一、边坡监测:从被动防灾到主动预警的必由之路

山体滑坡是一种威胁人民生命财产安全的重大地质灾害。据统计,我国每年因滑坡造成的直接经济损失高达数十亿元,数百人失去宝贵生命。2015年7月,浙江省温州市发生一起特大山体滑坡事故,一个村庄被整个埋葬,43人遇难。这个惨痛的教训警示我们,必须高度重视边坡灾害防治工作。
在传统的边坡治理中,工程措施如支挡、锚固等占据主导地位。然而,这种被动式的防灾方法难以应对复杂多变的边坡灾害。随着科技的进步,边坡监测技术应运而生,从被动防灾转向主动预警,成为保障边坡工程安全的利器。通过布设各类传感器实时采集边坡位移、应力、水文等关键信息,并运用大数据分析技术进行智能预警,使得灾害发生前的征兆能够被及时捕捉,从而争取宝贵的防灾时间,最大限度减轻灾害损失。
当前,边坡监测技术已经广泛应用于公路、铁路、矿山、水利等各类边坡工程中,成为保障工程安全和生态文明建设的重要手段。接下来,我们将分类介绍几种主要的边坡监测技术及其应用案例,展示这双守护山体的”智慧眼”。

二、边坡位移监测:最直接有效的监测手段

边坡位移是评估边坡稳定性的最直接指标。通过测量边坡表面特征点的空间位置变化,可以掌握边坡变形的规律和趋势。目前,常用的边坡位移监测技术包括全站仪监测、GPS监测和雷达干涉测量等。
全站仪监测是一种可靠的传统测量方法。通过在边坡上布设若干监测点,利用全站仪定期观测各点的三维坐标,计算不同时期的坐标差值,即可得到各点的位移量。全站仪监测精度高,但需要人工操作,实时性较差。
GPS监测则克服了这一缺陷。通过在监测点安装GPS接收机,利用卫星导航定位原理实时测量各点的三维坐标,并通过无线通信技术实现数据自动传输和处理,从而实现全天候动态监测。GPS监测精度可达毫米级,且能够实现远程自动化监测,是当前应用最广泛的边坡位移监测技术。
雷达干涉测量是近年来兴起的一种新技术。它利用雷达信号的相位干涉原理,通过重复拍摄边坡表面的雷达影像,计算不同时相影像之间的相位差,从而反演出边坡表面各点的位移量。这种方法可以实现对整个边坡的大范围、高精度、远程监测,且不受天气和光照条件的影响,是未来边坡位移监测的重要发展方向。
在实际工程中,往往需要根据具体条件选择合适的位移监测技术。以某高速公路边坡为例,由于边坡分布范围广、交通不便,传统的全站仪监测难以实现全覆盖。经过方案比选,最终决定采用GPS监测系统。通过在边坡上布设20个GPS监测点,利用太阳能供电和4G无线传输,实现了24小时不间断监测。监测数据显示,该边坡整体变形速率为1.5mm/月,局部块体变形速率高达5mm/月,为边坡防治措施的及时实施提供了可靠依据。

三、边坡应力监测:揭示山体内部风险的利器

除了表面位移,边坡内部的应力状态也是评估稳定性的重要依据。应力监测可以洞察山体内部的受力变化,预警潜在的崩塌风险。钢筋计应力计和光纤光栅传感技术是目前应用较为成熟的两类边坡应力监测方法。
钢筋计是一种利用振弦原理测量应力的传感器,多用于监测边坡防护工程中锚杆或锚索的受力状态。通过将钢筋计预埋在锚杆内部,可以实时监测锚杆的轴向拉力变化,评估锚固结构的稳定性。钢筋计造价低、安装方便,适合大规模布设,但容易受电磁干扰,长期稳定性有待提高。
光纤光栅传感技术是近年来发展起来的新一代应力监测方法。它利用光纤中布拉格光栅对应力的响应特性,通过解调光栅反射光谱的中心波长偏移量,实现应力的高精度测量。这种方法具有分布式监测、抗电磁干扰、耐久性好等优点,尤其适合大型边坡的长期监测。
某矿山就采用了光纤光栅技术对一处大型边坡进行应力监测。工程师们在边坡主滑方向布设了3条光纤监测剖面,每条剖面埋设10个光栅传感点,实时监测边坡不同深度的水平应力变化。通过对监测数据的分析,发现边坡中部存在一条贯通的潜在滑裂面,应力集中明显。据此,设计并实施了重点加固措施,成功避免了一起潜在的大型滑坡事故。
四、边坡水文监测:排查滑坡隐患的必备手段
水是诱发山体滑坡的重要因素。地下水渗流会使土体饱和,降低抗剪强度;暴雨入渗会导致孔隙水压力骤增,破坏边坡稳定。因此,掌握边坡的水文状况对预警滑坡灾害至关重要。渗流压力计和土壤含水量监测是两种常用的边坡水文监测手段。
渗流压力计可以测量土体中的孔隙水压力。通过在边坡不同深度埋设压力传感器,实时监测地下水压力的动态变化,判断土体的饱和状态和渗流规律。当监测到压力突变时,往往意味着滑坡风险急剧增加,必须及时启动应急预案。
土壤含水量监测则反映了边坡表层土体的湿度状况。通过布设土壤水分传感器,实时测量土壤的体积含水量,可以掌握降雨入渗的过程和深度。当含水量超过某一阈值时,边坡的抗剪强度会显著降低,极易在暴雨条件下诱发浅层滑坡。
以某水库边坡为例,由于长期浸泡和周期性蓄水放水,边坡内部渗流问题十分严重。为此,专门布设了一套渗流压力自动监测系统,在关键部位的不同深度布设了30个压力传感器,通过无线传输将监测数据上传至云平台。根据大数据分析,水库运行期间,边坡迎水面的渗流压力可达到20kPa,且伴有明显的周期性波动,提示边坡存在深层滑动的风险。基于监测数据,工程师及时优化了水库调度方案,并对高风险区域实施了排水固结处理,有效消除了滑坡隐患。

