高边坡自动化监测系统及安全预警技术研究

张华

（中交二航院工程咨询监理有限公司，湖北 武汉 430060）

航道高边坡自动化监测及安全预警指的是该工程领域的技术人员，为了避免高边坡地质灾害的发生提前做出的有效应对，即先在高边坡现场设置自动化监测设备，然后根据安全监测预警平台分析现场的各项监测数据，判断高边坡是否达到了预警标准，并对高边坡的未来情况做出预测，发挥提前预警作业，保障现场的人员生命及财产安全。由于该自动化监测及安全预警技术涉及边坡稳定性分析、监测方案设计以及预警指标等方面的内容，所以不仅得到了国内外学者的广泛研究，且广泛应用在具体工程项目中。

1 航道高边坡的分类

1.1 按照物质组成划分

按照航道高边坡内部组成物质的不同，航道高边坡可以分为土质边坡、岩质边坡以及土-岩二元边坡3种不同的类型。其中，土质边坡又可以分为黏性土边坡、黄土边坡等；岩质边坡可以分为硬质岩类边坡、软硬岩互层边坡等；土-岩二元边坡可以细化为接触面形态、接触面产状、上覆层厚度等的边坡。

1.2 按照坡体结构划分

航道高边坡按照坡体结构的不同，其分类的方案也不尽相同，如谷德振（中国科学院院士，工程地质学家、构造地质学与地质力学家）教授提出的五类分类方案和黄润秋教授（成都理工大学）提出的三级分类方案，以上两种方案在适用范围上略有不同，前者更适用于对航道高边坡稳定性的研究。除此以外，其他的学者和专家也有自己的见解，但大部分是在此基础上进行优化和补充，常见的有整体状结构边坡、块状结构边坡、层状结构边坡、碎裂结构边坡等。

1.3 按照风化程度划分

关于航道高边坡中岩质类的边坡，根据其风化程度需要考虑岩体结构的破坏，使其岩体的抗剪强度逐渐变低，裂隙逐步扩大以及透水性不断增加等。所以，按照风化程度划分，航道高边坡可以分为全风化岩石边坡、强风化岩石边坡、中风化岩石边坡等。

2 航道高边坡的破坏模式

由于航道高边坡破坏机理的复杂性和多样性，仅仅通过理论研究很难全面地描述所有的变形破坏模式，需要根据工程项目的实际情况进行调研，在经过总结和分析的基础上才能得到科学合理的结论。因此，通过查阅前人文献和工程实例，以下就航道高边坡的破坏模式进行分析。

2.1 崩塌

崩塌，指的是边坡上的岩土在重力作用和雨水的侵蚀下突然脱离坡体向下崩落的现象，其规模和数量相差较大，其在倾倒、翻滚和撞击后会全部堆积在坡脚，这一破坏模式的发生速度较快，且具有极强的破坏力，甚至有时还会造成人员的伤亡。而这一破坏模式的发生原因主要有以下几个方面：（1）高边坡在分化作用下其节理间的黏结力降低；（2）雨水渗入裂隙内，在裂隙水水压力的作用下造成的岩块崩落；（3）高边坡上的岩土受气候变化的影响，其自身的抗拉强度变低，导致岩块松动。

2.2 剥落

剥落指的是高边坡的外部岩体在长时间风化作用的影响下，表层结构遭到严重破坏而产生的一些岩屑或者是小块的岩石不断滚落并堆积在坡脚，这一破坏模式对高边坡稳定性的影响较小。也就是说，即使是发生了这一现象，也不会导致边坡失稳。但需要特别注意的是，对于软硬相间的岩石边皮，其软弱层会因风化而破裂，出现剥落现象，使得原本坚硬的岩体变得更加突出，进而引发剥落的发生。

