基于多源數(shù)據(jù)的公路邊坡穩(wěn)定遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

甘露，袁潤，賈偉

1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省宜巴高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜昌 443700；4.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430002

基于多源數(shù)據(jù)的公路邊坡穩(wěn)定遠(yuǎn)程實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

甘露1，袁潤2，4，賈偉3

1.湖北省交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北省宜巴高速公路建設(shè)指揮部，湖北 宜昌 443700；4.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430002

針對傳統(tǒng)邊坡監(jiān)測方法測量精度低、監(jiān)測參數(shù)類型單一及自動化程度低等問題，提出了基于GPS技術(shù)的多源監(jiān)測方法.首先建立現(xiàn)場監(jiān)測單元，實時獲取多維參數(shù)；然后利用GPRS無線通信技術(shù)建立數(shù)據(jù)通信單元，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動化傳輸；最后利用計算機技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲、分析及災(zāi)害預(yù)警的功能，達(dá)到了監(jiān)測的實時、自動化、全天候等要求.該系統(tǒng)能及時預(yù)測邊坡地質(zhì)災(zāi)害，發(fā)布預(yù)警信息，以減少人員與財產(chǎn)損失.

GPS技術(shù)；多源監(jiān)測；GPRS

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路邊坡失穩(wěn)事故頻繁發(fā)生，給社會經(jīng)濟和人民生命安全造成了嚴(yán)重影響.因此，預(yù)防邊坡災(zāi)害成為公路工程建設(shè)和運營過程中的必要環(huán)節(jié)［1］.

大山坡隧道邊坡位于宜昌市夷陵區(qū)官莊鎮(zhèn)境內(nèi)，全長200m高約60m，為一五級邊坡.據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果，工程區(qū)所處大地構(gòu)造位置屬于新華夏系第二沉降帶的次級構(gòu)造－宜昌單斜凹陷之上，構(gòu)造簡單，無區(qū)域性斷裂構(gòu)造，屬穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)段.區(qū)內(nèi)普遍出露白堊系地層，巖層產(chǎn)狀115°∠9°.工程區(qū)出露基巖為白堊系下統(tǒng)五龍砂巖，屬軟質(zhì)巖類，力學(xué)強度較不均勻；表層零星分布第四系殘坡積粘性土等松散土層.水文地質(zhì)條件比較簡單，主要為基巖裂隙水等，賦水性一般較弱.本監(jiān)測系統(tǒng)以3S技術(shù)，電子技術(shù)，計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，高效準(zhǔn)確監(jiān)測邊坡的實時動態(tài)并進(jìn)行危險預(yù)警，為宜巴高速公路的安全施工和正常運營提供科學(xué)依據(jù).

1 監(jiān)測項目

在工程應(yīng)用中，邊坡監(jiān)測包括地表位移監(jiān)測、地下變形監(jiān)測、影響因素監(jiān)測和宏觀地質(zhì)監(jiān)測等［2］.本系統(tǒng)結(jié)合大山坡隧道邊坡的結(jié)構(gòu)特點和地質(zhì)水文條件，選取邊坡位移、土體應(yīng)力、間隙水壓對邊坡進(jìn)行多源監(jiān)測，確保監(jiān)測信息全面有效.本系統(tǒng)的主要監(jiān)測項目及設(shè)備如表1所示.

表1 主要監(jiān)測項目及設(shè)備Table 1 Mainmonitoring projects and equipments

監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與監(jiān)測位置的選取有一定關(guān)系.傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測主要是施工監(jiān)測，確保施工期邊坡的安全.本次監(jiān)測著重于評價邊坡施工期和運營期的穩(wěn)定性，對滑坡的邊界條件、滑坡規(guī)模、滑動方向、滑坡發(fā)生時間及危害程度等作出預(yù)測預(yù)警.因此，在邊坡位移監(jiān)測中，首先估計主要滑動方向，按滑動方向及范圍確定測線；其次選取典型斷面，布置測線；再按測線布置相應(yīng)監(jiān)測點，通過空間布展形成監(jiān)測網(wǎng)［3］.本系統(tǒng)中有5個位移監(jiān)測點及1個監(jiān)測基準(zhǔn)點，基準(zhǔn)站布設(shè)在周邊基巖.其中1號點位于2、3階層交接坡肩；2號點位于2階中心位置；3號點位于2階靠近山谷端；4號點位于4階中心位置；5號點位于4階邊坡靠近山谷端.具體位移監(jiān)測點位置如圖1所示.

