佛山广明高速公路有限公司 广东佛山 528000
摘要：广明高速公路西樵至高村段K110段高边坡左右两幅有设计采用预应力锚索加多级桩板式挡土墙进行防护，自2009年6月通车运营至今，虽然目前该边坡桩板墙总体情况良好，但也出现过个别锚索处渗水情况。为了能够及时发现高边坡桩板墙的位移及变形，确保高速运营安全，佛山广明公司委托华南理工大学研发了“高边坡变形长期监测系统”，24小时不间断对其位移进行监测，有效降低了因人工检查不到位而可能造成的安全风险。
关键词：高边坡；桩板墙；长期监测系统
一、背景介绍
广明高速公路西樵至更楼段自2009年6月通车，至今已接近11年。K110+230-450左侧、K110+010-K110+460右侧地面线较陡，且地质不佳，设计采用预应力锚索加多级桩板式挡土墙进行防护。桩板墙桩长度12-20m不等，根据地质情况分段采用不同截面尺寸的桩。K110+010-K110+190右侧第1级桩采用1.5m×2m矩形断面，第2级桩采用2m×3m矩形断面；K110+196-K110+244右侧桩采用1.5m×2m矩形断面；K110+244-K110+310右侧第1排桩均采用2m×3m矩形断面，第2排桩均采用1.5m×2m矩形断面，K110+316-K110+454右侧第1、2级桩截面尺寸应为2m×3m矩形断面；K110+232-K110+448左侧第1级桩采用2m×3m矩形断面，第2级桩采用2m×3m矩形断面。地面以上部分在矩形截面两侧各加厚0.5m、宽0.65m作为翼缘板，桩采用现浇C25砼。两桩之间设挡土板，挡土板为预制C30砼，桩中到中间距6m。目前，虽然该边坡的桩板墙整体情况良好，但也出现过5处锚头渗水但因无法确定锚索是否有损伤而新增锚索的情况。在日常检查中，人工检查也因为各种客观因素导致对桩板墙整体位移情况和内部锚索损坏情况无法清楚掌握，存在很大的安全风险。为了能够及时发现高边坡桩板墙的位移及变形，确保高速运营安全，佛山广明公司委托华南理工大学研发了“广明高速公路高边坡变形长期监测系统”并对其进行长期监测。
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图1 广明高速高边坡桩板墙
二、监测系统研发
（一）系统简介
广明高速边坡变形长期监测系统主要包括2个部分：供电系统和测量系统。供电系统采用的是太阳能供电系统，主要设备有太阳能板、蓄电池、光伏控制器、防雷保护开关等。测量系统包括监测微机、远距离工业摄像机、位移标志牌、LED灯、直流稳压降压器等主要设备。此外，还需要光端机、光缆等数据信号传输设备，其中光缆用于将光端机和高速公路主光缆连接起来。除监测微机安装在广明高速监控中心外，其余设备均安装在边坡现场。
（二）系统基本原理
高边坡监测系统利用数字摄影测量技术，它以数字影像信息为基础，利用计算机硬件和专用的数字摄影测量软件完成摄影测量，并能够得出多种数字产品和模拟产品。摄影测量是一种高度自动化的数字测量技术，通过专属数字图像处理技术来准确地确定目标的空间位置，并与初始位置比较，以测量出目标的微小位移数值。图像的获取一般是通过数码相机或数码摄像机，并且通过在软件运用先进的算法，能够成功实现亚像素级别的高精度。
（三）建立模型
1.模型参数
表1 模型参数
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2.建立模型
在对边坡稳定性进行分析时，实际工程应用中一般通过建立模型并作以下几种假设，使得边坡稳定性的分析计算变得更加的快捷：不考虑土体之间的接触面；假设土层是均匀分布在边坡中；不考虑施工带来的附加荷载而产生的应力应变变化；采用平面应变的单元类型；屈服准则的选取是采用具有快速收敛的优点的D-P屈服准则。
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图2 模型尺寸图
模型结点数为13146个，单元数为6570个，如图3。
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图3 边坡有限元模型
