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第七讲边坡工程监测成都理工大学环工学院汪家林2009－12（5～6学时）1、工程边坡监测概述2、边坡监测的方法与手段3、边坡安全监测的设计4、边坡变形特征分析与预警研究5、资料整理信息反馈与预报6、工程实例第1节工程边坡监测概述倾斜的地面或地质体称为坡或斜坡，有一定边界范围的斜坡称为边坡，地质历史过程中由自然营力形成的边坡称为天然边坡或自然边坡（naturalslope），由于人类工程活动而形成的边坡称为工程边坡（engineeredslope)。另有一类特殊的边坡介于二者之间，这就是库岸边坡（reservoirbankslope)，指水库周边受库水作用影响的边坡，边坡是天然的，但人类改变了它的水环境。边坡是地壳表面具有侧向临空面的地质体，由坡顶、坡面、坡脚及一定深度内的坡体组成。一般坡面角小于10°的边坡称为缓坡，10～30°称为斜坡，30～45°称为陡坡，45～65°称为峻坡，65～90°称为悬坡，90°为直立边坡（峭壁），大于90°为倒坡。库岸边坡从岩性上边坡可分为岩质边坡和土质边坡。从高度上，不同部门的分类有差异。如水电工程高度小于10m称为低边坡，10～30m为中边坡，30～100m为高边坡，100m以上为超高边坡。人类有很大部分的生活是与坡地有关系的，这不仅包括生产、生活，也包括工程建筑，如能源建设、交通运输等工程。故边坡的稳定性对人类有重要的影响。人类在工程活动中将根据建筑物或构筑物布置的需要，对自然斜坡进行开挖从而形成开挖边坡。大部分斜坡在自然界各种营力长期作用下已达到了自然平衡状态，当边坡开挖时，由于应力解除及应力的释放或卸荷的作用，坡体内的地应力状态将发生很大的改变，坡体内的应力将产生重新分布，并改变原有的平衡状态：坡体随开挖的进行将以变形的方式调整其应力分布以寻求新的稳定状态。当新的平衡状态难以达成时，坡体变形将进一步增加，当变形超过一定限度后，坡体将最终产生失稳破坏（滑坡、塌滑等）。第1节工程边坡监测概述1.1岩质开挖边坡变形的力学机制原始地面线拟开挖部分斜坡在开挖前处在原岩应力场内，大部分情况下坡体处在自然平衡状态。在开挖前，拟开挖部分对保留部分存在力学作用。原岩应力原始地面线已开挖应力重分布开挖过程相当于解除拟开挖部分对保留部分的力学作用，将引起坡体内的应力重分布，可采用反转应力法模拟。应力重分布的效果：应力变化应变调整坡体位移应力重分布后果：1、强度问题应力与强度的关系:新的平衡或破坏2、变形问题变形收敛稳定或发散失稳破坏反转应力小湾水电站进水口边坡1.2工程边坡安全监测的原理从上述分析看，开挖卸荷是工程边坡变形的根本作用力，坡体变形（位移）是应力调整的必然结果，坡体的稳定性研究可由强度准则转化为与变形发展速率之间建立联系。边坡稳定性的极限平衡分析方法是将岩土体的强度准则简化为沿滑面的下滑力与抗滑力的比较，用稳定性系数K（抗滑力与下滑力的比值）来度量抗剪强度的富余程度，一般K＞1表示边坡稳定，K=1表示极限平衡，K＜1表示不稳定。但这个分析中，强度参数本身（c,φ)具有明显的不确定性，这导致分析结果及结论也具有明显的不确定性。从直观及理论上讲：稳定的坡体不存在变形发展过程，即变形（位移速率）为0，但完全没有变形反应的坡体是不存在的，故坡体即使存在一定的位移速率，若对人类的生产、生活及工程的安全不致于带来明显的损坏后果，我们也是可以接受，这类边坡我们从变形的角度也可认为它是稳定或基本稳定的，如位移速率在0.01～0.10mm/d的边坡。当坡体的位移速率较大且可能发展为滑坡时，会危及人类与工程的安全。若能从变形速率的度量上及可接受程度上来把握边坡变形发展过程，这也是边坡稳定性评价上的一个有效与直接的方法。边坡的失稳破坏，都有一个从渐变到突变的发展过程，很少在破坏前不显示出即将破坏的各种征兆：如变形量超过控制指标、变形加剧、坡体裂缝增大等。