自动化变形监测在高填方路基病害处治中的应用

摘要：文章以南丹至天峨下老高速公路某高填方路基病害为例，通过自动化深层水平位移监测、GNSS地表位移监测准确判断病害路基的滑动面深度、滑动变形特征及滑体状态等信息，为病害路基处治设计提供依据，并通过处治施工期监测对处治效果进行评估验证，可为复杂高填方路基病害机理研究及工程处治提供解决思路。

关键词：高填方路基；滑坡；深部位移监测；地表位移监测；处治效果评估

U416.1A120384

0 引言

近年来，我国山区高速公路总里程在稳步提升。高填方路基是山区高速公路重要组成部分，但由于其填方较高，在地质条件、人类活动、气象因素等共同作用下，路基失稳现象频发，对高速公路的安全稳定造成了严重威胁［1-2］。自动化变形监测作为防灾减灾的重要手段，在高填方路基病害处治中能起到重要作用［3-4］。本文以南丹至天峨下老高速公路某高填方路基病害为例，通过综合分析岩土体变形监测数据，为病害路基的处治设计与施工提供了准确的依据，并检验了病害路基处治措施的可靠性。

1 工程概况

南丹至天峨下老高速公路某高填方路基原地面横坡坡率为1∶2.5，属陡坡填方路基，路中心线最大填方高度约为17.463 m，填方坡脚到路面高度约为52.791 m。路基分三级填筑，底部第一级填筑坡比为1∶2，第二级填筑坡比为1∶1.75，第三级填筑坡比为1∶1.5，防护形式为拱形骨架+客土喷播+衡重式护脚墙，采用分层分段填筑。场地内地层主要由第四系人工堆积层（Qml）、第四系残坡积层（Qel+dl）和三叠系中统板纳组（T2b）组成。

2021年7月下旬，受持续降雨影响，填方路基坡脚挡土墙和拱形骨架开始出现前倾和开裂变形的迹象，病害在同年8～9月期间迅速恶化，坡脚挡墙前倾错台由最初的10～20 cm增大至50 cm，拱形骨架也由最初的开裂状态变为断裂、悬空状态，后缘拉张裂缝逐渐增宽、贯通，拱形骨架坡脚多处渗水，水流量较大。

2 监测方案

2.1 监测目的

（1）对病害路基进行实时监测，并在监测数据达到预警阈值时及时预警，保障监测区域内的人员与财产的安全；

（2）动态了解病害路基的位移变形、滑动面深度等信息，为病害路基的治理设计与施工提供准确的依据，实现信息化施工和动态设计，达到保证工程质量，节约工程投资的目的；

（3）检验病害路基治理措施的可靠性，为日后的工作提供参考。

2.2 监测内容

（1）深部位移监测：采用固定式测斜仪测量监测孔内每段位置轴线与铅垂线之间的夹角变化，从而计算出孔内相应位置的水平位移情况。可通过该种方法监测滑坡体的深部水平位移情况，确定滑动面位置，判断滑坡的稳定情况，为滑坡监测预警、滑坡规模的估算和滑坡的治理提供依据；

（2）地表位移监测：采用GNSS（全球卫星导航定位系统）通过自动差分解算的方法实时测量基准站与监测站之间的相对位置［5］。可通过该种方法实时监测滑坡地表位移变形的发展情况，判断主滑方向及滑坡的稳定状况，为滑坡监测预警提供依据。

2.3 监测点布置

本病害路基在处治施工前和处治施工后分别采用不同的监测点布置方案，具体如下：

2.3.1 处治施工前（2021年10月至2022年3月）

根据病害路基的变形情况及可能出现危险的情况，共布设3条监测断面，以监测线构建监测网。本阶段监测网由5个深部位移监测点和10个地表位移监测点（含基准点）组成，监测点布置见图1：

2.3.2 处治施工后（2022年4月至2022年9月）

病害路基于2023年3月上旬开始处治施工，处治施工前布置的监测点受滑动破坏及施工影响已基本拆除，仅保留后缘未受影响的2-CX1监测点，随后根据施工进度逐步布置监测点以保障施工安全及验证处治效果。本阶段监测网由1个深部位移监测点和8个地表位移监测点（含基准点）组成，监测点布置见图2。

3 监测成果

3.1 深部位移监测成果

3.1.1 滑动面确定

监测周期内各深部位移监测孔的累积位移-深度-时间曲线图见图3～6。由图3～6可知，2-CX1、2-CX2的累积位移-深度-时间曲线紧贴于竖轴或在竖轴两侧无规律小幅波动，说明2-CX1、2-CX2监测孔无明显滑动面，深部位移处于基本稳定状态。2-CX3、2-CX4的累积位移-深度-时间曲线均在19.0 m深度处发生明显弯折，曲线呈向外侧鼓起状，说明2-CX3、2-CX4监测孔出现深层滑动变形，滑动面深度均在19.0 m处。2-CX5在成孔后于短时间内被剪断，尚未来得及获取监测数据，根据监测孔剪断位置大致推测出滑动面深度在9.5 m深度处。将各深部位移监测孔的滑动深度相连可得到病害路基的滑动面，其监测断面综合分析图见图7。