2.3 滑动

滑动，指的是航道高边坡内部的岩土在自重的作用下沿着斜坡滑动面向下滑移的现象，常见的有平面滑动、圆弧滑动以及楔形体滑动三种不同的模式。

（1）平面滑动。平面滑动，指的是滑动面好比平面的滑动模式，一般大声在结构面比较发育的地带，如断层、节理面等，平面滑动由于抗剪强度小，岩体在自重作用下产生的剪应力较大，滑体容易向着地质的软弱面移动。

（2）圆弧滑动。顾名思义，圆弧滑动是指高边坡的破坏滑动呈现圆弧形，此时岩体中的单个颗粒小于坡体尺寸且颗粒之间不全是相互咬合的。但是，如果坡体的结构为软弱岩层或是破碎的情况下，这类破坏的发生比较常见。

（3）楔形体滑动。楔形体滑动，指的是当两组以上的结构面切割岩体时形成的不稳定的楔形体，如果此时发生滑动，则滑体必然会沿组合交线下滑，这一破坏形式又被称为“v”型破坏，也是航道高边坡中一种常见的破坏模式。此外，在航道高边坡的开挖过程中，其表面的岩体会在卸荷的作用下出现结构松动的现象，加上开挖表面的不平整，十分容易出现这种类型的破坏。

3 航道高边坡自动化监测

3.1 案例概况

广西田林县那比水电站枢纽位于田林县境内驮娘江与西洋江汇合口上游16.3km处的西洋江上，本工程正常蓄水位355m，对大坝和边坡进行GNSS全天候24h变形智能监测，通过智能实时监测数据获得护坡局部和整体变形及变形趋势，检验护坡稳定状况，在施工期间智能实时监测护坡的地形地物实际变形及变形趋势，提前预警。

3.2 坡体地表位移监测

坡体地表位移监测的方法多种多样，如大地监测、全息摄影、遥感以及北斗卫星导航系统等。其中，北斗卫星导航系统是业内人士着眼于国家安全和经济社会发展的实际需求，自主研发和独立运行的一种卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），其能够24小时，360°无死角为不同的用户在全世界范围内提供精度高、可靠性高以及安全性高的定位和导航服务，十分适合航道高边坡地表位移监测。其原理是利用北斗卫星测量基准站于监测点之间的定位获得各个监测点不同时间中的位置信息，然后根据合理的算法对位置信息进行解算，剔除各种不利的影响因素，在与初始信息进行对比后，得到毫米级的坡体地表位移监测信息。

3.3 深部土体位移监测

深部土体位移监测也是航道高边坡自动化监测中最有效的方法之一，通过深部土体位移监测可以获得滑动面的位置、位移量以及位移速度等数据。因此，对于航道高边坡深部土体位移的监测，除了坡体地表位移外，为了更加准确的反映高边坡的稳定性和安全性，还需要对坡体内的位移进行监测，检测结果随着航道高边坡滑动体结构而改变，在滑动体密实、含水量较少的情况下，多呈现整体式滑动，此时，滑动体内的位移与地面处的位移不同，需要采用固定式钻孔测斜仪法、活动式测斜仪法等方法进行监测。

本工程项目以钻孔测斜仪为主要对象进行介绍：钻孔测斜仪由测头、测读仪、电缆、测斜管等部分组成，原理是当航道高边坡深部的土体发生位移时，传感器的探头就会偏离基准线，二者之间会形成一个角度，然后借助仪器内部获得的数据，获得被监测点的位量X。

3.4 结构应力监测

航道高边坡结构应力监测主要包括锚索应力监测、锚杆应力监测、抗滑桩内力监测等，在具体的自动化监测过程中，需要根据航道高边坡支护结构的不同而选择不同的监测方式。

3.4.1 锚索应力监测

锚索应力监测需要使用的设备主要为锚索测力计，原理是在测力钢筒上均匀设置数量相等的弦式应变计，随着锚索传递的荷载会使得测力的钢筒产生轴向变形，随之应变计也会发生变形，进而改变应变计内振弦的振动频率，此时，在采用电磁线圈激振并测量获得振弦的振动频率，得到引起测力钢筒变形的应变量，代入标定系数后就可以计算出锚索测力计的荷载值，计算公式如下：

