GNSS地表变形监测与内部倾斜监测在滑坡变形监测中的应用

2021-11-08李志鹏李侑军巫雪潇

西部交通科技 2021年8期

李志鹏，李侑军，巫雪潇

(广西交科集团有限公司，广西南宁 530007)

0 引言

监测技术是滑坡地质灾害防治手段中的重要方法，滑坡监测方法按照监测内容来分主要包括地表变形监测、内部变形监测、环境因素监测及人工巡视监测等[1]。本文以广西某公路滑坡为依托，运用GNSS(Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统)地表变形监测及内部倾斜监测手段，对该公路滑坡开展变形监测及监测数据分析，并与滑坡地质勘察等资料相互验证，为滑坡处置提供依据。

1 监测方法及原理

1.1 GNSS地表变形监测

GNSS地表变形监测是滑坡地表变形监测的常用方法，主要基于全球卫星导航系统提供连续、实时、高精度的定位，从而对地球表面的空间对象进行实时空间位置动态变化监测[1]。其工作原理是利用数据传输装置将各监测点及参考点的GNSS实时信息发射到监测平台控制中心进行实时差分解算获得三维坐标信息，将其与初始坐标值进行对比，可得出监测点位移变化值，参照对比预警值即可进行预警[2]。GNSS地表变形监测相较于传统大地测量法，具有投入快、观测点中间不受地形通视条件限制以及选点方便等优势，在滑坡不同变形阶段均较适用，尤其对于突发滑坡地质灾害，可快速投入应用进行应急监测，实时监测地表变形发展趋势，及时预警。

1.2 内部倾斜监测

内部倾斜监测是滑坡内部变形监测方法之一，主要利用测斜仪逐段测量钻孔各段斜率以获得岩土体内部水平位移及其随时间变化位移，进而分析滑体内各深度变形特征及判断滑面位置，其主要应用于滑坡发生初期[1]。钻孔倾斜监测系统主要包括传感器探头、测斜导管、测读设备等[3]。其主要工作原理为：将内壁带有2组凹槽的测斜管安置于待监测孔中，待回填灌注适当规格砂浆后与岩土体耦合，测斜导管将随岩土体变形、位移而产生相应形变；测量时由电缆悬吊探头随导轮引导在测斜管凹槽内以固定测读间距滑动，逐段测量测斜管与铅垂线夹角，获得各段水平方向的位移量，以底部为基准向上逐步累积变形即可获得整个测斜管不同深度水平位移量[3]。通常测量2组相互垂直方向(OA、OB)的位移，通过矢量叠加可获得监测孔各深度处的合成矢量位移。每孔监测时将探头旋转180°反方向测量一次，取其平均值作为观测数据以降低仪器误差及温差影响。

滑动式钻孔测斜仪具有精度高、性能可靠、稳定性好、测读方便等特点，其可利用勘察钻孔布设，具有较大应用优势。相较于滑坡地表位移监测，内部倾斜监测能更深层次地反映滑坡各深度变形特征，可较及时准确地判断各级滑面深度，并先于地表变形监测观测滑坡是否滑动，对综合分析滑坡的稳定性有重要辅助作用。

2 滑坡地质灾害概况

2018-08-04，广西某公路在强降雨、施工开挖等因素影响下，公路上方不稳定斜坡出现较大变形，导致上方3户民房出现基础变形、墙体开裂和部分硬化村道下沉开裂等地质灾害。据调查，滑坡区域所处地貌类型为中低山斜坡地貌，坡体地层岩性为第四系残坡积(Qel+dl)粉质黏土和三叠系中统(T2)全-中风化泥质粉砂岩，岩体较破碎，节理裂隙发育，主产状260°∠27°。滑坡区东面100 m处发育一走向北东-南西向压扭性断层，倾向北西，倾角约45°～60°。滑坡体长200 m，宽70～110 m，面积约12 500 m2，滑体平均厚度为15～20 m，前后缘高差为110 m，潜在滑坡体积约25万m2，属中型滑坡[4]。