五、集成化监测系统:边坡监测的未来之路

随着边坡灾害机理认识的深入和监测技术的进步,单一的监测手段已经难以满足日益复杂的工程需求。集成化监测系统应运而生,成为边坡监测领域的新趋势。
集成化监测是指在同一边坡体中布设多种类型的传感器,实现对位移、应力、水文等多参数的同步监测,并通过物联网和大数据分析技术进行综合评判和智能预警。这种”1+1>2″的模式可以全面刻画边坡的稳定状态,大幅提升监测的可靠性和预警的准确性。
以某高速公路为例,由于穿越连续分布的黄土地貌,沿线分布大量高陡边坡,滑坡、崩塌等地质灾害风险极高。为确保运营安全,沿线每5公里布设一个边坡监测站,每个监测站配置GPS位移监测、光纤光栅应力监测、渗流压力监测等多项监测手段,并配有高清视频监控和自动化数据采集传输装置,所有监测数据汇集至指挥中心的智能预警分析系统。该系统采用机器学习算法,对多源异构数据进行关联分析,并结合工程地质模型,对灾害发生的时间、位置、规模进行动态预警,为抢险抢修决策提供了科学依据,创新了边坡灾害防治的新模式。
集成化监测的关键在于数据分析和智能识别。大数据分析平台通过对海量监测数据进行挖掘,寻找边坡失稳的先兆信息和演化规律,建立多参数协同预警模型。人工智能算法则可以对监测数据进行自动分类、特征提取和模式识别,及时甄别异常状态,实现灾害预警的自动化和智能化。
对此,一位资深工程师分享了他的心得:”尽管集成化监测系统为边坡灾害防治带来了新的曙光,但仍然需要工程师的专业判断和经验总结。只有人机结合,才能真正实现边坡监测的可靠、高效、智能。此外,监测布设方案的优化设计也十分关键。需要根据边坡的工程地质条件、稳定状态、重要程度等,进行针对性的监测点位选址和监测参数配置,既要全面覆盖,又要突出重点,避免过度监测带来的资源浪费。”

六、结语:边坡监测助力工程安全和生态文明建设

边坡监测技术经过半个世纪的发展,已经从单一手段到集成化系统,从人工到自动化、智能化,从事后到预警,实现了一次次跨越。它犹如一双守护山体的”智慧眼”,时刻注视着边坡的一举一动,为保障工程安全和人民生命财产安全发挥着不可替代的作用。
在国家”工程安全风险防控”和”生态文明建设”的战略背景下,边坡监测技术必将迎来更加广阔的应用前景。随着传感技术、通信技术、大数据和人工智能等新技术的深度融合,边坡监测系统将更加智能、高效、经济,为各类边坡工程提供更加可靠的安全保障。
同时,我们也要认识到,再先进的监测技术也不是万能的,它只是边坡灾害防治的一项辅助手段。从根本上防治边坡灾害,还需要因地制宜的工程措施,合理的土地利用规划,以及全社会的风险防范意识。只有工程措施与非工程措施并重,监测预警与应急处置并举,才能真正实现山体滑坡的综合治理,为人与自然的和谐共生构建坚实屏障。