葉咸， 陳文， 張新民， 李果， 趙鑫， 潘俊良

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室， 云南 昆明 650041； 2.玉溪市晉紅高速公路投資有限公司)

受到復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件制約，山區(qū)高速公路的橋隧比高，公路隧道、高路塹邊坡工程等大量開挖，因此產(chǎn)生大量的棄渣，分布于公路沿線，需選定適宜的棄渣場進(jìn)行集中處置。作為公路的重要附屬工程，棄渣場主要表現(xiàn)出：① 數(shù)量多：在中國東南部丘陵區(qū)，平均100 km需要設(shè)置29處棄渣場；在西南山嶺重丘區(qū)則密度更大，如云南省施甸至勐簡高速公路施甸至鏈子橋段全線87.035 km的線路分布36處棄渣場；② 危害大：施工完成后棄渣場在暴雨、地震等誘因下可能發(fā)生滑塌、泥石流等次生災(zāi)害，對渣場附近的建筑物或人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。如四川的蒲虹公路，全長26 km，沿線共設(shè)置17座棄渣場，2010年3月底，在強降雨影響下多座棄渣場發(fā)生泥石流，其中13#棄渣場規(guī)模較大，泥石流翻越攔渣壩、淤埋公路，對下游居民產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。棄渣場一旦出現(xiàn)安全穩(wěn)定問題，將造成嚴(yán)重的后果。由于棄渣場地質(zhì)條件復(fù)雜、棄渣成分復(fù)雜等，棄渣場安全穩(wěn)定評價結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，對于庫容較大、危險性較大的高陡棄渣體邊坡，進(jìn)行安全穩(wěn)定監(jiān)測工作十分必要。

通過查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前山區(qū)高速公路取棄土場的監(jiān)測主要是環(huán)境監(jiān)測，包括水土流失監(jiān)測、破壞面積監(jiān)測、地表水污染監(jiān)測、植被恢復(fù)監(jiān)測等，而棄渣場安全穩(wěn)定監(jiān)測方面的研究少見報道。該文以云南省晉紅高速公路陸家屯棄渣場為例，結(jié)合無人機傾斜攝影測量、GNSS地表相對位移監(jiān)測、地下深部位移監(jiān)測、降雨量監(jiān)測等多種監(jiān)測手段，對適用于山區(qū)高速公路棄渣場的安全穩(wěn)定監(jiān)測方法進(jìn)行初步的探討。

1 監(jiān)測方法

棄渣場系大型人工堆積體，巖土體結(jié)構(gòu)松散，變形破壞機制復(fù)雜。在棄渣場建成后，大多數(shù)棄渣場經(jīng)過固結(jié)沉降逐步穩(wěn)定，但是部分棄渣場在受到降雨、地下水、機械振動等影響下，容易發(fā)生垮塌、滑坡或泥石流。不同于一般的公路邊坡或滑坡監(jiān)測，棄渣場安全穩(wěn)定監(jiān)測應(yīng)通過多種監(jiān)測手段進(jìn)行。棄渣場的安全穩(wěn)定監(jiān)測，應(yīng)基于宏觀觀察，從整體上把握棄渣場各區(qū)域的穩(wěn)定性，再對比分析渣場表面以及巖土體內(nèi)部位移變化趨勢，結(jié)合降雨量、地下水動態(tài)變化等，最終綜合判定棄渣場的安全穩(wěn)定性。

1.1 無人機傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量技術(shù)近年來發(fā)展較快，在高陡危巖、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害中得到廣泛運用。無人機傾斜攝影測量成果用于真三維地形建模，可以展現(xiàn)棄渣場工程全局形態(tài)并保持局部細(xì)節(jié)，可以清楚反映棄渣場變形破壞的類型、規(guī)模、區(qū)域范圍等。通過無人機傾斜攝影測量技術(shù)，可從宏觀上把握棄渣場施工前后地形的變化，亦可為位移監(jiān)測和人工巡查等提供數(shù)據(jù)支撐。因此，在進(jìn)行位移監(jiān)測之前先進(jìn)行無人機傾斜攝影測量十分必要。