3 监测方案及数据分析

该公路不稳定斜坡发生滑坡变形后，在应急处置阶段即采用了GNSS地表变形监测观测滑坡地表裂缝变形情况，并对滑坡初期变形发展趋势进行分析预警；在后续勘察设计阶段采用了内部倾斜监测，利用钻孔测斜仪观测滑坡体由浅到深的位移量、变形速率等，综合分析判断滑面位置。

3.1 GNSS地表变形监测

3.1.1 地表变形监测方案

监测点位：监测点布设选择滑坡后缘带附近房屋及道路侧，沿后缘裂缝带共布设5处，监测点编号为1#～5#。监测频率：每日2次，逢降雨期间适当加密。监测周期：2018-08-08至2018-08-20，持续观测约2周至地表变形趋缓。

3.1.2 监测数据分析

2018-08-08初次观测5处监测点裂缝宽度分别为195 mm、50 mm、142 mm、200 mm、330 mm，以此为基准监测滑坡后缘裂缝新增位移，监测曲线如图1所示。8月8日至8月20日，坡体累积新增位移量为分别为95 mm、60 mm、53 mm、105 mm、105 mm，其中8月8日至8月13日为48～100 mm，8月14至8月15日为0 mm，8月16日为5～10 mm，8月17至8月20日为0 mm。此外，观测期间8月8日、8月11日、8月12日大雨，8月16日小雨转晴[4]。

图1 滑坡后缘裂缝新增位移累积曲线图

根据新增位移累积曲线变化趋势，其变形特征基本符合蠕变型滑坡三阶段变形发展规律。8月8日至8月13日为初始变形阶段，坡体变形从无到有，曲线斜率趋于变缓，具有减速变形特点，坡体处于基本稳定状态。8月14日至8月20日为等速变形阶段，坡体受周期性降雨影响，曲线表现出明显阶跃型特征，随降雨后出现明显的变形增长陡坡，坡体处于欠稳定状态。观测期内滑坡变形特征表现为由初始变形阶段转为等速变形阶段，虽然变形速率趋于减缓，短期内无明显较大新增位移，但斜坡总体为欠稳定状态，为避免进一步发展为加速变形阶段导致整体失稳，亟须加强相关应急处置措施并尽快开展滑坡详细勘察。

3.2 内部倾斜监测

3.2.1 内部倾斜监测方案

在滑坡勘察设计阶段，根据初期钻孔资料分析判断，滑坡滑面存在三种可能：(1)土-岩分界面滑动，诱因为降雨条件导致分界面抗剪强度降低，抗滑力小于下滑力后发生滑坡，现场土体反射裂缝、边缘剪切错动裂缝均说明其存在可能性；(2)强-中风化分界面滑动，在滑坡场区为松散堆积体、村屯道路错台、旧路回头弯路基下沉说明该滑面可能性存在；(3)强风化层或中风化层中存在软弱夹层，该夹层张开度、错动高度未知，在风化岩层中无法采用干钻成孔，且滑面大部分厚度较薄，通过常规勘探手段难以准确判断滑面位置[5]。

为进一步确认滑面埋深位置，探查滑坡深层滑动情况及变形活动特征，结合滑坡形态特征，在前期勘察基础上沿主滑剖面布设4个监测孔(JC1-1～JC1-4)，采用钻孔测斜仪监测坡体深部位移变形，监测孔布置如图2所示，监测孔概况如表1所示。

表1 测斜孔概况表

图2 滑坡内部倾斜监测平面图

监测设备采用CX03S便携式测斜仪；监测频率为初期每日1～2次，后期根据变形情况调整为1～2周一次，逢降雨天气加大监测频率；受钻孔施工工期及公路施工交叉等影响，监测周期为2018年11月至2019年2月。

