论述边坡稳定性的监测技术

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　　摘要：在岩土程中，影响边坡稳定性的因素很多, 对其进行数值分析可以做出初步判断, 但尚不能明确判断是否会出现失稳。然而对边坡进行现场监测可以为灾害前征兆的识别提供宏观观察结果。文中作者根据工作实际情况，对边坡稳定性监测技术进行论述。
　　关键词：边坡；稳定性；监测方法；物探；反射系统
　　
　　前言：我国地理情况复杂,滑坡等边坡失稳灾害发生频次高,受灾面广,是世界上地质灾害最严重的国家之一，因此,边坡稳定监测与防治工作非常重要。在边坡稳定性分析中, 由于岩土体特性的不均匀性、地质条件和力学作用机理的复杂性, 以及这些影响因素具有很强的不确定性, 使得边坡的变形失稳机理非常复杂。长期以来,工程地质界和岩土力学界对边坡稳定性进行了大量的研究工作, 但至今仍难找到一种理论对其做出准确的评价. 边坡稳定监测主要是采集边坡的变形和位移信息,通过采集得到的边坡岩土体变形速度、位移大小及位移方向等直观资料,深入认识边坡变形机制、变形破坏特征,寻找防治措施的依据。从20 世纪40 年代开始,边坡稳定监测技术逐渐发展。在此对几种监测方法进行综述分析。
　　
　　一、边坡稳定性监测技术研究
　　1、边坡监测目的
　　边坡稳定性监测主要是采集边坡的位移和变形信息, 通过观测得到的岩土体滑动位移大小、位移方向及变形速度等直观资料, 深入认识边坡变形机制和破坏特征, 寻找防治措施的依据。因此边坡工程监测有如下主要目的：a.保证工程施工和运行的安全; b.评价边坡理论分析结果和经验判断成果的依据, 是修改设计和指导施工的客观标准;c. 为掌握边坡变形特征和规律提供资料, 以便指导在边坡发生严重变形时进行应急处理; d.分析岩土体结构与边坡变形破坏的关系, 预测边坡变形破坏趋势, 为评价边坡的长期稳定性提供条件; e.提供工程岩土体力学参数的反演分析数据。
　　2、边坡监测原则
　　尽管边坡的类型和工况不同, 但其稳定性监测需要应用到多种学科, 并由各方面的人员参与协助。同时, 监测数据始终需要结合地质条件、环境因素和工况情况等进行分析, 这样才能够正确地提供现场资料并做出判断 。因此监测项目的选择应遵循以下原则:a. 可靠性原则, 包括监测方法的可靠性和监测仪器的可靠性; b. 多层次原则, 指采用多种监测手段以便互相补充和校核, 如采用地表监测和地下监测相结合的立体监测; c. 以位移为主的监测原则, 变形监测是边坡监测的主要手段, 也是变形破坏分析的基本依据;d. 关键部位优先原则, 分析各种有关资料, 确定监测的关键部位和敏感部位等重点部位, 并优先布置监测点;
　　3、边坡监测内容
　　边坡监测主要是对边坡滑坡在发育过程中所表现的各种特征现象进行监测, 概括起来主要包含如下5 个方面: a.位移监测, 包含有坡面地表点位移和坡体内埋设的测斜管或其他感应元件测得的深部位移; b.地下水位监测;c.土压力监测; d.加固结构物应力监测; e.记录监测期间天气情况以及地表状态明显变化。
　　
　　二、多种边坡物探监测方法
　　1、地球物理方法
　　（1）探地雷达(地质雷达)
　　探地雷达(Ground Penetrating Radar ,即GPR) 其实质是电磁波传播理论方法。其原理是将不同频率的电磁波脉冲向地下发射,并接收反射上来的电磁波,然后采用与地震反射法相同的方法进行数据处理和资料解释,以探查滑动面。与其他波的传播一样,高频波具有较高的分辨率,但随着频率的增加,衰减也加快,从而探测不深。低频波则正好相反。
　　（2）地震勘探
　　地震勘探是基于弹性波传播理论的物探方法,包含野外数据采集和室内数据处理两方面工作。常用方法有地震反射、地震折射、地震波测井、井间地震波层析等。常用震源有锤击、落重、爆破、电火花、压电和宽频带震源以及专门用于产生P波、S波(含SV波及SH波) 的震源等。拾震器即地震波检波器有不同的接收频率,工程上常用的有28 ～ 100Hz ,可以拾取1个、2个或3个方向的地震波( P波、SH波、SV波) 。监测时,每一测点既可只用一个检波器,也可用一组检波器来提高接收质量。接收仪器一般为12～96道,而国内目前主要是48道以下,以12～24道的比较常见。
　　
　　2、3S技术
　　（1）地理信息系统