式中，P为待测锚索荷载值（kN）；K为为仪器的标定系数；f1为测试频率（Hz）；f0为初始频率（Hz）。

3.4.2 锚杆应力监测

锚杆应力监测指的是振弦式钢筋计安装在锚杆上，当锚杆在受力的情况下发生变形时，仪器内的钢弦也会产生变形改变其振动频率，通过测量该振动频率得出锚杆的应力值。

3.4.3 抗滑桩内力监测

抗滑桩内力监测与锚杆应力监测有许多相似之处，不同的是该监测方式的振弦式钢筋计设置在抗滑桩的竖向钢筋上，主要用来检测滑坡与抗滑桩在相互作用下的受力特点。

4 航道高边坡安全预警技术

近年来，有很多关于航道高边坡的安全预警被相继提出，它们均具有自身的特点和适用性，但针对某一实际的工程而言，仅仅采取一种安全预警技术难免过于片面，且很有可能导致漏预警现象的发生，进而导致灾难性后果。因此，很有必要采取多指标联合安全预警，以下就改进切线角模型边坡位移加速度预警、降雨预警进行介绍。

4.1 改进切线角模型

改进切线角模型是一种基于航道高边坡位移监测数据的安全预警方法，其与传统的切线角模型相比，通过坐标进行无量纲化的处理方式，有效地提升了模型的适用性，无量纲化处理主要是根据高边坡的累计位移与等速变形阶段的速率相除得出的，公式如下：

式中，Ti为时刻边坡位移经无量纲化处理后的纵坐标值；Si为时刻边坡的累计位移；V为边坡在临滑前等速变形阶段时的位移速率。

在无量纲化处理后，便可以计算改进切线角的数值，公式如下：

式中，ai为改进切线角；Tl为边坡位移经无量纲化处理后的纵坐标值；tl为相应的边坡监测时刻。

在得到了改进切线角后，即可根据切线角的大小进行预警。

4.2 边坡位移加速度预警

航道边坡变形过大或者发生的速度过快往往是发生失稳、坍塌的前兆。因此，还可以综合考虑通过边坡位移加速度预警。事实上，目前已经有很多的学者和专家做过这方面的尝试，他们通过对各类航道高边坡安全事故的分析，确定了加速度是高边坡失稳评价指标。但是，由于受航道高边坡地质地形条件的限制，既有的高边坡位置加速度临界值不能直接用于航道高边坡的安全预警。本项目航道高边坡在发生失稳前，其位移加速度呈现直线上升的态势，此时，就需要引起相关人员的高度重视，及时对高边坡的安全性和稳定性进行仔细的确认，必要的时候，可制定监测措施或者加固处理等方式保证高边坡的安全。

4.3 降雨预警

除了改进切线角模型，边坡位移加速度作为航道高边坡安全预警指标，还需借助辅助指标如降雨预警，以实现更全面的安全保障。降雨是航道高边坡失稳、坍塌的重要因素，对社会稳定和人员财产安全产生影响，具体影响因素包括岩土体自重增加，边坡结构改变（侵蚀坡脚、坡体破坏），和雨水渗入后岩体强度减弱。降雨机理复杂，但在滑移面剪应力增加和抗剪强度降低的情况下，失稳、坍塌的风险增加。通过降雨预警，可提前进行安全风险提示，预警技术主要通过监测区域内降雨量进行分析，并根据等级提醒维护航道高边坡。

5 结语

综上所述，本文首先对航道高边坡的分类、破坏模式进行了分析，然后以实际工程为主要研究对象，提出了高边坡自动化监测计安全预警技术，对于经过上述处理后可供分析的监测数据，进行高边坡位移预测及预警，若该边坡有失稳趋势，则采取速度倒数法对其失稳时间做出预测，保证高边坡的安全性。