1.2 GNSS地表相對位移監(jiān)測

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)能夠全天候、高精度和自動化獲取地表三維坐標(biāo)，而且在實際監(jiān)測時不受站點間通視條件限制，定位誤差不隨時間積累，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛。GNSS監(jiān)測系統(tǒng)由一個監(jiān)測基站和多個監(jiān)測站構(gòu)成，在實際布設(shè)時，將監(jiān)測基站布設(shè)在安全穩(wěn)定的區(qū)域，監(jiān)測站布設(shè)在棄渣場地面比較典型的區(qū)域。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可將地表位移數(shù)據(jù)傳至室內(nèi)電腦、服務(wù)器或手機終端，供技術(shù)人員使用。GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)通常能做到半小時傳遞一次，數(shù)據(jù)連續(xù)性好。通過布設(shè)GNSS監(jiān)測站，采集棄渣場地表相對位移，有助于掌握棄渣場整體變形趨勢。

1.3 深部位移監(jiān)測

根據(jù)無人機傾斜攝影成果，在棄渣場典型位置布設(shè)深部位移監(jiān)測鉆孔，安裝深部位移測斜裝置，可以獲取棄渣場內(nèi)部不同深度范圍處的位移。根據(jù)位移時間變化曲線、深度位移曲線等數(shù)據(jù)處理手段，可以準(zhǔn)確地獲取潛在滑動面位置及變形趨勢。目前深部位移監(jiān)測裝置較為常用的有兩種：① 帶滑軌的測斜管，通過人工監(jiān)測，每次需將測斜探頭沿滑軌由下向上滑動，經(jīng)過簡單的操作即可獲得一期位移數(shù)據(jù)；② 近年來用途較為廣泛的一種基于陣列式加速度傳感器MEMS的新型柔性測斜裝置，該裝置放入鉆孔中，設(shè)置好主要方向后即可實現(xiàn)高精度、大量程、自動化連續(xù)監(jiān)測。

1.4 地下水動態(tài)變化監(jiān)測

地下水對棄渣場的整體穩(wěn)定性影響程度與棄渣場巖土體類型有關(guān)。例如灰?guī)r類棄土含有大量紅黏土，具有吸水膨脹的特點，在暴雨作用下，棄渣受到地下水影響，靜水壓力和動水壓力急增，容易產(chǎn)生滑坡或形成較大規(guī)模的黏性泥石流。因此應(yīng)根據(jù)棄渣場類型，在棄渣場合理位置布置地下水動態(tài)變化監(jiān)測孔。

1.5 降雨量監(jiān)測

降雨是造成棄渣場病害最為顯著的因素，因此通過監(jiān)測手段監(jiān)測棄渣場區(qū)域降雨量，對分析棄渣場位移變化和安全穩(wěn)定性預(yù)測預(yù)報均十分必要。降雨量監(jiān)測可以采用翻斗式雨量計，設(shè)備成本較低。

綜上，在實際監(jiān)測工程中，可先采用無人機傾斜攝影技術(shù)，在宏觀上查明棄渣場詳細(xì)情況及周邊環(huán)境，根據(jù)該測量成果選取棄渣場較為敏感的位置(易發(fā)生變形的位置或一旦發(fā)生變形破壞危害較大的位置)布設(shè)GNSS地表位移監(jiān)測站和深部位移監(jiān)測裝置，獲取棄渣場變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。最后結(jié)合降雨量、地下水位情況、位移變化情況，輔助現(xiàn)場人工巡查，進(jìn)行綜合分析。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)源較多，應(yīng)注意分析各數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性。

2 工程實例

2.1 工程概況

陸家屯渣場位于晉紅高速公路K28+620右側(cè)，是典型的溝道型棄渣場。棄渣場所在區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕低中山地貌，地表多為林地、果園、荒地。區(qū)內(nèi)年平均降雨量1 094.1 mm，歷年最大日降雨量256.7 mm。棄渣場所處溝谷延伸較遠(yuǎn)，天然坡比為14.6%，匯流面積約為2 km2。主要地層為第四系沖洪積層、殘坡積層粉質(zhì)黏土及碎石土，下伏前震旦系昆陽群美黨組板巖。區(qū)內(nèi)發(fā)育一條平移斷層，無其他地質(zhì)構(gòu)造。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.20g，對應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反映譜特征周期為0.40 s?？傮w上，陸家屯地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜。

