邊坡監測

邊坡監測（slopemonitoring）是指為掌握邊坡岩石移動狀況，發現邊坡破壞預兆，對邊坡位移的速度、方向等進行的監測。我國礦山一般採用長期觀測法，在裂隙兩側設定觀測樁，先測量樁距的變化，再計算邊坡的位移。

基本介紹

• 中文名：邊坡監測
• 外文名：Slope monitoring
• 包括：圍岩、位移、傾斜
• 監測法：巨觀地質監測法、簡易監測法
• 拼音：bian po jian ce
• 學科：冶金工程

簡介

邊坡穩定問題由於受其複雜的地質條件的影響,一直是岩土工程界關注的焦點問題。 隨著國民經濟的快速發展,人類的工程活動必然越來越頻繁,規模也越來越大。同時,由於工程場地的可選餘地正在減少,工程設計在一定程度上將面臨更加複雜的地質條件。 因此,在進行邊坡設計時需要更多的考慮邊坡的地質條件對其穩定性的影響及其變化趨勢。

長期以來,工程地質界、岩土力學界對邊坡穩定性進行了大量的研究工作,但至今仍難以找到準確評價的理論和方法。比較有效地處理這類問題的方法,就是理論分析、專家群體經驗知識和監測控制系統相結合的綜合集成的理論和方法。

可見邊坡監測與反饋分析是邊坡工程中的一個重要環節。同時,為了使監測與反饋符合岩土工程動態最佳化設計和信息化施工的要求,需要建立監測信息快速反饋分析技術。

邊坡監測系統的建立

1 　監測目的

邊坡工程監測的主要目的: (a) 為了保證工程施工和運行的安全。 (b) 評價邊坡理論分析結果和經驗判斷

成果的依據,是修改設計和指導施工的客觀標準。 (c) 為工程岩土體力學參數的反演分析提供資料。 (d) 為掌

握邊坡變形特徵和規律提供資料,指導在邊坡發生嚴重變形條件下的應急處理。 (e) 為分析岩體結構與邊坡

變形破壞的關係,預測邊坡變形破壞趨勢,評價邊坡的長期穩定性提供條件。

2 　監測系統的設計原則

由於監測系統對邊坡設計、施工和運行都起著相當重要的作用,重要工程的監測系統應當通過綜合各種有關資料和信息進行精心設計。一般要按照以下設計原則:

(a) 可靠性原則　包括監測方法的可靠性和監測儀器的可靠性。

(b) 多層次原則　指採用多種監測手段以便互相補充和校核;採用地表監測和地下監測相結合的立體監測。

(c) 以位移為主的監測原則　變形監測是邊坡監測的主要手段,也是變形破壞分析的基本依據。

(d) 關鍵部位優先原則　分析各種有關資料,確定監測的關鍵部位和敏感部位等重點部位,並優先布置監測點。

(e) 整體控制原則　保證監測系統對整個邊坡的覆蓋。

(f) 遵照工程需要原則　監測系統的布置要充分考慮工程的特點和工程建築對邊坡的要求。

(g) 方便適用原則　監測方法和儀器要便於操作和分析,力求簡單易行。

(h) 經濟合理原則　監測系統要考慮信息的豐富性和造價的合理性兩方面的要求。

建立監測系統的關鍵技術問題

建立能滿足以上原則的監測系統,要解決好關鍵部位和敏感部位的確定和監測技術水平等關鍵問題。

（1） 關鍵部位和敏感部位的確定

根據突破理論,岩土體發生破壞,不可能各個部位都同時發生,只能從一處或少數幾處開始發生點破壞,然後隨著應力調整、強度和外界條件等的變化,或者繼續發生逐次破壞,或者轉向穩定。 因此,優先監測潛在變形破壞點能提高整個監測系統的效率。

突破理論套用的關鍵是確定關鍵部位和敏感部位,這就需要綜合研究各種信息,包括工程信息、地質條件信息、理論分析成果、專家群體經驗、施工運行中的信息及氣象信息等,分析邊坡各種可能的變形破壞機理,研究各種變形破壞機理下的可能的關鍵部位和敏感部位,最后綜合確定邊坡的關鍵部位和敏感部位。

工程套用表明,由有理論、有經驗且熟悉各種信息的人員主持監測系統的設計,不僅可以使監測系統具有更高的效率,而且還可以節約大量的監測經費。

（2） 監測技術研究

監測系統的功能主要依靠監測技術來實現。系統的可靠性很大程度上取決於監測儀器的可靠性。 所以建立監測系統時首先要了解當前監測技術的發展狀況,選擇合適的儀器,必要時可研製適用儀器,提高監測技術水平。

