滑坡及高边坡安全监测系统的原理与应用

滑坡及高边坡的稳定性对建筑物的安全运营具有重要影响，本文在阐述位移应力相结合的综合安全监测系统原理的基础上，结合工程实践介绍了其应用方法。该监测系统对于掌握坡体的位移变化、评估坡体应力状态、预防安全事故、合理治理边坡病害等具有重要的指导作用，在工程实践中具有重要的参考与推广意义。

1引言

滑坡是岩土工程界常见的一种地质病害，经常破坏路基，中断交通，影响公路的畅通和正常的运输与安全。大规模的滑坡病害，甚至可摧毁公路、破坏厂矿、掩埋村庄、甚至堵塞河道，造成严重的破坏后果和灾害损失，具有性质复杂、规模相对较大、灾害后果严重等特点。国内外开展对滑坡的研究工作较多，包括滑坡机理研究、滑坡防治措施以及滑坡监测等。

目前工程界对滑坡监测多采用位移变形法，即地表位移变形和深部位移变形监测法，包括全站仪法、倾斜盘法、钻孔测斜仪法、GPRS无线远程监控法等。但是，综合目前滑坡监测技术，其最大的缺陷就是仅局限于坡体岩土体的变形监测，而忽略坡体内的应力变化，因此对于前期已实施治理工程的滑坡稳定性分析及补强措施方面缺少必要的基础资料。鉴于我国近年基础建设工程快速发展、大量滑坡治理工程处于运营阶段的状况，本文阐述了位移应力相结合的新型滑坡及高边坡安全监测系统的原理及工程实践应用。

2 滑坡及高边坡的变形模式

滑坡及高边坡的变形破坏是一个比较复杂的过程，一般经历蠕滑、加速变形、变形相对减缓、破坏变形等阶段。通常根据滑坡及高边坡的破坏规模划分为浅表层变形、局部滑塌变形和深层整体变形。

2.1 浅表层变形

浅表层变形是指发生变形的岩土体处于坡体的表层或表面厚度较小部分，一般破坏规模较小。常见的破坏形态有：表层滑塌或溜坍，浅层滑坡等。发生浅表层变形的原因主要有以下几个方面：

⑴浅表层坡残积或全风化土层覆盖在强度较高的岩层上，岩层倾向边坡临空面造成上覆土层失稳或土层自身抗剪强度较低而失稳。

⑵受人工开挖或爆破等工程活动影响，坡体浅表层岩土体抗滑力降低，引起浅表层岩土体下滑变形。

⑶受自然界降雨、地震等不利因素作用，坡体浅表层岩土体物理力学指标降低或外界不利荷载作用下，引起稳定性降低而失稳。

2.2 局部滑塌变形

局部滑塌变形是指坡体局部岩土体发生呈现一定规律的变形破坏，其变形范围一般较小，但变形底面具有较明显的特征，如土体中呈圆弧或近圆弧状，岩层中沿结构面或层面变形等。局部滑塌变形厚度一般比浅表层变形要厚，其破坏规模也较大。发生局部滑塌变形的原因可归纳为以下几个方面：

⑴坡体岩体或风化成土体的原岩局部范围不利构造面发育，引起该部分岩土体沿不利结构面失稳。

⑵处于坡体应力集中或高应力区域的岩土体，当其内部应力达到不平衡状态时，易引发该部分岩土体失稳。

⑶受地形或其它因素限制，容易受外界不利因素频繁作用的区域，例如沟槽地带或边坡两侧区域等，因不利因素降低该部分岩土体的物理力学指标而失稳。

⑷因人工工程活动等改变原坡体岩土体的平衡状态，使局部岩土体因减小支撑抗力而失去平衡，产生滑塌变形。

2.3整体变形

整体变形是指滑坡或高边坡主体沿一定的软弱面(或软弱带)整体地向下滑动并以水平运动为主的变形破坏，其变形范围较大、深度较厚，变形体具有较强特征，底部滑动面按一定规律分布，土体中呈圆弧或近圆弧状，岩层中沿软弱结构面或层面呈连续或台阶式变形;表观形态有滑坡周界裂缝、滑坡出口、后缘陡坎等特征。整体变形一般性质复杂、规模较大、破坏后果严重。滑坡或高边坡发生整体变形的原因较多，主要有以下几个方面：

⑴坡体地层岩性具有上部强度低、底部强度高且透水性较差的特点，两者之间弹性模量差异较大，在一定的条件下诱发坡体沿着分界面整体变形。

⑵构成坡体的岩土体在地质构造上发育有断层破碎带、褶曲、顺倾单斜岩层及错落等不良地质结构，当坡体岩土体应力达到不平衡时，从而沿着上述不良地质结构发生整体变形。

⑶外界各种不利因素，例如大气降雨、地震等，降低坡体岩土体物理力学指标或改变岩土体应力平衡状态，诱发坡体整体变形。

⑷因人工工程活动等改变原坡体岩土体的平衡状态，尤其是坡体下部大量开挖，降低原坡体的抗滑支撑力，导致坡体整体变形。

⑸已实施的支挡或加固工程在运营期间受各种因素影响，有效荷载降低，破坏原有应力平衡状态，诱发坡体整体变形。

3 安全监测的原理

根据上述滑坡及高边坡变形模式及其机理的分析，实施全面有效的安全监测系统，对于有效预报坡体变形、提前实施治理或避让措施、减小破坏灾害损失具有重要的作用。为此，采用位移与应力综合监测系统不但能反应坡体的变形情况，而且通过应力能进一步了解坡体岩土体的应力状况。

