基于實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)的風(fēng)化花崗巖邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)

劉桂強(qiáng)， 李宏文， 譚 玲， 閻宗嶺

(1.廣州市高速公路有限公司， 廣州 510288； 2.廣東和立土木工程有限公司， 廣州 511430； 3.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

花崗巖在我國南方地區(qū)分布廣泛，風(fēng)化花崗巖邊坡變形破壞機(jī)理復(fù)雜，施工安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素多，其中邊坡巖土性質(zhì)、水和人類活動(dòng)是邊坡安全敏感性主要因素[1-3]。風(fēng)化花崗巖邊坡變形破壞形式有圓弧滑動(dòng)破壞、崩塌和坡面沖刷等[4-5]，巖土力學(xué)試驗(yàn)和有限元分析表明，降雨和施工對(duì)該類邊坡安全有較大影響[6-8]。目前，既有研究主要通過對(duì)邊坡進(jìn)行自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)，研究邊坡安全要素的變化趨勢(shì)，以評(píng)價(jià)邊坡的安全狀態(tài)[9-10]。這些研究多集中于邊坡安全監(jiān)測(cè)和災(zāi)害預(yù)警，對(duì)基于監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)分析、挖掘而實(shí)施邊坡開挖、加固工藝的動(dòng)態(tài)調(diào)整研究不足。

本文以廣州某高速公路風(fēng)化花崗巖路塹高邊坡為例，結(jié)合風(fēng)化花崗巖邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估和邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)，通過對(duì)安全監(jiān)測(cè)信息的深度挖掘、分析，實(shí)現(xiàn)了基于安全監(jiān)測(cè)的邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估，并提出了基于安全屬性的邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控思路，建立了基于安全監(jiān)測(cè)的邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控技術(shù)流程。

1 風(fēng)化花崗巖邊坡施工安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

廣州某高速公路K20+880～K21+080 段左側(cè)高邊坡為風(fēng)化花崗巖土巖混合邊坡，高56.3 m，原地面坡度15°～32°，邊坡上部以殘積粘性土為主，中下部多為砂土狀和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。巖土條件及邊坡設(shè)計(jì)條件如圖1(a)所示。邊坡處治設(shè)計(jì)采用放坡結(jié)合坡面綠化防護(hù)、截排水措施和監(jiān)測(cè)預(yù)警綜合治理方案進(jìn)行。邊坡按臺(tái)階式設(shè)計(jì)開挖，第1級(jí)和第2級(jí)分級(jí)高度為10 m，其余分級(jí)高度為8 m；第1級(jí)邊坡坡率1∶1，其余坡率均為1∶1.25。第1級(jí)邊坡采用客土噴播植草防護(hù)，最頂一級(jí)邊坡采用掛三維網(wǎng)噴播植草防護(hù)，其余各級(jí)邊坡根據(jù)巖性情況采用網(wǎng)格型骨架或客土噴播植草防護(hù)，平臺(tái)均采用漿砌片石封閉。各級(jí)平臺(tái)和塹頂均設(shè)置截水溝。邊坡開挖后，視地下水情況設(shè)置仰斜式排水孔。經(jīng)專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為Ⅲ，為高度風(fēng)險(xiǎn)。

由于所在地區(qū)氣候炎熱多雨、多臺(tái)風(fēng)和暴雨等惡劣天氣，邊坡開挖后，在雨季和臺(tái)風(fēng)季節(jié)出現(xiàn)集中降雨情況下，坡面沖刷嚴(yán)重，易產(chǎn)生局部坍滑、垮塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。從邊坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，該邊坡強(qiáng)弱風(fēng)化界線較陡，在連續(xù)降雨情況下，強(qiáng)弱風(fēng)化界面易成為潛在滑面，繼而出現(xiàn)沿強(qiáng)弱風(fēng)化界線滑移問題。

1.2 邊坡施工期安全監(jiān)測(cè)

在邊坡K20+880～K21+080段開挖施工開始，就同步實(shí)施了自動(dòng)化安全監(jiān)控，且以邊坡深部位移和坡體表面位移、坡表土體傾斜為監(jiān)測(cè)核心，能較全面監(jiān)控邊坡宏觀變形發(fā)展趨勢(shì)。該段共設(shè)置地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)(2-1～2-7)，深部位移監(jiān)測(cè)孔5個(gè)(3-1～3-5)，地表傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)(5-1～5-7)，孔隙水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)1個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1(b)所示。同時(shí)實(shí)施了孔隙水壓力監(jiān)測(cè)，以掌握坡體中孔隙水壓力變化情況，為邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)提供參考，也可作為邊坡開挖控制的依據(jù)。

