警系統,之后根據監測數據分析邊坡變形特征并結合現場巡查情況綜合評價其穩定性。

1 工程概況

湖南永順至吉首高速公路(以下簡稱永吉高速)起于湘西永順縣,止于吉首市區,全長84.492 km,是湖南省高速公路網規劃“七縱九橫”中第七縱重要組成部分。其DK0+585～DK0+780段右側滑坡位于湖南省湘西土家族苗族自治州的古丈縣境內。2015年10月3日受降雨影響,滑坡產生多條裂縫,2015年10月9日,受暴雨的影響,滑坡體裂縫繼續發展,前緣發生大面積滑塌,滑塌土方量約1 500 m3。事后根據滑坡勘察成果,已對滑坡采用了抗滑樁與錨索處治,但仍然存在下滑變形。坡腳1級邊坡上出現明顯的滑移開裂,裂縫從坡腳新增的31#抗滑樁開始一直斜向延伸到6級邊坡平臺的1#抗滑樁,長度約70 m,裂縫寬度5～30 cm。

滑坡前緣以1級坡上開裂縫為界到大樁號微裂縫為界,寬約90 m,后緣以拉張裂縫變形消失處為界,縱深約160 m,滑坡體平均厚度約12.0 m,體積173 000 m3,屬中型滑坡,滑動面深度7.0～15.0 m不等,屬中層工程滑坡。

該滑坡滑動面主要位于強風化和中風化砂質板巖界面,屬于強風化軟質巖順層牽引式工程滑坡。主滑方向為170°,與路線走向呈小角度斜交。根據山坡巖土性質與結構特征,該滑坡仍處在滑移當中,向上牽引發展的趨勢仍存在。為保障下側高速公路的運營安全,需要為其建立自動化的監測系統,以實現全天候的預警。

2 監測預警方案及實施

2.1 系統架構

滑坡的監測預警系統采用中南大學與湖南致力工程科技有限公司聯合研發的“致力云”平臺,該平臺主要包括感知層、數據層、服務層和應用層四部分,平臺架構如圖1所示。

圖1 “致力云”平臺架構

感知層主要包括現場各類現場的監測傳感器和支持設備。支持設備主要包括為現場各類設備提供供電(太陽能板、蓄電池)、保護(機箱、立桿)、通信(DTU)等支撐功能的相關設備。數據層主要針對性現場傳回來的監測數據進行解析、存儲和提供訪問接口?，F場各類傳感器采集的數據通過蜂窩網絡發送回數據中心,數據中心的接收與解析服務首先對原始監測數據報進行解析,然后將解析后的數據通過消息隊列進行廣播和分發,并采用分布式的數據庫進行存儲,同時提供了多種數據訪問接口。服務層是系統的核心,主要有實現系統功能的各個服務構成,主要包括控制數據管理服務、數據分析服務、預警預報服務、用戶管理服務、項目管理服務等。最后便是終端層,主要用于為用戶提供交互終端,對各類監測數據進行可視化,主要包括PC端、手機APP和監控大屏。

2.2 監測方案

根據滑坡的地質特征和已經產生的裂縫、錯臺等宏觀特征,各監測站位置設計如圖2所示,主要包括6個GNSS監測站(其中包括1個GNSS監測基站)和1個降雨量監測站。DB01點位于主滑剖面上部的ZK102鉆孔旁,DB02點位于DB01以下支擋結構以上的主滑剖面上,DB03、DB04、DB05三個監測站分別位于第15、10、5號抗滑樁旁邊,降雨量監測站也位于DB05監測站旁,GNSS基站位于下側高速公路對面?；卤O測采用的GNSS設備和數據采集儀為中南大學與湖南致力工程科技有限公司聯合研發的SNS-PR2型GNSS解算接收機和DAQ-GUX01型通用數據采集儀,雨量計采用JFZ-01型數字雨量計,最終安裝效果如圖2左上角所示。

圖2 滑坡監測傳感器位置分布

2.3 監測結果

監測系統于2019年4月21日完成系統現場部分的調試,并于當日在云端平臺收到了第一條監測數據,截至2020年10月1日,共采集到監測數據94 194條,其中GNSS監測數據72 697條、降雨量監測數據21 497條。各個GNSS監測站和雨量監測站監測數據如圖3所示。

圖3 滑坡監測數據

監測系統通過對監測數據的實時分析和計算,準確識別了滑坡的每一次變形加速過程,并及時、自動地通過短信等方式通知了相關負責人員,起到了預警的作用,有效保障了下側高速公路的運營安全。

