nr锚索监测预警系统在边坡浅层岩体劣化监测中的应用

nr锚索监测预警系统在边坡浅层岩体劣化监测中的应用

土地是人类生存最基本的物质基础。中国幅员辽阔，山区面积664.10。影响滑坡稳定性的因素众多，例如地形地貌、地质构造、岩性、降雨等，但这些因素对滑坡稳定性的影响程度尚无法定量确定。如降雨因素是影响滑坡稳定性的重要方面，但降雨量与滑坡发生的概率以及降雨后多长时间会发生滑坡等依然充满不确定性因此，本研究采用自主研发的“边坡滑动力NPR锚索监测预警系统”，在浙江新昌县陈家山村开展土地复垦诱发浅层岩体劣化全过程监测现场试验，探索利用该系统针对松散堆积层发育的边坡浅层岩体稳定性监测的有效距离灵敏度，为类似边坡稳定性监测提供参考。1epr锚层结构组成和安装工艺1.1基于能量吸收的nr锚索2010年，针对常规小变形锚索无法承受露天矿山边坡岩体大变形破坏而发生拉断失效的问题，本研究课题组研发出了一种具有能量吸收特性的NPR锚索NPR锚索1.2nar锚大变形能量吸收原理NPR锚索是一种可伸缩的复合型结构锚索，其工作阻力来源于恒阻体与恒阻套管间相对滑动产生的摩擦力1.3钻进保护岩体NPR锚索通过以下施工工艺实现对潜在滑动面上滑动力的传导监测：①在被监测部位按照一定角度钻孔，当钻孔穿过潜在滑动面后继续钻进6~10m，确保钻孔末端周围岩体稳定；②插入常规锚索束体，确保孔口外长度在边坡失稳破坏过程中，滑体推力对恒阻大变形锚索产生作用力，由于NPR锚索上具有预应力，安装在锚索末端的高精度力学传感器可以快速感知并测量出NPR锚索轴力，然后通过滑动力计算力学模型和数学表达式现场监测点装备安装如图3所示。2坡体变形现象研究区位于新昌县澄潭镇下陈家山村东北侧，于1984年首次发现滑动变形迹象，自在坡脚进行工业园区开发以来，陆续在坡体出现裂缝、台阶错落、地面隆起、地面塌陷等变形迹象，如图4所示，主要表现为坡体上民房开裂、水库堤坝位移下陷、部分田块塌陷和厂区局部道路开裂、隆起等特征。该滑坡未发生过大规模速滑运动，但长期以来一直有蠕滑的现象。直接威胁着陈家山93户居民222人的生命财产安全以及滑坡前缘处4家园区企业及其员工的生命财产安全。2.1研究区地貌单元根据地形地势变化特征，研究区玄武岩台地区地貌可以细分为玄武岩台地区、玄武岩台地边缘区和玄武岩台地前缘区3个区。根据地形地貌特征，研究区所处地貌单元属玄武岩台地前缘地带（图5）。研究区内玄武岩台地次级平台最高处位于小坑岭水库周边，高程在210m左右，最低处位于下陈家山村，高程约在140m左右，原始地形较平缓，坡度6°~12°，村落以下转折过渡带坡度较陡，坡度为20°~23°；下部玄武岩台地前缘斜坡地带坡度约12°，总体呈上缓—中陡—下缓的地形特征，地势最低处位于蛟澄线，高程约45m，地形总体起伏转折大。2.2白垩系上新统馆头组—地层岩性研究区域地层岩性由老至新依次包含白垩系下统馆头组砂岩砂砾岩、第三系上新统嵊县组玄武岩夹河湖相沉积层、第四系含碎（块）石粉质黏土松散堆积层。白垩系下统馆头组分布于整个玄武岩台地前缘地带，组成了研究区稳定的原始基底，如图6（a）所示；第三系上新统嵊县组主要分布于勘查区西部、西南部及下陈家山村区域，不整合覆盖于馆头组之上，主要岩性为橄榄玄武岩，如图6（b）所示，该层下卧间夹粘性土沉积层；第四系松散堆积层岩性为软塑—硬可塑状浅黄、黄褐色含碎（块）石粉质黏土，碎石成分主要为玄武岩、酸性熔岩及砂砾岩，与粉质粘土混合，结构松散。2.3热演化反应及构造研究区于丽水—余姚深断裂带西侧、嵊州—新昌白垩系火山构造洼地的中南部。区内褶皱构造不发育，断裂构造以NE向为主，次为NW向及近EW向，并集中分布于火山洼地的边缘及外侧，洼地内部断裂构造极少见；区内未见断裂分布，地层产状平缓，微向北倾，倾角为10°~15°。岩石中节理裂隙不太发育，仅在第三系嵊县组的橄榄玄武岩中柱状节理较发育。区内新构造运动的主要表现形式为地壳的升降运动，活动断裂在本区不明显。一般地震的震级小于4.75级，地震基本烈度小于Ⅵ度。2.4地下水保水层基岩裂隙水层组研究区据含水层性质、埋藏条件和径流排泄方式，地下水类型可分为松散岩层孔隙潜水和基岩裂隙水两大类。松散岩类孔隙潜水的含水层为崩坡积层和残坡积层，为弱含水层，连通性差，主要接受大气降雨补给，受季节影响，水位变化较大，沿地势低洼或沟谷处排泄，在低洼处形成多处水塘；基岩裂隙水主要分为粉砂岩基岩裂隙水和玄武岩孔隙裂隙水，其中粉砂岩基岩裂隙水含水层组由白垩系下统沉积岩为主的沉积碎屑岩组成，富水性贫乏，为相对隔水层。