永吉高速边坡自动化监测预警及变形分析

闻爱祥,朱自强,鲁光银,王李昌

(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学),湖南 长沙 410083;2.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室,湖南 长沙 410083;3.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083;4.浙江吉宁高速公路有限公司,浙江 湖州 313399)

截至2019年底,湖南省高速公路里程达到6 802 km[1],且逐渐向西部山区覆盖。在山区修建高速公路不可避免地要进行切坡,导致坡体自身稳定性遭到破坏进而造成滑坡,从而危及下侧高速公路的施工和运营[2]。近年来随着物联网、传感器等技术的快速发展,对不稳定斜坡的自动化监测预警技术逐渐成熟[3-8]。以永吉高速DK0+585～DK0+780段右侧滑坡为研究对象,根据地质情况设计监测方案并建立了自动化的监测预警系统,之后根据监测数据分析边坡变形特征并结合现场巡查情况综合评价其稳定性。

1 工程概况

湖南永顺至吉首高速公路(以下简称永吉高速)起于湘西永顺县,止于吉首市区,全长84.492 km,是湖南省高速公路网规划“七纵九横”中第七纵重要组成部分。其DK0+585～DK0+780段右侧滑坡位于湖南省湘西土家族苗族自治州的古丈县境内。2015年10月3日受降雨影响,滑坡产生多条裂缝,2015年10月9日,受暴雨的影响,滑坡体裂缝继续发展,前缘发生大面积滑塌,滑塌土方量约1 500 m3。事后根据滑坡勘察成果,已对滑坡采用了抗滑桩与锚索处治,但仍然存在下滑变形。坡脚1级边坡上出现明显的滑移开裂,裂缝从坡脚新增的31#抗滑桩开始一直斜向延伸到6级边坡平台的1#抗滑桩,长度约70 m,裂缝宽度5～30 cm。

滑坡前缘以1级坡上开裂缝为界到大桩号微裂缝为界,宽约90 m,后缘以拉张裂缝变形消失处为界,纵深约160 m,滑坡体平均厚度约12.0 m,体积173 000 m3,属中型滑坡,滑动面深度7.0～15.0 m不等,属中层工程滑坡。

该滑坡滑动面主要位于强风化和中风化砂质板岩界面,属于强风化软质岩顺层牵引式工程滑坡。主滑方向为170°,与路线走向呈小角度斜交。根据山坡岩土性质与结构特征,该滑坡仍处在滑移当中,向上牵引发展的趋势仍存在。为保障下侧高速公路的运营安全,需要为其建立自动化的监测系统,以实现全天候的预警。

2 监测预警方案及实施

2.1 系统架构

滑坡的监测预警系统采用中南大学与湖南致力工程科技有限公司联合研发的“致力云”平台,该平台主要包括感知层、数据层、服务层和应用层四部分,平台架构如图1所示。

图1 “致力云”平台架构

感知层主要包括现场各类现场的监测传感器和支持设备。支持设备主要包括为现场各类设备提供供电(太阳能板、蓄电池)、保护(机箱、立杆)、通信(DTU)等支撑功能的相关设备。数据层主要针对性现场传回来的监测数据进行解析、存储和提供访问接口。现场各类传感器采集的数据通过蜂窝网络发送回数据中心,数据中心的接收与解析服务首先对原始监测数据报进行解析,然后将解析后的数据通过消息队列进行广播和分发,并采用分布式的数据库进行存储,同时提供了多种数据访问接口。服务层是系统的核心,主要有实现系统功能的各个服务构成,主要包括控制数据管理服务、数据分析服务、预警预报服务、用户管理服务、项目管理服务等。最后便是终端层,主要用于为用户提供交互终端,对各类监测数据进行可视化,主要包括PC端、手机APP和监控大屏。

2.2 监测方案

根据滑坡的地质特征和已经产生的裂缝、错台等宏观特征,各监测站位置设计如图2所示,主要包括6个GNSS监测站(其中包括1个GNSS监测基站)和1个降雨量监测站。DB01点位于主滑剖面上部的ZK102钻孔旁,DB02点位于DB01以下支挡结构以上的主滑剖面上,DB03、DB04、DB05三个监测站分别位于第15、10、5号抗滑桩旁边,降雨量监测站也位于DB05监测站旁,GNSS基站位于下侧高速公路对面。滑坡监测采用的GNSS设备和数据采集仪为中南大学与湖南致力工程科技有限公司联合研发的SNS-PR2型GNSS解算接收机和DAQ-GUX01型通用数据采集仪,雨量计采用JFZ-01型数字雨量计,最终安装效果如图2左上角所示。

