动态变形监测特征曲线与边坡稳定状态判识初探

2011-06-16陈继东

科技视界 2011年22期

陈继东

(贵州高速公路开发总公司贵州贵阳 550004)

0 引言

随着我国经济社会的发展和西部大开发战略的实施，近几年，地处云贵高原的贵州省也迎来了交通建设的机遇期。但是，由于境内山高谷深，沟壑纵横，在高速公路的建设过程中，引发了很多坡体变形问题，危及到国家财产和人民生命安全，并严重影响了工程建设进度，为此，对开挖边坡进行动态变形监测判识边坡稳定状态是非常必要的。通过动态变形监测曲线，如何判识边坡稳定状态和准确划分滑坡类型，这方面的探索较少。本文以边坡动态监测实例，归纳了不同监测特征曲线下的边坡稳定状态，供同行探讨参照。

1 动态变形监测目的

边坡的稳定性采用动态变形监测是精度比较高且可靠的方法，通过钻孔，安装监测管，利用测斜仪定期读取监测管的变形值并量取孔内地下水位，可以掌握坡体内变形的位置、大小、方向以及水位的变化情况。一般而言，利用动态变形监测的主要目的如下：

1.1 根据监测的位移值，判断边坡的稳定程度，指导施工，必要时能及时采取加固措施。

1.2 根据监测位移的变化情况以及变形的速率，判断变化趋势，发布预警，启动应急预案，保证现场人员安全。

1.3 依据监测所反映的产生变形的深度、变形发展情况，为治理方案提供可靠的依据。

1.4 根据监测网内各孔位移情况以及水位变化，分析判断变形的范围以及产生变形的原因。

1.5 工程完工后，根据监测边坡的稳定状况，对边坡加固施工的质量进行评价。

1.6 通过对边坡工程工后监测资料的汇总评价，总结经验，指导以后边坡加固工程的设计、施工工作。

2 动态变形监测仪器的基本工作原理及主要性能

动态变形监测主要采用钻孔测斜仪器，而测斜仪的测斜原理是基于测头传感器加速度计测量重力矢量g在测头轴线垂直面上的分量大小，确定测头轴线相对水平面的倾斜角的原理。

图1 测斜仪工作原理图

加速度计敏感轴在水平面内时，矢量g在敏感轴上的投影为零。加速度计输出为零。当加速度计敏感轴与水平面存在一倾角时，加速度计输出一个电压信号。

式中：k0为加速度计的偏值

k1为加速度计电压标度因数 2.5v/g

g为重力加速度

由于各种原因，埋设好的测斜管总有一定的斜度和挠曲，因此为了消除测斜管的斜度和挠曲对加速度计偏值的影响，观测中采用逐点固定间距双向测量互补法提高测量精度，在一次测读后，将测头水平调转180°，进行二次测量，得到

由①－②，消除偏差k0，得到差数

从图1测斜仪原理示意图可知：

式中：△δ为水平位移（mm)

θ为倾斜角

L为导轮轴心间距

边坡内任一深度i点上监测的总位移挠度为：

在边坡监测中，以第一次测量的初始差值作为基准，求得第二次及以后各次测量的差值与初始基准值之间的相对变化量值，经过代数累加即可得出某一次测量的累积位移值。

动态变形监测仪可以对岩土体深层进行长期监测，设备性能稳定，适应环境能力强，通常工作温度为-10°～50°，耐水压力可达0.8MPa,对深度30m的测孔，孔口反映的累积误差不大于5mm。

3 数据整理与信息反馈

在监测过程中，利用人工读取数据采集仪或是通过数据自动记录仪，按照操作要求，做好数据采集工作，对偏差较大者予以纠正，力求数据真实可靠,剔除谬误。及时对采集的大量现场观测数据归类计算分析,取得对边坡（滑坡）变形特征的初步分析成果,结合现场实际和边坡（滑坡）的性质准确的评价其稳定性,以及关心的各类参数。比如：滑动面的层数、位置,滑动的位移量,变形速率的大小（即是匀速还是加速）,滑动的方向等等。从而对滑坡的发展趋势有一个初步的预测预报。根据长期的边坡监测经验，监测预警预报值可参照表1。

