山区高速公路弃渣场工程安全稳定监测方法

2022-01-12叶咸陈文张新民李果赵鑫潘俊良

中外公路 2021年6期

叶咸，陈文，张新民，李果，赵鑫，潘俊良

(1.云南省交通规划设计研究院有限公司陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室，云南昆明 650041； 2.玉溪市晋红高速公路投资有限公司)

受到复杂的地质环境条件制约，山区高速公路的桥隧比高，公路隧道、高路堑边坡工程等大量开挖，因此产生大量的弃渣，分布于公路沿线，需选定适宜的弃渣场进行集中处置。作为公路的重要附属工程，弃渣场主要表现出：① 数量多：在中国东南部丘陵区，平均100 km需要设置29处弃渣场；在西南山岭重丘区则密度更大，如云南省施甸至勐简高速公路施甸至链子桥段全线87.035 km的线路分布36处弃渣场；② 危害大：施工完成后弃渣场在暴雨、地震等诱因下可能发生滑塌、泥石流等次生灾害，对渣场附近的建筑物或人民生命财产安全构成严重威胁。如四川的蒲虹公路，全长26 km，沿线共设置17座弃渣场，2010年3月底，在强降雨影响下多座弃渣场发生泥石流，其中13#弃渣场规模较大，泥石流翻越拦渣坝、淤埋公路，对下游居民产生严重威胁。弃渣场一旦出现安全稳定问题，将造成严重的后果。由于弃渣场地质条件复杂、弃渣成分复杂等，弃渣场安全稳定评价结果不准确。因此，对于库容较大、危险性较大的高陡弃渣体边坡，进行安全稳定监测工作十分必要。

通过查阅文献资料发现，目前山区高速公路取弃土场的监测主要是环境监测，包括水土流失监测、破坏面积监测、地表水污染监测、植被恢复监测等，而弃渣场安全稳定监测方面的研究少见报道。该文以云南省晋红高速公路陆家屯弃渣场为例，结合无人机倾斜摄影测量、GNSS地表相对位移监测、地下深部位移监测、降雨量监测等多种监测手段，对适用于山区高速公路弃渣场的安全稳定监测方法进行初步的探讨。

1 监测方法

弃渣场系大型人工堆积体，岩土体结构松散，变形破坏机制复杂。在弃渣场建成后，大多数弃渣场经过固结沉降逐步稳定，但是部分弃渣场在受到降雨、地下水、机械振动等影响下，容易发生垮塌、滑坡或泥石流。不同于一般的公路边坡或滑坡监测，弃渣场安全稳定监测应通过多种监测手段进行。弃渣场的安全稳定监测，应基于宏观观察，从整体上把握弃渣场各区域的稳定性，再对比分析渣场表面以及岩土体内部位移变化趋势，结合降雨量、地下水动态变化等，最终综合判定弃渣场的安全稳定性。

1.1 无人机倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量技术近年来发展较快，在高陡危岩、泥石流、滑坡等地质灾害中得到广泛运用。无人机倾斜摄影测量成果用于真三维地形建模，可以展现弃渣场工程全局形态并保持局部细节，可以清楚反映弃渣场变形破坏的类型、规模、区域范围等。通过无人机倾斜摄影测量技术，可从宏观上把握弃渣场施工前后地形的变化，亦可为位移监测和人工巡查等提供数据支撑。因此，在进行位移监测之前先进行无人机倾斜摄影测量十分必要。

1.2 GNSS地表相对位移监测

全球导航卫星系统(GNSS)能够全天候、高精度和自动化获取地表三维坐标，而且在实际监测时不受站点间通视条件限制，定位误差不随时间积累，在地质灾害监测中应用较为广泛。GNSS监测系统由一个监测基站和多个监测站构成，在实际布设时，将监测基站布设在安全稳定的区域，监测站布设在弃渣场地面比较典型的区域。通过物联网技术，可将地表位移数据传至室内电脑、服务器或手机终端，供技术人员使用。GNSS监测数据通常能做到半小时传递一次，数据连续性好。通过布设GNSS监测站，采集弃渣场地表相对位移，有助于掌握弃渣场整体变形趋势。