陸家屯渣場的棄渣成分復(fù)雜，主要為附近隧道洞渣、路基挖方，以及部分原有鐵路棄渣與生活垃圾。渣場上壩設(shè)計高程為1 884.419 m，下壩設(shè)計高程為1 831.758 m，渣場堆高較大。需要說明的是，在渣場所處溝道的下游有晉紅高速公路主線、看守所以及鐵路橋梁等重要設(shè)施。棄渣場一旦發(fā)生滑坡，將對相關(guān)設(shè)施和人員安全造成巨大危害。因此對棄渣場的安全穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)測十分必要。

2.2 監(jiān)測布設(shè)

采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，宏觀掌握棄渣場特點，棄渣場整體上可分為下壩區(qū)、中部平臺及上壩區(qū)，分別布設(shè)監(jiān)測手段(圖1)。

圖1 監(jiān)測點剖面位置圖

(1) 下壩區(qū)

由于下壩區(qū)緊鄰公路主線及紅塔區(qū)看守所，填土厚度大，臨空面范圍大，是監(jiān)測的重點。在下壩區(qū)邊坡頂部布置兩個GNSS監(jiān)測點，編號為G2和G3。在下壩區(qū)邊坡底部、中部、頂部分別布置1個深部位移監(jiān)測點，其中中部監(jiān)測點采用深部自動化位移測量裝置，監(jiān)測點編號為SZ1；底部和頂部采用滑動式測斜儀進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點編號為S1、S2。

(2) 平臺區(qū)

中部平臺區(qū)范圍較大，上游局部為原鐵路棄渣，由于較為松散，并且現(xiàn)棄渣與鐵路棄渣間界面為一軟弱結(jié)構(gòu)面，具有一定的安全風(fēng)險，需對其進(jìn)行監(jiān)測。在中部平臺表面上游布置1個GNSS監(jiān)測點，編號為G1。在中部平臺上游布置1個深部位移監(jiān)測點，采用深部自動化位移測量裝置，監(jiān)測點編號為SZ2。

(3) 上壩區(qū)

棄渣在上壩區(qū)形成邊坡，在雨水、地震等因素作用下有一定失穩(wěn)風(fēng)險，需進(jìn)行監(jiān)測。在上壩區(qū)邊坡中上部布置1個深部位移監(jiān)測點，采用滑動式測斜儀，監(jiān)測點編號為S3。

在該工程實例中，共布置表面位移監(jiān)測點3個。GNSS監(jiān)測點3個(G1～G3)，布置于棄渣場各處，用于長期、自動、高頻監(jiān)控下壩區(qū)邊坡頂部及鐵路棄渣區(qū)表面變形。共布置深部位移監(jiān)測點5個，其中采用深部自動化位移測量裝置監(jiān)測點2個(SZ1、SZ2)，分別布置于下壩區(qū)及上壩區(qū)邊坡，用于長期、自動、高頻監(jiān)控上、下壩區(qū)邊坡深部位移；采用滑動式測斜儀深部位移監(jiān)測點3個(S1～S3)，分別位于上、下壩區(qū)邊坡，作為自動深部位移監(jiān)測的有效補充。此外，還可以通過深部位移監(jiān)測孔，對棄渣場的整體地下水位進(jìn)行監(jiān)測。另布置降雨量監(jiān)測點1個(Y1)，布置于下游高速公路隧道管理所空曠場地內(nèi)，監(jiān)測棄渣場區(qū)域降雨量。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

(1) GNSS地表相對位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖2為從2017年8月1日至2019年5月25日，G1監(jiān)測點在Y方向(東西向)向正西(棄渣場反坡向)移動5 mm，在X方向(南北向)向正北方向移動2 mm，在Z方向(垂直方向)的位移量為7 mm。從位移量上看，X、Y、Z3個方向的位移變化都不明顯。

圖2 G1監(jiān)測點數(shù)據(jù)曲線圖

圖3為從2017年8月1日至2019年5月25日，G2監(jiān)測點在X方向朝正北(渣場左側(cè))移動量為20 mm；在Y方向(東西向)向正西(棄渣場反坡向)移動量為4 mm；在Z方向(垂直方向)的沉降量為122 mm。2017年10月14日，Z方向位移陡增，與當(dāng)日發(fā)生強降雨有關(guān)。從監(jiān)測結(jié)果來看，X、Y兩個方向的位移量變化不明顯，Z方向的豎向沉降量較大。