由於岩土工程的地質條件和工程條件的複雜性,為了滿足具體工程的不同要求,人們對監測技術的發展極其重視。監測儀器種類繁多,從功能上看,監測儀器分為位移監測、動態監測、應力監測以及地表水和地下水監測。原理上看,分為機測、電測和光學測量等類型。從讀數方法上看,主要有接觸測量、有線遙測和無線遙測三種。

邊坡監測信息的常規分析

監測信息分析是邊坡監測的一個重要環節。通常先根據現場情況對監測數據作初步分析,即現場考察儀器是否正常、測點是否損壞、測值有無人為錯誤等,目的是剔除已被證明為不可靠的測值和對邊坡穩定狀況作初步判斷。 監測數據集中後,可用多種分析方法進行分析,目的是研究監測信息反映的邊坡狀況。常規的分析方法主要用於位移信息的分析研究。

a. 位移- 時間曲線分析法　 是常規分析法,具有直觀、快捷的優點,在分析中注意曲線形態和曲線是否收斂。

b. 回歸分析法　 用於研究位移變化規律,預測以後的位移變化。 曲線通常分指數型、對數型和雙曲線型等。

c. 時間序列分析法　 用於處理與時間有關的離散有序數列,以預測位移。

d. 灰色系統分析法　 灰色理論將隨機變數看作一定範圍內變化的灰色量,它的基本思想是把無規則的原始數據序列進行累加,生成有規律數據序列,然後進行建模預測。 以GM( m , n) 模型為基礎,對監測對象進行預測。

e. 綜合損害度分析法　 邊坡在開挖、降雨及地震等不利情況下,有可能受到損害,即強度減弱、穩定性降低,其損害程度將因部位和時刻的不同而不同。 因此,可根據位移量測值對損害度作出評價,為加固設計服務。

f . 綜合加固度分析法　 當邊坡進行削坡、排水和加固時,穩定性將提高,因為位移曲線的變化是岩體加固的綜合反映,所以用綜合加固度來評價加固效果,並分析下一步的加固方向。

g. 位移時空綜合分析法 　由於大型邊坡範圍大、測點多,對不同部位的測點在同一時間的位移測值分布規律及不同時間空間位移變化的分析較全面,這有利於邊坡整體變形破壞規律的研究。

h. 位移反分析法　 根據實測的開挖前後的位移值反演岩體力學參數,提高岩體力學參數的準確程度。

監測信息快速反饋分析技術

監測系統建立的目的,主要是獲取被測邊坡所處狀態的信息,並在獲取信息後分析邊坡的穩定狀況,了解邊坡在被施加控制(包括開挖、排水和噴錨等) 後的反應,為下一步的控制作出決策。 因此,信息反饋的速度和質量決定了監測系統的效益。 為了提高監測系統的效益,必須研究信息快速反饋分析技術,提高反饋的速度和質量。 監測信息的快速反饋分析,依賴於四方面技術的提高,即監測信息獲取速度的提高、監測信息管理水平的提高、監測信息分析水平和速度的提高以及監測反饋水平和速度的提高。

1 　監測信息獲取技術

傳統的監測信息獲取主要依賴於手工監測,獲取速度慢。 隨著測量技術的不斷發展,自動監測已逐漸成熟起來,使監測信息獲取的速度和質量的提高成為可能。 許多大型邊坡已開始部分或全部使用自動監測。考慮到經費的限制,可以選擇一些關鍵點進行自動監測,提高監測信息獲取的速度和質量。

2 　監測信息管理技術

傳統的監測信息管理是靠人工管理、分散儲存。 數據管理效率低,數據中的錯誤不能及時校正,不利於監測信息的有效分析。 建立監測信息管理系統能使監測信息集中管理、及時校正,為及時分析提供方便。

3 　監測信息快速分析技術

傳統的監測信息分析要經過數據收集、向上報告、專家分析、向下傳達的複雜過程,分析周期長,難以充分發揮監測系統的效用。 建立與監測信息管理系統相連線的監測信息分析系統,特別是利用可視化技術建立的分析系統,能使數據分析快速、直觀,具有很高的分析效率。

4 　監測信息快速反饋技術

監測的主要目的是通過獲取的邊坡監測信息,反饋邊坡的穩定狀況, 幫助工程師修改設計和指導施工。傳統的手工式預報和專家組討論的方法很難達到及時反饋。

編制邊坡穩定分析系統, 能及時反饋邊坡的穩定狀況,符合動態設計、及時處理的現代設計思想的要求。適用的邊坡監測信息穩定分析系統應能吸取傳統反饋分析的特點,通過建立以邊坡變形破壞機制為基礎的穩定性分析判據,及時的、動態的反饋邊坡的穩定狀況,為工程師修改設計和指導施工提供依據。