2 基于位移監(jiān)測(cè)信息的邊坡動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)

2.1 邊坡位移監(jiān)測(cè)信息

自對(duì)邊坡K20+880～K21+080段開展自動(dòng)監(jiān)控以來，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反映邊坡的變形動(dòng)態(tài)。在2017年11月1日—12月15日期間，邊坡正處于放坡開挖施工中，該地區(qū)持續(xù)大風(fēng)及暴雨天氣對(duì)邊坡造成不利影響。邊坡變形監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示。由圖2(a)測(cè)點(diǎn)2-2、2-6和2-7的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，邊坡表面無明顯變形。圖2(b)顯示在降雨作用下，深部位移變形出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，在X軸正方向(傾向坡外)及Y軸正方向(傾向邊坡左側(cè))均產(chǎn)生了位移，且坡體深部位移發(fā)展比表面位移和坡表土體傾斜明顯，表明在降雨和施工擾動(dòng)作用下，邊坡內(nèi)部產(chǎn)生了傾向公路的變形趨勢(shì)。

2.2 邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)反饋

圖2邊坡位移監(jiān)測(cè)信息表明，在11月3日降雨后邊坡穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)了變化，而現(xiàn)場(chǎng)巡查并未發(fā)現(xiàn)坡體表面和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、開裂等現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方與設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工等單位共同分析后，認(rèn)為在邊坡表面未出現(xiàn)變形跡象時(shí)，不宜立即采取工程調(diào)控措施。在2017年11月15日—20日期間，坡體變形開始顯現(xiàn)，11月22日現(xiàn)場(chǎng)人工巡查發(fā)現(xiàn)，邊坡3、4、5級(jí)平臺(tái)截水溝、格子梁及邊坡表面均出現(xiàn)了明顯裂縫，如圖3所示，邊坡右側(cè)邊緣坡體裂縫和格子梁裂縫在豎向已貫通。

分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，與上一監(jiān)測(cè)周期(10月1日—30日)對(duì)比，11月內(nèi)邊坡變形較大，且變形速率較大，呈持續(xù)增長趨勢(shì)。邊坡位移變化量如表1所示。由表1可知， 11月14日是最大降雨量日，此次降雨后，地表位移及深部位移均出現(xiàn)了最大值，其中深部位移于11月16日達(dá)到0.47°，地表位移在11月20日達(dá)到日最大變形量34 mm。由于該地區(qū)12月持續(xù)降雨，邊坡仍處于蠕動(dòng)變形中，地表位移于12月9日達(dá)到79 mm。經(jīng)人工巡視發(fā)現(xiàn)，該邊坡各處裂縫較11月均在變大，且格子梁多處有新裂縫產(chǎn)生。

這一動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息變化充分表明邊坡變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好地反映邊坡開挖和支護(hù)過程，由于受降雨的影響，對(duì)邊坡下部造成嚴(yán)重沖刷，減小了邊坡的抗滑力，同時(shí)加速了降雨在坡體內(nèi)的入滲，下滑力增大，加劇了邊坡的變形破壞。由此可見，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較完整地反映了因降雨造成邊坡體應(yīng)力變化而形成的坡體位移變化，且位移由坡體內(nèi)部逐漸發(fā)展到表面，最終影響到防護(hù)結(jié)構(gòu)這一動(dòng)態(tài)過程。

3 基于位移監(jiān)測(cè)信息的邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

邊坡穩(wěn)定狀態(tài)與其變形、破壞的宏觀跡象密切相關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、監(jiān)測(cè)的宏觀表征，可以基本判定邊坡所處的安全狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)估，為邊坡施工過程控制提供依據(jù)?；谶吰掳踩O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的巡查和專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，可確定邊坡當(dāng)前的穩(wěn)定狀態(tài)，綜合當(dāng)前施工措施及施工工序的有效性和適宜性，根據(jù)邊坡支護(hù)需求和施工條件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行綜合調(diào)控，包括支護(hù)措施方案、施工時(shí)間、施工工序等。

