CN112878340A - 一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法 - Google Patents

一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法 Download PDF

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李忠良
郑宏利
胡继波
张楠
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Abstract

本发明公开一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，包括监测预警系统、工程防护系统与植物防护系统，解决了以往加固工程缺少监测预警系统的问题，能够有效解决边坡失稳并预测滑坡面，从而保证边坡安全和后期运营安全，并且本发明将监测与加固相结合，既能够收集大量边坡滑坡数据，同时又有加固边坡的实际意义，收集的数据可为后续类似工程提供设计参数，避免类似边坡工程出现饱和式设计的工程浪费。

Description

一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法
技术领域
本发明属于边坡加固施工技术领域，具体涉及一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法。
背景技术
边坡是自然或人工形成的具有侧向临空面的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。由于边坡具有倾斜的临空面，在边坡自重及外力的作用下，整个坡体具有向下滑动的趋势，如果坡内某一结构面上滑动力等于或者大于坡体的抗滑力，边坡就会向下发生滑动，边坡失稳产生滑坡。
随着我国基础建设事业的发展，越来越多的边坡工程投入建设，边坡的常见加固方式主要分为工程加固和植物加固，前者的代表有挡土墙、预应力锚杆和混凝土喷护；后者的代表有植被保护和生态防护等。然而当前的边坡加固方式主要有两点缺陷。首先当前的边坡加固多以饱和式加固方法为主，即设计加固量远远大于边坡稳定所需要的安全量。如专利号为CN201911350804，名称为一种公路改造挖边坡加固结构及加固方法提出了使用石笼束缚砂石层的方法，加固量远大于实际边坡所需安全量；另外，边坡稳定性受到多种因素影响，诸如：地形地貌、地质构造、水文条件和气候条件等。此类外界因素可能发生改变，原有的加固设计可能并不能满足变化后的现实情况。而边坡一旦失稳会造成严重的地质灾害，轻则导致原有工程损坏，重则造成严重的人员与财产伤亡。因此，目前急需一种能够长期监测和预测边坡稳定性的边坡加固方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，能够有效解决边坡失稳并预测滑坡面，从而保证边坡安全和后期运营安全。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，包括智能监测系统，组建所述智能监测系统的具体步骤如下：
S1，组建监测预警系统：搭建FBG预应力锚杆，所述FBG预应力锚杆与数据处理机连接；
S2，建立工程防护系统：将步骤S1中的FBG预应力锚杆1埋设于边坡内，所述边坡坡面上喷射混凝土形成喷射混凝土面层，所述喷射混凝土面层与FBG预应力锚杆组成工程防护系统；
S3，建立植物防护系统：在边坡侧面的土体中锚固钢丝网，将麦秆穿插于钢丝网上，在钢丝网上喷射泥浆，在泥浆上种植防护植物；
S4，开启监测预警系统：
1)当监测到的FBG预应力锚杆的弯矩值小于FBG预应力锚杆的最大抗弯强度值，即未产生滑坡面，则继续监测；
2)当监测到的FBG预应力锚杆的弯矩值大于等于FBG预应力锚杆的最大抗弯强度值，即产生滑坡面，此时判断灾害等级，发布预警。