3.1.2 监测数据分析

根据深部位移监测孔采集到的滑动面深度与峰值深度变形量及变形速率进行统计，统计结果见下页表1。各深部位移监测点位移-时间曲线图及位移速率-时间曲线图见下页图8～9。由图8～9可知，2-CX1、2-CX2监测孔无明显滑动面，其峰值深度位移-时间曲线及速率-时间曲线无明显波动，变化趋势稳定，说明其深部位移处于基本稳定状态。2-CX3监测孔滑动面深度为19.0 m，自开始监测起，累积位移随时间不断增长，峰值深度速率为54.80～163.32 mm/d，直至4 d后变形量超过439.36 mm导致仪器受损失效。2-CX4滑动面深度为19.0 m，自开始监测起，累积位移随时间不断增长，峰值深度速率为54.72～197.10 mm/d，直至4 d后变形量超过504.55 mm导致仪器受损失效。

从滑动面深度来看，滑动面主要沿路基填筑界面及粉质黏土层与下伏基岩界面发生滑动，后缘位于高速公路路基左幅的拉张错台处，前缘剪出口位于填方坡脚处原挡墙区域。从变形速率来看，滑坡区域整体处于高速变形中，且滑坡中部2-CX4的变形速率大于滑坡上部2-CX3的变形速率，符合牵引式滑动破坏的特点。

3.2 地表位移监测成果

3.2.1 滑动方向确定

根据地表位移监测点采集的位移方向（典型地表位移方位角散点图见图10）可知，各地表位移监测点的位移方位角为185°～200°，边坡坡向为190°，两者基本一致，说明边坡整体沿坡向滑动。

3.2.2 监测数据分析

根据地表位移监测点采集的累积位移及位移速率进行统计，统计结果见表2～3。各地表位移监测点平面位移-时间曲线图及平面位移速率-时间曲线图见图11～14。根据地表位移监测数据可将本病害路基分为四个监测阶段，分别是处治施工前的急剧变形期（2021-10-28至2022-01-14）、滑动破坏期（2022-01-15至2022-03-08）和处治施工后的工后蠕变期（2022-05-25至2022-08-15）、基本稳定期（2022-08-16至2022-09-30）。

急剧变形期阶段，核心变形区监测点平面位移速率为51.27～62.05 mm/d，后缘区域暂无明显位移，本阶段路基已处于高速滑移状态，但滑移尚未牵引至后缘区域。滑动破坏期阶段，核心变形区监测点平面位移速率为141.33～160.59 mm/d（加速至上阶段的255%～303%），后缘牵引区监测点平面位移速率为78.51 mm/d（上阶段无明显位移），本阶段位移速率较急剧变形期阶段大幅增长，且变形区域不断向后缘牵引扩大。两阶段中下部监测点的位移速率均大于上部监测点的位移速率，与深部位移监测数据一致，符合牵引式滑动破坏的特点。根据滑坡的滑动面深度和变形特征制定了开挖卸载大部分滑体+坡脚设置桩基承台挡墙支挡的处治方案。

工后蠕变期阶段，各监测点平面位移速率为0.19～0.27 mm/d，本阶段路基受施工加载影响处于蠕动变形状态，但变形量在容许范围内，属正常的工后变形。基本稳定期阶段，各监测点均无明显位移，本阶段处治施工已基本完成，位移-时间曲线斜率逐渐减缓，最终趋向于水平，说明路基已处于基本稳定状态，处治施工取得显著效果。

4 结语

（1）自动化变形监测可通过高频实时监测，在较短时间内采集到病害路基的滑动面深度、滑动变形特征、滑体状态等关键信息，为处治设计提供了准确依据。

（2）处治施工期变形监测可以保障施工安全和验证处治效果。

（3）在变形监测的基础上，若增加地下水位监测、降雨量监测等环境监测手段，可以更加准确地了解滑坡诱因。

参考文献：

［1］李丹丹.高填方路基变形监测与稳定性分析［D］.天津：河北工业大学，2019.

［2］张 勤，白正伟，黄观文，等.GNSS滑坡监测预警技术进展［J］.测绘学报，2022（5）：1 985-2 000.

［3］许 强.对滑坡监测预警相关问题的认知与思考［J］.工程地质学报，2020，28（2）：360-374.

［4］鱼安卿，陈 川，罗安民.变形监测在滑坡处治中的应用［J］.西部交通科技，2022（5）：66-69.

［5］王念秦，申辉辉，鲁兴生.边坡变形监测技术发展现状及问题对策［J］.科学技术与工程，2021，21（19）：7 845-7 855.