3 變形特征與安全評價

3.1 滑坡變形特征

從圖3中可以看出,各個GNSS監測站均發生了明顯的變形,其中DB01、DB02監測站變形最明顯,累計變形量達2 m,表明DB01、DB02所在剖面為主滑剖面。從變形過程來看,主要包括四個變形過程。

第一個變形過程起始于2019年6月26日18時左右,于7月24日變形趨于穩定。在此期間DB01、DB02監測站累計變形均超過1 m,其余GNSS監測站也均發生了60～120 mm的變形。7月24日現場巡查發現滑坡體多處出現裂縫和局部垮塌,排水溝出現嚴重變形。

第二個變形過程起始于2019年8月24日,在9月4日之后趨于穩定,在這期間DB01和DB02變形分別增長了620 mm和500 mm,累計變形量增長到了1 800 mm左右,其他點變形不明顯,增長了20～30 mm。

第三個變形過程起始于2020年3月21日,在4月10日之后趨于穩定,在這期間DB01和DB02變形分別增長了450 mm和350 mm,累計變形量增長到了2 100 mm左右,其他點變形不明顯,增長了20～30 mm。本次變形發生后于3月31日到滑坡現場進行了巡查,坡腳已經剪出,擋土墻已經嚴重傾斜,多處出現新的裂縫和局部垮塌。

第四個變形過程起始于2020年6月6日,在6月14日之后趨于穩定,此次變形過程相對于前三次變形過程不明顯,僅有DB01和DB02產生了60 mm左右的變形,其他點都未產生變形。

從這幾次變形過程看,每一次變形過程開始之前,均伴隨著持續性的、強度較高的降雨事件,因此推斷降雨是導致滑坡破壞的主要誘發因素。

3.2 滑坡安全綜合評價

從滑坡現場宏觀巡查情況看:滑坡現場出現多處錯臺和裂縫,裂縫寬度約在5～25 cm之間,可見深度0.5 m左右,寬大裂縫主要集中出現在滑坡頂部ZK101和ZK102鉆孔之間的坡面,并形成多處錯臺,錯臺高度0.3～1.5 m不等,呈弧形,長度達70 m。表明滑坡當前仍處于蠕動變形過程。

從監測結果看:各個地表GNSS監測點在監測期間均發生了較大的變形,其中主滑剖面上的DB01和DB02監測點變形幅度最大。該滑坡的變形過程和降雨呈現明顯相關性,如不采取處置措施,推測未來的某些降雨事件仍會引起滑坡變形。

從巖土專業分析角度來看:滑坡為順層滑坡,巖土工程性質不良,地質環境較為脆弱。邊坡總體巖層產狀170°∠35°,線路走向210°,邊坡巖層走向與線路走向小夾角斜交。前期高速公路路塹邊坡施工開挖,在山腰形成人工邊坡,造成臨空面,加之坡體強風化層厚度大,適逢雨季,經雨水軟化與風化作用使巖體強度下降產生塑性變形,在土層與強風化界面產生位移形成土層滑坡;后期隨著下級邊坡進一步開挖,臨空面加大,卸荷作用加劇,巖石節理裂隙面產生松動,塊體松弛呈松散碎塊狀,在強風化砂質板與中風化砂質板巖間產生蠕滑,加之節理裂隙面連通,在雨水的作用下,層面巖石進一步軟化,抗滑強度降低,產生位移形成較大規模的牽引式順層巖石滑坡。

綜上所述:該滑坡目前仍處于滑移變形階段,未來受降雨事件影響很可能加速變形過程,為保證下側高速公路的安全運營,需要采取適宜的工程治理措施。

4 結 論

針對永吉高速DK0+585～DK0+780段右側滑坡建立了自動化的監測預警系統,介紹了該監測預警系統的構成,設計了現場傳感器布設方案,系統通過對監測數據的實時分析和計算,并結合現場實際情況,得出以下結論。

(1)該邊坡的監測預警系統能夠實現全天候、自動化的監測預警,系統性能可靠穩定、預警及時準確,有效地保障了高速公路的運營安全。

(2)該邊坡目前仍處于不穩定狀態,且主要誘發因素為降雨,如不進行處置,未來受降雨事件影響仍會發生變形,在繼續開展監測預警的同時,需要進行適宜的工程治理。