山區(qū)高速公路開挖邊坡失穩(wěn)監(jiān)測預警系統(tǒng)研制

楊德龍，王洪輝，黃凡，張貴宇，張兆義

（1.貴州省公路工程集團有限公司貴州貴陽550000；2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059）

公路滑坡是常見的地質災害，從目前可檢索文獻數(shù)據(jù)庫來看，對施工期、運營期公路邊坡進行監(jiān)測并成功預警的實例卻很少[1]。主要原因是公路邊坡點多、線長、規(guī)模小、缺乏詳細的地質勘探資料、監(jiān)測費用高、預警難度大；加之施工工期一般不長，設計方、施工方往往更關注施工本身的進度、質量，對于公路開挖邊坡失穩(wěn)監(jiān)測預警工作開展較少，導致了這類科學問題研究較少。

以貴州省畢節(jié)至威寧高速公路（以下簡稱畢威高速公路）第4～6合同段為例，由于本路段邊坡地形髙陡，病害規(guī)模較大，一旦坡體失穩(wěn)，將對現(xiàn)場施工人員生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅；同時，對安全事故的處理，必然會增加工程費用，影響工期。因此，開展施工期邊坡監(jiān)測預警，是確保施工安全的重要措施與手段。另一方面，施工期安全監(jiān)測預警是合理制定邊坡處治優(yōu)化方案的需要。通過邊坡地表與深部變形、位移及降雨量等方面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，一方面可以更準確地把握邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，另一方面還能夠較為準確地確定邊坡變形的邊界條件，如變形范圍、發(fā)育深度等，使邊坡處治措施更有針對性。

就山區(qū)高速公路開挖邊坡基本特征而言，大多數(shù)為路塹邊坡，誘發(fā)的最典型地質災害為滑坡災害，這類災害主要破壞機理在于變形及外界誘發(fā)因素，變形表現(xiàn)主要在地表裂縫擴張、深部位移增大等，外界誘發(fā)因素主要包括氣象、人為振動等，而局地強降雨最為嚴重[2]，往往誘發(fā)大規(guī)模地質災害發(fā)生。

1 系統(tǒng)設計

根據(jù)山區(qū)高速公路開挖邊坡失穩(wěn)的基本特征，以及考慮到公路施工現(xiàn)場的實際情況，研制一套基于變形監(jiān)測與誘發(fā)因素監(jiān)測為主的公路邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)[3]，對于山區(qū)高速公路的建設及運營具有重要意義。

圖1所示為系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

系統(tǒng)由傳感網(wǎng)SS（Sensor System）、傳輸網(wǎng)TS（Transmission System）、數(shù)據(jù)管理DMS（Data Management System）、報警（Alarm System）共4部分組成。

其中傳感網(wǎng)SS由傳感器陣列、信號調理電路[4]、數(shù)據(jù)采集、MCU單元組成，傳感器陣列分為兩類，一類為形變傳感，用于拾取公路開挖邊坡的變形特征，本系統(tǒng)采用地表裂縫位移傳感單元和傾斜度傳感單元構成；另一類為誘發(fā)因素傳感，本系統(tǒng)重點研究了雨量傳感器，用于獲取局地強降雨信息。

傳輸網(wǎng)TS數(shù)據(jù)發(fā)送DSS和數(shù)據(jù)接收DRS兩部分，對于大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而言，無外乎有線傳輸與無線傳輸兩種?？紤]到山區(qū)高速公路的實際情況，本系統(tǒng)采用了無線傳輸方式中的GSM傳輸模式，此方式能夠很好地解決監(jiān)測現(xiàn)場的布線困難、拆裝移機、布線保護等難題。并且，根據(jù)實地調查發(fā)現(xiàn)，畢威高速公路第4～6合同段中國移動通信網(wǎng)絡信號覆蓋十分全面，手機信號強度良好，便于本系統(tǒng)的實際實施。

數(shù)據(jù)管理DS主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理，包括數(shù)據(jù)的實時可視化、快捷存儲、訪問、安全備份。

報警AS系統(tǒng)分為兩部分，一部分為現(xiàn)場報警，一部分為監(jiān)控室內及遠程報警?，F(xiàn)場報警采用了高分貝、高亮度民用警報器，充分考慮了公路施工現(xiàn)場的嘈雜等干擾因素，提高預警響應能力[5]。監(jiān)控室內報警采用了聲光報警，用于提醒監(jiān)控室值班人員啟動應急預案；另外，本系統(tǒng)增加了短信息遠程報警功能，通過PC軟件植入短信息發(fā)送模塊，當邊坡災害臨災時，以短信息的方式第一時間發(fā)送到相關管理者制定手機上，以便快速響應與決策，提高應急處置能力。