圖1 監(jiān)測點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of themonitoring position

在土體應(yīng)力監(jiān)測和間隙水壓監(jiān)測中，根據(jù)不良地質(zhì)及有特殊要求的地段，在邊坡中心左右5m處各設(shè)置1個監(jiān)控量測斷面，土壓力計和振弦式滲壓計分別位于監(jiān)測斷面的1、2階處.

2 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場采集單元，信息傳輸單元，數(shù)據(jù)庫單元和計算機控制單元等四部分組成（圖2）.

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)圖示Fig.2 Diagram of themonitoring system

現(xiàn)場采集單元以微型處理器MCU作為控制核心，通過放大電路，測量電路連接監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集的頻率可由工程需要自行設(shè)定.在現(xiàn)場采集單元中，為解決GPS技術(shù)監(jiān)測成本高的問題，本系統(tǒng)采用一機多天線技術(shù).一機多天線技術(shù)利用微波開關(guān)，控制多個天線以分時復(fù)用的方式共享一臺GPS接收機，從而使一臺GPS接收機可以對多個測點監(jiān)控，使昂貴的GPS接收機陣列轉(zhuǎn)變?yōu)樘炀€陣列，使監(jiān)測成本成倍降低［4］.

信息傳輸單元主要完成數(shù)據(jù)信息的傳輸工作.實際中，因考慮了遠(yuǎn)距離無線通信穩(wěn)定性和使用成本等因素，而選用GPRS通信設(shè)備.GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無線服務(wù)，它是利用“包交換”（Packet－Switched）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式. GPRS的最大優(yōu)勢是它的數(shù)據(jù)傳輸速度，這是WAP數(shù)據(jù)傳輸不能比擬的，且因GPRS具有“永遠(yuǎn)在線”的特點，也即用戶隨時與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，這樣能保證數(shù)據(jù)在傳送過程中的快速、準(zhǔn)確、可靠等明顯效果.現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過串行接口RS485傳輸至GPRS無線通信模塊后，由GPRS模塊將所有信息傳至數(shù)據(jù)庫中心，從而完成數(shù)據(jù)信息的高效快速傳輸，以達(dá)到遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的要求.

數(shù)據(jù)庫單元接收數(shù)據(jù)信息后，將完成3項工作：a.監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理.由于現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)存在較多缺陷，數(shù)據(jù)庫中心將使用最小二乘法，三次樣條插值法和Mallat算法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完善監(jiān)測數(shù)據(jù)；b.GPS數(shù)據(jù)解算.GPS接收機上傳的原始數(shù)據(jù)格式為RT17，RT17包含載波相位數(shù)據(jù)和星歷等數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫中心的實時解算才能得到監(jiān)測需要的信息［5］.c.數(shù)據(jù)保存和輸出，所有處理解算后的數(shù)據(jù)將保存在數(shù)據(jù)庫中心并可輸出至監(jiān)測終端.

計算機控制單元具有以下功能：a.數(shù)據(jù)采集管理.通過遠(yuǎn)程傳輸指令給MCU，實時管理現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備；b.數(shù)據(jù)分析.將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成過程線分析圖，斷面分析圖和安全評價分析圖；c.數(shù)據(jù)輸出.完成數(shù)據(jù)的整理，形成日報表并輸出到數(shù)據(jù)庫中；d.發(fā)布預(yù)警信息.根據(jù)數(shù)據(jù)分析圖和有限元建模確定的滑坡閾值進(jìn)行預(yù)警反饋，預(yù)警的方式包括短信和電子郵件等.圖3所示為計算機控制系統(tǒng)主界面.

圖3 計算機控制系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the computer－control system

3 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測系統(tǒng)獲取邊坡各項監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過與已確定的滑坡閾值進(jìn)行比對，可以判定邊坡的穩(wěn)定程度和預(yù)警級別.在本系統(tǒng)中，為了得到較準(zhǔn)確的滑坡閾值，采取有限元強度折減法進(jìn)行數(shù)值分析，模擬軟件根據(jù)有限元的計算結(jié)果得到邊坡破壞滑動面和邊坡強度儲備安全系數(shù)［6］.根據(jù)摩爾－庫倫強度準(zhǔn)則，邊坡的強度折減系數(shù)可表示為：

c為巖土體粘聚，φ為內(nèi)摩擦角，ω即為強度折減系數(shù).