在五強溪水電站左岸船閘邊坡的套用

1 　工程概況

五強溪水電站是湖南西部沅水上裝機120 萬kW,壩高87。 5m 的大型水電站。 其通航建築物為三級船閘,布置在左岸。 左岸船閘邊坡高達165m,地質結構複雜,船閘邊坡的穩定問題是其主要的工程地質問題。

2 　左岸船閘邊坡監測系統的建立

為了保證邊坡穩定,在左岸布置了以變形監測為主的大型監測系統, 該系統採用點、線、面相結合, 形成了完整的監測網。

3 　邊坡監測信息管理系統的建立

為了管理邊坡監測信息, 建立了監測信息管理系統。資料庫管理了二十多個監測項目的數據, 許多項目從1992 年就開始監測, 積累了大量的監測數據, 目前這些數據均已入庫,布置的自動監測點能自動把監測數據送入資料庫。

4 　邊坡監測信息可視化分析系統

為了分析監測信息特徵,建立了具有可視化特徵的監測信息分析系統, 對監測信息進行常規分析, 以圖形的方式顯示和列印分析結果。

5 　邊坡穩定性反饋分析系統的建立

（1）　反饋分析的思路

將穩定程度分五級:監測數據相當正常為穩定(代碼為A) ;監測數據在正常範圍之內為基本穩定(代碼為B ) ; 監測數據稍微超過允許範圍為稍不穩定(代碼為C) ; 監測數據超過允許範圍並有發展的趨勢為一般不穩定(代碼為D) ;監測數據大大超過允許範圍並有可能惡化為嚴重不穩定(代碼為E) 。

屬於A 和B ,認為穩定情況較好;屬於C 為中間狀況,應引起注意;屬於D 已有少量不穩定先兆,穩定狀況較差,應考慮採取措施;屬於E 有明顯的不穩定先兆,必須緊急處理。

用監測信息判別其穩定級別,即判別邊坡不穩定先兆類型。 首先分析各監測項目所有可能的先兆類型判別方法,對每種方法都編制相應的處理程式。 然後根據實際需要,由監測信息查詢分析,結合專家經驗,特別是現場工程師的經驗,選擇和確定所研究邊坡的先兆分析方法及分析判據(界限參數) ,最後根據分析方法和分析判據建立邊坡穩定性反饋分析系統。 由現場技術人員利用反饋分析系統隨時動態地分析邊坡的穩定狀況。 隨著專家對邊坡的了解程度的深入,判據可動態修改。

（2）先兆分析參數

①　測點先兆分析參數

根據現場不同專業的專家群體對邊坡實測數據、邊坡真實變形破壞形式和穩定狀態的分析, 確定用月速率和位移階段增幅來判斷位移類測點先兆類型, 並定出有關界限值。

同樣,由專家確定用曲線上出現的台階高度來判斷鑽孔傾斜儀曲線形態先兆類型。

②　項目先兆參數

由專家確定用該項目達到某先兆類型的測點的百分數與界限百分數進行比較的方法,作為判斷該項目先兆類型的依據。

③　邊坡整體先兆參數

為了最後劃分邊坡先兆類型,還需要用邊坡某先兆類型的項目數與界限項目數進行比較,以作為判斷邊坡先兆類型的依據。這一比較的界限值也應由專家們確定。

（3）邊坡穩定性反饋分析

用邊坡不穩定先兆分析子系統來分析五強溪水電站左岸船閘邊坡。不穩定先兆分析結果如下:多點位移計第一點、鑽孔傾斜儀第一點和桿式測縫計總位移屬於基本穩定先兆類型,溝埋式伸長計、鑽孔傾斜儀曲線形態屬於稍不穩定先兆類型。

總結

a. 監測與反饋是邊坡工程不可缺少的組成部分,是維護邊坡穩定的重要依據。

b. 邊坡監測系統布置應優先考慮關鍵部位和敏感部位,關鍵部位的確定是布置監測系統的關鍵技術。

c. 快速分析技術可以及時發現邊坡存在的問題,及時反映工程措施對邊坡的影響。

d. 快速反饋技術可以及時預報邊坡的穩定狀況,為工程師修改設計和指導提供條件。

e. 邊坡的監測反饋是邊坡系統工程的組成部分,監測反饋必須與邊坡系統工程中的理論分析和專家群體經驗等組成部分有機地結合,才能提高整個系統的效益。