（四）边坡稳定性分析
1.相关要求
根据《建筑边坡工程技术规范》，在边坡监测期间出现有①水平方向位移或者因结构受力造成的裂缝有发展、裂缝宽度或位移量已超过规定允许值的。②边坡及附近建筑物沉降量或者整体倾斜已经大于规范允许值的80%的。③支护结构重要构件部位及坡底端部位或周围土体出现破坏迹象或影响安全的征兆。④依据经验判断出必须报警的其它情况的，应当及时发出报警并采取相对应的应急处治措施。
2.报警值
本边坡桩板墙高度为22.5m，计算其监测报警值为225000/500mm和20mm的较小值，即将报警值设为20mm。
3.特征点水平位移分析
根据在模型中计算，当设定锚杆损伤不同时，各特征点的水平位移情况如表2。
表2 各特征点水平位移情况
从计算结果可以看出当损伤不断增大时，各结点的水平位移呈现出增大的趋势，并且可以看出损伤在0-80%结点水平位移增长速度比较慢，损伤大于80%时增长速度明显增大。同时，不同位置的结点它们的增长速度也不一样，从图4可以看出106结点的增长速度大于2结点的增长速度；2结点的增长速度大于13007结点的增长速度；13007结点的增长速度大于2935结点的增长速度。
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图4 结点位移
从模拟计算中可以得出结论：滑坡是一个逐渐发展的过程，并且是由慢到快，越到后面发展越快，这对边坡的监测不利；等到边坡位移达到国家规定的20mm，边坡基本已经破坏，为了使边坡能够保持在稳定状态，在锚杆的损伤程度为60%时，设定提醒值，表明边坡锚杆已损伤了60%要开始对其重视；在锚杆的损伤程度为80%时，设定报警值，从上面的模拟计算中可以得此时结点106的水平位移为8.3mm，结点2的水平位移为3.5mm，结点13007的水平位移为5.4mm，结点2935的水平位移为1.5mm。当实时监测数据出点8.3mm时，系统自动报警，接到报警后要对边坡进行详细的检查，并对边坡进行加固，防止边坡的破坏。
通过微动测量仪的实时监测，可以对边坡的位移进行实时的监测，当监测数据出现设定的报警值时，需要对边坡进行详细的勘查，并对其进行加固。
（五）测点与系统布置安装
根据模型计算及分析情况，本次桩板墙监测共设置了7个测点。
测量系统包括结构位移标志牌和测量装置2部分，桩顶锚杆上方1m处固定位移标志牌作为监测对象，并在标志牌前安装LED灯用于夜间照明，而测量系统安装在电线杆上，拍摄测点标志牌。系统布置示意图如下：
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图5 系统布置示意图
三、监测情况
根据现有监测数据和模拟计算，目前7个测点监测数据是离散的，但位移量波动范围均在[-0.05，0]内，表明高边坡桩板墙仍处于正常工作状态。
（一）监控电脑实时监测图
图8 测点1监测实时数据
（三）监测数据处理分析图例
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图9 测点1分析平均数据
四、结论
本高边坡桩板墙长期变形监测系统，经过测试及运行，能够正常获取测点图像数据并对其进行分析计算。通过设定报警值为锚杆损伤80%，即位移为8.3mm时，此时边坡未破坏，可以采取加固措施对边坡进行加固，确保边坡的稳定。根据现有监测数据和模拟计算，结合现场实际观察情况，目前结构仍处于正常工作状态，表明监测系统是可行有效的。通过本监测系统的研发及应用，可以使得运营方可以更直观的了解桩板墙的变形位移情况，并通过实时监测及其数据分析，能在结构出现问题前发出预警，以提醒对其进行详细检查，并及时采取相关加固处治措施，防止结构的破坏，确保边坡稳定性。
参考文献：
[1]蔡路军，马建军，周余奎，虞珏，柯清华，《岩质高边坡稳定性变形监测及应用》，《金属矿山》2005年08期，46-48。
[2]温亿明，《亚像素位移测量算法的研究及应用》，华南理工大学专业学位硕士学位论文，2017年2月。