图2 滑坡监测传感器位置分布

2.3 监测结果

监测系统于2019年4月21日完成系统现场部分的调试,并于当日在云端平台收到了第一条监测数据,截至2020年10月1日,共采集到监测数据94 194条,其中GNSS监测数据72 697条、降雨量监测数据21 497条。各个GNSS监测站和雨量监测站监测数据如图3所示。

图3 滑坡监测数据

监测系统通过对监测数据的实时分析和计算,准确识别了滑坡的每一次变形加速过程,并及时、自动地通过短信等方式通知了相关负责人员,起到了预警的作用,有效保障了下侧高速公路的运营安全。

3 变形特征与安全评价

3.1 滑坡变形特征

从图3中可以看出,各个GNSS监测站均发生了明显的变形,其中DB01、DB02监测站变形最明显,累计变形量达2 m,表明DB01、DB02所在剖面为主滑剖面。从变形过程来看,主要包括四个变形过程。

第一个变形过程起始于2019年6月26日18时左右,于7月24日变形趋于稳定。在此期间DB01、DB02监测站累计变形均超过1 m,其余GNSS监测站也均发生了60～120 mm的变形。7月24日现场巡查发现滑坡体多处出现裂缝和局部垮塌,排水沟出现严重变形。

第二个变形过程起始于2019年8月24日,在9月4日之后趋于稳定,在这期间DB01和DB02变形分别增长了620 mm和500 mm,累计变形量增长到了1 800 mm左右,其他点变形不明显,增长了20～30 mm。

第三个变形过程起始于2020年3月21日,在4月10日之后趋于稳定,在这期间DB01和DB02变形分别增长了450 mm和350 mm,累计变形量增长到了2 100 mm左右,其他点变形不明显,增长了20～30 mm。本次变形发生后于3月31日到滑坡现场进行了巡查,坡脚已经剪出,挡土墙已经严重倾斜,多处出现新的裂缝和局部垮塌。

第四个变形过程起始于2020年6月6日,在6月14日之后趋于稳定,此次变形过程相对于前三次变形过程不明显,仅有DB01和DB02产生了60 mm左右的变形,其他点都未产生变形。

从这几次变形过程看,每一次变形过程开始之前,均伴随着持续性的、强度较高的降雨事件,因此推断降雨是导致滑坡破坏的主要诱发因素。

3.2 滑坡安全综合评价

从滑坡现场宏观巡查情况看:滑坡现场出现多处错台和裂缝,裂缝宽度约在5～25 cm之间,可见深度0.5 m左右,宽大裂缝主要集中出现在滑坡顶部ZK101和ZK102钻孔之间的坡面,并形成多处错台,错台高度0.3～1.5 m不等,呈弧形,长度达70 m。表明滑坡当前仍处于蠕动变形过程。

从监测结果看:各个地表GNSS监测点在监测期间均发生了较大的变形,其中主滑剖面上的DB01和DB02监测点变形幅度最大。该滑坡的变形过程和降雨呈现明显相关性,如不采取处置措施,推测未来的某些降雨事件仍会引起滑坡变形。

从岩土专业分析角度来看:滑坡为顺层滑坡,岩土工程性质不良,地质环境较为脆弱。边坡总体岩层产状170°∠35°,线路走向210°,边坡岩层走向与线路走向小夹角斜交。前期高速公路路堑边坡施工开挖,在山腰形成人工边坡,造成临空面,加之坡体强风化层厚度大,适逢雨季,经雨水软化与风化作用使岩体强度下降产生塑性变形,在土层与强风化界面产生位移形成土层滑坡;后期随着下级边坡进一步开挖,临空面加大,卸荷作用加剧,岩石节理裂隙面产生松动,块体松弛呈松散碎块状,在强风化砂质板与中风化砂质板岩间产生蠕滑,加之节理裂隙面连通,在雨水的作用下,层面岩石进一步软化,抗滑强度降低,产生位移形成较大规模的牵引式顺层岩石滑坡。

综上所述:该滑坡目前仍处于滑移变形阶段,未来受降雨事件影响很可能加速变形过程,为保证下侧高速公路的安全运营,需要采取适宜的工程治理措施。

4 结 论

针对永吉高速DK0+585～DK0+780段右侧滑坡建立了自动化的监测预警系统,介绍了该监测预警系统的构成,设计了现场传感器布设方案,系统通过对监测数据的实时分析和计算,并结合现场实际情况,得出以下结论。

(1)该边坡的监测预警系统能够实现全天候、自动化的监测预警,系统性能可靠稳定、预警及时准确,有效地保障了高速公路的运营安全。

(2)该边坡目前仍处于不稳定状态,且主要诱发因素为降雨,如不进行处置,未来受降雨事件影响仍会发生变形,在继续开展监测预警的同时,需要进行适宜的工程治理。