1.3 深部位移监测

根据无人机倾斜摄影成果，在弃渣场典型位置布设深部位移监测钻孔，安装深部位移测斜装置，可以获取弃渣场内部不同深度范围处的位移。根据位移时间变化曲线、深度位移曲线等数据处理手段，可以准确地获取潜在滑动面位置及变形趋势。目前深部位移监测装置较为常用的有两种：① 带滑轨的测斜管，通过人工监测，每次需将测斜探头沿滑轨由下向上滑动，经过简单的操作即可获得一期位移数据；② 近年来用途较为广泛的一种基于阵列式加速度传感器MEMS的新型柔性测斜装置，该装置放入钻孔中，设置好主要方向后即可实现高精度、大量程、自动化连续监测。

1.4 地下水动态变化监测

地下水对弃渣场的整体稳定性影响程度与弃渣场岩土体类型有关。例如灰岩类弃土含有大量红黏土，具有吸水膨胀的特点，在暴雨作用下，弃渣受到地下水影响，静水压力和动水压力急增，容易产生滑坡或形成较大规模的黏性泥石流。因此应根据弃渣场类型，在弃渣场合理位置布置地下水动态变化监测孔。

1.5 降雨量监测

降雨是造成弃渣场病害最为显著的因素，因此通过监测手段监测弃渣场区域降雨量，对分析弃渣场位移变化和安全稳定性预测预报均十分必要。降雨量监测可以采用翻斗式雨量计，设备成本较低。

综上，在实际监测工程中，可先采用无人机倾斜摄影技术，在宏观上查明弃渣场详细情况及周边环境，根据该测量成果选取弃渣场较为敏感的位置(易发生变形的位置或一旦发生变形破坏危害较大的位置)布设GNSS地表位移监测站和深部位移监测装置，获取弃渣场变形监测数据。最后结合降雨量、地下水位情况、位移变化情况，辅助现场人工巡查，进行综合分析。由于监测数据源较多，应注意分析各数据之间的关联性。

2 工程实例

2.1 工程概况

陆家屯渣场位于晋红高速公路K28+620右侧，是典型的沟道型弃渣场。弃渣场所在区域属构造剥蚀低中山地貌，地表多为林地、果园、荒地。区内年平均降雨量1 094.1 mm，历年最大日降雨量256.7 mm。弃渣场所处沟谷延伸较远，天然坡比为14.6%，汇流面积约为2 km2。主要地层为第四系冲洪积层、残坡积层粉质黏土及碎石土，下伏前震旦系昆阳群美党组板岩。区内发育一条平移断层，无其他地质构造。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，区内地震动峰值加速度为0.20g，对应地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反映谱特征周期为0.40 s。总体上，陆家屯地质环境较为复杂。

陆家屯渣场的弃渣成分复杂，主要为附近隧道洞渣、路基挖方，以及部分原有铁路弃渣与生活垃圾。渣场上坝设计高程为1 884.419 m，下坝设计高程为1 831.758 m，渣场堆高较大。需要说明的是，在渣场所处沟道的下游有晋红高速公路主线、看守所以及铁路桥梁等重要设施。弃渣场一旦发生滑坡，将对相关设施和人员安全造成巨大危害。因此对弃渣场的安全稳定进行监测十分必要。

2.2 监测布设

采用无人机倾斜摄影测量技术，宏观掌握弃渣场特点，弃渣场整体上可分为下坝区、中部平台及上坝区，分别布设监测手段(图1)。

图1 监测点剖面位置图

(1) 下坝区

由于下坝区紧邻公路主线及红塔区看守所，填土厚度大，临空面范围大，是监测的重点。在下坝区边坡顶部布置两个GNSS监测点，编号为G2和G3。在下坝区边坡底部、中部、顶部分别布置1个深部位移监测点，其中中部监测点采用深部自动化位移测量装置，监测点编号为SZ1；底部和顶部采用滑动式测斜仪进行监测，监测点编号为S1、S2。

(2) 平台区

中部平台区范围较大，上游局部为原铁路弃渣，由于较为松散，并且现弃渣与铁路弃渣间界面为一软弱结构面，具有一定的安全风险，需对其进行监测。在中部平台表面上游布置1个GNSS监测点，编号为G1。在中部平台上游布置1个深部位移监测点，采用深部自动化位移测量装置，监测点编号为SZ2。