进一步的，步骤S1中，数据处理机监测FBG预应力锚杆自上而下的弯矩值，当边坡产生滑坡时，在滑动土体的滑动力作用下滑坡面处的锚杆弯矩值最大，锚杆弯矩的计算原理如下：
Figure BDA0002896428640000021
式中，M(Z)为深度Z处的锚杆弯矩值；
εa(Z)为外力作用下，深度Z处a方向光纤的锚杆应变，拉伸为正；
εb(Z)为为外力作用下，深度Z处b方向光纤的锚杆应变，压缩为负；
D为对称布设光栅光纤的间距；
E(Z)为锚杆的弹性模量；
I(Z)为深度Z处锚杆的截面惯性矩。
进一步的，所述步骤S1中，所述监测预警系统基于分布式光栅光纤技术，所述FBG预应力锚杆搭建方法为：在预应力锚杆外表面上对称刻有两个刻槽，将FBG光栅光纤埋设在刻槽中，使用快干胶封闭刻槽，即得到FBG预应力锚杆。
进一步的，所述步骤S2中，将FBG预应力锚杆按照设计要求的布设间距埋入边坡坡面的土体中，所述FBG预应力锚杆的端头裸露出所述边坡的坡面，再在所述边坡的坡面上喷射混凝土形成喷射混凝土面层，所述喷射混凝土面层完全包裹FBG预应力锚杆裸露在边坡坡面上的端头，使混凝土与FBG预应力锚杆在浇筑的过程中相互咬合。
进一步的，所述步骤S3中，所述麦秆穿插于钢丝网的孔洞中，所述麦秆用于保证喷射的泥浆能够牢牢吸附在边坡上，并为后期种子生长发育提供所需的土壤条件。
进一步的，所述步骤S4中，所述监测预警系统中的数据处理机计算滑坡土方量大小及预警值，并判断灾害等级。
进一步的，所述步骤S4中，滑坡土方量的计算原理为：
S＝W×D
式中，S为滑坡土方量，W为边坡宽度，D为滑坡面位置所确定的深度。
进一步的，所述步骤S4中，预警值的计算原理为：
Figure BDA0002896428640000031
式中，P为预警值，Sq为边坡土方量，δ为安全系数，所述安全系数根据工程重要性及工程所在位置取值。
进一步的，所述步骤S4中，当预警值大于1时，发布撤离预警；当预警值小于等于1时，发布加固预警。
进一步的，加固可通过边坡侧面的植物防护留下的处理空间进行工程加固。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，步骤简洁紧凑，环环相扣，包括监测预警系统、工程防护系统与植物防护系统，解决了以往加固工程缺少监测预警系统的问题，并且本发明可将监测的弯矩值与锚杆最大抗弯强度进行比较，再结合滑坡土方量和预警值等信息判断灾害等级，避免当地质环境发生变化后原有边坡稳定性无法得到保证的问题；并且本发明将监测与加固相结合，本发明既能够收集大量边坡滑坡数据，同时又有加固边坡的实际意义，收集的数据可为后续类似工程提供设计参数，避免类似边坡工程出现饱和式设计的工程浪费。
进一步的，本发明将工程防护系统与植物防护系统结合，绿色、生态且环保，并且在边坡侧面建立植植物防护系统，植物防护系统为后期发生滑坡需要的加固工程提供许多空间，非常便利。
进一步的，本发明既满足的边坡工程的加固作用，有良好的现实意义，又能通过智能监测系统收集滑坡信息为滑坡预警，为业内相关人士制定设计规范提供真实数据，降低现有的饱和式加固设计，降低工程材料消耗，具有很好的经济效益，在规范制定方面具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的边坡剖面图；
图3为边坡侧面图；
图4为FBG预应力锚杆细节图；
图5为FBG预应力锚杆剖面图。
附图中：1-FBG预应力锚杆、2-喷射混凝土面层、3-滑动面、4-数据处理机、5-数据线、6-边坡、7-钢丝网、8-防护植物、9-FBG光栅光纤、10-刻槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明为一种预测滑坡面位置的边坡加固施工方法，包括智能检测系统，智能检测系统为收集预测滑坡面所需要的信息做前期准备，智能检测系统包括工程防护系统、植物防护系统和监测预警系统。