2 軟、硬件設計

2.1 傳感網(wǎng)

1）地表裂縫位移監(jiān)測單元采用拉繩位移傳感器MSP-1000，以電壓輸出方式反映位移變化，具有較好的線性度，線性精度達0.04%FS（Full Scale，滿量程刻度值），最大拉伸速度可達1 000 mm/s。位移傳感器結構小巧，安裝空間尺寸小，外殼和線輪均經(jīng)過防腐處理，牽引繩為不銹鋼外敷特氟龍，非常適合在惡劣環(huán)境下工作，根據(jù)實際應用可選擇不同的量程（100～50 000 mm），可通過固定樁將傳感器跨接于裂縫兩端，傳感器拉伸端隨裂縫發(fā)育而變化。

2）傾斜度監(jiān)測單元傾斜度監(jiān)測單元采用了芬蘭VTI公司推出的SCA100T-D02雙軸傾角傳感器。該傳感器利用MEMS技術開發(fā)，集微型傳感器、微型機械結構、信號處理和控制電路、通訊接口等于一體，其測量范圍±90度，單電源5 VDC供電，工作電流3 mA，比例電壓輸出；在采樣頻率為8 Hz及以下時，可獲得0.002°的輸出分辨率；11位數(shù)字SPI或模擬輸出；內置溫度傳感器。SCA100T以其長期穩(wěn)定性好、溫度特性優(yōu)良、抗沖擊能力強的優(yōu)勢廣泛應用于雙軸平臺調平、傾斜測量及垂直方向的各種角度的測量中。

3）降雨監(jiān)測單元雨量傳感器采用容柵傳感器技術設計，容柵傳感器具有結構簡單、分辨率高、抗干擾能力強、動態(tài)響應速度快等優(yōu)點，適合在惡劣環(huán)境下工作。雨量傳感器實現(xiàn)了數(shù)字化輸出，提高了后繼數(shù)據(jù)采集電路分辨率。雨量監(jiān)測單元以C8051F350單片機為核心，可直接通過計數(shù)器輸入引腳記錄傳感器輸出脈沖數(shù)量。

2.2 傳輸網(wǎng)

基于體積小和功能可擴展性考慮，系統(tǒng)選用了Telit公司的GC864-DUAL-V2，該模塊提供標準的AT命令接口，開發(fā)簡便。硬件電路上，GC864提供CMOS電平的UART接口，可以直接與單片機的UART相連。對于野外監(jiān)測節(jié)點，為了實現(xiàn)無人值守監(jiān)測，GSM的開、關機均由單片機的GPIO控制邏輯電路實現(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理由操作顯示界面及數(shù)據(jù)庫兩部分組成，可實時顯示、存儲接收到的監(jiān)測信息。顯示包括數(shù)據(jù)顯示及圖形化顯示，軟件界面簡化美觀，具備良好的人機界面接口，可方便地進行數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測點和監(jiān)測區(qū)參數(shù)的設定、監(jiān)測數(shù)據(jù)表格形式導出、監(jiān)測數(shù)據(jù)圖形化導出、用戶管理和用戶權限管理等功能。圖2所示為監(jiān)測數(shù)據(jù)列表顯示界面。

圖2 專家系統(tǒng)軟件Fig.2 Diagram of the expert system software

2.4 報警單元

預警單元由聲光預警和短信預警兩部分組成。聲光報警器安裝在監(jiān)測節(jié)點現(xiàn)場，預警閾值預先嵌入至單片機，單片機將監(jiān)測信息值與預警閾值進行比較，當其等于或大于預警閾值時，啟動聲光報警器，提醒災區(qū)群眾及時撤離[2]。