3.2.2 监测数据分析

在钻探成孔并安装测斜管后，进行初次测斜作为初始位移基准值。

JC1-1号孔累积位移最大处为深度13 m、17 m处，约6.2～6.5 mm，平均位移速率为0.01 mm/d，全孔位移变形量整体较小，监测曲线近似呈“D”型[6]，在10～18 m处出现相对凸峰，18 m以下岩土体基本稳定。次级滑面深度为10 m，主滑面深度为18 m。

JC1-2号孔深度23 m、24 m、25 m处累积位移分别为34.0 mm、8 mm、13.32 mm，平均位移速率分别为0.57 mm/d、0.00 mm/d、0.00 mm/d，整体在23 m处出现拐点；监测曲线近似呈“B”型[6]，0～4 m、4～18 m、18～23 m、23～35 m处形成了较明显的多级次变形，分别对应多级滑面，上下滑块变形速率各有差异，表现出多层滑动特征。滑坡整体处于蠕变-滑移阶段，其中18～24 m处为主滑移变形区，23～35 m处为蠕变变形区，次级滑面深度为4 m、18 m，主滑面深度为23 m，推测蠕变变形区潜在滑面深度为35 m。

JC1-3号孔累积位移最大处为深度12 m处，为7.5 mm，平均位移速率为0.02 mm/d，30 m以下岩土体进入基本稳定状态。曲线10～12 m处出现凸峰，12 m以下为蠕变变形区，27～30 m处为略微凹变点，主滑面深度为12 m，推测蠕变变形区潜在滑面深度为30 m。

JC1-4号孔深度10 m处累积位移200 mm，平均位移速率为10.5 mm/d；25～35 m处累积位移40～55 mm，平均位移速率为3.05 mm/d。监测曲线近似呈“V”型[6]，底部基本无位移，上部位移逐渐增大，整体无明显波峰波谷形态，深部尚未贯通形成完整滑面，坡体处于剪切蠕变阶段。监测期间11月17日开始前缘反压施工，3条监测曲线显示岩土体向滑坡反向位移，表明前缘反压施工对推移变形有一定延缓，而后又恢复正向位移。若变形进一步发展，滑坡仍可能在岩土体结构薄弱处(如软弱夹层或顺倾结构面处)形成贯通滑面，结合地形、地质条件，滑体通过软弱夹层从坡脚最低点处剪出可能性较大，推测蠕变变形区潜在滑面深度为27 m。

通过综合分析勘察资料及深孔位移监测资料可知，滑坡存在多级滑面，滑面深度位置见表2。滑坡后缘及中部以滑移变形为主，局部为蠕变-滑移变形，后缘滑面与后缘裂缝相接，中后部滑面位置与强-中风化分界面近似重合；滑坡前缘变形以剪切蠕变为主，浅表局部溜滑，深部滑面尚未完全贯通，推测潜在滑面位置位于中风化层软弱夹层中，潜在剪出口位于斜坡坡脚最低点处。滑坡变形破坏模式为蠕滑-拉裂，经采取相关应急处置措施，监测期间滑坡体处于缓慢匀速变形阶段。经宏观分析，滑坡整体处于欠稳定～基本稳定状态，在不利工况下可能进一步发展为加速变形阶段而整体失稳。

表2 滑面深度综合分析表(m)

综上所述，该滑坡存在较深层次滑动，滑面位置部分位于强-中风化分界面，部分深入中风化层软弱结构面。后续可据此滑面位置运用传递系数法进行原始地面线状态下参数反演分析确定滑面强度参数(c、φ值)，并开展滑坡各不利工况稳定性分析及永久防治方案设计。建议滑坡重点防治区为已发生明显滑移面的中后部坡体，并适当兼顾考虑预防潜在滑面发展。同时，由于现状滑面及潜在滑面位置均较深，考虑工程经济性，建议以中后部削方减载、前部回填压脚为主，并结合局部支挡、坡面防护等开展综合防治方案设计。