这些征兆，有些很难凭人的直觉和观察发现，如果能安装必要的精密仪器对坡体的变形进行监测，则可能在出现变形破坏的征兆时捕捉到坡体稳定性的异常信息，并对这些信息进行分析研究，在坡体最终破坏前对其进行处理，或及时预报滑坡险情，避免人员和设备的损失，这就是工程边坡安全监测的基本原理。监测的有效性建立在坡体变形有发展过程的基础上。工程边坡安全监测的原理我国目前正处于大规模建设时期，在各个建设领域如水利、能源、矿山、交通等各个部门中，出现了大量的大型边坡工程，如：水电站开挖边坡/露采矿山的边坡工程、公路边坡等。我国的岩土工作者们在边坡工程中开展了大量的监测工作，也取得了许多科研成果，为工程建设节约了大量投资，及时的预报也为抗灾救灾做出了很大的贡献。边坡工程的监测是一个复杂的系统工程，它并不仅仅取决于监测手段的高低和优劣，而更决定于监测人员对岩(土)体介质的了解程度和工况情况的掌握程度，因而在进行有关工程监测时，首先应对该地区的工程地质背景有一充分了解，并选择相应的方法利手段。1.3工程边坡监测的目的与意义紫坪铺导流洞出口边坡的滑坡及处理。边坡监测的目的与任务在水利、能源、矿山、交通等各个建设领域中，通过边坡工程的监测，可以达到以下目的：1、评价边坡施工及其使用过程中边坡的稳定与安全程度，并作出有关预测预报，为业主、施工方及监理提供定量数据，跟踪和控制施工进程，对原有的设计和施工组织的优化提供最直接的依据，对可能出现的险情及时提供报警值，合理采用和调整有关施工工艺和步骤，做到信息化施工和取得最佳经济效益；对于已经或正在滑动的边坡体掌握其演变过程，及时捕捉灾害的特征性质，为正确分析评价及预测预报与工程治理提供可靠的科学依据。2、为防治开挖引起的滑坡和蠕动变形提供技术依据，预测和预报今后边坡的位移、变形的发展趋势，通过监测可对岩土体的时效特性进行相关的研究，故监测也是滑坡调查、研究及防治工程的重要组成部分。3、对已经发生滑动破坏的滑坡和加固处理后的滑坡，监测结果也是检验崩塌、滑坡分析评价及滑坡治理工程效果的尺度，也是追究工程事故责任的主要依据之一。因而，监测既是崩塌滑坡调查、研究和防治工程的重要组成部分，又是崩滑地质灾害预测信息获取的一种有效手段。4、为进行有关位移反分析及数值模拟计算提供参数，对于岩土体的特征参数，由于通过试验无法直接取得，通过监测工作对实际监测工作的数据(特别是位移值)建立相关的计算模型，进行有关反分析计算。5、监测资料的积累与分析有利于深化我们的认识，从而更新设计理论。边坡监测的目的与任务1.4工程边坡监测的特点与发展工程边坡监测的特点：1、边坡监测是在敞开、露天的地质体上实施，故气候等条件会对边坡监测带来影响，降雨、地下水也会影响边坡的变形。2、监测场区范围相对较大，岩土体介质的复杂性决定了在监测范围内边坡变形破坏类型的差异，应根据具体的边坡地质条件研究可能存在的各种变形破坏模式，有针对性地开展监测工作。3、开阔的临空条件及复杂的环境条件使边坡的位移量级可以很大，故在方法及仪器选型等方面应考虑这一特点。4、工程边坡稳定的影响因素较多，除工程因素（开挖、支护）外还有环境因素，支护效果及稳定性影响因素也应作为监测的内容，故边坡监测的项目繁多，监测工作量较大。5、工程边坡的监测时间相对较长，一般应贯穿整个工程建设期，对重要边坡在运行期仍需要长期监测。工程边坡的监测首先在20世纪60年代在露天矿山开展，主要采取大地测量的监测网观测法。80年代后由于水电工程的开发及工程中遇到的边坡稳定问题，监测技术得到了较好的发展与应用。目前，国内外边坡监测技术方法已发展到一较高水平。由过去的人工用皮尺地表量测等简易监测，发展到仪器仪表监测，现正逐步实现自动化、高精度的遥测系统。监测技术方法的发展，拓宽了监测内容，由地表监测拓宽到地下监测、水下监测等，由位移监测拓宽到应力应变监测、相关动力因素和环境因素监测。监测技术方法的发展，很大程度上取决于监测仪器的发展。随着电子激光技术、GPS技术、遥感遥测技术、自动化技术和计算机技术的发展，监测工作效率和精度得到了很大提高。