在啟動聲光報警器的同時，以短信群發(fā)的方式向指定人員發(fā)布預警信息，以便及時組織疏散災區(qū)群眾，最大限度減少人員傷亡及財產(chǎn)損失。

2.5 供電單元

由于本系統(tǒng)的監(jiān)測對象多處于較偏遠的山區(qū)及丘陵地帶，環(huán)境十分惡劣，市電供電十分困難，公路施工多數(shù)采用柴油發(fā)電機供電，無法保障夜間監(jiān)測需要。為此，本系統(tǒng)研發(fā)了基于太陽能+大容量鉛酸蓄電池的組合供電方式。該方式在白天日照充足的情況下，一部分直接給監(jiān)測系統(tǒng)供電，一部分由太陽能充電管理器通過光伏轉換電路將能源源源不斷地儲存到大容量蓄電池內，待日照不足時再由蓄電池給監(jiān)測系統(tǒng)供電，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的全天候連續(xù)監(jiān)測。充電管理器采用了單片式降壓型電池充電管理器LT3652，它可操作于4.95～32 V電壓寬范圍輸入，能夠給多種電池組配置充電，包括單節(jié)至3節(jié)串聯(lián)鋰離子/鋰聚合物電池、單節(jié)至4節(jié)串聯(lián)LiFePO4（磷酸鐵鋰）電池和高達14.4 V的密封鉛酸（SLA）電池。

2.6 軟件設計

1）監(jiān)測節(jié)點軟件設計采集節(jié)點軟件設計基于Silicon Laboratories IDE平臺，采用單片機C51語言開發(fā)，分為主函數(shù)和子函數(shù)模塊，主函數(shù)模塊依次調用各子函數(shù)，子函數(shù)模塊主要包括GPIO控制、數(shù)據(jù)采集、GSM模塊AT指令控制、電源管理控制。

2）上位機數(shù)據(jù)管理軟件設計上位機數(shù)據(jù)管理軟件包括實時顯示界面與數(shù)據(jù)庫管理兩部分。實時顯示界面采用VC++開發(fā)，界面美觀，易于操作；數(shù)據(jù)庫由Power Builder平臺開發(fā)設計，可在內存、CPU能力和磁盤空間有限的情況下有效地運行，還包括多用戶支持、針對多CPU的伸縮性以及高級并發(fā)功能。

3 工程應用及結論[6]

本系統(tǒng)在黔畢威高速公路第4～6合同段部分開挖邊坡進行了地質災害監(jiān)測應用。以第4標段K85+80～+220R邊坡為例，通過現(xiàn)場地質調查，該斜坡為發(fā)育在玄武巖地層中的老滑坡。該處邊坡在開挖后，坡面局部性垮塌嚴重。在坡頂平臺出現(xiàn)多條橫坡向的拉張裂縫，坡頂平臺變形嚴重，出現(xiàn)明顯的下錯和平移，穩(wěn)定性較差。施工期間進行降雨量、傾斜度、地表裂縫等方面的監(jiān)測。

實際中，在滑坡后緣布置了1條裂縫監(jiān)測斷面，采用了3個地表裂縫位移監(jiān)測節(jié)點；在滑坡后緣布置1條固定傾斜度監(jiān)測斷面，監(jiān)測帶上間隔50 m安裝1套傾斜度監(jiān)測儀，采用了3個傾斜度監(jiān)測節(jié)點；根據(jù)滑坡體縱向長度，在滑坡的上部區(qū)域安裝了1套降雨量監(jiān)測儀，用于實時監(jiān)測局部降雨信息，分析降雨誘發(fā)因素對滑坡穩(wěn)定性影響，特別對于局地強降雨能夠發(fā)布預警，及時提醒周圍施工現(xiàn)場注意防范滑坡災害。該系統(tǒng)目前運行正常，從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，邊坡局部出現(xiàn)了一定的垮塌，局部地區(qū)裂縫擴張了10 mm左右，但從總體情況來看，該邊坡穩(wěn)定性較好，進一步失穩(wěn)的可能性較小。但根據(jù)公路建設的實際需要，仍需加強監(jiān)測，以自動化監(jiān)測系統(tǒng)為主，人工監(jiān)測為輔，可適當降低人工監(jiān)測頻率。

總體來說，本系統(tǒng)實現(xiàn)了山區(qū)高速公路開挖邊坡失穩(wěn)監(jiān)測預警的研制目標，完成了地表裂縫位移、傾斜度、降雨量傳感網(wǎng)，基于GSM的傳輸網(wǎng)，數(shù)據(jù)管理與現(xiàn)場報警等單元的研發(fā)。同時，針對野外工作環(huán)境，該系統(tǒng)采用了防水、耐腐蝕等技術設計，能夠較好地滿足實際應用要求。

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