监测预警系统包括具有FBG光栅光纤9的FBG预应力锚杆1，和通过数据线5与FBG预应力锚杆1中的FBG光栅光纤9连接的数据处理机4，监测预警系统的组建包括搭建FBG预应力锚杆1，并将FBG预应力锚杆1与数据处理机4连接，数据处理机4可以动态监测FBG预应力锚杆1测得的锚杆上的弯矩值，如图2所示，数据处理机4可埋设于边坡土体内部，通过蓄电池供电；也可露天安置，通过太阳能电池供电；数据处理机4内安装有SIM卡，可以通过电脑远程访问从而获得监测数据。
如图4、图5所示，FBG预应力锚杆1的搭建方法为：FBG预应力锚杆1上对称刻有2个刻槽10，每个刻槽10内均埋设有一FBG光栅光纤9，当FBG光栅光纤9埋设好后用快干胶密封刻槽10，刻槽10与不干胶用于保护FBG光栅光纤9，另外也可起到增加测量精准度的作用；
监测预警系统组建好后，需要对FBG预应力锚杆1、数据线5和数据处理机4进行调试，避免使用时出现问题。
如图2所示，工程防护系统包括按照设计要求埋设于边坡6坡面土体内的FBG预应力锚杆1，与FBG预应力锚杆1通过喷射方式连接的喷射混凝土面层2，工程防护系统的组建方法为：将FBG预应力锚杆1按照设计要求的布设间距埋入边坡6坡面的土体中，FBG预应力锚杆1的埋入边坡6坡面的角度根据设计要求而定，FBG预应力锚杆1的一端裸露出边坡6的坡面，再在边坡6的坡面上喷射混凝土形成喷射混凝土面层2，喷射混凝土面层2完全包裹FBG预应力锚杆1裸露在边坡6坡面上的一端，使混凝土与FBG预应力锚杆在浇筑的过程中相互咬合，在此过程中FBG预应力锚杆1的埋设长度和裸露长度以及浇筑的混凝土的厚度根据设计规范来确定。
如图3所示，植物防护系统包括通过钢钉锚固于边坡6侧面土体内的钢丝网7，以及穿插在钢丝网7孔洞上的麦秆，喷射于麦秆上的泥浆和种植在泥浆上的防护植物8；钢丝网7锚固在边坡6侧面土体中，钢丝网7的面积根据边坡侧面裸露面积而定；钢丝网7上的孔洞中穿插有麦秆，麦秆与钢丝网平行，麦秆保证喷射在钢丝网7上的泥浆能够牢牢吸附在边坡6上，并且麦秆还可以为后期种子生长发育提供所需的土壤条件，喷射泥浆的多少根据选择种植的防护植物种类和植物防护系统布设面积而定。
优选的，本发明中还在泥浆上喷洒种子营养液，为防护植物8提供营养。
本发明提供的智能监测系统基于分布式光栅光纤技术，将FBG光栅光纤9埋设于预应力锚杆内，利用数据处理机4监测锚杆自上而下的弯矩值。
建立好智能检测系统后，开启监测预警系统，通过数据处理机4动态监测FBG预应力锚杆1所测的锚杆上的弯矩值，当边坡产生滑坡时，在滑动土体的滑动力作用下滑坡面处的锚杆弯矩值最大，其原理可用下式表达：
Figure BDA0002896428640000061
式中，M(Z)为深度Z处的锚杆弯矩值；
εa(Z)为外力作用下，深度Z处a方向光纤的锚杆应变，拉伸为正；
εb(Z)为为外力作用下，深度Z处b方向光纤的锚杆应变，压缩为负；
D为对称布设光栅光纤的间距；
E(Z)为锚杆的弹性模量；
I(Z)为深度Z处锚杆的截面惯性矩；
1)当M(Z)<M时，即FBG预应力锚杆1的弯矩值未达到锚杆最大抗弯强度值，即未产生滑坡面，则继续监测；M为锚杆最大抗弯强度值；
2)当M(Z)≥M时，即FBG预应力锚杆1的弯矩值达到锚杆最大抗弯强度值，确定产生预警值的FBG预应力锚杆1的位置，即为滑坡面的位置；根据滑坡面深度计算滑坡土方量，滑坡土方量的计算原理简化为下式：
S＝W×D
式中，S为滑坡土方量，W为边坡宽度，D为滑坡面位置所确定的深度。
预警值的计算原理如下：
Figure BDA0002896428640000071
式中，P为预警值，Sq为边坡土方量，δ为安全系数，安全系数可根据工程重要性，工程所在位置如市区或山区等取值。
3)确定灾害等级：
当P>1，发布撤离预警；
当P≤1，发布加固预警。
优选的，灾害等级可根据滑坡土方量和边坡失效危害程度等综合判断。
优选的，加固可通过边坡侧面的植物防护留下的处理空间进行工程加固。