3.1 深部位移监测原理

深部位移监测通常采用钻孔测斜仪进行监测，其工作原理是：在岩土体中施工钻孔、安装测斜管，当岩土体产生变形时，通过测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量，来监测土、岩石的侧向位移，如图1所示。

带有导向滑轮的倾斜仪在测斜管中按倾斜仪标距 逐段测出测斜管与铅垂线夹角 ，分别求出不同高程处水平位移 ，即

(1)由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的实际水平位移 ，即

(2)为测量段的水平位移; 为测量点的分段长度，即仪器标距; 为测量段测斜管与铅垂线的夹角; 为自孔底开始第 个测点的水平位移。根据不同高程测试的岩土体位移，绘制水平位移 ～深度曲线，即可掌握坡体岩土体的深部位移情况。

3.2 应力监测原理

当坡体发生变形时，作用于坡体内的支挡或锚固工程将限制该变形趋势，于是在其内部产生附加应力，该附加应力就是其应力变化量。目前工程界多采用振弦式传感器来测试该应 力变化量，支挡结构的应力监测采用应力或应变计，锚固工程应力监测则直接采用测力计。

振弦式传感器的工作原理为：根据弹性体振动理论，一根金属弦在一定的拉应力作用下，具有一定的自振频率，当其内部的应力变化时，它的自振频率也随之变化，金属丝振动频率与张力的平方根成正比。钢线的振动频率与其张力之间的关系为

(3)式中，为钢弦的自振频率;为钢弦的长度;为单位长度钢弦的质量; 为钢弦的张力。

由于传感器钢线的长度和单位长度的质量为常量，通过测试传感器的振动频率按标定曲线即可计算出作用于其上的荷载。

3.3地表变形监测原理

地表变形监测包括地表裂缝监测和地表位移监测，分别采用游标卡尺或全站仪进行监测。由于坡体变形自软弱滑动面开始，逐步向地表发展，当位移变形达到一定界限时，变形岩土体与周围稳定岩土体之间将克服内部粘聚力而出现裂缝。因此，在地表设置观测桩，或者沿着垂直裂缝方向布置标志点，采用全站仪监测观测桩的坐标或采用游标卡尺量测裂缝两侧标志点的间距，可以对坡体地表位移进行监测。

4 安全监测技术的实践应用

4.1 工程概况

福建省某高速公路穿过一大型古滑坡，该古滑坡地处低山丘陵地貌、冲洪积沟谷，自然山坡较陡，坡度约40°，坡体中部斜坡坡度较缓，坡度约15～25°。地层岩性上部为第四系崩坡积块碎石土、粉质粘土，下部为三叠系砂土状强风化砂岩、弱风化砂岩组成。场区内岩层风化层较为深厚，岩层产状较为紊乱，倾角变化较大。发育两条断层构造，分别从从坡体后部和右侧穿过，断层附近贯通构造结构面和劈理带发育，岩层破碎。地下水发育，主要为坡残积风化层孔隙水和基岩孔隙、裂隙水，水量丰富。

施工期间本滑坡治理方案为：一级坡率1：0.5，设置C15片石混凝土挡墙;二级1：1.5，中部设置一排抗滑桩，两侧设置预应力锚索框架;三级1：1.75，中部设置一排抗滑桩，两侧设置预应力锚索框架;四～六级坡率1：2.0，采用拱形骨架植草防护，每级坡高设置为8m。

4.2 监测系统设置方案

该滑坡在施工期间一直发生蠕动变形，为了掌握滑坡的变形发展状况，保证施工及运营安全，对该滑坡体采用综合安全监测系统，具体布置方案如下：

1、深部位移监测

选择4个控制断面，分别在每个断面的坡顶以上10～20m以及坡体中上部、下部各布置3～4个监测孔，形成深部位移监测网。

2、应力监测

对应上述4个深部位移控制监测断面，在该断面或附近的抗滑桩内埋设钢筋计、预应力锚索上安装测力计，对支挡或锚固工程结构进行应力监测。

3、地表位移及裂缝监测

在上述4个断面及断面中间的各级平台上设置标志桩，并在滑坡后缘裂缝两侧埋设观测桩;当地表出现裂缝时，选择具有特征的裂缝进行布置观测点。

4.3监测结果

该滑坡体于2008年底竣工，运营期间一直处于调整期，但在2010年5月暴雨季节，发生较大变形，深部位移监测数据对该变形进行了详尽记录，应力监测也如实反应了锚固工程的荷载变化情况，尤其在暴雨期内当滑坡加速变形时，部分深部位移监测孔因位移过大遭到破坏，及时启动地表位移和裂缝监测，使位移监测数据保持连贯性，综合监测数据对滑坡稳定性状提供了科学精准的判断。根据监测资料，有关单位及时提出预警意见，并对既有支挡及锚固工程进行有效评估，然后采取有针对性的加固补强措施，最终滑坡趋于稳定，避免了重大安全事故的发生。各项监测典型曲线见图2～图4。

5 结论

⑴滑坡及高边坡位移应力综合监测系统不但能有效监测坡体位移变形情况，而且结合应力监测能对既有工程进行有效评估，具有重要的安全和经济价值。

⑵当坡体变形较小时，主要通过深部位移对坡体位移进行监测;当坡体变形较大时，容易破坏深部位移监测孔，应及时进行地表位移和裂缝监测，以保持监测工作的连续性，掌握坡体变形情况，避免安全事故发生。

⑶工程实践中应用位移应力综合监测系统时，方案布置应能达到有效监测坡体的目的。