玄武岩孔隙裂隙水主要为嵊县组玄武岩夹沉积层孔隙潜水—弱承压水，地下水位总体变化不大但水位变化随降水量变化明显。2.5含碎块石粉质砂岩根据地层时代、岩性和岩土体特征，在勘探深度内主要划分为含碎（块）石粉质黏土、含块（碎）石粉质黏土、含碎（块）石粉质粘土、含砾粉质粘土、强风化砂岩、中风化砂岩。分层断面情况如图7所示。3土地恢复促进了对倾斜边坡上岩石的不良化进行监测3.1监控点的设计和监控设备的安装和调试3.1.1现场装备组成边坡滑动力NPR锚索监测预警系统主要包括力学传感器、数据采集模板、数据发射模板（基于物联网传输）、NPR锚索、北斗卫星发射系统、太阳能供电系统、点—面状灾害信息集中采集和传输系统，现场设备组成如图8所示。3.1.2监测点位施工研究区滑坡体呈椭圆形，长约300m，高差约30m。根据监测区地层岩性特征和智能监测仪器监测的灵敏度，在研究区共设计2个监测点，其中XC-1点位于陈家山下方水田旱地区域，高程约140m，监测点间距约80m。2019年7月21日—8月22日，XC-1点现场安装和调试。监测点钻孔深度约52m，其中锚固段16m，自由段36m，钻孔与水平面的夹角为25°；XC-2点钻孔深度约44m，其中锚固段15m，自由段29m，钻孔与水平面的夹角为25°。现场监测点纵断面如图9所示。3.2开挖顺序确定为提高工作效率，节省人力、物力，并确保试验过程的安全性，试验采用挖掘机机械开挖的方式进行，这也是土地复垦中最常用的方式，开挖方案如图10（a）所示。为保证开挖过程中的安全性，采取区域I，区域II，区域III的开挖顺序，且每个区域由西向东逐次开挖，开挖过程中连续对深部滑动力和监测点处表层破坏特征进行监测与记录。开挖前坡体表层被植被覆盖，无明显滑坡现象，根据监测点监测数据可知，深部滑动力变化幅度不大，故滑坡体处于相对稳定状态。开挖后坡体表层裸露，如图10（b）所示，开挖区域呈阶梯状，根据监测数据可推测，在整个土地复垦过程中，由于开挖导致的边坡变形引起了深部滑动力的变化。3.3土地恢复促进了整个平坦岩体的恶化过程的监测和报警分析3.3.1滑动力监测数据分析系统滑动力监测数据分析系统集采集数据、数据分析、实时监测、有效预警于一体。系统主要包括数据接收设备、数据处理软件系统和数据显示系统。滑动力监测数据分析系统将接收设备传来的数据存入数据库，进行分类汇总和计算处理，可随时进行查询和检索。监测区边坡稳定性演变特征也可以通过Internet网络及时发布，任何经过授权的用户终端都可以利用授权帐号和密码实时查询、检索、下载监测信息，及时掌握滑坡体稳定状态及演变特征，从而科学决策，尽早制定防治对策和发出预警信号，也可通过多源系统云服务平台3.3.2滑动力响应分析本次试验采用北斗卫星通讯系统搭建了数据无线传输网络，不受空间距离限制，实现了数据的无盲区传输。2019年8月22日—10月15日，XC-1监测点以1次/h的采集频率持续记录滑动力的大小，并将采集数据实时传输给远程数据处理系统，利用图表实时绘制的下滑力—时间监测预警曲线，如图11所示。2019年9月21日—9月25日，采取沿研究区自然坡度角由西向东、分区域集中开挖的方案。开挖过程中需人工清除已开挖台阶上残留树根并及时撒石灰粉进行消毒，开挖过后的梯田台阶宽度为4~5m。3.3.3监测结果与分析滑坡的发生要经历能量积累、能量释放、二次平衡等复杂的力学过程，在不同阶段滑坡体的变形也会不断变化。土地复垦过程中采用现场标记法，记录土地复垦机械开挖点与监测点的时空特征，分析边坡浅层岩体劣化变形特征与滑动力监测曲线演变特征的相关关系，揭示该系统对陈家山村特定地质条件边坡稳定性的监测灵敏度。本研究试验主要分为以下几个阶段：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）4滑动力监测结果分析（1）通过现场人工开挖试验，结合现场破坏现象以及滑动力曲线形式，验证了边坡滑动力NPR锚索结构可通过自身特点实现负泊松比效应从而忍受大变形，并具有能量吸收特性。（2）针对陈家山村松散堆积层发育的边坡类型，在土地复垦开挖扰动作用下，滑动力监测曲线并未出现类似岩质边坡失稳破坏所呈现的缓升型“不