圖3 G2監(jiān)測點數(shù)據(jù)曲線圖

圖4為從2017年8月1日至2019年5月25日，G3監(jiān)測點在X方向(南北向)向正北(渣場左側(cè))位移量為10 mm；在Y方向(東西向)向正西方向(棄渣場反坡向)發(fā)生位移量為3 mm；在Z方向(垂直方向)的位移量為13 mm。從監(jiān)測結(jié)果來看，X、Y、Z3個方向的位移量變化都不明顯。

圖4 G3監(jiān)測點數(shù)據(jù)曲線圖

(2) 深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖5為S1監(jiān)測孔朝渣場下游方向位移-深度曲線，從圖5可以看到：2017年6月至2019年3月，15 m深度以上區(qū)域存在向渣場上游的變形，最大變形量約為37 mm，位移增加較為緩慢。

圖5 S1監(jiān)測孔朝渣場下游方向位移-深度曲線

圖6為SZ1監(jiān)測孔朝向渣場下游方向位移-深度曲線，圖6顯示：在38 m深度處明顯存在滑移面(該位置是填土與原地表接觸面位置)，35 m深度以上位移表現(xiàn)出持續(xù)增加。

圖6 SZ1監(jiān)測孔朝渣場下游方向位移-深度曲線

圖7為SZ1監(jiān)測孔5.5 m深度處位移-時間曲線圖，圖7顯示從2017年6月監(jiān)測開始，朝渣場下游方向位移持續(xù)增加，2017年10月下旬至2018年4月，位移量基本未增加，2018年4月中旬開始，隨著雨季的到來，位移量再次增加。表明SZ1監(jiān)測孔周邊棄渣體的位移變形與降雨具有緊密的聯(lián)系。

圖7 SZ1監(jiān)測孔朝渣場下游5.5 m深度處位移-時間曲線

圖8為S2監(jiān)測孔朝向下游方向的位移-深度曲線。

圖8 S2朝渣場下游方向位移-深度曲線

從圖8可以看出：在38 m深度處位移量陡然增加，該處顯示出滑移面(該位置是填土與原地表接觸面位置)，上部除28 m處外其他深度均表現(xiàn)出位移量增加的現(xiàn)象，28 m深度處推測有較大塊石或其他原因?qū)y斜管產(chǎn)生了阻礙。2017年6月至2019年3月，朝渣場下游方向位移共增加約27 mm，位移量較小。

圖9為S2朝渣場下游方向5 m深度處時間-位移曲線。

從圖9可以看出：位移主要發(fā)生在2017年6月至2017年底，隨后位移量增加較小，位移變形趨勢趨于平緩。

圖9 S2朝渣場下游5 m深度處時間-位移曲線

圖10、11分別為SZ2、S3監(jiān)測孔朝渣場下游方向位移-深度曲線。從圖10、11可知，兩孔位置處位移量變化小，未見有明顯的變形破壞趨勢。表明棄渣場上壩區(qū)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖10 SZ2朝渣場下游方向位移-深度曲線

(3) 降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

降雨量監(jiān)測期間，陸家屯渣場共發(fā)生大暴雨1次，暴雨2次，大雨8次，其余主要為小～中雨(圖12、13)。從圖12、13可看出：陸家屯棄渣場每年5月至10月為雨季，干濕分明。從2018年降雨數(shù)據(jù)看，2018年全年降雨量926.4 mm，雨季降雨量853.8 mm，旱季72.6 mm，雨季降雨量占全年雨量的92.16%。

圖11 S3朝渣場下游方向位移-深度曲線

圖12 日累積降雨量

圖13 月累積降雨量

在7、8月，降雨強度一般，但是降雨較為連續(xù)。此類降雨易導(dǎo)致渣體內(nèi)部含水量提高，地下水水位上升，不利于渣場邊坡穩(wěn)定。

結(jié)合前述深部位移與地表位移監(jiān)測成果分析，棄渣場邊坡局部仍在緩慢沉降變形，且該變形受降雨影響較為明顯，降雨是控制邊坡安全穩(wěn)定的重要因素。