1.4工程边坡监测的特点与发展第2节边坡监测的方法与手段边坡监测的方法仍为：外观法、内观法、巡视观察法。2.1监测方法概述方法监测仪器监测方法的特点适用性评价大地测量法经纬仪水准仪测距仪投入快、精度高、监测范围大、直观、安全、便于确定滑坡位移方向及变形速率适应于不同变形阶段的位移监测；受地形通视和气候条件影响，不能连续观测全站仪、电子经纬仪等精度高、速度快，自动化程度高，易操作，省人力，可跟踪自动连续观测，监测信息量大适应于不同变形阶段的位移监测；适应于变形速率较大的边坡监测；受地形通视条件的限制，受气候条件影响较大近景摄影法陆摄经纬仪等监测信息量大，省人力，投入快，安全，但精度相对较低适应变形速率较大的边坡水平位移及危岩陡壁裂缝变化监测；受气候条件影响较大GPS法GPS接收机精度高投入快，易操作，可全天候观测，不受地形通视条件限制；目前成本较高，发展前景可观适应于边坡不同变形阶段的地表三维位移监测2.2外观法：方法、特点与适应性1）、该法主要有：两方向（或三方向）前方交会法，双边距离交会法，[以上监测二维水平位移（Ｘ，Ｙ）]；视准线法、小角法、测距法（以上方法用以监测单方向水平位移）；几何水准测量、精密三角高程测量法（观测垂直方向（Ｚ向）位移）。2）、常用高精度测角、测距的光学仪器和光电测量仪器。常用的有：WLLDT3经纬仪（测角中误差+-1秒）、N３水准仪（0.2mm）、MekometerME3000光电测距仪[精度+-（0.3mm+1ppm），测程３KM]、NE5000光电测距仪[精度+-（0.2mm+0.2ppm），测程５KM]、全站式电子速仪[测角精度２秒，测距精度+-（2mm+2ppm）]等。3）、此法的特点及适用范围量程不受限制，能大范围全面控制坡体，构成监测网.技术成熟、精度高，成果资料可靠。受地形通视条件限制和气象条件（风、雨、雪、雾等）影响，外业工作量大、周期长。此法适用于所有崩滑体不同阶段的监测。工作开始前，应立即设站建标投入监测。其成果可直接用于变形分析、稳定性评价和崩滑预报。A精密大地测量法传统测量法传统测量为：钢尺测量距离，水准仪测量高差，经纬仪测量角度（水平角和竖直角）。变形测量就是观测坐标（平面位置与高程）的变化，由于要求精度，故传统测量法难以满足监测需要。现代测量法随光学/电子技术/空间技术/计算机技术的发展，研制了能同时测量角度、距离和高差，并能自动计算的多功能仪器—全站仪，并进一步发展为可自动识别目标的测量机器人，使变形监测能满足工程需要。观测墩的建造外观法监测实施包括选点核观测墩建造，观测墩的造埋分为基准点和观测点。基准墩底座一律埋设在基岩上，下部嵌入基岩50~100cm，应现场浇灌混凝土。观测墩底座一律埋设在坡体，并在观测墩顶部安装强制对中基座。5030强制对中基座用沥青木板隔开混凝土地板地面1501602288022020120160x160x2011a基准点观测墩示意图细沙基岩地面4050~100100视基岩至地面距离而定250100~120b位移监测点观测墩示意图对蠕变坡体，观测墩埋设后应经过雨季考验，并且每半年应对基准点进行校核观测。网型及测点的布置，除地质因素外，还取决于崩滑体的范围、规模、地形地貌条件、通视条件及施测要求。一般采用的网型如下：1)、十字型适用于平面上窄长，范围不大，主轴方向明显的崩滑体。一般沿其主轴方向布设一排监测点，垂直于主轴方向布设若干排监测点，构成“十”字型或“丰”字型。大地测量网型及测点的布置2）、放射型适用于通视条件好，范围不大的崩滑体。在其外围稳定岩土体上，选择通视条件好的位置设置两处固定测站，以测站为原点按放射状设若干条测线，在测线终点稳定岩土体上设照准点，定期观测两组放射测网交叉点即观测点。优点是该网型观测时搬动仪器的次数少，但测点不均布，离测站较远的测点精度不高。3）、方格型适用于地形条件复杂，范围大的崩滑体。设置若干条不同方向的测线，纵横交叉，组成网，监测点设于交叉点上。由于该型只要求每条测线能通视，受地形