　　地理信息系统( Geograp hic Information Sys2tem ,GIS) 是以数字化地图为基础发展起来的多层面多功能数据库的集成,是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询、分析、表达和应用地理信息的计算机系统,用于分析、处理和挖掘海量地理数据。它主要包括计算机硬件、软件、地理数据和用户等几个部分,其优势在于把各类实体的空间数据都投影到同一地理坐标系下,将所有属性数据和空间数据有机地联系起来。这种信息表达方式更接近自实体的客观状态。
　　GIS 强大的分析处理空间信息的功能可以为复杂因素及其相互作用的研究提供有效平台,即利用GIS 技术可更加有效地对地震滑坡形成机制与影响因素等进行综合分析与研究。研究地震滑坡这种影响因素十分复杂的地质灾害, GIS 技术的引入无疑会起到积极的推动作用。陈晓利等人在对1976 年龙陵地震引发的地震滑坡分布特征研究的基础上,结合其他研究者关于中国西南地区地震滑坡特征的研究成果,运用GIS 技术从岩性(坡体物质组成) 、水系、地形(坡度) 、场地地震烈度、断层等5 项基本影响因素对坡体地震作用下的稳定性进行了分析,并对该区潜在的地震滑坡危险区进行了预测。
　　(2)全球定位系统
　　全球定位系统( Global Position System) 由空间部分( GPS 卫星星座) 、地面控制部分(地面监控系统) 、用户设备部分( GPS 信号接收机) 3 部分组成,可以进行全方位三维实时导航与定位,具有全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点,已成功地应用于多种学科。在解出整周模糊度后,GPS 相位观测值精度可达到毫米级。但整周模糊度只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能在数据处理中作为参数解算。由于存在卫星和接收机钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差影响,因此应采用双频接收机以提高定位精度。
　　GPS 在土木工程的应用中主要用来监测地表变形,国内外已采用GPS 监测水库、大坝、边坡的变形以预测灾害的发生。
　　
　　3、光电技术
　　（1）时域反射系统
　　TDR( Time Domain Reflection) 监测系统主要由电脉冲信号发生器、传输线(同轴电缆) 、信号接收器三部分组成。TDR 技术实质上是电磁波理论的运用,其工作原理是同轴电缆受到剪切或拉伸作用时,受力区域几何特性的改变将引起该区域同轴电缆特性阻抗的变化,电磁波在其中的传播将发生反射与透射。自从发现TDR 技术可用于测定土壤含水量和岩体变形,该技术在农业和岩土工程领域中应用更加广泛。在监测边坡稳定性方面, TDR 技术的应用始于90 年代,并以方便、安全、经济、数字化及远程控制等优点而受到广泛关注。目前, TDR 技术在国内边坡监测领域的应用刚起步[11 ] ,要将其应用于实际工程还需要基本的理论分析和大量的室内试验。浙江大学的陈云敏、陈仁朋等在这方面也进行了较多研究。
　　TDR 系统的优点是价格低廉(同轴电缆2 ～10 元/ m) ,检测时间短、提供数据较快捷(一般3 ～5 min 可以测读一个数据) ,能实现遥测、安全性高。但由于TDR 系统对无剪切作用不敏感,使得其在倾斜、滑坡移动量和移动方向的监测上存在不足,需同时配合其他监测方法加以弥补。
　　（2）光时域反射系统
　　光时域反射计(Optical Time Domain Reflec2tion) 的工作依据是光的背向散射原理,利用了光纤的微弯损耗机制。光纤受到微弯扰动时会产生微弯损耗,引起光纤微弯扰动物理量的变化。将应力通过微弯调制机构对光纤进行应力调制,就可以实现对应力的传感。刘长华、张利勋等曾利用这一原理制作了基于OTDR 的测试仪器,并用于工程实践。这个方法依靠便宜的光纤为载体,可以实现高精度的实时测量;但目前效果好的OTDR 仪售价不菲,而且该法的运用主要是非分布式。
　　
　　三、结束语：
　　综上所述，在边坡工程中,由于场区范围较大, 边坡稳定性分析需要掌握多种不同的监测信息进行对比参照, 且从边坡加固施工阶段到运营阶段, 边坡稳定状况发展需要一个长期的过程才能得以判断, 由此可见边坡工程的监测具有监测内容多和监测周期长的特点, 是一个复杂的系统工程, 所以在对边坡实施监测之前, 需要查找各方面资料, 制定好监测流程, 才能够达到边坡安全监控的目的, 为边坡稳定性分析提供可靠的数据。

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