Claims (10)

1.一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，包括智能监测系统，组建所述智能监测系统的具体步骤如下：
S1，组建监测预警系统：搭建FBG预应力锚杆(1)，所述FBG预应力锚杆(1)与数据处理机(4)连接；
S2，建立工程防护系统：将步骤S1中的FBG预应力锚杆1埋设于边坡(6)内，所述边坡(6)坡面上喷射混凝土形成喷射混凝土面层(2)，所述喷射混凝土面层(2)与FBG预应力锚杆(1)组成工程防护系统；
S3，建立植物防护系统：在边坡(6)侧面的土体中锚固钢丝网(7)，将麦秆穿插于钢丝网(7)上，在钢丝网(7)上喷射泥浆，在泥浆上种植防护植物(8)；
S4，开启监测预警系统：
1)当监测到的FBG预应力锚杆(1)的弯矩值小于FBG预应力锚杆(1)的最大抗弯强度值，即未产生滑坡面，则继续监测；
2)当监测到的FBG预应力锚杆(1)的弯矩值大于等于FBG预应力锚杆(1)的最大抗弯强度值，即产生滑坡面，此时判断灾害等级，发布预警。
2.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，步骤S1中，数据处理机(4)监测FBG预应力锚杆(1)自上而下的弯矩值，当边坡产生滑坡时，在滑动土体的滑动力作用下滑坡面处的锚杆弯矩值最大，锚杆弯矩的计算原理如下：
Figure FDA0002896428630000011
式中，M(Z)为深度Z处的锚杆弯矩值；
εa(Z)为外力作用下，深度Z处a方向光纤的锚杆应变，拉伸为正；
εb(Z)为为外力作用下，深度Z处b方向光纤的锚杆应变，压缩为负；
D为对称布设光栅光纤的间距；
E(Z)为锚杆的弹性模量；
I(Z)为深度Z处锚杆的截面惯性矩。
3.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述监测预警系统基于分布式光栅光纤技术，所述FBG预应力锚杆(1)搭建方法为：在预应力锚杆外表面上对称刻有两个刻槽(10)，将FBG光栅光纤(9)埋设在刻槽(10)中，使用快干胶封闭刻槽(10)，即得到FBG预应力锚杆(1)。
4.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S2中，将FBG预应力锚杆(1)按照设计要求的布设间距埋入边坡(6)坡面的土体中，所述FBG预应力锚杆(1)的端头裸露出所述边坡(6)的坡面，再在所述边坡(6)的坡面上喷射混凝土形成喷射混凝土面层(2)，所述喷射混凝土面层(2)完全包裹FBG预应力锚杆(1)裸露在边坡(6)坡面上的端头，使混凝土与FBG预应力锚杆在浇筑的过程中相互咬合。
5.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述麦秆穿插于钢丝网(7)的孔洞中，所述麦秆用于保证喷射的泥浆能够牢牢吸附在边坡(6)上，并为后期种子生长发育提供所需的土壤条件。
6.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述监测预警系统中的数据处理机(4)计算滑坡土方量大小及预警值，并判断灾害等级。
7.根据权利要求6所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，滑坡土方量的计算原理为：
S＝W×D
式中，S为滑坡土方量，W为边坡宽度，D为滑坡面位置所确定的深度。
8.根据权利要求6所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，预警值的计算原理为：
Figure FDA0002896428630000031
式中，P为预警值，Sq为边坡土方量，δ为安全系数，所述安全系数根据工程重要性及工程所在位置取值。
9.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，所述步骤S4中，当预警值大于1时，发布撤离预警；当预警值小于等于1时，发布加固预警。
10.根据权利要求1所述的一种具有智能监测系统的边坡加固施工方法，其特征在于，加固可通过边坡侧面的植物防护留下的处理空间进行工程加固。
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