(3) 上坝区

弃渣在上坝区形成边坡，在雨水、地震等因素作用下有一定失稳风险，需进行监测。在上坝区边坡中上部布置1个深部位移监测点，采用滑动式测斜仪，监测点编号为S3。

在该工程实例中，共布置表面位移监测点3个。GNSS监测点3个(G1～G3)，布置于弃渣场各处，用于长期、自动、高频监控下坝区边坡顶部及铁路弃渣区表面变形。共布置深部位移监测点5个，其中采用深部自动化位移测量装置监测点2个(SZ1、SZ2)，分别布置于下坝区及上坝区边坡，用于长期、自动、高频监控上、下坝区边坡深部位移；采用滑动式测斜仪深部位移监测点3个(S1～S3)，分别位于上、下坝区边坡，作为自动深部位移监测的有效补充。此外，还可以通过深部位移监测孔，对弃渣场的整体地下水位进行监测。另布置降雨量监测点1个(Y1)，布置于下游高速公路隧道管理所空旷场地内，监测弃渣场区域降雨量。

2.3 监测数据分析

(1) GNSS地表相对位移监测数据分析

图2为从2017年8月1日至2019年5月25日，G1监测点在Y方向(东西向)向正西(弃渣场反坡向)移动5 mm，在X方向(南北向)向正北方向移动2 mm，在Z方向(垂直方向)的位移量为7 mm。从位移量上看，X、Y、Z3个方向的位移变化都不明显。

图2 G1监测点数据曲线图

图3为从2017年8月1日至2019年5月25日，G2监测点在X方向朝正北(渣场左侧)移动量为20 mm；在Y方向(东西向)向正西(弃渣场反坡向)移动量为4 mm；在Z方向(垂直方向)的沉降量为122 mm。2017年10月14日，Z方向位移陡增，与当日发生强降雨有关。从监测结果来看，X、Y两个方向的位移量变化不明显，Z方向的竖向沉降量较大。

图3 G2监测点数据曲线图

图4为从2017年8月1日至2019年5月25日，G3监测点在X方向(南北向)向正北(渣场左侧)位移量为10 mm；在Y方向(东西向)向正西方向(弃渣场反坡向)发生位移量为3 mm；在Z方向(垂直方向)的位移量为13 mm。从监测结果来看，X、Y、Z3个方向的位移量变化都不明显。

图4 G3监测点数据曲线图

(2) 深部位移监测数据分析

图5为S1监测孔朝渣场下游方向位移-深度曲线，从图5可以看到：2017年6月至2019年3月，15 m深度以上区域存在向渣场上游的变形，最大变形量约为37 mm，位移增加较为缓慢。

图5 S1监测孔朝渣场下游方向位移-深度曲线

图6为SZ1监测孔朝向渣场下游方向位移-深度曲线，图6显示：在38 m深度处明显存在滑移面(该位置是填土与原地表接触面位置)，35 m深度以上位移表现出持续增加。

图6 SZ1监测孔朝渣场下游方向位移-深度曲线

图7为SZ1监测孔5.5 m深度处位移-时间曲线图，图7显示从2017年6月监测开始，朝渣场下游方向位移持续增加，2017年10月下旬至2018年4月，位移量基本未增加，2018年4月中旬开始，随着雨季的到来，位移量再次增加。表明SZ1监测孔周边弃渣体的位移变形与降雨具有紧密的联系。

图7 SZ1监测孔朝渣场下游5.5 m深度处位移-时间曲线

图8为S2监测孔朝向下游方向的位移-深度曲线。

图8 S2朝渣场下游方向位移-深度曲线

从图8可以看出：在38 m深度处位移量陡然增加，该处显示出滑移面(该位置是填土与原地表接触面位置)，上部除28 m处外其他深度均表现出位移量增加的现象，28 m深度处推测有较大块石或其他原因对测斜管产生了阻碍。2017年6月至2019年3月，朝渣场下游方向位移共增加约27 mm，位移量较小。