(a) K21+040典型橫斷面示意

(b) 邊坡安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

邊坡K20+880～K21+080挖方頂部以殘積粘性土為主，中下部多為砂土狀和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。根據(jù)2017年11月—12月期間對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)信息反饋，受降雨影響邊坡已出現(xiàn)明顯變形，尤其是邊坡右側(cè)區(qū)域，裂縫貫通，支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，施工風(fēng)險(xiǎn)增大?？紤]到接下來還將有降雨影響，對(duì)本邊坡的安全風(fēng)險(xiǎn)作出評(píng)估，提出加強(qiáng)施工工序布置，嚴(yán)格控制邊坡分級(jí)分段開挖，及時(shí)實(shí)施分級(jí)，分段完善坡面防護(hù)措施和截排水措施。

4 風(fēng)化花崗巖邊坡安全動(dòng)態(tài)調(diào)控

4.1 風(fēng)化花崗巖邊坡施工安全調(diào)控措施

針對(duì)邊坡變形特點(diǎn)，采取了以下風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控工程措施：

1) 在第3級(jí)邊坡平臺(tái)上下3 m范圍內(nèi)，采用鋼花管注漿加固(1.5 m×1.5 m)；在第4、5級(jí)邊坡平臺(tái)附近，采用錨桿格子梁加固(3 m×3 m)。

2) 調(diào)整邊坡防護(hù)施工工序，由原先的自上而下支護(hù)調(diào)整為先實(shí)施邊坡下部防護(hù)結(jié)構(gòu)再實(shí)施上部結(jié)構(gòu)。

3) 修復(fù)邊坡截水溝和平臺(tái)截水溝，并連通平臺(tái)截水溝與邊坡截水溝。

實(shí)施安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控措施后，2017年12月16日—2018年1月18日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。圖4顯示數(shù)據(jù)變化趨于正常，盡管在降雨和施工的影響下，變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定波動(dòng)，但邊坡體和支護(hù)結(jié)構(gòu)物均無新的變形。

采取調(diào)控措施后，現(xiàn)場(chǎng)巡查也未發(fā)現(xiàn)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡體既有裂縫的繼續(xù)發(fā)展跡象，邊坡的施工安全風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。

(a) 邊坡表面位移監(jiān)測(cè)

(b) 邊坡深部位移監(jiān)測(cè)

(c) 邊坡地表傾斜監(jiān)測(cè)

(a) 邊坡格子梁裂縫

(b) 邊坡截水溝裂縫

4.2 基于位移監(jiān)測(cè)邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控流程

邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的核心是邊坡自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)以及基于安全監(jiān)測(cè)信息對(duì)邊坡施工安全進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估。根據(jù)邊坡施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和異常狀態(tài)，實(shí)施信息化設(shè)計(jì)和施工工序、施工工藝的動(dòng)態(tài)調(diào)整，達(dá)到邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控的目的，其技術(shù)流程如圖5所示。

表1 邊坡位移變化量

(a) 邊坡表面位移監(jiān)測(cè)

(b) 邊坡深部位移監(jiān)測(cè)

(c) 邊坡地表傾斜監(jiān)測(cè)

圖5 邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控技術(shù)流程

5 結(jié)論

采用基于自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)的邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)化花崗巖邊坡施工安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)管理，為邊坡動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管控提供技術(shù)支撐，主要認(rèn)識(shí)如下：

1) 邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的核心是構(gòu)建邊坡施工期安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并基于安全監(jiān)測(cè)信息反饋開展邊坡施工安全的動(dòng)態(tài)評(píng)估。

2) 邊坡施工期自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，應(yīng)結(jié)合邊坡開挖與防護(hù)、加固方法和施工工藝，確定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)區(qū)域。

3) 邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信息可及時(shí)反映出邊坡內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整和位移變形趨勢(shì)，比現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)的邊坡表面變形早2周左右，可為邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供重要的基礎(chǔ)信息。

4) 邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控措施決策應(yīng)以安全監(jiān)測(cè)反饋的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為主，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巡查時(shí)坡體變形或結(jié)構(gòu)物裂縫顯現(xiàn)，為邊坡安全調(diào)控提供決策依據(jù)，可避免傳統(tǒng)上單一的以現(xiàn)場(chǎng)查看到破裂跡象為依據(jù)的滯后決策方法，為盡早進(jìn)行安全動(dòng)態(tài)評(píng)估爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。