自2012年7月監(jiān)測系統(tǒng)安裝應(yīng)用至今，獲取了多種邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài).圖4為2012年8月份邊坡應(yīng)力監(jiān)測圖，圖5為2012年8月份間隙水壓力監(jiān)測圖，圖6為2012年8月份GPS水平位移監(jiān)測圖.

通過ANSYS模擬分析可知，取安全系數(shù)F＝1.5時，1號監(jiān)測點臨滑水平應(yīng)力為652.7 kPa，2號監(jiān)測點臨滑水平應(yīng)力為317.2 kPa.在圖4中1號土壓力計最大數(shù)值為421.3 kPa，2號監(jiān)測點最大數(shù)值為265 kPa，均不超過臨滑控制值，各點應(yīng)力水平較低.

圖4 邊坡應(yīng)力監(jiān)測Fig.4 Slope stress－monitoring graph

圖5 間隙水壓力監(jiān)測Fig.5 Interstitial water pressure－monitoring graph

在邊坡災(zāi)害中，降雨和地下水會使間隙水壓有一定量的增加，從而使土體的有效應(yīng)力減少，抗剪強度降低，土體的整體強度衰弱.在圖5中，間隙水壓力值整體平穩(wěn)，其中1號滲壓計的最大值僅為615.3 kPa，小于監(jiān)測控制值，對邊坡穩(wěn)定的影響較小.

ANSYS模擬分析可知，取安全系數(shù)F＝1.5時，1號監(jiān)測點臨滑位移X1＝25.69mm，2號監(jiān)測點臨滑位移X2＝40.32 mm，3號監(jiān)測點臨滑位移X3＝55.7mm，4號監(jiān)測點臨滑位移X4＝30.29mm，5號監(jiān)測點臨滑位移X5＝36.12mm.圖6中GPS水平位移值均小于臨滑值，邊坡各點處于穩(wěn)定范圍內(nèi).

圖6 水平位移監(jiān)測Fig.6 Horizontal displacementmonitoring graph

4 結(jié)語

宜巴高速公路邊坡穩(wěn)定遠(yuǎn)程多源實時監(jiān)測系統(tǒng)采用GPS全站儀與土壓力計，振弦式滲壓計的組合，對公路邊坡多源監(jiān)測，為進(jìn)一步數(shù)據(jù)融合提供了信息基礎(chǔ)，提高了監(jiān)測分析的準(zhǔn)確性.現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備通過微型處理器控制，可以按需調(diào)整采集頻率，降低了監(jiān)測設(shè)備的工作負(fù)荷，提高其有效使用率.同時，在系統(tǒng)中使用GPRS無線通信技術(shù)和計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)了監(jiān)測的實時、自動化、全天候等要求.

本系統(tǒng)不僅能有效監(jiān)測公路邊坡災(zāi)害，而且可以推廣到鐵路、水庫、礦山等工程建設(shè)項目中.另外，采用該系統(tǒng)能及時預(yù)測邊坡地質(zhì)災(zāi)害，供政府部門采取措施整治，發(fā)布預(yù)警信息，有效避免交通安全和人民生命財產(chǎn)損失.

致謝

感謝湖北宜巴高速公路建設(shè)指揮部對本項目的支持！

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Design of real－timemonitoring system for freeway slope based on multisource remote

GAN Lu1，YUAN Run2，4，JIAWei3
1.Hubei Provincial Communications Investment Group Co.，Ltd，Wuhan 430074，China；2.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；3.The Construction Headquarters of Yichang to Badong Freeway，Yichang 443700，China；4.China Construction Third Engineering Bureau Co.，Ltd，Wuhan 430002，China

Aimed at the low measuring precision，single type ofmonitoring parameters and low automation，a multi-source data monitoring method based on GPS technology was proposed.Firstly，the on-site monitoring unit was established to obtain real-time multi-dimensional parameters.Then，the data communications unit was established by using GPRS wireless communication technology to realize automatic transmission of site monitoring data.Finally，themonitoring and warning system was established by using computer technology，to realize the function of storage and analysis ofmonitoring data and disaster warning，which meets the requirements of real-time，automated and all-weather detection，etc.The system can forecast slope geological disaster and release warning information promptly，which would reduce the personnel and property losses.

GPS technology；multisourcemonitoring；GPRS

TU196

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.12.007

1674－2869（2015）12－0031－05

本文編輯：龔曉寧

2015－10－14

甘露（1983－），男，湖北蘄春人，工程師.研究方向：道路工程施工與管理.