图9为S2朝渣场下游方向5 m深度处时间-位移曲线。

从图9可以看出：位移主要发生在2017年6月至2017年底，随后位移量增加较小，位移变形趋势趋于平缓。

图9 S2朝渣场下游5 m深度处时间-位移曲线

图10、11分别为SZ2、S3监测孔朝渣场下游方向位移-深度曲线。从图10、11可知，两孔位置处位移量变化小，未见有明显的变形破坏趋势。表明弃渣场上坝区处于较为稳定的状态。

图10 SZ2朝渣场下游方向位移-深度曲线

(3) 降雨量监测数据分析

降雨量监测期间，陆家屯渣场共发生大暴雨1次，暴雨2次，大雨8次，其余主要为小～中雨(图12、13)。从图12、13可看出：陆家屯弃渣场每年5月至10月为雨季，干湿分明。从2018年降雨数据看，2018年全年降雨量926.4 mm，雨季降雨量853.8 mm，旱季72.6 mm，雨季降雨量占全年雨量的92.16%。

图11 S3朝渣场下游方向位移-深度曲线

图12 日累积降雨量

图13 月累积降雨量

在7、8月，降雨强度一般，但是降雨较为连续。此类降雨易导致渣体内部含水量提高，地下水水位上升，不利于渣场边坡稳定。

结合前述深部位移与地表位移监测成果分析，弃渣场边坡局部仍在缓慢沉降变形，且该变形受降雨影响较为明显，降雨是控制边坡安全稳定的重要因素。

(4) 地下水位监测数据分析

图14为监测孔地下水位变化曲线。

图14 监测孔地下水水位变化曲线

从图14可知，S1和S3监测孔水位较为稳定，一方面，表明受地表降雨影响较小；另一方面可以推测两处地下水径流通道较为畅通，降雨进入渣体后，这两处地下水迅速向下游径流，因此在两处地下水水位变化不大。S2监测水位在8月至9月出现上涨，而在雨季5、6、7、10几个月地下水水位与旱季地下水位基本一致，8月与9月属于降雨较为连续、集中的月份，表明在该处地下水径流受到一定程度的影响，在大雨或连续降雨下，该处地下水水位上升，对S2监测孔处渣体边坡的稳定性产生不利影响，而该处正是弃渣场填土厚度最大的位置，应注意降雨的影响，做好地表水排水，减少地表水进入渣体内部。

地下水监测结果与降雨监测结果对应较好，降雨后，地表水入渗进入渣体内部，由于渣体松散，孔隙较多，渗透能力很强，因此地下水水位变化与降雨量相比并没有出现明显的滞后。在降雨后，地下水水位抬升，在渣体内部局部存在较高的静水压力，此外还存在渗流、动水压力等，均对渣体稳定性产生一定的影响。因此在降雨后将地表水迅速、顺畅排出非常重要。

(5) 人工巡查结果

通过定期人工巡查，对弃渣场地表积水、排水沟等进行调查，能够及时反映出相关病害，并给出处治对策，是对位移监测等的有效补充。如图15所示，弃渣场施工完毕1年后，多处排水沟开裂、淤堵，局部出现低洼，一旦发生强降雨或者连续降雨，将出现积水。

图15 人工巡查结果(基于无人机三维模型)

2.4 监测成果发布

通常情况下，从监测数据采集端获取的数据，要么分散在网络数据库，要么只能通过监测报告呈现，业主很难实时获取监测数据，对弃渣场现状安全情况的把握不足，使用效果不佳。

在该工程实例中，研发了集深部位移监测、GNSS地表位移监测、降雨量、地下水等多种数据源的信息平台。通过平台实时发布监测数据，工程师、业主均可实时查询监测信息，了解弃渣场安全状况，在暴雨、地震前后，迅速获取弃渣场变形情况，为弃渣场安全稳定性分析提供强力支撑。

2.5 监测结果

截至2019年5月，陆家屯弃土场整体稳定性较好。通过综合监测表明，弃渣体变形与雨季关系密切，变形未表现出快速增加的趋势，但也未呈现出收敛特征。需要指出，下坝区上部(SZ1～S2附近)坡度较陡、弃渣填土厚度较大，受降雨、地下水影响，在填土范围内监测到变形，潜在滑面较为明显，位移量匀速增加，变形速率目前较为缓慢，应注意该部的变形情况。