表1 边坡监测预警值

现阶段，对于监测数据的分析，主要是编制或利用监测软件，输入现场记录数据，建立监测资料数据库，并进行数据处理、分析，以变形特征曲线图的形式输出分析结果。常用的特征曲线类型有绝对位移-深度曲线、相对位移-深度曲线、位移矢量-深度曲线、孔口位移-时间曲线、变形速率-时间曲线图、孔内水位-时间曲线。

4 相对位移-深度曲线与边坡状态

动态变形监测很容易受到多种因素的影响，往往造成监测技术人员对监测成果曲线的误判，通过结合工程实践，总结分析动态监测曲线与所处边坡状态，常见有如下几种：

4.1 稳定型。一般而言，稳定边坡监测曲线呈“直立状”，如水盘高速发耳隧道进口边坡监测ZJ-5#孔（见图1）相对位移曲线；在埋设测斜管的过程中，如果管壁四周填筑不密实或者监测管弯曲受力，监测位移曲线会发生漂移现象，亦有监测误差所致，位移曲线性呈 “V”型，如板江高速公路T22标JCZ-25#孔（见图2）相对位移曲线。

图2 JC-5#孔相对位移-深度变化曲线

图3 JCZ-25#孔相对位移-深度变化曲线

4.2 蠕动型。贵遵高速息烽收费站滑坡区域属于低中山地貌，山坡平缓，地表剥蚀趋于减弱，但附近出露灰岩及灰岩地层溶蚀作用强烈，滑坡所在山坡地表坡度约15～20°。山坡分为多级台地、斜坡相间地形，以及弧形台坎分布，具有明显老滑坡地形外貌特征。从设置在老滑坡后部主滑断面上的ZK2-6#孔监测结果显示，在垂深测斜管24.5m的位置存在蠕动迹象，2010年9月11日初次监测读数至2011年3月27日，日平均蠕动变形位移量约0.04mm/d，如图3。

蠕动变形量微小，根据监测位移曲线变形特征，需仔细分析蠕动状态，必要时需对曲线进行扭转修正，以使曲线变形特征更加明显直观。

4.3 滑动型。位移动态曲线有一个或多个明显的滑动面。如图4系板江高速公路T22标JCZ-22#孔位移-深度曲线变化情况，从图中找出活动的滑动面（带）系在孔口下11m处，由于滑体上下滑动速率不一致，位移动态曲线呈现不均一。对于岩石或破碎岩石滑坡，位移动态曲线比较顺直，如图5系贵遵高速息烽收费站滑坡ZK3-4#孔位移-深度曲线变化情况，自2010年9月30日至12月11日之间监测位移-深度曲线，其层有二，分别在孔口下15m～16m和25m～26m之间。

图4 息烽滑坡监测ZK2-6#孔相对位移-深度变化曲线

图5 JC-22#孔相对位移-深度变化曲线

图6 ZK3-4#孔相对位移-深度变化曲线

4.4 崩塌型。位移动态曲线没有明显的错滑带，曲线在崩塌影响区段内上大下小，呈“r”型。如图6系板江高速T23标K120+500～K120+580段右侧边坡JCZ-4#孔监测特征曲线，该段边坡为二级坡，在实施坡面防护工程的过程中，边坡局部出现崩塌变形，边坡变形后，以2010年5月30日监测数据为初始值，2011年1月15日第14次监测结果显示，在监测孔0～13m深度区段出现明显变形位移，变形位移上大下小，而在后期的监测过程中，位移曲线均呈“r”型发展的趋势。

4.5 倾倒型。位移动态变形曲线较崩塌型曲线顺直，曲线没有明显的波峰和波谷，呈“近斜直线状”。如图7系板江高速T22标G324国道改线段K0+250～K0+300段右边坡JCZ-33#孔深部位移监测曲线特征，该边坡为土质边坡，边坡开挖后引起土体内部应力重分布，土体内各质点在回弹应力的作用下向临空面缓慢扩展变形。随着时间的推移，此类变形很容易在坡体内部的软弱结构面形成错滑带，但如果及时施做边坡防护加固工程，变形会在短时间内趋于稳定。