(4) 地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖14為監(jiān)測孔地下水位變化曲線。

圖14 監(jiān)測孔地下水水位變化曲線

從圖14可知，S1和S3監(jiān)測孔水位較為穩(wěn)定，一方面，表明受地表降雨影響較小；另一方面可以推測兩處地下水徑流通道較為暢通，降雨進(jìn)入渣體后，這兩處地下水迅速向下游徑流，因此在兩處地下水水位變化不大。S2監(jiān)測水位在8月至9月出現(xiàn)上漲，而在雨季5、6、7、10幾個月地下水水位與旱季地下水位基本一致，8月與9月屬于降雨較為連續(xù)、集中的月份，表明在該處地下水徑流受到一定程度的影響，在大雨或連續(xù)降雨下，該處地下水水位上升，對S2監(jiān)測孔處渣體邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，而該處正是棄渣場填土厚度最大的位置，應(yīng)注意降雨的影響，做好地表水排水，減少地表水進(jìn)入渣體內(nèi)部。

地下水監(jiān)測結(jié)果與降雨監(jiān)測結(jié)果對應(yīng)較好，降雨后，地表水入滲進(jìn)入渣體內(nèi)部，由于渣體松散，孔隙較多，滲透能力很強，因此地下水水位變化與降雨量相比并沒有出現(xiàn)明顯的滯后。在降雨后，地下水水位抬升，在渣體內(nèi)部局部存在較高的靜水壓力，此外還存在滲流、動水壓力等，均對渣體穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此在降雨后將地表水迅速、順暢排出非常重要。

(5) 人工巡查結(jié)果

通過定期人工巡查，對棄渣場地表積水、排水溝等進(jìn)行調(diào)查，能夠及時反映出相關(guān)病害，并給出處治對策，是對位移監(jiān)測等的有效補充。如圖15所示，棄渣場施工完畢1年后，多處排水溝開裂、淤堵，局部出現(xiàn)低洼，一旦發(fā)生強降雨或者連續(xù)降雨，將出現(xiàn)積水。

圖15 人工巡查結(jié)果(基于無人機三維模型)

2.4 監(jiān)測成果發(fā)布

通常情況下，從監(jiān)測數(shù)據(jù)采集端獲取的數(shù)據(jù)，要么分散在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，要么只能通過監(jiān)測報告呈現(xiàn)，業(yè)主很難實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，對棄渣場現(xiàn)狀安全情況的把握不足，使用效果不佳。

在該工程實例中，研發(fā)了集深部位移監(jiān)測、GNSS地表位移監(jiān)測、降雨量、地下水等多種數(shù)據(jù)源的信息平臺。通過平臺實時發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，工程師、業(yè)主均可實時查詢監(jiān)測信息，了解棄渣場安全狀況，在暴雨、地震前后，迅速獲取棄渣場變形情況，為棄渣場安全穩(wěn)定性分析提供強力支撐。

2.5 監(jiān)測結(jié)果

截至2019年5月，陸家屯棄土場整體穩(wěn)定性較好。通過綜合監(jiān)測表明，棄渣體變形與雨季關(guān)系密切，變形未表現(xiàn)出快速增加的趨勢，但也未呈現(xiàn)出收斂特征。需要指出，下壩區(qū)上部(SZ1～S2附近)坡度較陡、棄渣填土厚度較大，受降雨、地下水影響，在填土范圍內(nèi)監(jiān)測到變形，潛在滑面較為明顯，位移量勻速增加，變形速率目前較為緩慢，應(yīng)注意該部的變形情況。

3 結(jié)語

山區(qū)高速公路棄渣場工程數(shù)量越來越多，由于棄渣場屬于大型人工堆積體，成分復(fù)雜、壓實度低，在暴雨、連續(xù)強降雨、地震等不良作用影響下，容易發(fā)生滑坡、泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅下游建筑物及人類生命財產(chǎn)安全。

該文初步探討一種綜合無人機傾斜攝影測量技術(shù)、GNSS地表相對位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、降雨量與地下水位動態(tài)監(jiān)測等監(jiān)測技術(shù)為一體的監(jiān)測方法。實例研究表明：該方法在山區(qū)高速公路棄渣場工程安全監(jiān)測上具備可行性，結(jié)果可靠性較高，適合在山區(qū)高速公路建設(shè)區(qū)推廣應(yīng)用。